鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)底部碎屑旋轉(zhuǎn)射流沖洗數(shù)值模擬

宋先知李根生王海柱丁國(guó)生田守嶒

1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)(北京) 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院

鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)底部碎屑旋轉(zhuǎn)射流沖洗數(shù)值模擬

宋先知1李根生1王海柱1丁國(guó)生2田守嶒1

1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)(北京) 2.中國(guó)石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院

宋先知等.鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)底部碎屑旋轉(zhuǎn)射流沖洗數(shù)值模擬.天然氣工業(yè),2010,30(8):83-86.

在地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)多夾層巖鹽水溶造腔過(guò)程中,不溶于水的夾層碎屑極易在鹽穴腔底過(guò)量沉積,引起有效造腔體積減小、造腔速度降低,從而影響儲(chǔ)氣庫(kù)造腔的質(zhì)量和進(jìn)度。為此,提出了高壓旋轉(zhuǎn)水射流沖洗碎屑的新方法,闡述了通過(guò)射流沖擊作用和旋流作用,完成高效沖洗腔底碎屑的工作原理;根據(jù)多相流理論,建立了旋轉(zhuǎn)射流沖洗碎屑數(shù)學(xué)模型,數(shù)值模擬研究了排量、顆粒直徑和工具轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)碎屑沖洗效率的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明:排量和顆粒直徑是影響碎屑沖洗效率的重要因素,沖洗效率隨著排量的增大而顯著提高,隨著顆粒直徑的增大而明顯降低;在一定條件下,存在最優(yōu)工具轉(zhuǎn)速,但隨著顆粒直徑的增大,工具轉(zhuǎn)速對(duì)沖洗效率的影響逐漸降低。旋轉(zhuǎn)射流法沖洗鹽穴腔底碎屑能夠有效提高碎屑沖洗效率,該方法為我國(guó)多夾層巖鹽的快速、優(yōu)質(zhì)和安全造腔作業(yè)提供了一條新途徑。

旋轉(zhuǎn)射流 地下儲(chǔ)氣庫(kù) 多夾層巖鹽 水溶造腔 碎屑沉積 碎屑沖洗 數(shù)學(xué)模型

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.08.022

地下鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)是“西氣東輸”工程的配套設(shè)施,與天然氣管網(wǎng)一起實(shí)現(xiàn)向用戶安全平穩(wěn)供氣[125]。我國(guó)鹽礦鹽巖層具有鹽巖分層多、單層厚度薄和鹽巖體中一般含有夾層的特點(diǎn)[6]。在造腔過(guò)程中,這些夾層主要通過(guò)鹽腔壁面循環(huán)流體的剪切作用和溶解作用來(lái)破碎,會(huì)產(chǎn)生大量不溶于水的碎屑顆粒,在常規(guī)水溶造腔工藝中,只有部分細(xì)小的顆粒能夠在循環(huán)流體的作用下運(yùn)移至地面,而大部分碎屑都會(huì)沉積在鹽腔底部[7]。當(dāng)巖鹽中夾層較多時(shí),碎屑在腔底的沉積會(huì)減小有效造腔體積,降低造腔速度;沉積嚴(yán)重時(shí),為了保證溶腔速度和腔體尺寸,不得不將注水管柱上移,從而影響鹽腔形狀和造腔計(jì)劃。為此,提出了旋轉(zhuǎn)射流沖洗腔底碎屑方法,根據(jù)射流沖擊作用和腔內(nèi)流體的旋流作用,有效清洗腔底碎屑,為我國(guó)多夾層鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)造腔提供了一種新方法。

1 旋轉(zhuǎn)射流沖洗腔底碎屑方法

利用高壓水射流技術(shù)和旋轉(zhuǎn)控制技術(shù),設(shè)計(jì)研制了旋轉(zhuǎn)射流沖洗工具,圖1為工具在腔內(nèi)的作業(yè)示意圖。該工具用油管送至井下造腔段,由地面高壓泵車打壓,將清水通過(guò)油管、單向閥、過(guò)濾器和旋轉(zhuǎn)控制器后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)噴頭,產(chǎn)生多股高壓水射流,在腔內(nèi)進(jìn)行沖洗作業(yè),同時(shí),通過(guò)沖洗管柱在腔內(nèi)的上下移動(dòng),達(dá)到充分沖洗腔底碎屑和快速造腔的目的。

圖1 鹽腔底部殘?jiān)淞鳑_洗工藝示意圖

常規(guī)射流造腔工具僅在旋轉(zhuǎn)噴頭上布置了4個(gè)側(cè)向噴嘴,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),增加了1個(gè)垂直向下和2個(gè)45°斜向下的噴嘴。造腔過(guò)程中,在徑向射流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩作用下,噴頭帶動(dòng)7股高壓水射流沿垂向軸線旋轉(zhuǎn),在腔內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)旋流場(chǎng)。對(duì)于直接從夾層處脫落的不溶性碎屑,旋流效應(yīng)可直接將其懸浮于循環(huán)流體當(dāng)中,并被流體攜帶出腔體。同時(shí),在3股向下射流的旋轉(zhuǎn)沖擊和攪拌作用下,沉積在腔底的碎屑重新懸浮到循環(huán)流體中,借助于腔內(nèi)流體的旋流作用,被流體攜帶至地面。因此,旋轉(zhuǎn)射流沖洗工具可有效懸浮攜帶夾層碎屑,防止其在腔底大量沉積,保證多夾層巖鹽造腔工程的安全、優(yōu)質(zhì)、高效。

2 旋轉(zhuǎn)射流數(shù)學(xué)模型

為了研究旋轉(zhuǎn)射流沖洗工具在腔內(nèi)產(chǎn)生的旋流場(chǎng)和沖洗碎屑效果,根據(jù)歐拉雙流體模型建立了描述旋轉(zhuǎn)射流沖洗腔底碎屑過(guò)程的數(shù)學(xué)模型[8]。

2.1 質(zhì)量守恒方程

不考慮相間的質(zhì)量傳遞,連續(xù)性方程為:

式中αk為k相的體積分?jǐn)?shù);ρk為k相的密度;?υk為k相的速度。

2.2 動(dòng)量守恒方程

2.3 壓力應(yīng)變張量

式中λk為相的體積;μk是k相的剪切黏度。

2.4 液固動(dòng)量交換系數(shù)

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 模擬方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和計(jì)算條件,忽略了水溶造腔形態(tài)和尺寸變化對(duì)碎屑沖洗效率的影響,用直徑2 m、高5 m的圓柱形模型來(lái)模擬造腔初期的鹽腔形態(tài),見圖2。模擬造腔管柱采用直徑分別為177.8 mm造腔外管和114.3 mm造腔內(nèi)管的常用組合,邊界條件為速度入口邊界、壓力出口邊界和固壁無(wú)滑移邊界條件,模擬井深為1 000 m,噴嘴組合為7×6 mm,噴頭轉(zhuǎn)速為60～120 r/min,排量為35～60 m3/h,碎屑顆粒直徑為0.1～1.0 mm,碎屑的最大沉積體積分?jǐn)?shù)為63%。網(wǎng)格化分采用結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式,為了模擬高壓水射流在腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在射流高速旋轉(zhuǎn)區(qū)采用了旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系,并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密,整個(gè)幾何模型共劃分45.38×104個(gè)網(wǎng)格單元。

圖2 模擬鹽腔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 旋轉(zhuǎn)射流作用機(jī)理

旋轉(zhuǎn)射流工具在沖洗作業(yè)時(shí),帶動(dòng)7股高壓水射流在鹽腔內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖擊,擴(kuò)大了流體的作用范圍,強(qiáng)化了腔內(nèi)流體的對(duì)流循環(huán)作用,改變流體的流態(tài),使得循環(huán)流體的作用效果明顯加強(qiáng)。圖3是排量為50 m3/h、噴頭轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)腔內(nèi)射流運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖,由圖3可知,在旋轉(zhuǎn)射流的作用下腔內(nèi)流體產(chǎn)生了旋流場(chǎng),其中工具附近流體的旋流效應(yīng)最明顯。圖4為排量42.7 m3/h、噴頭轉(zhuǎn)速60 r/min及粒徑0.1 mm條件下鹽腔內(nèi)流體周向速度分布云圖。如圖4所示,隨著徑向距離的增加,流體周向速度逐漸增大,在靠近鹽腔壁面處達(dá)到最大值,在本條件下,腔內(nèi)流體最大周向速度為2.5 m/s。旋轉(zhuǎn)射流產(chǎn)生的旋流場(chǎng)能夠有效改變腔內(nèi)流體的速度分布和濃度分布,強(qiáng)化鹽腔壁面質(zhì)量交換過(guò)程,從而提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的造腔速度,同時(shí),這種旋流效應(yīng)還可提高懸浮運(yùn)移夾層碎屑的能力,防止其在腔底過(guò)量沉積。

圖3 鹽腔內(nèi)射流運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖4 鹽腔內(nèi)流體周向速度云圖

3.2.2 沖洗效率影響規(guī)律分析

圖5 不同時(shí)間鹽腔內(nèi)殘?jiān)w積分?jǐn)?shù)云圖對(duì)比分析圖

圖5為排量50.0 m3/h、噴頭轉(zhuǎn)速80 r/min及粒徑0.1 mm條件下的腔內(nèi)碎屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖。由圖5可知,隨著時(shí)間的增加,腔底堆積的碎屑體積顯著減少,碎屑逐步擴(kuò)散到整個(gè)腔體空間,其體積濃度呈由上到下逐漸增大的非均勻性分布。同時(shí),懸浮到流體中的碎屑顆粒被循環(huán)流體逐步攜帶出腔體,在本模擬條件下,當(dāng)作業(yè)時(shí)間達(dá)到500 s后,腔內(nèi)僅剩少量碎屑聚集在腔底,其余大部分碎屑都被流體攜至地面。

圖6為碎屑粒徑為0.1 mm、工具轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí),不同排量條件下腔內(nèi)剩余碎屑體積隨時(shí)間的變化規(guī)律圖。由圖6可知,隨著作業(yè)時(shí)間的增加,腔內(nèi)碎屑體積逐漸減少,且減少的速率逐漸降低。在相同作業(yè)時(shí)間內(nèi),排量越大,腔內(nèi)剩余碎屑越少,沖洗效率也越高。排量為57.0 m3/h時(shí),沖洗10 min即可沖洗出80%的碎屑顆粒。

圖6 腔內(nèi)殘?jiān)鼪_洗效率隨時(shí)間的變化規(guī)律圖

碎屑顆粒直徑亦是影響沖洗效率的重要因素之一。圖7為排量50 m3/h、沖洗10 min后的碎屑沖洗效率與顆粒直徑的關(guān)系。由圖7可知,粒徑對(duì)碎屑沖洗效率的影響很大,隨著顆粒直徑的增大,碎屑沖洗效率迅速降低,當(dāng)碎屑顆粒直徑大于0.7 mm時(shí),沖洗效率僅達(dá)到5%,很難有效將其沖洗出腔體,此時(shí),只能通過(guò)移動(dòng)管柱和增大排量的方式提高碎屑沖洗效率。

圖7 殘?jiān)鼪_洗效率隨顆粒直徑的變化規(guī)律圖

從圖7還可看出,當(dāng)顆粒直徑較小時(shí),工具轉(zhuǎn)速對(duì)沖洗效率還有一定影響。在本模擬條件下,當(dāng)工具轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí),沖洗效果最好;但隨著顆粒直徑的增大,這種影響逐漸降低,當(dāng)顆粒直徑達(dá)到0.7 mm后,工具轉(zhuǎn)速對(duì)沖洗效率的影響可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

1)排量和顆粒直徑是影響碎屑沖洗效率的重要因素,數(shù)值模擬結(jié)果表明,隨著排量的增大,沖洗效率顯著提高;隨著顆粒直徑的增加,碎屑沖洗效率迅速降低,當(dāng)顆粒直徑較大時(shí),只有通過(guò)適當(dāng)移動(dòng)沖洗管柱和增大排量的方式提高沖洗效率。

2)工具轉(zhuǎn)速對(duì)碎屑沖洗效率有一定的影響,當(dāng)碎屑顆粒直徑較小時(shí),存在最優(yōu)工具轉(zhuǎn)速;但隨著顆粒直徑的增大,工具轉(zhuǎn)速對(duì)沖洗效率的影響逐漸降低,最后可忽略不計(jì)。

3)旋轉(zhuǎn)射流沖洗工具能夠在鹽腔內(nèi)能夠產(chǎn)生強(qiáng)旋流場(chǎng),改變腔內(nèi)流體流態(tài),強(qiáng)化對(duì)流循環(huán)作用,有效提高夾層碎屑的沖洗效率,防止其在腔底大量沉積,從而保證多夾層巖鹽造腔工程的快速、優(yōu)質(zhì)、安全,為我國(guó)多夾層巖鹽建造地下儲(chǔ)氣庫(kù)提供了一種新方法。

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(修改回稿日期 2010-06-30 編輯 何 明)

宋先知,1982年生,博士研究生;主要從事油氣井流體力學(xué)和水射流技術(shù)研究工作。地址:(102249)北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院。電話:(010)89733379,15210242339。E-mail:songxianzhi@yahoo.com.cn