基于CFD的深海反循環(huán)清潔工具性能分析

王占昶，劉琦，王俊新，張益誠(chéng)，劉文川

(1.重慶大學(xué) a.礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.資源與安全學(xué)院，重慶 400044；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

油井清砂技術(shù)是提高油田生產(chǎn)效率、保護(hù)油井長(zhǎng)期有效開(kāi)采的重要技術(shù)。目前，針對(duì)油井出砂問(wèn)題的清砂工有已有幾種：水力泵沖砂方法，通過(guò)雙噴嘴使用動(dòng)力液將井筒沙粒利用主噴嘴產(chǎn)生的負(fù)壓作用提升至地面；氣舉反循環(huán)方法，通過(guò)向工具內(nèi)部注入空氣，利用空氣的膨脹特性使工具內(nèi)部流體排出；泡沫清砂方法，針對(duì)低壓漏失井通過(guò)氮?dú)馀菽瓕⑸傲С?。針?duì)井底打撈目前最常用的是機(jī)械打撈方法，但主要針對(duì)豎井的情況。在實(shí)際深海井底作業(yè)過(guò)程中，油井管道有可能發(fā)生漏失，目前絕大多數(shù)井下清砂工藝在有漏失的情況下都存在作業(yè)效果難題，比如針對(duì)低壓漏失井設(shè)計(jì)的泡沫清砂方法在面對(duì)漏失量較大的油井，很難產(chǎn)生循環(huán)?；谪?fù)壓引射原理設(shè)計(jì)的反循環(huán)清潔工具利用高速、高壓的純水，通過(guò)內(nèi)部產(chǎn)生的局部負(fù)壓將井底砂粒卷吸進(jìn)工具中，從而達(dá)到清砂作用。目前針對(duì)深海高壓且存在漏失的工況研究報(bào)道較少，由于在工具工作過(guò)程中難以對(duì)工具內(nèi)部進(jìn)行觀測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，因此需要通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬方法相結(jié)合的手段對(duì)其進(jìn)行分析，為解決深海油井出砂難題提供一種有效方法。

反循環(huán)清潔工具的主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 反循環(huán)清潔工具結(jié)構(gòu)示意

由各部分套筒、3個(gè)均布噴嘴、過(guò)濾部分、扶正桿及吸入部分組成。其中，3個(gè)均布噴嘴用來(lái)對(duì)深海油氣井套管內(nèi)壁進(jìn)行清理，待清理物經(jīng)吸入本體吸入清潔工具，經(jīng)過(guò)濾，吸入的水在噴嘴處產(chǎn)生的負(fù)壓作用下從噴嘴噴出。

1 可視化實(shí)驗(yàn)

構(gòu)建可視化測(cè)試平臺(tái)觀察反循環(huán)清潔工具卷吸碎屑的全過(guò)程，獲得無(wú)圍壓條件下清潔工具工作時(shí)套管內(nèi)部的整體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，以及不同工況條件下待清潔碎屑實(shí)驗(yàn)前后的體積變化數(shù)據(jù)。分析負(fù)壓清潔工具卷吸碎屑時(shí)流場(chǎng)的渦旋流動(dòng)特性，并從流場(chǎng)形態(tài)方面判定完整的反循環(huán)流場(chǎng)是否成功建立。

1.1 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

使用3段直徑140 mm、長(zhǎng)度2 260 mm的透明套管通過(guò)法蘭盤(pán)進(jìn)行連接，工具的進(jìn)水流量通過(guò)調(diào)節(jié)柱塞泵壓力和溢流閥開(kāi)度共同控制，通過(guò)固定機(jī)位攝像機(jī)捕捉清潔區(qū)域的流場(chǎng)形態(tài)和卷吸碎屑情況，并通過(guò)LED光源進(jìn)行補(bǔ)光以提升流場(chǎng)拍攝效果，實(shí)驗(yàn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置

1.2 反循環(huán)建立及卷吸特性

反循環(huán)清潔工具在工作過(guò)程中尾端存在渦旋流動(dòng)和進(jìn)入吸入口的流動(dòng)，在開(kāi)始工作階段，吸入口攜帶套管內(nèi)空氣和液體同時(shí)進(jìn)入工具且速度極快(見(jiàn)圖3a))；隨后工具持續(xù)攜帶井筒內(nèi)待清理物進(jìn)入工具，達(dá)到清潔效果(見(jiàn)圖3b)、c))，由于井筒內(nèi)仍未完全注滿(mǎn)液體，在吸入口附近產(chǎn)生液面較低點(diǎn)；隨著工具穩(wěn)定運(yùn)行(見(jiàn)圖3d))，由噴嘴射出的水注滿(mǎn)整個(gè)套管但仍在吸入口附近產(chǎn)生氣體空腔，這是吸入口附近卷吸渦旋導(dǎo)致流態(tài)發(fā)生改變而導(dǎo)致的，也反映了工具的夾帶碎屑能力，在穩(wěn)定階段套管尾部產(chǎn)生明顯渦旋且始終流向吸入口。

圖3 反循環(huán)卷吸過(guò)程

反循環(huán)清潔工具工作原理示意于圖4。

圖4 反循環(huán)清潔工具工作原理

高速高壓水由工具前端入口進(jìn)入，經(jīng)擴(kuò)張段流入噴嘴座，由3個(gè)均分噴嘴高速射向井筒環(huán)空，從而達(dá)到清潔井筒管壁的目的。在上述過(guò)程中，高速流體從噴嘴至壁面開(kāi)孔的過(guò)程中由于速度驟增引起動(dòng)壓迅速升高使靜壓驟降，即產(chǎn)生相對(duì)負(fù)壓。然后高速水流攜帶待清理物從工具尾部吸入口流進(jìn)工具內(nèi)，碎屑和水由過(guò)濾本體分離。由于噴嘴與壁面開(kāi)孔之間的相對(duì)負(fù)壓，水重新從壁面開(kāi)孔射出，完成反循環(huán)流動(dòng)。并且經(jīng)可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該反循環(huán)清潔工具尾部產(chǎn)生極為顯著的卷吸效應(yīng)，卷吸段后部為一個(gè)紊亂流域，該紊亂流域還可在負(fù)壓清潔工具長(zhǎng)期運(yùn)行下將未卷吸進(jìn)入工具而聚集在尾部的碎屑帶進(jìn)吸入口。吸入口的速度表征外界流體及碎屑進(jìn)入工具的速度，是評(píng)價(jià)反循環(huán)清潔工具清潔性能的一個(gè)重要指標(biāo)，吸入口的吸入速度越大工具清潔效果越好。

1.3 清潔效果評(píng)估

將400 cm陶粒作為待清潔材料放入反循環(huán)清潔工具尾部，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，工具尾部有效清潔范圍主要集中于吸入口50～100 mm的流域內(nèi)，測(cè)試時(shí)間內(nèi)(4 min)對(duì)所放置陶粒的清潔效率可達(dá)75%～80%以上。經(jīng)過(guò)觀察和分析，尾部渦旋卷吸流動(dòng)能夠連續(xù)地將待清理物吸入，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的效果。工具清潔效果見(jiàn)圖5。

圖5 工具清潔效果

2 承壓實(shí)驗(yàn)

選優(yōu)承壓套管搭建反循環(huán)清潔工具承壓測(cè)試平臺(tái)，以獲取現(xiàn)有反循環(huán)清潔工具承壓工作時(shí)套管內(nèi)的環(huán)空壓力分布，為探索不同流量、漏失量和圍壓對(duì)反循環(huán)清潔工具作業(yè)效率的影響提供定量數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)，作為可視化無(wú)圍壓反循環(huán)清潔實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，通過(guò)對(duì)比相同流量和漏失量條件下承壓套管內(nèi)的壓力分布和CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果中套管內(nèi)的環(huán)空壓力分布狀況，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 承壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

承壓實(shí)驗(yàn)期間清潔工具所處圍壓通過(guò)設(shè)置柱塞泵壓力和圍壓節(jié)流閥共同控制，由數(shù)字流量計(jì)監(jiān)測(cè)漏失流量，并通過(guò)漏失量控制閥控制，承壓套管管壁上分布的壓力傳感器可測(cè)量并記錄所處位置套管內(nèi)環(huán)空壓力的變化，實(shí)驗(yàn)布置圖見(jiàn)圖6。

圖6 承壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置

2.2 套管環(huán)空壓力變化規(guī)律

海底油井清砂和打撈過(guò)程中，受深部井筒內(nèi)水壓的影響，工具在高圍壓狀態(tài)下作業(yè)。為了在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還原海底圍壓的工況，利用球閥和壓力表對(duì)套管內(nèi)部圍壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，圍壓與排量穩(wěn)定情況下通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取的環(huán)空壓力數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。

圖7 壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

工具在存在水壓的套管內(nèi)工作時(shí)，套管環(huán)空壓力見(jiàn)圖8。

圖8 環(huán)空壓力變化

環(huán)空中從入口至噴嘴前端圍壓為穩(wěn)定相對(duì)低壓狀態(tài)，這部分流體流速也較為平穩(wěn)；噴嘴處的環(huán)空壓力會(huì)因高速流體撞擊管壁而導(dǎo)致壓力驟增而失穩(wěn)；從噴嘴至工具尾部環(huán)空圍壓穩(wěn)定降低，并在工具尾部吸入口處達(dá)到最小值，這是由于吸入口對(duì)流體的卷吸作用和工具內(nèi)部壓力驟減所造成的影響。由此可見(jiàn)，工具運(yùn)行期間會(huì)對(duì)外部水壓產(chǎn)生規(guī)律性影響，進(jìn)而影響其清潔性能。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 控制方程

數(shù)值模擬采用ANSYS Fluent進(jìn)行計(jì)算，其中涉及到的主要方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和采用模型的輸運(yùn)方程。

連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程，其在該數(shù)值模擬方法中表達(dá)為

(1)

式中：為密度；為時(shí)間；為速度矢量；為由其他項(xiàng)添加到連續(xù)項(xiàng)的質(zhì)量。

數(shù)值模型動(dòng)量方程為

(2)

采用可實(shí)現(xiàn)的-湍流模型，該模型中湍流動(dòng)能及其耗散率的輸運(yùn)方程為

+--+

(3)

(4)

3.2 計(jì)算模型簡(jiǎn)化及邊界條件設(shè)置

根據(jù)反循環(huán)清潔工具實(shí)物結(jié)構(gòu)建立三維物理模型，長(zhǎng)5 422 mm、半徑57.4 mm,見(jiàn)圖9。

圖9 反循環(huán)清潔工具三維物理模型

為了保證數(shù)值模擬計(jì)算的穩(wěn)定性和高效性，對(duì)實(shí)際工具的過(guò)濾篩管部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使用Space claim和Fluent軟件進(jìn)行流道體積的提取以及網(wǎng)格的繪制。數(shù)值模擬的網(wǎng)格單元及邊界示意見(jiàn)圖10。采用多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)為1 233 139。

圖10 數(shù)值模擬網(wǎng)格單元示意

數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置入口邊界為速度入口邊界，出口邊界為壓力出口邊界。邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 邊界條件

3.3 模型驗(yàn)證

承壓套管實(shí)驗(yàn)中因無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)套管內(nèi)部和工具內(nèi)部的速度與壓力等指標(biāo)，所以在套管外壁設(shè)置有6個(gè)壓力數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，排水管路的壓力表用于監(jiān)測(cè)套管內(nèi)圍壓，另外5個(gè)壓力數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為套管環(huán)空的典型壓力采集點(diǎn)，用于驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

相同工況下室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的壓力進(jìn)行比較見(jiàn)圖11，忽略壓力傳感器系統(tǒng)誤差波動(dòng)，對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值即可得數(shù)值模擬獲取數(shù)據(jù)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)誤差約為1%，因此認(rèn)為可以利用數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)分析該工具運(yùn)行狀態(tài)下的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖11 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬套管環(huán)空壓力對(duì)比

3.4 工具性能分析

該工具清潔能力即吸入口吸入效率主要決定因素是工具內(nèi)部所產(chǎn)生的壓差Δ，即工具尾部吸入口附近靜壓與工具內(nèi)部噴嘴附近負(fù)壓區(qū)靜壓之差。

Δ=-

(5)

工具噴嘴附近的壓力數(shù)值模擬結(jié)果分析表明，工具內(nèi)部局部負(fù)壓區(qū)在高速流體從噴嘴射出到工具外部開(kāi)孔之間，主要是由于流體在噴嘴處加速引起的(圖12d)、e))，由于開(kāi)孔尺寸約為噴嘴射流寬度的2倍左右，空腔內(nèi)部流體在開(kāi)孔附近會(huì)形成渦旋，使周?chē)鷫毫E降以致影響噴嘴所處空腔總體壓力驟降形成負(fù)壓區(qū)，見(jiàn)圖12c)。

圖12 負(fù)壓區(qū)形成原理示意

不同的入口流量下工具內(nèi)部產(chǎn)生的壓差不同，隨流量變化噴嘴附近負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生的負(fù)壓差(-Δ)變化見(jiàn)圖13，可知隨著入口流量的增大，|Δ|增大。這是因?yàn)楫?dāng)入口流量增加時(shí)，噴嘴射流的速度也會(huì)相應(yīng)呈比例增加，這時(shí)噴嘴射流與噴嘴所在腔室以及工具開(kāi)孔附近之間的流體存在更大的速度差。這樣，不僅產(chǎn)生了更強(qiáng)的渦旋部分，而且使整個(gè)噴嘴所處腔室壓力總體急劇減小，形成更大的局部負(fù)壓。

圖13 工具負(fù)壓區(qū)隨入口流量的變化

擬合壓差與吸入速度發(fā)現(xiàn)，二者呈良好正相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖14)，隨著入口流量的增大、|Δ|增大，工具內(nèi)部流場(chǎng)的反循環(huán)速度會(huì)增大，最終影響到工具尾部的吸入口，使其吸入速度大幅提升(見(jiàn)圖15)，并且吸入口附近的尾端卷吸范圍也會(huì)增大，更有利于工具清理作業(yè)。

圖14 工具內(nèi)外壓差與吸入速度擬合對(duì)比

圖15 工具吸入速度隨入口流量的變化

如圖16所示，在入口速度相同的條件下圍壓對(duì)壓差沒(méi)有影響，這是由于保持入口速度不變的情況下工具所處速度場(chǎng)沒(méi)有發(fā)生改變。因此，在入口速度相同的條件下工具所產(chǎn)生的吸入速度也不會(huì)發(fā)生改變，如圖17a)所示。在圍壓升高的同時(shí)，要保證相態(tài)的流量，必然要提高作業(yè)入口壓力(圖17b))，入口壓力與圍壓的同步提高維持了Δ的穩(wěn)定，流場(chǎng)形態(tài)、吸入口速度也保持不變。實(shí)際應(yīng)用中，隨著井深的增加(圍壓增加)，為保證清潔性能滿(mǎn)足要求，需提高泵壓以消除圍壓增加對(duì)吸入速度的削弱。

圖16 不同圍壓相同入口速度噴嘴處壓差對(duì)比

圖17 吸力速度及入口壓力與圍壓的關(guān)系

在油井清砂現(xiàn)場(chǎng)工作中，井筒漏失情況是影響油井清砂的難題，多種相似循環(huán)清理工具都無(wú)法完美適配存在漏失的井筒，模擬工具在尾部存在漏失與無(wú)漏失情況下工作效果的對(duì)比見(jiàn)圖18。如果井筒發(fā)生漏失，工具的清潔性能會(huì)有所降低，工具在有漏失的工況下吸入速度最多會(huì)較無(wú)漏失降低9%～14%。

圖18 有無(wú)漏失吸入速度與流量關(guān)系比較

如圖19a)b)所示，漏失有大量流體流失未參與卷吸進(jìn)而改變工具尾端流場(chǎng)特征。如圖19c)d)所示，由于漏失口處壓力始終低于套管環(huán)空壓力，使工具與管壁之間的高速流體不僅受到吸入口卷吸的低壓進(jìn)入吸入口，還會(huì)受到漏失口處的低壓而流向漏失口。隨著入口流速增大漏失口流速也將增大，漏失口處低壓區(qū)壓力降低，進(jìn)而對(duì)吸入性能產(chǎn)生更大影響。在工程實(shí)際中由于難以對(duì)井筒漏失處進(jìn)行填堵，為了達(dá)到清潔效果仍需增大泵注排量以獲得更高吸入速度。

圖19 有無(wú)漏失速度壓差對(duì)比

4 結(jié)論

1)反循環(huán)清潔工具利用射流高速?lài)娚洚a(chǎn)生局部負(fù)壓，建立與工具底部吸入口附件的壓差卷吸打撈待清潔材料，清潔效率可達(dá)75%以上，實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況下最佳卷吸清潔范圍位于吸入口至后方50～100 mm處。

2)反循環(huán)清潔工具在外部高水壓環(huán)境下依舊能保證清潔能力，工具的吸入速度取決于工作時(shí)噴嘴射流在工具內(nèi)部形成的負(fù)壓區(qū)與吸入口的壓力差，工具吸入速度以及工具內(nèi)部所產(chǎn)生的壓差僅與入口流速有關(guān)，在高圍壓的情況下為了保證清潔效率需隨圍壓增大升高入口壓力。

3)管道漏失仍能夠建立局部的反循環(huán)達(dá)到清潔打撈的目的，但漏失的出現(xiàn)會(huì)改變工具內(nèi)部及環(huán)空流場(chǎng)特征，隨著漏失量的增加，漏失口壓力降低使吸入速度降低，進(jìn)而削弱清潔性能，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，面對(duì)漏失的出現(xiàn)需進(jìn)一步提升泵壓，增加有效壓差以達(dá)到清潔的目的。