随着我国经济飞速发展,对能源的消耗急剧增加。煤炭、石油和天然气作为常用的能源,在能源结构中占有非常重要的地位,但煤炭、石油对环境的污染很大,而天然气作为一种高效环保的能源,大力开发利用可以极大的保护和改善环境,进一步缓解能源压力。但是在天然气的开采和传输中,存在着两个问题。第一,管线承压高。气井的压力一般都很高,井口的采气设备和地面输气管道都处在高压环境下,对设备及管道耐压要求高,有安全隐患,而且开发成本大。第二,易生成水合物。在高压的环境下天然气很容易生成水合物,造成管道堵塞,严重影响天然气的开采和传输。本文针对这两个问题展开研究,主要基于井下节流原理,对水合物生成条件展开了研究,并设计了预置式全通径气嘴可退式节流器及其配套工具,对节流器及其关键零件进行了计算和强度分析,同时建立了气井节流时井筒压力、温度分布模型,并对井下节流的两个重要参数——气嘴的内径和最小下入深度进行了计算,最后对气嘴附近的流体流动状态进行仿真。本文主要研究工作如下:(1)阐述了水合物的性质、生成机理、影响因素、防治措施以及预测方法,研究了井下节流原理和节流的临界流动条件,对比了地面节流和井下节流工艺的特点。(2)阐述了预置式与后置式井下节流器的特点,基于对井下节流技术的研究,设计了一种预置式全通径气嘴可退式节流器及其配套工具,完成了节流器及其配套工具的工程设计图和三维模型。阐明了预置式井下节流器的投送、打捞、打掉气嘴及防砂罩的工作过程。最后对预置式节流器的气嘴、锁块、连接件、防砂罩等主要零件进行了设计和强度分析。(3)根据井下节流原理,推导了天然气从储层到井底阶段的气井流入状态模型、天然气从井底到节流前和节流后到井口的气井井筒压力温度模型、天然气经过节流器阶段的节流降压、降温模型,同时对井下节流参数进行了计算。最后利用PIPESIM气井分析软件建立了气井节流模型,分析了节流参数对日产气量、井筒压力、温度、水合物的影响。(4)应用Fluent流体分析软件,采用气液两相流模型,对气嘴附近天然气的流动状态进行了仿真,并对其速度、压力、温度、密度等参数的变化规律进行了分析。研究了不同气嘴内径和气嘴长度对节流流场的影响,以寻求气嘴的最小长度,从而实现气嘴长度的标准化,方便气嘴的设计、加工与更换。本文设计的预置式全通径气嘴可退式节流器,满足设计要求,不仅可以降低天然气井口的压力,减少井口设备和地面输气管道承压,解除高压安全隐患,而且能够有效避免生成水合物,提高气井的生产效率,最终解决在天然气的开采和传输中存在的两个问题,可以为气井安全生产提供一定参考。