页岩气集输管道弯头气液固三相冲蚀磨损特性研究.docx

? ? 页岩气集输管道弯头气液固三相冲蚀磨损特性研究* ? ? 王 静 李长俊 吴 瑕 (西南石油大学石油与天然气工程学院) 0 引 言 页岩气分布广泛，储量丰富，在油气资源中占比大，保证页岩气的增收、保收对优化全球能源产业结构意义重大。由于页岩气田特殊的储层结构及水力压裂开采方式的应用，采出页岩气中含有水及大量的砂粒[1-2]。高压气流携带砂粒在集输管道内高速运动，导致页岩气集输管道，尤其是弯头面临严重的冲蚀威胁[3-4]。而且页岩气气田生产压力衰减快，导致集输管道内的含水量及含砂量随生产阶段推进而变化，进而影响管道中砂粒的运动状态及砂粒与气流的相间作用，引起集输管道内冲蚀状态及速率发生相应变化，这给不同生产时期的页岩气集输管道的冲蚀风险管理与防护带来挑战。 目前，已有诸多学者围绕页岩气集输管道的冲蚀问题开展了研究。周兰等[5]采用数值模拟方法建立了页岩气压裂管汇弯头冲蚀磨损模型，研究了液固两相冲蚀机理。吴贵阳等[6]利用喷射式冲蚀试验装置，研究了页岩气开采初期采气管道弯头在液固两相条件下的冲蚀磨损规律。邱亚玲等[7]及成芳等[8]采用数值模拟方法研究了页岩气压裂时弯头的冲蚀磨损规律。祝效华等[9]采用数值模拟方法研究了页岩气高压管汇在气固两相条件下的冲蚀磨损特性。分析可知，以上诸多研究主要是在压裂返排期液固两相流和气固两相流条件下[10-12]，对页岩气集输管道弯头两相流冲蚀磨损特性有了一定的认识。但值得注意的是，页岩气正常生产期集输管道往往含有游离水，游离水与砂粒及天然气流动的耦合，从而引起气液固三相冲蚀，不同于气固及气液两相条件下页岩气管道弯头冲蚀磨损特性。以上研究并未分析气液固三相流对弯头冲蚀特性的影响，而且这一问题尚未引起广泛关注，导致气液固三相流条件下页岩气集输管道弯头的冲蚀磨损特性及砂粒直径、介质流速等关键因素对集输管道冲蚀速率的影响规律尚不明确，难以在页岩气不同生产阶段对集输系统进行高效的管理监测和冲蚀防护。 为了解决上述问题，笔者基于多相流理论，采用CFD方法建立了页岩气集输管道弯头内的气液固多相流动冲蚀模型。结合现场数据，对管道弯头内气液固多相流动冲蚀过程进行数值模拟。通过模型求解，得到了气固、气液固、液固等不同含水条件下弯头冲蚀损伤位置及冲蚀速率大小变化，分析了不同含水体积分数对页岩气集输管道弯头冲蚀速率的影响，同时分析了不同介质流速、砂粒粒径、砂粒质量流量对集输管道弯头的冲蚀影响规律。 1 数学模型 1.1 连续相控制方程 页岩气集输管道中，气液两相在弯头内流动时满足质量守恒方程与动量守恒方程： (1) (2) 1.2 离散相控制方程 页岩气集输管道的砂粒在弯头内的运动满足牛顿第二定律，考虑砂粒运动过程所受的升力、曳力(阻力)建立砂粒的运动控制方程。本文在计算时忽略砂粒形状系数的影响，简化砂粒形状为球形，采用Morsi and Alexander球形颗粒模型： (3) 式中:up为离散相速度，m/s；u为连续相速度，m/s；ρp为离散相密度，kg/m3；ρ为连续相密度，kg/m3；gy为Y方向重力加速度，m/s2；FD为单位质量力，N；Fy为Y方向的其他作用力，N；μ为流动黏性系数；Rep为相对雷诺数；CD为曳力系数；dp为砂粒直径，m；在一定雷诺数范围内，对于球形颗粒，a1、a2、a3是常数。 1.3 湍流方程 页岩气集输管道弯头内的流动属于湍流，目前使用最广泛的是k-ε湍流模型，其中RNGk-ε模型考虑了高速流动涡流对湍流的影响，提高了预测高速流动的准确性，因此本文选择RNGk-ε模型描述弯头内湍流。 式中:k为湍流动能，J；ε为湍流耗散率，J/s；ui为平均速度，m/s；xj为空间坐标，mm；μt为湍流黏性系数；Gk为由平均速度引起的湍流动能的产生项；Gb为由浮力引起的湍动能k的产生项；YM为可压湍流动能产生的波动能；Sk、Sε为自定义无因次参数；G1ε、G2ε、Cμ、σk、σε为经验常数。 1.4 冲蚀计算模型 页岩气集输管道弯头内砂粒对管道壁面的冲蚀速率定义为： (6) 式中:Rerosion为壁面腐蚀速率，kg/(m2·s)；N为碰撞颗粒数目；ma为颗粒的质量流量，kg/s；C(d)为颗粒的直径函数；θ为颗粒对壁面的侵入角，(°)；f(θ)为侵入角的函数[13]；u为相对速度的函数，m/s；Aface为弯头壁面单位计算面积，m2；角度函数f(θ)和速度指数n与管材相关，Reference[13]选用合适模型，n取2.6 m/s。 2 数值模型建立 2.1 几何模型与网格划分 以页岩气集输管道的90°弯头为研究对象，其公称直径为250 mm，曲率半径为500 mm。为保证流入弯头内的天然气为充分发展、稳定的湍流，在弯头上、下游分别增加长度L=4D的直管段(D为管道直径)，几何模型见图