井下解堵輔助配套工具流場及強度分析

王新濤， 盛磊祥， 鞠少棟， 王世強， 邢洪憲， 劉傳剛

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司 北京研究中心，北京 100020）

0 引言

海上油田防砂井大部分采用了篩管簡易防砂和篩管礫石充填的防砂方式，油氣井開發(fā)至后期，儲層近井地帶地層顆粒、膠質等向井筒周圍運移聚集，堵塞篩管，造成其滲透率降低，最終導致油井產(chǎn)量下降，甚至停產(chǎn)[1]。目前解除地層堵塞主要采用的是物理解堵法和化學解堵法，物理解堵法污染較小，解堵效果較差；化學解堵方法投資較大、工藝復雜，易對地層造成二次污染。

設計井下解堵輔助配套工具，解決物理解堵方法中解堵效果較差的問題[2]，主要是通過提供周向高頻振動，清理篩管外表面沉積砂及篩管網(wǎng)布堵塞的細粉砂，從而提高油氣井解堵效率。通過對井下解堵輔助配套工具進行理論計算、流場模擬分析及強度校核，驗證其提供周向高頻振動、輔助解堵的可行性。

1 井下解堵輔助配套工具流場分析

1.1 工具流體計算理論

井下解堵輔助配套工具采用流體作為驅動介質。流體進入工具內(nèi)部，分成3部分：經(jīng)過工具中部流道下端的噴嘴繼續(xù)向下流動；從工具中部流道分流一部分，進入沖擊腔，推動沖擊錘周向轉動；進入換向通道。與其他兩個通道相比，換向通道體積很小，計算工具的水力學參數(shù)時可以忽略。

工具內(nèi)部流體的分流情況如圖1所示，中部流道的流體和沖擊腔內(nèi)的流體為并聯(lián)的關系。根據(jù)流體并聯(lián)關系的特點，沖擊腔內(nèi)的流體和中部流道所造成的壓降相等。

由于整個工具的長度較短，同時工具表面較為光滑，因此工具的摩擦阻力可以忽略，整個輔助配套工具壓降的主要來源是工具內(nèi)部流體流向改變和截面積突變的局部壓降[3]。

1）中部流道。進入中部流道的流體通過中部噴嘴處，截面積突減，造成的壓降為：

式中：Δp11為噴嘴處所造成的壓降；ξ11為工具局部壓降系數(shù)；ρ為流道中流體密度；v11為中部流道噴嘴出口處液流流速；Q1為從中部流道經(jīng)過的流體的流量；A11為噴嘴的過流面積。

2）沖擊腔。工具內(nèi)部有2個完全相同且對稱的沖擊腔，這2個沖擊腔是并聯(lián)關系，分析時只需要計算1個沖擊腔。流體從軸向運動的方向進入沖擊腔內(nèi)，流體的運動方向改變90°，同時流道面積也有突變，產(chǎn)生的壓降為：

式中：Δp31為該處所造成的壓降；ξ31為局部壓降系數(shù)；ξ32為截面積突變時的局部壓降系數(shù)；v31為從沖擊腔通道內(nèi)排出流體的流速；Q2為進入單個沖擊腔內(nèi)流體的流量；A31為沖擊腔排出通道的過流面積。

排出后的流體從下端的通道流出并和中部通道流出的流體匯合，這部分的流體截面積發(fā)生突變，產(chǎn)生的壓降為：2

中部噴嘴的過流面積越小，工具的壓降越大，從噴嘴處流到下端的流體的流量越小，進入沖擊腔內(nèi)分流的液流排量越大，沖擊錘振動的頻率越高，所做的沖擊功就越大。

沖擊腔入口流道尺寸越小，進入沖擊腔和從沖擊腔排出的阻力越大，損耗的能量越大。流道面積越大越好，但是過大會降低沖擊錘強度，因此在設計時需要綜合考慮壓降和工具強度。

1.2 工具內(nèi)部流場模擬

為分析工具內(nèi)部流體在流道中運動及壓力狀態(tài)，使用流體力學軟件FLUENT進行數(shù)值模擬計算。建立工具三維的內(nèi)部流道結構，如圖2和圖3所示。

圖2 井下解堵輔助配套工具內(nèi)部流道三維結構

圖3 井下解堵輔助配套工具不同位置處橫截剖面

建立CFD流體動力學模型，通過Gambit軟件對輔助工具流體域建立網(wǎng)格模型[4]。

計算時工具內(nèi)部通道液流取水的密度值，液流的動力黏度取0.001 kg/（m·s）。示例中，井下解堵輔助配套工具取中心孔的直徑為30 mm，從中心孔進入的流速取30 L/s，可以看到此時為強湍流的流動狀態(tài)，因為輔助配套工具內(nèi)部的雷諾數(shù)高達2.48×105。進口條件：速度進口取0.6114 m/s，湍流強度取3.39%，水力直徑取0.154 m。出口條件：壓力出口。壁面條件：取無滑移壁面的邊界條件。

沖擊錘在流體壓力的推動下運動，從開始運動到滿程時總共所需時間為0.011 72 s，工具的沖擊頻率為42.66 Hz，模擬計算整套井下解堵輔助配套工具的進出口壓力差為1.2～2.7 MPa。

井下解堵輔助配套工具的沖擊錘在運動過程中的壓差衰減曲線如圖4所示，井下解堵輔助配套工具的沖擊錘在流體壓力的推動下運動時，剛開始的流阻是最大的，沖擊錘啟動之后，內(nèi)部流體進行分流，工具的流阻逐漸減小；在結構一定的情況下，輔助配套工具總體的壓差損失隨排量的減小而降低。

圖4 井下解堵輔助配套工具壓差隨時間變化曲線

不同流量下井下解堵輔助配套工具在中心孔處和分流孔處的液流的速度-時間變化規(guī)律曲線如圖5所示，對比不同的排量，在一定的時間范圍內(nèi)的同一時間點時，排量增加，配套工具在中心孔處和分流孔處的液流的速度是變大的。

圖5 井下解堵輔助配套工具不同排量下不同位置速度-時間變化曲線

分析不同排量下井下解堵輔助配套工具的運動特性的變化規(guī)律，需要重點研究沖擊錘轉矩和沖擊錘加速度的特性變化規(guī)律。如圖6所示，在剛開始啟動的時刻，輔助配套工具的沖擊錘所受轉矩值及加速度值均為最大，沖擊錘啟動之后，內(nèi)部流體進行分流，沖擊錘所受的轉矩值及加速度值均逐漸減小。對比不同排量，在一定的時間范圍內(nèi)的同一時間點時，排量增加，配套工具的沖擊錘轉矩和加速度均增加。

圖6 井下解堵輔助配套工具不同流量下沖擊錘轉矩及沖擊錘加速度變化曲線

2 井下解堵輔助配套工具強度分析

2.1 沖擊錘結構碰撞力分析

當液流通過中部通道分流進入沖擊腔內(nèi)，液流推動沖擊錘開始轉動。沖擊錘的運動關系為：1）初始狀態(tài)時，沖擊錘為靜止狀態(tài)。當入口通道打開，液流進入工具的沖擊腔，沖擊錘開始轉動。這時沖擊錘的轉速較低，沖擊錘低壓腔內(nèi)的流體排出的速度較低，沖擊錘的阻尼力較小，沖擊錘的加速度很大。2）沖擊錘的轉速越高，沖擊錘低壓腔內(nèi)的流體排出的速度越高，沖擊錘的阻尼力越大。當阻尼力與驅動力大小相等時，此時沖擊錘受力為零，沖擊錘做勻速轉動，直至撞擊沖擊腔壁面。3）以恒定速度撞擊到錘外殼上時，該沖擊功會通過錘外殼下端的方形塊傳遞到下部。同時沖擊錘的速度變?yōu)榱?，這時啟動器繼續(xù)轉動，改變高低壓腔通道方向，驅動沖擊錘向著相反的方向轉動。

沖擊錘的臨界轉速為：

式中：f為沖擊頻率；A24為擺錘葉片的側面積；m為擺錘質量。

仿真計算的邊界條件設定為通過Fluent動網(wǎng)格模擬計算出的液流對沖擊錘的沖擊速度，以此計算沖擊錘的撞擊力。在極限狀態(tài)下，最大碰撞力發(fā)生在沖擊錘與壁面撞擊后反彈的時候。沖擊錘在液流作用下與沖擊腔的碰撞分為彈性碰撞和阻尼碰撞，即撞擊后沖擊錘反彈和速度為零的2種情況[5]。

經(jīng)過模擬計算，輔助配套工具的沖擊錘彈性碰撞和阻尼碰撞轉矩曲線如圖7所示，工具沖擊錘彈性、阻尼碰撞的轉矩及應力數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 輔助配套工具沖擊錘彈性碰撞和阻尼碰撞轉矩曲線

表1 輔助配套工具沖擊錘彈性碰撞和阻尼碰撞數(shù)據(jù)

2.2 工具結構強度校核

通過模擬計算來分析輔助配套工具本體的疲勞強度。輔助配套工具本體材質為4145H，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，通過計算本體最大等效應力值為149 MPa，最大靜變形為0.201 mm，如圖8所示。工具整體滿足強度要求。

圖8 輔助配套工具本體等效應力和整體變形云圖

沖擊錘等效應力分布如圖9所示，在沖擊錘的邊界處及換向槽的棱角處出現(xiàn)了一定的應力集中，最大應力值為128 MPa，而沖擊錘所采用的材料為20CrMoTi，最大應力遠小于屈服強度，因此沖擊錘的強度滿足需求。

圖9 沖擊錘等效應力分布

3 結語

1）在方案設計的基礎上進行工具內(nèi)部流場模擬，工具沖擊錘在流體壓力的推動下運動時，剛開始的流阻最大，沖擊錘啟動之后，內(nèi)部流體進行分流，工具的流阻逐漸減??；結構一定的情況下工具總體的壓差損失隨排量的減小而降低。2）研究流量對工具運動特性影響，在剛開始啟動的時刻，輔助配套工具的沖擊錘所受轉矩及加速度均為最大，沖擊錘啟動之后，內(nèi)部流體分流，轉矩及加速度均逐漸減小；在一定的時間范圍內(nèi)，排量增加，配套工具的沖擊錘轉矩和加速度均增加。3）對工具進行碰撞力和強度分析，工具整體滿足強度要求，沖擊錘強度亦滿足需求。