王春生 何振楠 徐玉建 楊富祥

摘要：為了明確常規(guī)局部反循環(huán)洗井裝置在井下形成反循環(huán)的機(jī)理及其目前洗井效果不理想的原因，解決其在應(yīng)用過程中碎屑提取率低的問題，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，建立該裝置洗井作業(yè)時(shí)的孔底固液兩相流場計(jì)算模型，分析液相洗井介質(zhì)在沖洗碎屑過程中的壓力場、速度場分布及湍流特征。模擬計(jì)算得出：液相洗井介質(zhì)的壓力、流速及湍動(dòng)能耗散主要發(fā)生在進(jìn)入孔底流場前的兩次出水孔換向過程中，導(dǎo)致其對孔底中部的碎屑沖洗能力不足，部分碎屑滯留在孔底中部。為改善反循環(huán)洗井裝置的洗井效果，可改進(jìn)下出水孔的結(jié)構(gòu)，將下出水孔位置適當(dāng)下移或縮小下出水孔直徑，通過增大孔底處洗井介質(zhì)流速來提升其對碎屑的攜帶能力。研究結(jié)果可為局部反循環(huán)打撈裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué);反循環(huán)洗井;數(shù)值模擬;固液兩相流;碎屑提取率

中圖分類號(hào)：TE925.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi： 10.7535/hbgykj.2018yx02004

WANG Chunsheng， HE Zhennan， XU Yujian，et al.Numerical simulation of local reverse circulation salvage device[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2018，35（2）：98-103.Numerical simulation of local reverse circulation salvage device

WANG Chunsheng1， HE Zhennan1， XU Yujian2， YANG Fuxiang1

（1.School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China; 2.Northeast Petroleum Bureau， SINOPEC， Changchun， Jilin 130062， China）

Abstract： In order to make clear the mechanism of reverse circulation formation by conventional partial reverse circulation washing device in underground and the cause of the unsatisfactory washing effect at present， as well as to solve the problem of low chip extraction rate in the application process， computational fluid dynamics method is used to establish the calculation model of solid-liquid two-phase flow field of hole bottom in the washing operation of the device， and the pressure field distribution， the velocity field distribution and the turbulence characteristics of the liquid phase washing media in the process of flush debris are analyzed. The simulation calculation shows that the pressure， flow velocity and turbulent kinetic energy dissipation of liquid phase washing media mainly occurr in the process of twice reversing in the outlet hole before entering the hole bottom flow field， reducing the ability to clean the debris in the middle of the hole， and causing part of the debris trapped in the middle of the hole. In order to improve the washing effect of reverse circulation well washing device， the structure of the bottom outlet hole can be improved， shifting downward the lower outlet hole position appropriately or reducing the diameter of outlet hole， increasing the flow rate of the washing medium at the bottom of the hole to improve the carrying capacity of the well washing medium to the debris. The research results may provide reference for the optimal design of the local reverse circulation salvage device.

Keywords：computational fluid dynamics; reverse circulation washing well; numerical simulation; solid-liquid two-phase flow; extraction rate of debris

反循環(huán)洗井打撈技術(shù)是在反循環(huán)鉆探取樣技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，根據(jù)反循環(huán)工作方式不同又細(xì)化出局部反循環(huán)洗井方式。局部反循環(huán)技術(shù)的特點(diǎn)在于其能夠在井下改變洗井介質(zhì)的循環(huán)方式[1-2]。局部反循環(huán)打撈裝置的研制是為解決漏失井所存在的洗井困難問題，但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該裝置存在反循環(huán)能力不足、碎屑采取率低等問題[3]。因此，正確分析其在洗井作業(yè)時(shí)孔底流場流態(tài)分布特征及洗井介質(zhì)湍動(dòng)能的變化規(guī)律，對解決該問題顯得尤為重要。

針對上述問題，本文基于局部反循環(huán)洗井裝置的結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks軟件建立該裝置的三維模型，運(yùn)用Fluent前處理器ICEM對輸出的構(gòu)造模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Fluent 3D單精度求解器對網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，分析液相洗井介質(zhì)在沖洗碎屑過程中壓力場、速度場分布及湍流特征，明確該裝置的反循環(huán)機(jī)理以及應(yīng)用過程中產(chǎn)生反循環(huán)能力不足、碎屑采取能力不佳等現(xiàn)象的原因。隨后對增大流速、減小孔底固相碎屑濃度的工況進(jìn)行模擬，并與正常工況模擬結(jié)果進(jìn)行對比，為局部反循環(huán)打撈裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1結(jié)構(gòu)分析及模型建立

常規(guī)的反循環(huán)打撈裝置設(shè)有入水口、出水口及沖洗口3種流動(dòng)通道，用于改變洗井液在井下的循環(huán)方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。當(dāng)洗井介質(zhì)進(jìn)入該裝置時(shí)，由擋水板上部入水口進(jìn)入裝置內(nèi)外筒之間的環(huán)空內(nèi)，隨后經(jīng)沖洗口射流進(jìn)入裝置與井壁之間的環(huán)空，并在孔底形成反循環(huán)，使孔底碎屑隨洗井介質(zhì)穿過活頁總成進(jìn)入裝置內(nèi)筒處的沉淀管中[5]。在沉淀管與裝置中部出水口之間設(shè)有過濾網(wǎng)，當(dāng)巖屑溢出沉淀管時(shí)，過濾網(wǎng)能夠防止其穿過中部出水口重新流回井底空間。進(jìn)入內(nèi)筒的洗井介質(zhì)通過裝置中部出水口再次進(jìn)入裝置與井壁之間的環(huán)空，一部分會(huì)上返到地面，另一部分與裝置下部沖洗口射流出的洗井介質(zhì)一起進(jìn)入孔底繼續(xù)進(jìn)行反循環(huán)作業(yè)。

考慮到局部反循環(huán)打撈裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建模過程中，在不影響流場的前提下忽略活頁總成部分以及裝置內(nèi)筒中的沉淀管，計(jì)算模型如圖2所示。該打撈裝置具體的幾何參數(shù)如下：井孔直徑為124 mm;裝置外筒直徑為114 mm;裝置內(nèi)筒直徑為84 mm;在裝置內(nèi)筒體上部設(shè)置6組均角度分布直徑為6 mm的上噴孔，噴孔中軸線與裝置中軸線呈45°;在外筒下部設(shè)置6組均角度分布的下噴孔，噴孔直徑及角度與上噴孔相同;在裝置中部設(shè)置2組中部噴孔，噴孔直徑為10 mm，噴孔中軸線與裝置中軸線垂直。在裝置和井底之間留出10 mm高度作為巖屑放置空間，流體域模型高度為300 mm。

2局部反循環(huán)打撈裝置孔底流場數(shù)值模擬

2.1液相數(shù)學(xué)模型與算法

考慮到反循環(huán)裝置進(jìn)行洗井作業(yè)時(shí)孔底內(nèi)部流場較復(fù)雜，在數(shù)值計(jì)算中作如下假設(shè)[6-8]：

1）假設(shè)液相洗井介質(zhì)在裝置及孔底的流動(dòng)為連續(xù)流動(dòng)，視洗井介質(zhì)為不可壓縮流體。假設(shè)流動(dòng)中無熱量交換，忽略溫度變化的影響。

2）孔底巖屑為粒徑尺寸均勻的球形顆粒，初始徑向、軸向及切向速度均為零，并假設(shè)固液相之間不存在相變現(xiàn)象及空化現(xiàn)象，在此理想狀態(tài)下，對該裝置洗井作業(yè)時(shí)孔底固液兩相流場進(jìn)行模擬計(jì)算。

在模擬裝置孔底流場的固液兩相流動(dòng)時(shí)采用混合物模型，求解混合物的動(dòng)量方程，并通過相對速度來描述離散相[9]。在忽略能量方程的假設(shè)下，孔底流場的控制方程主要包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[10-11]。由于裝置在井下作業(yè)時(shí)內(nèi)部流場存在強(qiáng)烈的湍流流動(dòng)，故在數(shù)值模擬時(shí)采用RNG k-ε模型[12-13]。該模型考慮了湍流漩渦并對湍流黏度進(jìn)行修正，在有效改善精度的同時(shí)在耗散率方程中增加了能夠反映時(shí)均應(yīng)變率的參數(shù)，使得該模型適用范圍更加廣泛且具有更高的精度[9]。

2.2顆粒相數(shù)學(xué)模型

由于反循環(huán)洗井打撈裝置的孔底流場中固相巖屑顆粒濃度較低，顆粒的運(yùn)動(dòng)主要由流場內(nèi)湍流決定，所以可以忽略顆粒間的碰撞[13]。井底巖屑在流場中受到的相間作用力包括曳力、壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力、Magnus力、Saffman升力以及Basset力等，在忽略顆粒碰撞的情況下，顆粒相的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二定律[14]：mpdupdt=∑F。（1）式中：mp為顆粒質(zhì)量，g;up為顆粒速度矢量，m/s;∑F為顆粒所受外力之和，N。

洗井過程中孔底流場中的固相顆粒運(yùn)動(dòng)主要由流場內(nèi)的湍流決定，湍流的存在會(huì)使顆粒的運(yùn)動(dòng)存在脈動(dòng)，忽略湍流擴(kuò)散會(huì)造成顆粒軌跡計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，通過將湍流脈動(dòng)速度引入流體平均速度中，得到流體瞬時(shí)速度[15]：u=+u′。?????? （2）式中：為平均速度，m/s;u′為湍流脈動(dòng)速度，m/s。

由此可得到顆粒隨機(jī)軌道模型，如式（3）所示：

dupxdt=1τp（+u′-upx），dupydt=1τp（+v′-upy），dupzdt=1τp（+w′-upz）。???????????????? （3）

式中：，，分別為氣相流體時(shí)均速度在x，y，z方向上的分量;u′，v′，w′為氣體脈動(dòng)速度在3個(gè)方向上的分量;upx，upy，upz分別為固相顆粒速度在3個(gè)方向上的分量;τp為顆粒的松弛時(shí)間[13]。

2.3網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

由于孔底流場結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此在進(jìn)行流體域網(wǎng)格劃分時(shí)采用有限體積法生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流體域網(wǎng)格如圖3所示。采用瞬態(tài)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，設(shè)置y方向重力加速度值為-9.81 m/s2，多相流模型采用歐拉模型。采用液、固兩相流體，將沖洗介質(zhì)水設(shè)置為主相，設(shè)置固相顆粒直徑為0.01 m，密度為2 600 kg/m3。將裝置上接頭設(shè)置為速度入口邊界，流速為5 m/s，將裝置與井壁之間的環(huán)空設(shè)置為壓力出口邊界。將井底碎屑設(shè)置在裝置與井底之間預(yù)留空間處，碎屑的體積分?jǐn)?shù)為70%，碎屑分布如圖4所示。

2.4孔底流場數(shù)值模擬及結(jié)果分析

采用瞬態(tài)模型對孔底流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對比分析不同時(shí)步下流場內(nèi)顆粒分布情況，明確該裝置反循環(huán)機(jī)理。從圖5中可以看出，洗井介質(zhì)從下出水口射入裝置底部，沿裝置內(nèi)壁沖洗裝置底部聚集的碎屑，固相顆粒受洗井介質(zhì)的攜帶作用，沿裝置中通部分向沉淀管運(yùn)動(dòng)。當(dāng)沖洗介質(zhì)到達(dá)孔底中部時(shí)，能量會(huì)損失一部分，位于孔底中心處的巖屑受到的舉升力小于孔底外側(cè)的碎屑，導(dǎo)致洗井過程中此處存在少量無法洗出的碎屑，故假設(shè)洗井時(shí)碎屑所存在的“死區(qū)”為孔底中心部分。

洗井裝置中液相壓力場分布如圖6所示。從圖6 a）中可以看出，液相介質(zhì)在上、下出水孔處存在一定的壓力消耗。如圖6 b）所示，當(dāng)洗井介質(zhì)經(jīng)過裝置上接口到達(dá)擋水板處時(shí)會(huì)產(chǎn)生回流現(xiàn)象，回流的液體會(huì)對進(jìn)入上出水孔的液體產(chǎn)生阻礙作用，故由于裝置結(jié)構(gòu)原因洗井介質(zhì)會(huì)在上出水孔處損失一部分的壓力。如圖6 c）所示，當(dāng)洗井介質(zhì)由裝置內(nèi)外筒之間的環(huán)空穿過下出水孔進(jìn)入裝置內(nèi)外壁之間環(huán)空時(shí)，壓力會(huì)進(jìn)一步損失，故洗井介質(zhì)流至孔底中部時(shí)因能量不足無法將位于此處的巖屑全部洗出，導(dǎo)致在孔底中部存在巖屑遺留問題。

洗井裝置流體域速度場分布圖見圖7。如圖7 a）所示，液體的速度變化主要出現(xiàn)在上、下出水孔處，而在其余位置變化不明顯。由于下出水孔是該裝置在孔底形成反循環(huán)的主要結(jié)構(gòu)，故對下出水孔進(jìn)行著重分析。由圖7 b）下出水孔局部放大圖可以看出，在洗井介質(zhì)由裝置內(nèi)外筒之間環(huán)空經(jīng)下出水孔進(jìn)入到裝置與井壁之間環(huán)空的過程中，由于井壁的阻擋部分介質(zhì)會(huì)形成上返流，該上返流的存在也是造成局部反循環(huán)洗井裝置洗井效果不佳的原因。

不同時(shí)步下液相洗井介質(zhì)的湍動(dòng)能等值線分布如圖8所示。在液體由下出水孔進(jìn)入到裝置外壁和井壁之間的環(huán)空過程以及流入孔底的過程中時(shí)，湍動(dòng)能由于液體的壓縮和流向的改變產(chǎn)生局部升高的現(xiàn)象。當(dāng)洗井介質(zhì)流入孔底與孔底巖屑接觸時(shí)，液相的湍動(dòng)能主要沿裝置中通部分內(nèi)壁向上移動(dòng)，而在孔底中部位置湍動(dòng)能能量很低，導(dǎo)致孔底中心處碎屑隨液相洗井介質(zhì)上返至沉淀管的能量不足，從而在孔底中部形成碎屑“死區(qū)”。

為驗(yàn)證分析的合理性，將洗井介質(zhì)流速改為10 m/s，設(shè)置孔底巖屑的體積分?jǐn)?shù)為50%，改變工況進(jìn)行數(shù)值模擬。不同時(shí)步下固相顆粒分布等值線如圖9所示，在增大流速、減小孔底固相碎屑后，孔底中部遺留巖屑與之前相比相對較少，但仍存在少量無法洗出的碎屑。為證實(shí)之前的分析，數(shù)值模擬時(shí)采用的液體流速已經(jīng)接近油田所用的最大流速，并且在原模型的基礎(chǔ)上減少了固相顆粒濃度，在此工況下，孔底中心部位仍然存在少量碎屑?xì)埩?，因此可以確定在反循環(huán)洗井裝置實(shí)際應(yīng)用過程中存在碎屑遺留問題的原因是在孔底的中心部位存在碎屑“死區(qū)”。

3結(jié)論

1）常規(guī)應(yīng)用的局部反循環(huán)裝置在進(jìn)行洗井作業(yè)時(shí)，洗井介質(zhì)在由上接口到達(dá)孔底的過程中能量損耗較大，使得洗井介質(zhì)對孔底中心處碎屑的舉升力大大降低，最終在該處形成碎屑“死區(qū)”。在模擬過程中設(shè)置的孔底碎屑為粒徑尺寸均勻的球形顆粒，若孔底中心部位存在粒徑較大的碎屑，碎屑遺留問題會(huì)更加嚴(yán)重。

2）在反循環(huán)洗井過程中，洗井介質(zhì)經(jīng)下出水孔射流到裝置外壁與井壁之間的環(huán)空內(nèi)時(shí)，由于井壁的阻擋作用會(huì)在該處產(chǎn)生局部上返流，該現(xiàn)象會(huì)削弱洗井介質(zhì)在井底形成反循環(huán)的能力。為防止該現(xiàn)象的產(chǎn)生，可在下出水孔上部設(shè)置封隔器。

3）增大流速能夠提高洗井介質(zhì)對孔底中心處巖屑的攜帶能力，從而改善反循環(huán)洗井裝置的洗井效果。下噴孔到孔底的距離會(huì)增大湍動(dòng)能的損耗，所以在局部反循環(huán)打撈裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以將下噴孔適當(dāng)下移或縮小噴孔直徑，增大洗井介質(zhì)進(jìn)入孔底處的射流速度，從而增強(qiáng)裝置的反循環(huán)能力，提升液相介質(zhì)對井底碎屑的攜帶能力。

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