隨鉆堵漏工具旋流噴嘴優(yōu)化設(shè)計

趙常舉 郝宙正 陳培亮 劉禹銘 魏 來 李瀟洋

1. 中國石化西北局油田分公司, 新疆 烏魯木齊 830001;2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 300452

0 前言

在鉆井過程中,由于井下復(fù)雜情況的不可預(yù)見性和突發(fā)性,難免會發(fā)生鉆井液、水泥漿等工作流體在壓差作用下漏入地層即井漏的復(fù)雜現(xiàn)象[1-4]。出現(xiàn)井漏不僅會影響鉆井速度,還可能會引起卡鉆、井眼坍塌等重大鉆井事故[5-8],造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

停鉆堵漏和隨鉆堵漏是通常采用的兩種堵漏方式。前者是停止鉆井施工專門實施堵漏措施,這種方式在理論上可以應(yīng)對所有的井漏問題,但停工堵漏會增加施工周期;后者是鉆井施工與防漏補(bǔ)漏措施同時進(jìn)行,縮短了鉆井周期,是目前處理滲透性漏失和中小型裂縫性漏失采用的主要堵漏方式。隨鉆堵漏技術(shù)可分為化學(xué)法隨鉆堵漏和物理法隨鉆堵漏,前者從鉆井液配方、堵漏材料的角度出發(fā)[9-12],后者從鉆井工具角度出發(fā)進(jìn)行研究。國內(nèi)已有大量學(xué)者對物理法隨鉆堵漏的機(jī)理進(jìn)行了研究[13-17],但對隨鉆堵漏工具旋流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究較少。

王慧藝通過分析旋轉(zhuǎn)射流鉆頭的內(nèi)流場,證明了圓柱形葉輪不存在既無徑向流又等旋度的葉輪參數(shù),并運用翼型繞流理論,推導(dǎo)出了葉片長度、半徑、葉片安放角等參數(shù)與射流噴嘴直徑、擴(kuò)散角、旋度之間的關(guān)系式,為葉輪的設(shè)計提供了一定的參考價值[18]。程仲以Realizable k-ε湍流模型為基礎(chǔ),根據(jù)計算流體動力學(xué)理論建立了在旋轉(zhuǎn)射流作用下環(huán)空流場的數(shù)學(xué)模型,模擬結(jié)果為物理法隨鉆防漏堵漏鉆井水力參數(shù)設(shè)計、井底水力能量分配提供了一定的理論依據(jù)[19]。王春曉利用COMSOL軟件分析了葉片數(shù)、噴嘴出口直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對側(cè)向旋轉(zhuǎn)射流的影響,但未進(jìn)一步詳細(xì)考慮旋流噴嘴其他結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的影響[20]。

目前,物理法隨鉆堵漏技術(shù)的研究仍處于起步階段,旋流噴嘴的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對隨鉆堵漏工具性能的影響和規(guī)律研究鮮有涉及?，F(xiàn)有少部分學(xué)者對旋流噴嘴的葉片數(shù)、出口直徑以及安裝角度進(jìn)行過簡單的數(shù)值仿真和實驗研究,但均沒有詳細(xì)考慮葉片結(jié)構(gòu)多個相關(guān)參數(shù)之間的影響及其規(guī)律性。

1 數(shù)學(xué)模型

任何物理現(xiàn)象均受到物理學(xué)中質(zhì)量、動量和能量守恒定律的支配,流體流動用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述這些守恒定律的方程分別稱為連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。在計算流體力學(xué)中,這三大方程的基本控制方程如下:

(1)

式中:t為時間變量,s;ρ為密度,kg/m3;φ為通用變量,可以代表速度分量u、v、w等求解變量,m/s;V為速度矢量,m/s;Г為廣義擴(kuò)散系數(shù);S為廣義源項。式(1)各項分別對應(yīng)于瞬態(tài)項、對流項、擴(kuò)散項和源項。

數(shù)值模擬時必須選擇合適的湍流輸運方程。Reynolds平均法是目前使用最為廣泛的湍流數(shù)值模擬方法。Realizable k-ε湍流模型對強(qiáng)旋流動的計算相較于其他幾種模型有較高的精度,本文采用Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計算,針對物體壁面問題采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。

2 數(shù)值計算模型

2.1 幾何模型、計算區(qū)域及邊界條件

旋流噴嘴安裝在鉆頭與鉆鋌之間,是隨鉆堵漏工具最為主要的特征之一。在鉆遇漏失地層時,旋流噴嘴會及時噴射出堵漏鉆井液形成旋轉(zhuǎn)射流,填補(bǔ)漏失地層中的裂縫和孔道,堵漏鉆井液中的堵漏材料顆粒會在漏失地層的井壁處形成一個能抗壓的環(huán)形區(qū)域,在鉆井和固井過程中可實現(xiàn)防漏堵漏,更好地保護(hù)油氣層。圖1給出了隨鉆堵漏工具側(cè)向旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖,主要由直管段、加旋段、錐形收縮段和圓柱出口段四部分組成,直管段長20 mm,加旋段到出口的長度為40 mm,旋流噴嘴的內(nèi)徑為25 mm。L代表旋轉(zhuǎn)葉片的導(dǎo)程,N代表葉片數(shù),D代表噴嘴出口直徑。一般以旋度評價旋轉(zhuǎn)射流的流場特性,旋度與導(dǎo)向葉片的導(dǎo)程、葉片數(shù)以及出口直徑相關(guān),因此本文研究旋流噴嘴導(dǎo)向葉片導(dǎo)程L、葉片數(shù)N以及出口直徑D對隨鉆堵漏工具性能的影響,旋流噴嘴的相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1 隨鉆堵漏工具旋流噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of swirling nozzle of plugging tool while drilling

為了考慮旋轉(zhuǎn)射流的氣流分布特性,在噴嘴出口端建立一個長方形的環(huán)空區(qū)域,寬度為40 mm。實際環(huán)空鉆井液的上返速度一般為1.0～1.5 m/s,在鉆井過程中,隨鉆堵漏工具相對于井壁向下移動,在數(shù)值模擬時必須考慮這種相對狀態(tài),因此環(huán)空區(qū)域下端面入口設(shè)置為速度入口,大小為2.0 m/s,環(huán)空計算區(qū)域上端面設(shè)為壓力出口。旋轉(zhuǎn)射流考慮成不可壓縮黏性流動,選用Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行求解計算。邊界條件設(shè)置為:旋流噴嘴入口分流量為0.24 m3/min,噴嘴端面面積為452 mm2,對應(yīng)的入口流速為10.32 m/s。

表1 不同結(jié)構(gòu)旋流噴嘴相關(guān)參數(shù)表

Tab.1 Relevant parameters of swirling nozzles with different structures

編號葉片導(dǎo)程L/mm葉片數(shù)N出口直徑D/mm編號葉片導(dǎo)程L/mm葉片數(shù)N出口直徑D/mmL 16-2-D 81628L 20-2-D 82028L 16-2-D 1016210L 20-2-D 1020210L 16-3-D 81638L 20-3-D 82038L 16-3-D 1016310L 20-3-D 1020310

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分選用四面體以及五面體的混合單元類型,分別對前面創(chuàng)建的計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格離散,表面網(wǎng)格最大尺寸為4 mm,最小尺寸為0.5 mm。為了準(zhǔn)確模擬隨鉆堵漏工具旋流噴嘴壁面附近的附面層的流動,劃分了較為詳細(xì)的邊界層,邊界層第一層高度為0.1 mm,增長率為1.1,共計12層,網(wǎng)格劃分總數(shù)為 1 200 萬,見圖2。

a)表面網(wǎng)格a)Surface mesh

b)邊界層網(wǎng)格b)Boundary layer grid

3 計算結(jié)果

在下文中,對旋流噴嘴的旋轉(zhuǎn)射流流場進(jìn)行分析,對比研究了葉片導(dǎo)程、葉片數(shù)以及噴嘴出口直徑對隨鉆堵漏工具旋流噴嘴性能的影響。

3.1 導(dǎo)程

圖3給出了旋流噴嘴內(nèi)部三維流場的速度分布情況。由圖3可知,流體經(jīng)過加旋段后,速度有顯著提升,之后經(jīng)過錐形收縮段,流速進(jìn)一步增大,最后由噴嘴噴射出去,加旋段以及錐形收縮段對高速旋轉(zhuǎn)射流的形成至關(guān)重要。

圖4給出了部分不同葉片導(dǎo)程工況下,旋流噴嘴縱向中心截面的速度分布云圖。對比圖4-a)、b)可得,入口來流被葉輪引導(dǎo)做旋轉(zhuǎn)運動,在旋流噴嘴葉片數(shù)和噴嘴出口直徑不變的情況下,葉片導(dǎo)程越小,流體做旋轉(zhuǎn)流動越強(qiáng),但是旋轉(zhuǎn)射流出口中心區(qū)域的流速較低。

圖3 旋流噴嘴內(nèi)部三維速度分布圖Fig.3 Three-dimensional velocity distribution of inside swirling nozzle

a)L 16-2-D 10

b)L 20-2-D 10

圖5給出了噴距為25.4 mm時,旋轉(zhuǎn)射流噴射在環(huán)空區(qū)域橫截面上的速度分布情況。由圖5可知,導(dǎo)程的減小雖然導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)射流速度幅值的增加,但由于離心力的作用,射流外側(cè)區(qū)域的速度較高而中心區(qū)域的速度較低,導(dǎo)致截面中心區(qū)域的補(bǔ)漏效果較差。因此,葉片導(dǎo)程過大過小均不利于防漏堵漏。

圖6給出了旋流噴嘴不同葉片導(dǎo)程工況下,旋轉(zhuǎn)射流在環(huán)空中的速度衰減規(guī)律。由圖6可知,射流速度衰減規(guī)律較為一致,隨著葉片導(dǎo)程的增加,射流速度幅值有所減小,葉片導(dǎo)程越大,射流的流速衰減更快。因此,葉片導(dǎo)程越小越有利于提高旋轉(zhuǎn)射流的速度。

圖5 不同葉片導(dǎo)程噴嘴環(huán)空截面速度分布圖(噴距25.4 mm)Fig.5 Velocity distribution of annulus section of nozzle with different blade leads(standoff distance 25.4 mm)

圖6 導(dǎo)程對旋轉(zhuǎn)射流速度的影響圖Fig.6 The effect of lead on the rotational jet velocity

3.2 葉片數(shù)

圖7給出了部分不同葉片數(shù)工況下,旋流噴嘴縱向中心截面的速度分布圖，圖8給出了噴距為25.4 mm時,旋轉(zhuǎn)射流噴射在環(huán)空區(qū)域橫截面上的速度分布。對比可得,旋流噴嘴葉片導(dǎo)程以及噴嘴出口直徑不變的情況下,葉片數(shù)量越多,旋流噴嘴出口射流流速越大且出口射流擴(kuò)散角越大。葉片數(shù)的增加,入口來流經(jīng)過加旋段時會被分成幾股流體分別加速,相較于少葉片數(shù)而言,葉片數(shù)多時更多的流體得到加速,葉輪的導(dǎo)流能力得到明顯的增強(qiáng),導(dǎo)流效果更加突出,并且從旋流噴嘴噴射出的流體擴(kuò)散角更大。

圖9給出了旋流噴嘴不同葉片數(shù)工況下,旋轉(zhuǎn)射流在環(huán)空中的速度衰減規(guī)律。由圖9可知,葉片數(shù)的增加在一定程度上增大了旋轉(zhuǎn)射流的流速,因此在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求下,葉片數(shù)越多越利于防漏堵漏,但是葉片數(shù)對于旋轉(zhuǎn)射流的流速影響小于葉片導(dǎo)程的影響。

a)L 20-2-D 8

b)L 20-3-D 8

圖8 不同葉片數(shù)噴嘴環(huán)截面速度分布圖(噴距25.4 mm)Fig.8 Velocity distribution of annulus section of nozzle with different blade number(standoff distance 25.4 mm)

圖9 葉片數(shù)對旋轉(zhuǎn)射流速度的影響圖Fig.9 The effect of the number of blades on the rotational jet velocity

3.3 出口直徑

圖10給出了不同出口直徑工況下旋流噴嘴縱向中心截面的速度分布云圖，圖11給出了噴距為25.4 mm時旋轉(zhuǎn)射流噴射在環(huán)空區(qū)域橫截面上的速度分布。由圖10～11可知,葉輪出口直徑對旋流噴嘴的性能有較大的影響,旋流噴嘴其他參數(shù)不變,出口直徑越小旋轉(zhuǎn)射流速度越大;噴嘴出口直徑為10 mm時的擴(kuò)散角比出口直徑為8 mm時更大,但是旋轉(zhuǎn)射流的流速更低。在流量一定的前提下,出口直徑?jīng)Q定了出口截面積,出口面積越大,流體流速越低。因此,在滿足防堵防漏速度的前提下,出口直徑越大射流的擴(kuò)散角越大,井壁上的射流面積越大,更利于防堵防漏。旋流噴嘴出口直徑過大或過小均不利于防堵防漏,出口直徑過小導(dǎo)致射流覆蓋面積較小,出口直徑過大導(dǎo)致截面部分區(qū)域流速較低防漏堵漏效果較差。

a)L 16-2-D 8

圖11 不同噴嘴出口直徑環(huán)空截面速度分布圖(噴距25.4 mm)Fig.11 Velocity distribution of annulus section with different nozzle outlet diameters(standoff distance 25.4 mm)

4 結(jié)論

1)旋流噴嘴的性能與其結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)密切相關(guān),受噴嘴出口直徑的影響最大,其次為葉片數(shù)和葉片導(dǎo)程的影響。

2)葉片導(dǎo)程過大會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)射流的速度較低,過小將導(dǎo)致射流噴射截面的速度分布不均勻,中心區(qū)域的速度較低,在滿足旋轉(zhuǎn)射流速度的前提下,可以適當(dāng)增大葉片導(dǎo)程,旋轉(zhuǎn)射流封堵更均勻。

3)在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下,葉片數(shù)越多,葉輪的導(dǎo)流能力越強(qiáng),入口來流的導(dǎo)流效果越好,旋轉(zhuǎn)射流噴射的封堵面積越大;出口直徑對旋流噴嘴的性能影響較大,噴嘴出口直徑過小導(dǎo)致封堵面積較小,出口直徑過大導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)射流的速度較低,封堵效果變差,在滿足速度要求下,增大出口直徑有利于防漏堵漏。