基于Fluent的連續(xù)油管沖砂噴頭性能仿真

張云馳，王丙剛，李清濤，邢洪憲，劉傳剛

（中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

在油氣田生產(chǎn)開發(fā)過程中，由于地層出砂或者管柱內(nèi)壁結(jié)垢，會影響油井的正常生產(chǎn)，如果不及時進行清垢洗井作業(yè)，隨著開發(fā)時間的延長，可能會產(chǎn)生堵死生產(chǎn)通道的嚴重后果。連續(xù)油管沖砂作為一種高效的作業(yè)技術(shù)，具有沖砂效率高、作業(yè)時間短等優(yōu)點，目前在世界范圍內(nèi)已經(jīng)推廣開來[1-2]。其中，國外油服技術(shù)公司掌握有成套技術(shù)服務(wù)工具，在國內(nèi)市場也已投入應(yīng)用，并取得了一定的效果，但技術(shù)服務(wù)價格相對較高，不符合國內(nèi)油氣行業(yè)降本增效的發(fā)展趨勢。相比之下，國內(nèi)產(chǎn)品往往存在清潔效率低、沖洗不徹底的問題，限制了自主產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

本文針對清潔難題，對連續(xù)油管沖砂中自主研發(fā)的沖砂噴頭關(guān)鍵部件進行性能仿真，該噴頭可實現(xiàn)360°全方位沖洗，利用流體仿真軟件，模擬其作業(yè)排量下穩(wěn)態(tài)時的射流速度及壓耗，并通過多相流仿真，分析其軸向沖砂的作業(yè)效果，為現(xiàn)場應(yīng)用提供支持。

1 工藝原理

連續(xù)油管在下入過程中，利用管柱底部的沖砂噴頭進行高壓旋流沖洗，沖刷管壁垢層，打破清洗管柱內(nèi)砂體的膠結(jié)，流化砂石，然后再利用高速沖砂液將雜質(zhì)從連續(xù)油管與清洗管柱的環(huán)空攜帶返出。常規(guī)的連續(xù)油管清洗作業(yè)主要包括以下3個階段：

1）下放階段。連續(xù)油管地面試壓，深度計數(shù)器清零，隨后連接沖砂管柱下放，下入過程中需準確記錄上提、下放數(shù)據(jù)，密切觀察懸重變化，逐漸下放至沖洗井段。

2）循環(huán)階段。當(dāng)連續(xù)油管到達目標沖洗井段時，啟動地面沖砂泵，進行循環(huán)洗井作業(yè)，記錄相應(yīng)排量、壓力及地面返出雜質(zhì)情況，沖洗至返出液干凈后，繼續(xù)下放至下一沖洗井段，如此反復(fù)。

3）劃眼階段。保持沖洗的同時，上提連續(xù)油管，對管柱沿程未清洗干凈或二次堆積的雜質(zhì)進行掃驅(qū)，并對宜沉降井段和重點清洗井段進行二次清潔。其中循環(huán)階段和劃眼階段可以依次進行也可反復(fù)交替進行，依據(jù)現(xiàn)場井況而定。

2 結(jié)構(gòu)特征

連續(xù)油管沖砂噴頭主要由3部分構(gòu)成，分別是上接頭、旋轉(zhuǎn)套和下引堵，其中旋轉(zhuǎn)套上裝有射流噴嘴，沿工具軸向上下各有4個，用于清掃管柱內(nèi)沿程沉砂及內(nèi)壁污垢，沿工具切向?qū)ΨQ安裝2個噴嘴，為旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)提供動力，沖洗液流經(jīng)噴嘴時，壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，高速沖擊生產(chǎn)管柱內(nèi)壁，將管壁垢層沖擊破壞，并利用高速旋流形成的湍流，攜帶管內(nèi)沉砂，清洗雜質(zhì)上返至井口，實現(xiàn)高效沖洗的目的。

圖1 連續(xù)油管沖砂噴頭工具結(jié)構(gòu)圖

3 工作參數(shù)仿真

通過分析不同排量下沖砂噴頭的流量、壓力變化及噴嘴速度大小，可以得到工具的工作參數(shù)。

建立沖砂噴頭三維流場模型，以2-7/8 in油管為作業(yè)環(huán)境構(gòu)建流域，進口為沖砂噴頭上接頭內(nèi)流道端面，出口為工具與油管環(huán)空剖面，如圖2所示。

圖2 整體流場結(jié)構(gòu)

采用混合網(wǎng)格的劃分方法對流場模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示，在噴嘴進出口處流速變化較快，采用了四面體網(wǎng)格進行局部網(wǎng)格加密，距離噴嘴較遠區(qū)域的流場采用了相對稀疏的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總體網(wǎng)格數(shù)為611 889，其中平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.846，符合計算標準。

圖3 局部網(wǎng)格劃分情況

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入流體計算軟件Fluent中，設(shè)定求解器為Pressure-Based的壓力基求解器，湍流模型采用工業(yè)上應(yīng)用較成熟的Realizable K-epsilon雙方程模型，該模型穩(wěn)定性較高，具有一定的經(jīng)濟性和比較高的計算精度，是工程上流場計算中的主要模型，該模型可以表示為：

式中：ρ為密度；t為時間；Ui為速度；xi、xj為坐標；k為湍流動能；ε為湍流動能消散率；μ1為層流渦黏系數(shù)；Pk為速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Pb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為擴散產(chǎn)生的波動；Sk、Sε為參數(shù)；σk、C1ε、C2ε、C3ε為模型常數(shù)。

模型邊界條件中進口設(shè)置為速度進口，出口設(shè)置為壓力出口，進口速度根據(jù)工作排量（100、200、300 L/min）進行換算，壓力出口為0.1 MPa，流體介質(zhì)為水。

采用穩(wěn)態(tài)流場計算得到不同排量下的入口壓力及噴嘴處流速，以排量200 L/min時為例，剖面壓力云圖及速度云圖如圖4、圖5所示，可以看出，流體在噴嘴內(nèi)壓能轉(zhuǎn)化為動能，流速得到極大提升，形成高速水射流，有利于除垢沖砂作業(yè)。

圖4 沖砂噴頭壓力云圖

圖5 沖砂噴頭速度云圖

統(tǒng)計不同排量下的計算結(jié)果，得到工作參數(shù)如表1所示，根據(jù)文獻資料，油管的清洗射流速度建議在150 m/s以上，這樣才能完全清除油套管內(nèi)壁的雜質(zhì)[3]，因此建議沖砂噴頭的工作排量要大于200 L/min，另外考慮連續(xù)油管摩阻壓耗大的特點，同時建議沖砂噴頭的工作排量小于300 L/min，以便保證總體泵壓在安全范圍內(nèi)。

表1 沖砂噴頭排量與壓力關(guān)系

4 作業(yè)性能仿真

當(dāng)連續(xù)油管沖砂時，內(nèi)部流場可以看作是存在復(fù)雜流動狀態(tài)的固液兩相流動，利用兩相流理論進行仿真分析，設(shè)置水為主相，砂礫為次相，將沖砂噴頭下0.5 m的流域設(shè)置為砂礫相。在理想狀態(tài)下，對沖砂效果進行數(shù)值分析，并做出如下假設(shè)：1）流體在整個流場為連續(xù)流動狀態(tài)；2）液相（水）為不可壓縮流體，固相顆粒（砂礫）為尺寸均勻、大小一致的球體；3）固相與液相各相的物理特性為常數(shù)，不隨壓力、溫度的變化而變化，且不考慮流場的空化現(xiàn)象。

液固兩相流模型選擇mixture混合模型，通過求解混合物的動量方程和離散相相對速度來描述多相流體流動，該模型適用于固相濃度高于10%的工況，計算時效率較高、穩(wěn)定性好，能夠相對完整地模擬砂礫相的運動過程。

砂礫直徑設(shè)為0.1 mm，密度設(shè)為2650 kg/m3，采用瞬態(tài)流場計算，時間步長為0.01 s，總計算時長為15 s，計算得到砂礫濃度隨時間的變化，如圖6所示，可以看出沖砂噴頭對管柱內(nèi)部沉砂有很好的清洗和攜帶作用，當(dāng)定點沖洗時，基本15 s就可實現(xiàn)噴頭底部0.5 m區(qū)域的清潔作業(yè)，相當(dāng)于2 m/min的沖洗速度，通過觀察可以看出，前期砂面下降較快，這主要是因為距離沖砂噴頭近的區(qū)域，沖砂液流速及湍流性更強，更易攜砂，因此當(dāng)連續(xù)沖砂作業(yè)時，沖洗速度會大于定點沖洗速度，為保證沖砂效率，當(dāng)連續(xù)沖砂作業(yè)時，連續(xù)油管下放速度應(yīng)至少大于2 m/min。

圖6 隨時間變化的沉砂體積分數(shù)

5 結(jié)論

1）研發(fā)的連續(xù)油管沖砂噴頭可以對井下管柱進行沖砂除垢作業(yè)，該洗井工具既有較強的沖洗能力，又具有一定的攜砂能力，可以顯著提高油氣井連續(xù)油管洗井效率，操作便捷，結(jié)構(gòu)可靠，有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。

2）經(jīng)仿真分析，沖砂噴頭建議工作排量為200～300 L/min，此時單個噴嘴流速大于150 m/s，水射流具備一定的沖擊力，滿足沖砂除垢的作業(yè)要求。結(jié)合瞬態(tài)沖砂仿真結(jié)果，建議連續(xù)沖砂作業(yè)時，管柱下放速度應(yīng)大于2 m/min，以便提升沖砂效率。