0 引 言

套筒式节流阀^[1]是水下采油树装备中的重要部件，主要通过改变阀门的流通面积来控制气井的产能。天然气流经节流阀时，由于节流效应^[2]的存在，其温度和压力会产生很大的变化，极易生成水合物。水合物的存在会改变节流阀的流通面积，甚至造成过流通道的堵塞，进而影响油气的正常生产或输送。因此，研究节流阀内天然气水合物的生成，判断节流阀的临界相对开度，对于优化操作工艺及天然气生产与输送过程中的流动保障具有重要意义。

文献[3]设计了一套天然气水合物模拟试验装置，该试验装置能较好地模拟天然气水合物的稳定生成和分解过程。文献[4]和[5]介绍了管道中天然气水合物生成模型的研究进展，指出流动体系的天然气水合物生成模型并不成熟，并且多为由静态体系水合物生成模型拓展而来。需要建立动力学、传热和传质三者相结合的管道流动体系下天然气水合物生成模型，才能解决管道内的水合物预防难题。文献[6]和[7]基于CFD软件对井下节流的温度和压力分布进行了研究，通过合适的节流气嘴直径和下入深度来预防水合物的生成。从研究现状来看，大多数学者是从水合物生成的机理出发，对管道内的水合物生成进行研究，而且很少有人对节流阀处的水合物生成进行研究。笔者从天然气水合物生成的条件出发，依据水合物生成的温度-压力曲线，研究套筒式节流阀的进口温度、出口压力和相对开度对天然气水合物生成的影响，进而判断节流阀在不同工作条件下的临界相对开度。

天然气水合物生成的温度-压力曲线描述了天然气水合物生成的临界压力与相应温度之间的关系。笔者所研究的天然气成分选用文献[8]中的北块陵水组三段的平均值，在PVTsim流体物性软件中输入该天然气成分，输出天然气水合物生成的温度和临界压力的对应值，对此温度和临界压力的对应值进行拟合，得到以温度为变量的拟合方程，决定系数为0.999 9，以该拟合方程作为水合物生成的判断标准。拟合方程为

式中，T为天然气温度，℃；P_lim为天然气水合物生成的临界压力，MPa。

套筒式节流阀结构如图1a所示，其中阀心有2个相对的大节流孔(直径90 mm)和2个相对的小节流孔(直径20 mm)，大、小节流孔的中心轴相互垂直。节流阀(相对开度为59%)的流体域三维模型如图1b所示，流体在节流阀中流动的区域包括上游管段和下游管段，节流阀流域局部放大图显示了流体在节流阀内部的流域，图中绿色部分是阀心节流孔的壁面，黄色部分是流量环的实体域(没有流体)，蓝色部分是流量环内腔部分的流域(有流体)，阀心和流量环的外壁与阀体的外壁形成了一个环形腔。

图 1 节流阀的结构及其流体域三维模型图 Fig.1 Structure of sleeve valve and its 3D model fluid domain

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采用ICEM软件对节流阀的流体域三维模型进行网格划分，划分结果如图2所示。节流阀上游管段和下游管段流场简单，采用六面体网格，节流阀处流场复杂，采用四面体网格。划分后网格数为632 683，最大纵横比小于40，最大偏斜度小于0.9，网格整体质量优异。

图 2 套筒式节流阀流体域三维模型的网格划分结果 Fig.2 Mesh generation results of sleeve valve 3D model fluid domain

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基于Fluent软件，对套筒式节流阀内部流场进行数值模拟，考察相对开度、进口温度及出口压力3个因素对流场的影响。将流体设置为理想可压缩气体，采用κ-ε标准湍流模型，近壁区采用标准壁面函数法，固壁面使用无滑移边界条件。设定进、出口边界条件分别为压力入口和压力出口，入口压力固定为25 MPa(与井口压力相同)，出口压力变化范围为14~16 MPa(根据远场压力而定)。

数值模拟得到流场中实际压力和实际温度的分布，将实际温度分布与温度-压力曲线的拟合方程相结合，得到水合物生成的临界压力的分布。采用Tecplot软件，将模拟结果中的每个节点的实际压力减去相应的天然气水合物生成的临界压力，得到压力差的分布。将此压力差定义为等效压力，用于表征天然气水合物生成的能力：等效压力为负值，意味着不会生成水合物；等效压力为正值，表明能生成水合物，而且值越大，生成水合物的能力越强。笔者采用等效压力的最大值Δp_max来判断节流阀内是否会有水合物生成。

图3显示了套筒式节流阀在不同的相对开度下，过2个大节流孔中心轴线的竖直截面的等效压力分布云图。图4显示了过2个小节流孔中心轴线的竖直截面的等效压力分布云图。对应的工作条件为：进口压力25 MPa，进口温度45 ℃，出口压力14 MPa。

图 3 过大节流孔中心轴线竖直截面的等效压力分布云图 Fig.3 Equivalent pressure distribution on vertical section through big orifice central axis

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图 4 过小节流孔中心轴线竖直截面的等效压力分布云图 Fig.4 Equivalent pressure distribution on vertical section through small orifice central axis

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从图3可以看出，在节流阀上游管段和环形腔中的等效压力分布比较均匀，当进入大节流孔后，等效压力迅速升高，靠近大节流孔壁面的等效压力较高。流体由大节流孔流出后，在下游管段也有较高的等效压力区域，随着阀门开度的减小，此区域逐渐减小直至消失。天然气水合物生成区域主要集中在大节流孔出口处。

从图4可以看出，环形腔中等效压力分布比较均匀而且数值较低，进入小节流孔后等效压力迅速升高，在小节流孔靠近下游的区域等效压力较高而且为正值。在下游管段也有较高的等效压力区域，随着阀门开度的减小，此区域逐渐减小直至消失。天然气水合物生成区域主要集中在小节流孔出口处。

图5给出了套筒式节流阀处于4个不同的相对开度下，最大等效压力随进口温度t和出口压力p的变化曲线。从图可以看出，最大等效压力随进口温度的变化趋势一致。当节流阀相对开度和出口压力固定时，随进口温度的升高，最大等效压力减小，而且变化幅度逐渐增大。当节流阀相对开度和进口温度固定时，随出口压力的增大，最大等效压力减小，而且变化幅度逐渐增大。在横坐标上方，最大等效压力为正值，表明在相应条件下，套筒式节流阀中会生成天然气水合物；反之，则不会生成天然气水合物。

图 5 最大等效压力随进口温度和出口压力变化曲线 Fig.5 The effect of inlet temperature and outlet pressure on maximum equivalent pressure

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图6给出了最大等效压力随套筒式节流阀相对开度的变化曲线。从图可以看出，最大等效压力随套筒式节流阀相对开度的变化趋势一致。当出口压力和进口温度固定时，随套筒式节流阀相对开度的增大，最大等效压力先减小然后增大，在相对开度为20%~25%时出现最低点。

图 6 最大等效压力随相对开度变化曲线 Fig.6 The effect of relative opening degree on maximum equivalent pressure

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图6中的部分曲线与横坐标轴有2个交点，将坐标值较小的交点所对应的开度定义为临界相对开度A，将坐标值较大的交点所对应的开度定义为临界相对开度B。在一定条件下，若套筒式节流阀的相对开度在临界相对开度A和B之间，最大等效压力为负值，节流阀内不会生成水合物；反之，则会生成水合物。表1给出了套筒式节流阀在不同条件下所对应的临界相对开度A和临界相对开度B。

(1)采用等效压力(节流阀内实际压力和天然气水合物生成的临界压力的差值)来表征水合物生成的能力，多数情况下，在节流阀的大小节流孔处存在较高的等效压力，在该区域生成天然气水合物的风险较大。

(2)最大等效压力随进口温度的升高而减小，而且变化幅度随温度的升高而加快，表明对节流阀上游管段的天然气进行加热，能够有效防治水合物的生成。最大等效压力随出口压力的增大而减小，而且变化幅度随出口压力的增大而加快，表明在满足管道中天然气的输送压力的条件下，应该尽量选用较高的出口压力。

(3)随相对开度的增大，最大等效压力先增大后减小，与横坐标的交点对应临界相对开度A和临界相对开度B。节流阀工作在临界相对开度^A和B的范围内，不会生成天然气水合物；反之，则会生成天然气水合物，此时需要采用物理或化学措施来预防天然气水合物的生成。

(4)研究内容为水下采油树套筒式节流阀内天然气水合物生成分析提供了新的方法，研究结果对于天然气生产和输送过程中的流动保障有重要意义。