稠油熱采固井地錨噴嘴選型試驗研究

祝井崗

(中石化中原油田分公司第五采油廠工藝研究所，河南 濮陽 457001)

陳治，張強(qiáng)

稠油熱采固井地錨噴嘴選型試驗研究

祝井崗

(中石化中原油田分公司第五采油廠工藝研究所，河南 濮陽 457001)

陳治，張強(qiáng)

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]在稠油熱采固井技術(shù)中，固井地錨通過對套管柱預(yù)應(yīng)力處理，從而防止套管在高溫注汽條件下?lián)p壞。地錨作為一種重要的固井工具，主要通過噴嘴對循環(huán)鉆井液的節(jié)流作用，實現(xiàn)壓降產(chǎn)生動力推動錨爪張開，實施預(yù)應(yīng)力固井作業(yè)。噴嘴的水力性能直接決定著固井地錨工作可靠性。借助CFD仿真軟件分析比較了圓柱形直噴嘴、圓錐形噴嘴2種噴嘴水力性能，確定固井地錨噴嘴采用圓柱形直噴嘴結(jié)構(gòu)，并對?25mm、?30mm、?37mm 3種孔徑圓柱形直噴嘴進(jìn)行水力循環(huán)試驗，測試了不同孔徑噴嘴水力性能參數(shù)，以提高地錨工作可靠性。研究結(jié)果對于地錨結(jié)構(gòu)設(shè)計以及稠油熱采預(yù)應(yīng)力固井作業(yè)具有指導(dǎo)作用。

[關(guān)鍵詞]熱采井；地錨；噴嘴；CFD；循環(huán)試驗

近幾年，隨著海洋石油勘探開發(fā)的深入，熱采技術(shù)開始應(yīng)用于海上稠油開發(fā)。稠油熱采技術(shù)是目前世界上提高稠油采收率實際應(yīng)用規(guī)模最大且效果最好的開采技術(shù)[1,2]。海洋常規(guī)稠油熱采可依次選用蒸汽驅(qū)、汽水交替注入與熱水驅(qū)等熱采方式。在熱力開采作業(yè)中，套管承受大溫差作用而導(dǎo)致其熱脹冷縮，套管與井壁的水泥環(huán)阻礙了套管的熱變形，從而導(dǎo)致套管發(fā)生塑性變形、錯斷和井口上移等破壞，因此需要采用固井地錨來實施預(yù)應(yīng)力固井作業(yè)[3]。噴嘴作為固井地錨直接能量轉(zhuǎn)換元件，其性能參數(shù)直接決定著整個固井地錨系統(tǒng)的工作可靠性。噴嘴主要有圓柱形、圓錐形、流線形和孔板形等結(jié)構(gòu)，噴嘴的流量系數(shù)是設(shè)計時應(yīng)考慮的關(guān)鍵參數(shù)，同時噴嘴水力性能參數(shù)變化規(guī)律對于固井地錨的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。下面，筆者以固井地錨噴嘴作為研究對象，建立圓柱形直噴嘴、圓錐形噴嘴2種噴嘴內(nèi)部流道模型，利用CFD仿真軟件分析對比了2種地錨噴嘴的水力性能參數(shù)，優(yōu)選地錨噴嘴結(jié)構(gòu)形式，并借助地錨水力循環(huán)試驗確定噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸，同時進(jìn)一步驗證噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸與水力性能參數(shù)之間關(guān)系，以期掌握固井地錨循環(huán)排量控制規(guī)律，指導(dǎo)固井地錨的現(xiàn)場作業(yè)，提高固井地錨錨固可靠性。

1固井地錨結(jié)構(gòu)

注:　1—節(jié)流噴嘴；2—活塞；3—上部短接；4—復(fù)位彈簧；5—中心管；6—本體；　7、9—銷；8—連桿；10—錨爪；11—錨爪銷；12—導(dǎo)向套?！　　　D1　地錨結(jié)構(gòu)示意圖

噴嘴作為固井地錨的主要動力元件，其水力性能參數(shù)直接決定著地錨系統(tǒng)的整體工作效率。固井地錨是通過節(jié)流噴嘴產(chǎn)生壓差，壓差形成的壓力作用在活塞上，推動活塞和中心管下行，然后由中心管及連桿推動錨爪張開接觸井壁，配合井口上提套管柱，使錨爪吃入地層，實施預(yù)應(yīng)力固井作業(yè)。固井地錨結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2　噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合固井地錨結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，選取圓柱形直噴嘴、圓錐形噴嘴2種類型噴嘴，作為固井地錨噴嘴選型初步設(shè)計方案，2種噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2理論計算

2.1水力計算

固井地錨內(nèi)部流道包括節(jié)流噴嘴、中心管等結(jié)構(gòu)。中心管由長0.4m，內(nèi)徑為5.2cm管段和長0.4m，內(nèi)徑3.5cm管段2部分組成。噴嘴主要是依靠結(jié)構(gòu)尺寸的改變，使液流流道改變形成局部阻尼，這些局部阻尼形成一定的壓降，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。液流流經(jīng)中心管結(jié)構(gòu)時，不僅各部分管段會產(chǎn)生壓降，而且由于這2部分管柱內(nèi)徑的變化造成流道的改變，也會產(chǎn)生局部阻尼形成壓降。

噴嘴壓降計算公式為：

式中,ΔP為噴嘴壓降，MPa； ρ為循環(huán)液密度,g/cm2；ν為循環(huán)液流量，L/s； μ為流量系數(shù)，取值0.97； A為噴嘴孔截面積，cm2。

中心管壓降計算公式為：

式中,ΔP1為噴嘴壓降，MPa； uν為循環(huán)液的黏度，Pa·s；L為管段長度，m；d為管段內(nèi)徑，cm。

中心管2部分管段局部壓降計算公式為：

式中,ΔP2為噴嘴壓降，Pa； l1取5.2cm；l2取3.5cm；S為中心管出口截面積，m2[4]。

2.2噴嘴流量系數(shù)

通常液流通過噴嘴產(chǎn)生的壓降大于液流通過中心管管段產(chǎn)生的壓降，故地錨噴嘴水力參數(shù)直接決定著地錨系統(tǒng)的工作性能，而地錨噴嘴水力參數(shù)包括噴嘴流量系數(shù)和噴嘴能量轉(zhuǎn)換效率。

噴嘴流量系數(shù)是流過噴嘴液流的實際流量與理論流量之比。液流由高壓泵增壓后通過管線到達(dá)噴嘴，由噴嘴將其轉(zhuǎn)換為高流速水射流。在此轉(zhuǎn)換過程中存在流量損失，流量系數(shù)集中地反映了這種損失。能量轉(zhuǎn)換效率是指噴嘴產(chǎn)生的水射流功率與進(jìn)入噴嘴的高壓水功率的比值。噴嘴能量轉(zhuǎn)換效率又直接由與結(jié)構(gòu)相關(guān)的表征轉(zhuǎn)換性能的流量系數(shù)決定[5]。

固井地錨噴嘴水力設(shè)計計算時，噴嘴流量系數(shù)取為0.97，可求得整個地錨系統(tǒng)水力總壓降值，從而確定地錨復(fù)位彈簧的設(shè)計參數(shù)值。噴嘴流量系數(shù)的選取對于地錨噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，目前并沒有固定的理論公式確定噴嘴流量系數(shù)。地錨噴嘴流量系數(shù)取決于液流在噴嘴中的流動狀態(tài)、噴嘴結(jié)構(gòu)、液流物性、噴嘴加工粗糙度等多個因素[6]，因此完全運用理論計算公式確定流量系數(shù)是困難的。在實際工程研究中,常采用理論計算、仿真模擬和實驗相結(jié)合的方法來確定噴嘴流量系數(shù)。

3CFD仿真分析

選取圓柱形直噴嘴、圓錐形噴嘴2種結(jié)構(gòu)，研究2種類型噴嘴水力性能參數(shù)并驗證理論計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)地錨系統(tǒng)壓降理論計算，選取2種噴嘴出口處孔徑均為37mm,地錨入口流道直徑為?155mm，出口流道直徑為?145mm。借助SolidWorks軟件建立2種噴嘴三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件(包括速度入口、壓力出口和壁面),最后利用FLURNT軟件進(jìn)行水力模擬仿真，選取湍流模型模擬噴嘴內(nèi)部液流流場，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程作為控制方程。假設(shè)流經(jīng)地錨內(nèi)部液流為理想液體，選用液體介質(zhì)為清水。設(shè)置邊界條件，給定進(jìn)口絕對速度大小及方向，以及出口靜壓力邊界條件，壁面采用無滑移固壁邊界。

選定循環(huán)排量為20L/s，換算成流體入口流速，計算流體通過2種噴嘴流道入口與出口的壓差，2種類型噴嘴壓降分布云圖如圖3、4所示。

圖3　圓錐形噴嘴壓降分布云圖　　　　　　　　　　　　　　圖4　圓柱形直噴嘴壓降分布云圖

圖5　2種類型噴嘴循環(huán)流量-壓降曲線

從2種噴嘴水力性能仿真分析中可得，在循環(huán)排量為20L/S時，?37mm圓錐形噴嘴壓降為0.2629MPa，?37mm圓柱形直噴嘴壓降為0.3318MPa。圓錐形噴嘴流道逐漸變小，存在局部阻尼產(chǎn)生壓降；圓柱形直噴嘴流道突然變小，壓降效果更加明顯。選取不同循環(huán)排量，換算成流體入口流速，計算流體通過2種噴嘴流道入口與出口的壓差，2種類型噴嘴循環(huán)排量-壓降曲線如圖5所示。

從仿真研究數(shù)據(jù)可知，在同樣的入口速度下，相同孔徑的圓柱形直噴嘴所產(chǎn)生的壓降值大于圓錐形噴嘴，圓柱形直噴嘴節(jié)流效果明顯；在同樣的入口速度下，圓錐形噴嘴出口流速比圓柱形噴嘴大，液流射程遠(yuǎn)。

4試驗研究

綜合理論計算和CFD仿真分析，確定固井地錨采用圓柱形直噴嘴結(jié)構(gòu)，并加工制造出?25mm、?30mm、?37mm這3種孔徑圓柱形噴嘴試驗工裝，進(jìn)行地錨水力循環(huán)試驗，驗證3種孔徑圓柱形直噴嘴壓降性能，以及固井地錨工作可靠性。

4.1試驗?zāi)康?/p>

模擬固井地錨錨爪張開工作特性，探討不同流量下不同噴嘴的憋壓特性，為固井地錨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

4.2試驗方法

1)試驗臺架由鑄鐵平臺、夾持機(jī)構(gòu)、循環(huán)系統(tǒng)3部分組成。其中夾持機(jī)構(gòu)將地錨固定于鑄鐵平臺上，循環(huán)系統(tǒng)由D25-50×10多級離心泵、水箱、管線、閥門等組成。D25-50×10多級離心泵配用交流變頻器，以實現(xiàn)改變泵的轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)地錨的入口流量。

2)加工制造?178mm固井地錨試驗工裝、進(jìn)出口接頭工裝。安裝流量傳感器及數(shù)顯儀測量循環(huán)流量，型號：WL-80渦輪流量傳感器，測量范圍：0~100m3/h，精度0.5%。

3)在地錨流道入口處，安裝10MPa壓力變送器及數(shù)顯儀，出口處安裝 1MPa壓力變送器及數(shù)顯儀，精度0.2%。

4)逐步增大地錨入口流量，待流量穩(wěn)定，記錄地錨入口流量、地錨入口壓力、地錨出口壓力等數(shù)據(jù)，然后逐漸減小地錨入口流量，待流量穩(wěn)定，記錄地錨入口流量、地錨入口壓力、地錨出口壓力等數(shù)據(jù)。試驗結(jié)束后，重復(fù)進(jìn)行第2次試驗，取平均值減小試驗誤差。待2次試驗完成后，更換另一種孔徑的噴嘴，重復(fù)上述試驗過程。

圖7　?25mm圓柱形直噴嘴流量-壓差曲線圖

4.3試驗結(jié)果

1)壓降-流量曲線。通過?178mm固井地錨水力循環(huán)試驗，得出?25mm、?30mm、?37mm這3種不同孔徑圓柱直噴嘴的壓降-流量曲線圖，如圖7、圖8、圖9所示。

由圖7~圖9可以看出，在一定的流量下，不同孔徑的圓柱形直噴嘴均能實現(xiàn)錨爪的打開和回收；在相同的循環(huán)排量下，隨著圓柱形直噴嘴孔徑增大，噴嘴節(jié)流壓降值減小。因此，在地錨固井施工過程中，可根據(jù)現(xiàn)場施工工藝參數(shù)，選擇不同孔徑的噴嘴實施錨固作業(yè)。

2)噴嘴流量系數(shù)。噴嘴流量系數(shù)反映噴嘴的節(jié)流效果，流量系數(shù)越小，說明過流能力小。通常情況下，流量系數(shù)主要取決于噴嘴的結(jié)構(gòu)，數(shù)值趨于一常量[7]。通過理論計算、CFD仿真模擬以及循環(huán)試驗可得，當(dāng)噴嘴內(nèi)徑小于中心管管段最小內(nèi)徑35mm時，流量系數(shù)為0.8～1.0；當(dāng)噴嘴內(nèi)徑大于中心管管段最小內(nèi)徑35mm時，流量系數(shù)為0.65～0.9。

圖8　?30mm圓柱形直噴嘴流量-壓差曲線圖　　　　　　　圖9　?37mm圓柱形直噴嘴流量-壓差曲線圖

圖10　圓柱形直噴嘴雷諾系數(shù)-流量系數(shù)曲線圖

3)噴嘴雷諾系數(shù)。根據(jù)水力循環(huán)試驗數(shù)據(jù)，利用連續(xù)性方程求得圓柱形直噴嘴出口處速度值、雷諾系數(shù)。?25mm、?30mm、?37mm這3種孔徑圓柱形直噴嘴雷諾系數(shù)-流量系數(shù)曲線圖如圖10所示。

根據(jù)3種不同孔徑圓柱形直噴嘴雷諾系數(shù)與流量系數(shù)曲線圖可知，圓柱形直噴嘴流量系數(shù)并不是趨于一常量，當(dāng)圓柱形直噴嘴雷諾系數(shù)為25000~35000時，噴嘴流量系數(shù)較大；隨著噴嘴雷諾系數(shù)增大或減小，流量系數(shù)變小，噴嘴對液流的阻尼變大。

5結(jié)論

1)比較分析了圓柱形直噴嘴和圓錐形噴嘴結(jié)構(gòu)性能，圓柱形直噴嘴節(jié)流效果明顯，在同樣的入口速度下，相同孔徑的圓柱形直噴嘴所產(chǎn)生的壓降值大于圓錐形噴嘴。

2)利用水力循環(huán)試驗，分析比較3種不同孔徑圓柱形直噴嘴水力性能。在相同的循環(huán)排量下，隨著圓柱形直噴嘴孔徑增大，噴嘴節(jié)流壓降減小。在地錨固井施工過程中，可根據(jù)現(xiàn)場施工工藝參數(shù)，選擇不同孔徑的噴嘴實施錨固作業(yè)。

3)噴嘴流量系數(shù)直接決定著噴嘴水力性能，合適的噴嘴流量系數(shù)，對于地錨結(jié)構(gòu)技術(shù)至關(guān)重要。通過理論計算、CFD仿真模擬和水力循環(huán)試驗，初步確定當(dāng)噴嘴內(nèi)徑小于中心管管段最小內(nèi)徑35mm時，流量系數(shù)為0.8～1.0；當(dāng)噴嘴內(nèi)徑大于中心管管段最小內(nèi)徑35mm時，流量系數(shù)為0.65～0.9。當(dāng)噴嘴雷諾系數(shù)為25000~35000時，噴嘴流量系數(shù)取大值。

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[編輯]洪云飛

[引著格式]聶建軍，吳笑偉.異形盾構(gòu)變異五桿切削機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015,12(16)：51~56.

47 Experimental Study on Nozzle Selection for Anchors in the Cementation of Thermal Recovery

Zhu Jinggang(5thOilProductionPlant,ZhongyuanOilfieldCompany,SINOPEC,Puyang457001)

Chen Zhi，Zhang Qiang(YangtzeUniversity,Jingzhou434023)

Abstract:In cementing technology of heavy oil thermal recovery, the treatment of prestress of the cementing anchors for the casing string can prevent the casing damage in high temperature steam injection conditions.The anchor as an important cementing tool, controls the throttling of circulation of drilling fluid through the nozzle and achieves the pressure drop to generate power to promote fluke penetrating into the formation to achieve prestress cementing.The hydraulic performance of the nozzle directly determines the reliability of cementing anchors.By analyzing the CFD simulation software，the hydraulic performance both of the straight cylindrical nozzle and conical nozzle are compared, it determines that a straight cylindrical nozzle is used as the cementing anchor; and hydraulic cycle tests are carried out for ?25, ?30 and ?37 of straight cylindrical nozzles for verifying the hydraulic performance parameters of different diameters of nozzlesto improve the reliability of anchors.It provides guidance for anchor design and for the cementation of thermal recovery of heavy oil.

Key words:thermal recovery wells； anchor；nozzle；CFD；circulation test

[作者簡介]聶建軍(1971-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事現(xiàn)代設(shè)計理論與方法方面的教學(xué)與研究工作；E-mail:jjnie311@163.com。 潘俊宏(1989-)男，碩士生，現(xiàn)主要從事體育教育訓(xùn)練學(xué)方面的研究工作；孫國濤，guotaosun520@163.com；殷學(xué)鋒，教授，1359262259@qq.com。

通信作者:

[基金項目]湖北省教育廳人文社會科學(xué)研究項目(2010D019)。 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2002AA420020)；河南省重點科技攻關(guān)計劃(122102210400)。

[收稿日期]2015-02-15 2015-02-14

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)16-0047-04

[中圖分類號]TE925