兩種結(jié)構(gòu)型式控流篩管內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值研究

孫浩玉,李增亮,魏新芳,余金陵,徐 鑫

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營(yíng) 257000)

兩種結(jié)構(gòu)型式控流篩管內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值研究

孫浩玉1,2,李增亮1,魏新芳2,余金陵2,徐 鑫2

(1.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營(yíng) 257000)

控流篩管可通過(guò)控制油井部分井段產(chǎn)出液流量實(shí)現(xiàn)水平段同時(shí)出水。以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ),分別對(duì)導(dǎo)流式控件和迷宮式控件流道內(nèi)流體的流動(dòng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)兩種控件的適用范圍進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,兩種控件由流道入口到出口的流道壓力均呈線(xiàn)性降低;導(dǎo)流式控件流道中的流動(dòng)近似呈平推流,渦流和湍動(dòng)不顯著;低黏度條件下,迷宮式控件流道內(nèi)存在明顯的一次、二次渦流,過(guò)流阻力顯著增加,控流效果顯著。過(guò)流流體黏度為25～1000 mPa·s時(shí),導(dǎo)流式控件的性能較優(yōu);其他黏度范圍內(nèi),迷宮式控件的性能較優(yōu)。

控流篩管;計(jì)算流體力學(xué);流動(dòng)特性;過(guò)流壓降;黏度

油氣井投產(chǎn)后隨著生產(chǎn)的進(jìn)行出現(xiàn)了邊底水錐進(jìn)問(wèn)題,導(dǎo)致大量井底原油無(wú)法采出,降低了油井綜合經(jīng)濟(jì)效益。解決這個(gè)問(wèn)題的出路在于在篩管分段基礎(chǔ)上對(duì)可能出現(xiàn)邊底水錐進(jìn)的部分進(jìn)行控流,確保油井產(chǎn)量最大化[1-3]?？亓骱Y管是實(shí)現(xiàn)控流作用的最簡(jiǎn)潔方式之一,它是在充分了解油井地質(zhì)、油藏、工程參數(shù)基礎(chǔ)上,在油井生產(chǎn)井段下入預(yù)先設(shè)計(jì)好參數(shù)的控流篩管,流體在進(jìn)入管內(nèi)之前,首先經(jīng)過(guò)流道式控流結(jié)構(gòu),增加了液體的流動(dòng)阻力,由此產(chǎn)生需要的附加壓差,從而有針對(duì)性地控制部分井段的產(chǎn)出速率,提高采收率?？亓骱Y管采用3層結(jié)構(gòu):內(nèi)層基管-中間節(jié)流噴嘴管+篩管-外層不銹鋼保護(hù)套,通過(guò)優(yōu)化噴嘴直徑、布置位置、個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一均衡的流率剖面,而控流控件設(shè)計(jì)是實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一[4-7]。導(dǎo)流式控流篩管和迷宮式控流篩管均為常見(jiàn)的控流篩管。油井產(chǎn)出液流經(jīng)外罩及過(guò)濾層,砂粒及巖屑等被擋在篩管外,液體流入后由徑向流轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂行墓艿妮S向流流入過(guò)流控件。過(guò)流控件是控水篩管的關(guān)鍵部件,通過(guò)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化可達(dá)到控制產(chǎn)出速率的目的[8-12]。筆者在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)流式控流篩管及迷宮式控流篩管流道壓力云圖、速度矢量圖及流線(xiàn)圖進(jìn)行研究,并對(duì)兩種控件的適用范圍進(jìn)行對(duì)比分析。

1 過(guò)流控件建模及準(zhǔn)確性驗(yàn)證

1.1 過(guò)流控件模型建立

采用Solidworks三維建模軟件建立導(dǎo)流式及迷宮式控流篩管的物理模型,導(dǎo)入Gambit前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到的三維模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。兩種過(guò)流控件的外徑為196 mm,內(nèi)徑為178 mm,長(zhǎng)度為313 mm。運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析,采用RNGk-ε模型對(duì)控流篩管內(nèi)流體的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬。

圖1 導(dǎo)流式、迷宮式控件流道三維模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.1 3D model and meshing of helical-flow-channel and labyrinth-flow-channel controllers

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中進(jìn)、出口邊界條件均采用壓力入口邊界條件,即給定控流篩管進(jìn)、出口兩側(cè)的壓差,計(jì)算設(shè)定壓差下控流篩管的過(guò)流流量?？亓骱Y管壁面處采用無(wú)滑移邊界條件,壁面邊界處湍流的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。計(jì)算中,過(guò)流流體密度取0.9 g/cm3,流道進(jìn)口壓力為5.0 MPa。

1.2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

建立導(dǎo)流式控件測(cè)試實(shí)物模型并進(jìn)行試驗(yàn),以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)裝置由主體裝置、柱塞泵、分流器、沉砂計(jì)量罐、儲(chǔ)液罐、流量壓力測(cè)量?jī)x器、沖洗管路等組成,測(cè)試裝置實(shí)物如圖2所示。圖3為不同黏度下導(dǎo)流式控件過(guò)流流量對(duì)比。由圖3可知,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的精度,滿(mǎn)足工程需要。

圖2 導(dǎo)流式控件測(cè)試裝置Fig.2 Test device of helical-flow-channel controller

圖3 導(dǎo)流式控件數(shù)學(xué)模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Contrast between mathematic simulation and experiment results of helical-flow-channel controller

2 流道流動(dòng)特性分析

2.1 導(dǎo)流式控件

圖4為導(dǎo)流式控件流道壓力分布云圖及速度矢量圖。由圖4可知,不同流體黏度、不同進(jìn)出口壓差下,導(dǎo)流式控件流道的壓力分布特點(diǎn)一致。由于黏性流體流動(dòng)過(guò)程中與流道壁面產(chǎn)生摩擦損耗,且流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦損耗,由流道入口到出口,流道壓力線(xiàn)性降低。

由流道速度矢量圖可知,導(dǎo)流式控件流道的速度矢量分布特點(diǎn)也近似一致。流體在流道中的流動(dòng)近似呈平推流,渦流和湍動(dòng)不顯著。由于流道的邊壁效應(yīng),流體在近壁處速度較低,在流道中間區(qū)域速度較大。流速沿流動(dòng)方向不衰減,即流動(dòng)動(dòng)能不衰減,其沿程阻力損失全部體現(xiàn)于沿流動(dòng)方向流道壓力逐漸降低。

2.2 迷宮式控件

迷宮式控件流道壓力云圖及速度矢量見(jiàn)圖5。由圖5可知,與導(dǎo)流式控件類(lèi)似,不同流體黏度、不同進(jìn)出口壓差下,迷宮式控件流道的壓力分布特點(diǎn)基本一致。由于壁面摩擦損耗、流體內(nèi)摩擦損耗及渦旋和湍流耗損,由流道入口到出口,流道壓力逐漸降低且近似呈線(xiàn)性。不同之處在于,沿流道內(nèi)流動(dòng)方向,迷宮式控件流動(dòng)截面面積存在較大變化,流動(dòng)過(guò)程中易出現(xiàn)渦流、渦旋及湍動(dòng)狀態(tài),這使得流道壓力梯度在小范圍內(nèi)存在微小變化。

圖4 導(dǎo)流式控件流道壓力云圖及速度矢量圖Fig.4 Pressure contours and velocity vectors of helical-flow-channel controller

圖5 迷宮式控件流道壓力云圖及速度矢量圖Fig.5 Pressure contours and velocity vectors of labyrinth-flow-channel controller

迷宮式控件流道中的流體存在明顯的主流區(qū)(流道中心區(qū)域)及流動(dòng)死區(qū)(流道兩側(cè)邊壁)。低黏度條件下,主流區(qū)域速度矢量呈明顯的蛇形分布,而流動(dòng)死區(qū)不明顯;隨著黏度增大,由于黏性流體的內(nèi)摩擦效應(yīng),主流區(qū)域流動(dòng)趨于平穩(wěn),而流動(dòng)死區(qū)范圍逐漸增大。

圖6為不同黏度條件下迷宮式流道內(nèi)部流線(xiàn)圖。由圖6可知,低黏度時(shí)迷宮式流道內(nèi)部存在明顯的一次、二次渦流,流體湍流程度增大,流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)加劇,過(guò)流阻力隨之增加。隨著流體黏度增大,一次、二次渦流受到抑制,渦流區(qū)域顯著縮小。高黏度條件下,流體內(nèi)摩擦力增加,流線(xiàn)呈蛇形分布,流動(dòng)死區(qū)有所擴(kuò)大。黏度大于5 Pa·s時(shí),黏性力占主導(dǎo),流體流動(dòng)形態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖6 不同黏度條件下迷宮式流道內(nèi)部流線(xiàn)圖Fig.6 Flow charts in labyrinth path with different viscosities

3 導(dǎo)流式與迷宮式控件適用范圍對(duì)比

圖7給出了不同黏度時(shí)兩種控件的流量-壓差對(duì)比曲線(xiàn)(稀油:黏度小于50 mPa·s,普通油:黏度50 ～150 mPa·s,稠油:黏度150～10000 mPa·s,特稠、超稠油:黏度大于等于10000 mPa·s)。由圖7可知,隨著進(jìn)出口壓差增加,不同控件流道的壓差-流量曲線(xiàn)近似呈冪曲線(xiàn)上升。隨著黏度增加,曲線(xiàn)的直線(xiàn)度增加,黏性摩擦損耗增加,流道進(jìn)出口壓差隨之增大。當(dāng)黏度超過(guò)1 Pa·s時(shí),壓差-流量曲線(xiàn)近似呈直線(xiàn)。

圖7 兩種控件的流量-壓差曲線(xiàn)對(duì)比Fig.7 Flow-pressure contrast curves of two controllers

過(guò)流流體黏度較低時(shí),相同流量下流道壓差較大的過(guò)流控件性能較優(yōu)。由圖7(a)、(b)可知,當(dāng)流體黏度較低時(shí)(1 mPa·s),相同流量下,迷宮式控件流道內(nèi)流體流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)劇烈的一次、二次渦流,產(chǎn)生較大的渦流損耗,過(guò)流壓差較高,此時(shí),迷宮式控件的性能較優(yōu)。隨著黏度進(jìn)一步增大并超過(guò)25 mPa·s,黏性耗散效應(yīng)加劇,導(dǎo)流式控件流道進(jìn)出口壓差有所增大,而迷宮式控件壓差有所降低,此時(shí)導(dǎo)流式控件的性能較優(yōu)。

由圖7(c)、(d)可知,稠油條件下,當(dāng)黏度較低(黏度小于1 Pa·s)時(shí),流道的過(guò)流流量最大可達(dá)7 m3/h,相同流量下流道壓差較大的導(dǎo)流式過(guò)流控件性能更優(yōu)。隨著流體黏度不斷增大(黏度大于1 Pa·s),流道過(guò)流流量急劇降低,為避免控件壓降過(guò)大,通常需要并聯(lián)使用控件,在較大流量條件下獲得較為適宜的流道壓差,而此時(shí)流道壓降較小的控件的并聯(lián)數(shù)量較少,成本相應(yīng)較低。因此,此時(shí)相同流量下流道壓差較小的迷宮式過(guò)流控件性能更優(yōu)。

4 結(jié) 論

(1)不同流體黏度、進(jìn)出口壓差條件下,導(dǎo)流式控件和迷宮式流道的壓力分布特點(diǎn)基本一致,由流道入口到出口的流道壓力近似呈線(xiàn)性降低。

(2)流體在導(dǎo)流式控件流道中的流動(dòng)近似呈平推流,渦流和湍動(dòng)不顯著;由于邊壁效應(yīng),流體在近壁處速度較低,在流道中間區(qū)域速度較大,流速沿流動(dòng)方向不衰減。

(3)迷宮式控件流道中的流體存在明顯的主流區(qū)及流動(dòng)死區(qū);低黏度條件下,流道內(nèi)存在明顯的一次、二次渦流,主流呈蛇形分布;隨流體黏度增大,渦流受到抑制,渦流區(qū)域顯著縮小,主流趨于平穩(wěn),死區(qū)范圍增大。

(4)過(guò)流流體黏度為25～1 000 mPa·s時(shí),導(dǎo)流式控件的性能較優(yōu);流體黏度低于25 mPa·s、大于1000 mPa·s時(shí),迷宮式控件的性能較優(yōu)。

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(編輯 沈玉英)

Numerical study on flow performance of two types of inflow control devices

SUN Haoyu1,2,LI Zengliang1,WEI Xinfang2,YU Jinling2,XU Xin2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Drilling Technology Research Institute of Shengli Oilfield,Dongying 257000,China)

Inflow control device can efficiently get inflow in the horizontal part of oil well by controlling the liquid production of other part,and control unit is the core component of this tool.Flow characteristics of helical-flow-channel and labyrinthflow-channel controllers were simulated based on computational fluid dynamics,and scopes comparative analysis of the two controllers was carried out.The numerical results show that channel pressure decreases linearly from channel inlet to the outlet for the two controllers.The flow pattern in helical-flow-channel approximates plug flow,swirl and turbulence are not significant.There are distinct primary and secondary vortexs in labyrinth-flow-channel under the conditions of low viscosity, which results in large pressure drop.Helical-flow-channel controller has better performance when viscosities range from 25 to 1000 mPa·s,while labyrinth-flow-channel controller has better performance in other viscosity ranges.

inflow control device;computational fluid dynamics;flow characteristics;flow pressure drop;viscosity

TE 925.3

A

1673-5005(2014)04-0138-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.020

2014-01-14

國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05022)

孫浩玉(1978-),男,高級(jí)工程師,博士研究生,主要從事石油鉆井機(jī)械及儀器裝備研究。E-mail:sunhaoyu7909@163.com。

李增亮(1962-),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,從事石油機(jī)械教學(xué)及科研工作。E-mail:lizl@upc.edu.cn。

孫浩玉,李增亮,魏新芳,等.兩種結(jié)構(gòu)型式控流篩管內(nèi)流動(dòng)特性的數(shù)值研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,38(4):138-142.

SUN Haoyu,LI Zengliang,WEI Xinfang,et al.Numerical study on flow performance of two types of inflow control devices [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):138-142.