多級固井地錨作業(yè)噴嘴設計研究*

陳 治,張 強,肖蘇宸

(長江大學機械工程學院,湖北荊州 434023)

多級固井地錨作業(yè)噴嘴設計研究*

陳 治,張 強,肖蘇宸

(長江大學機械工程學院,湖北荊州 434023)

對海上稠油熱采技術中單級地錨錨固困難、預拉力不足等問題,采用多級固井地錨組合施工工藝,從而提高地錨錨固性能。借助Fluent仿真軟件對三級地錨內(nèi)部液流流場數(shù)值模擬,從理論和數(shù)值模擬兩方面,設計地錨憋壓噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸,同時探討三級地錨地面、井下試驗方案。分析結(jié)果表明,三級地錨依次采用孔徑φ65 mm、φ60 mm、φ57 mm的圓錐形噴嘴時,滿足鉆井施工要求,增加了地錨錨固性能。研究結(jié)果對于地錨噴嘴設計和現(xiàn)場施工循環(huán)排量控制具有指導作用。

地錨;噴嘴;仿真模擬;壓差;試驗研究

0 引 言

近年來,油田稠油的開采不斷增多,開采稠油油藏的方式有很多,其中采用最多的是熱力開采。在稠油熱采技術中,地錨的工作可靠性在預應力固井作業(yè)中占有重要意義[1]。噴嘴作為地錨作業(yè)的直接動力元件,它的性能決定著整個地錨錨固系統(tǒng)的工作效率,同時又制約著系統(tǒng)的其他部件。噴嘴有圓柱形、扇形、異形等結(jié)構(gòu)形式,其中圓柱形噴嘴應用范圍最為廣泛。它不但能最大限度的把所需要的噴射流體的壓能轉(zhuǎn)化為動能,而且能使噴射流體平順,并達到最大的射程[2]。固井地錨采用單元式設計理論,結(jié)構(gòu)簡單,兩端均為API標準偏梯扣。針對不同熱采井井型、井身結(jié)構(gòu)、錨定地層巖石強度,可下入單級或多級地錨,確保錨固牢靠,且使用連接方便。筆者以三級單元式地錨組合模型作為研究對象,利用工程流體力學理論知識,設計地錨噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸,并采用FLUENT軟件對三級單元式地錨組合模型內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬,驗證三級單元式地錨工作可靠性,為地錨室內(nèi)水力循環(huán)試驗和現(xiàn)場試驗提供理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 地錨結(jié)構(gòu)

單元式地錨主要由本體、卡套、連接銷、連桿、復位彈簧、錨爪、錨爪銷、滑塊、中心管、噴嘴、壓緊螺母等組成,如圖1所示。

圖1 單元式地錨結(jié)構(gòu)示意圖

在固井作業(yè)中,由于地錨噴嘴的節(jié)流作用,循環(huán)鉆井液產(chǎn)生節(jié)流壓差,節(jié)流壓差推動中心管下行,中心管推動連桿,連桿推動錨爪張開,井口提拉套管施加預拉力,錨爪吃入井壁,預應力固井完成[3]。

1.2 噴嘴結(jié)構(gòu)

通過查閱國內(nèi)外相關資料,對節(jié)流噴嘴結(jié)構(gòu)選型進行了系統(tǒng)調(diào)研,初步確定單元式固井地錨噴嘴采用圓錐形噴嘴,如圖2所示。圓錐形噴嘴結(jié)構(gòu)能保證多級單元式地錨組合作業(yè)時,鉆井液平順流經(jīng)各級地錨,推動各級地錨錨爪順利張開[4]。

圖2 地錨噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2 理論設計

2.1 噴嘴壓降

通常液流通過噴嘴產(chǎn)生的壓降大于液流通過中心管管段產(chǎn)生的壓降,故地錨噴嘴水力參數(shù)直接決定著地錨系統(tǒng)的工作性能。噴嘴是通過結(jié)構(gòu)的改變從而改變流道,產(chǎn)生流道突然變小的局部阻尼,該局部阻尼形成壓差,從而產(chǎn)生動力。

噴嘴壓差計算:

式中:ΔP1為噴嘴壓降,MPa;ρ為循環(huán)液密度g/cm3; ν為循環(huán)液流量,L/s;μ為流量系數(shù),取值0.97;A為噴嘴孔截面積,cm2。

2.2 噴嘴尺寸設計

考慮到地錨錨爪復位過程中,部分巖石掉落阻礙錨爪復位,地錨中心管部件設計了自潔孔(均布分布6個),沖刷碎巖石,確保錨爪可復位性能。在水力計算中,將自潔孔當成一個噴嘴來對待。

由于自潔孔泄流作用,流經(jīng)各級地錨噴嘴流量依次變小,在鉆井液循環(huán)排量恒定的工況下,為了保證各級地錨錨爪都能夠同時順利張開,則需要逐級減小地錨噴嘴尺寸。單元式地錨噴嘴設計所需壓降ΔP為0.067 36 MPa,同時假設三級固井地錨組合外部環(huán)空壓P一定,第三級地錨內(nèi)部壓力P1,第二級地錨內(nèi)部壓力P2。三級固井地錨組合噴嘴和中心管簡易模型,如圖3所示。

分析可得,第三級地錨的自潔孔與噴嘴內(nèi)外壓差相同,即地錨內(nèi)部壓力與環(huán)空壓力之差。即:

由噴嘴壓降公式,自潔孔直徑為8 mm,得第三級地錨每個自潔孔流量為0.489 64 L/S,流速為9.74 m/s。由式(1)與式(2)相加,得:

即第二級地錨自潔孔內(nèi)外壓差為第三級地錨自潔孔內(nèi)外壓差2倍。由噴嘴壓降公式,得第二級地錨每個自潔孔流量為0.692 47 L/S,流速為13.78 m/s。依此類推,得第一級單元式地錨每個自潔孔流量為0.848 09 L/S,流速為16.87 m/s。

圖3 三級單元式地錨組合噴嘴和中心管簡易模型

選定循環(huán)排量為37.5 L/s,減去第一級地錨6個自潔孔泄流量,得通過第一級地錨噴嘴流量為32.41 L/S。根據(jù)固井地錨噴嘴壓降設計值、噴嘴及中心管壓降公式,得第一級地錨噴嘴直徑為65.11 mm。各級地錨自潔孔流速、中心管流量、噴嘴直徑值如表1。

表1 各級地錨自潔孔流速、中心管流量、噴嘴直徑(循環(huán)排量37.5 L/s)

3 仿真分析

借助FLUENT軟件仿真模擬三級固井地錨內(nèi)部液流流場情況,校核各級地錨自潔孔流速值,驗證各級地錨噴嘴尺寸設計可行性。

建立三級固井地錨組合內(nèi)部流道模型,幾何模型中各級地錨噴嘴孔徑依次為65 mm、60 mm、57 mm,自潔孔孔徑為8 mm。模型導入FLUENT軟件模擬仿真,選取湍流模型模擬地錨內(nèi)部液流流場,湍流模型選取標準方程作為控制方程,選用液體介質(zhì)為清水。設置邊界條件,給定進口絕對速度大小及方向,以及出口靜壓力邊界條件,壁面采用無滑移固壁邊界[5]。

選定地錨入口流量為37.5 L/S,換算成液流入口流速,對三級固井地錨內(nèi)部流場特性分析。三級固井地錨內(nèi)部流場壓力云圖如圖4所示。

圖4 三級單元式地錨內(nèi)部流道壓力云圖

由圖4可知:①各級地錨噴嘴節(jié)流效果明顯,滿足地錨噴嘴設計要求;②通過減小固井地錨噴嘴孔徑,保證了各級固井地錨錨爪同時聯(lián)動,增加了錨固性能,進一步驗證了多級固井地錨噴嘴尺寸設計的可行性,以及三級地錨組合作業(yè)工作的可靠性。選取不同出口橫截面,顯示液流速度云圖,如圖5所示。

圖5 不同出口橫截面速度云圖

數(shù)值模擬仿真結(jié)果表明:①隨著液流經(jīng)過各級單元式地錨,各級地錨自潔孔流速依次減小,分別為14.56 m/s、11.43 m/s、8.20 m/s,仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有一定誤差,誤差在允許范圍內(nèi);②自潔孔出口截面速度云圖呈同心圓分布,越靠近中心處速度值越大,在靠近壁面的區(qū)域內(nèi),速度幾乎為零。

4 試驗研究

4.1 試驗目的及方法

試驗采用觀察測量法,首先進行三級固井地錨地面試驗,若試驗成功,則將三級固井地錨下入試驗井,通過模擬地錨坐掛全過程,驗證三級固井地錨組合作業(yè)工作可靠性。地面試驗時,認真觀察和記錄各階段循環(huán)壓力、循環(huán)液排量等試驗參數(shù),觀察錨爪張開和復位情況,并進行對比分析。井下試驗時,認真觀察和記錄各階段循環(huán)壓力、循環(huán)液排量、大鉤懸重、井口管串位移等試驗參數(shù),通過前后試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的對比判斷三級固井地錨坐掛效果。

4.2 地面試驗

試驗方案:①連接管串,管串組合為鉆桿+變扣接頭+地錨+短套管,管串組合連接完畢,通過卡瓦固定于井口;②開泵,逐步增大循環(huán)排量,觀察三級固井地錨錨爪能否聯(lián)動,以及各級地錨自潔孔流速;③逐步降低循環(huán)排量,直至停泵,觀察三級固井錨爪能否自動復位。

4.3 井下試驗

試驗方案:①連接管串,管串組合為鉆桿+變扣接頭+安全接頭+地錨+碰壓座;②按照常規(guī)下尾管技術要求將地錨下至目標層位,確定目標層位時應保證錨爪在裸眼段至少有上下2.5 m的活動空間;③循環(huán)鉆井液,小排量清洗井眼以及錨爪復位空間內(nèi)沉積或刮蹭的巖屑,為錨爪張開和復位提供條件;④清洗完畢后,逐漸增大排量至2 250 L/min,穩(wěn)定排量1 min后,開始提拉鉆桿。

若在開始上提過程中出現(xiàn)井口鉆桿位移明顯,且大鉤載荷不增加或增加幅度小,表明錨爪未張開或張開但未吃入地層;若出現(xiàn)井口鉆桿無明顯位移且大鉤載荷不變,則表明錨爪吃入地層。

確定錨爪吃入地層后,繼續(xù)加載緩慢提拉鉆桿,如果在提拉過程中發(fā)現(xiàn)某一時刻井口大鉤載荷突然明顯降低,表明井壁地層已被錨爪拉垮,大鉤載荷僅為管串浮重與摩阻之和。最后緩慢卸載拉力,降低排量或停泵,并適當下放管串0.5～1 m,然后上提管串1～1.5 m,如果管串上提下放自如,井口大鉤載荷不變,表明錨爪已復位。如果管串下放后再上提發(fā)現(xiàn)井口大鉤載荷增加明顯,且井口鉆桿無明顯位移表明錨爪未自動復位。

4.4 試驗效果

三級固井地錨依次采用孔徑為 φ65 mm、φ60 mm、φ57 mm的圓錐形噴嘴。在地面試驗過程中,達到一定循環(huán)排量時,三級固井地錨錨爪同時聯(lián)動張開,減小循環(huán)排量,三級錨爪順利復位。三級固井地錨下入試驗井井下試驗時,通過記錄各階段循環(huán)壓力、循環(huán)液排量、大鉤懸重、井口管串位移等試驗參數(shù)及前后試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的對比,三級固井地錨組合作業(yè)效果好。

5 結(jié) 論

(1)針對海上稠油熱采技術中錨固困然、預拉力不足等問題,采用多級單元式地錨組合使用,提高了錨固性能,解決了海上稠油熱采中錨固失效的問題。

(2)地錨噴嘴采用圓錐形噴嘴結(jié)構(gòu),根據(jù)水力計算確定三級固井地錨噴嘴依次采用孔徑為φ65 mm、φ60 mm、φ57 mm。通過仿真模擬分析,各級地錨噴嘴節(jié)流效果明顯,滿足地錨噴嘴設計要求。

(3)結(jié)合現(xiàn)場固井施工工藝,以及地錨試驗要求,設計出一套完整的三級固井地錨地面試驗和井下試驗方案,試驗效果顯著。

[1] 張 銳.稠油熱采技術[M].北京:石油工業(yè)出版社,1999.

[2] 劉成文.錐形噴嘴流量系數(shù)及水力參數(shù)的理論計算方法[J].鉆采工藝,2000,23(5):1-3.

[3] 李燕青,張 強.熱采井單元式預應力固井地錨[J].內(nèi)蒙古石油化工,2012(4):53-54.

[4] 龐生敏.基于CFD的圓柱形噴嘴設計[J].機械制造與研究, 2011,4(1):41-42,89.

[5] 周俊杰.FLUENT工程技術與實例分析[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

Design and Analysis of the Operation Nozzle in Multi-level Cementing Anchor

CHEN Zhi,ZHANG Qiang,XIAO Su-chen
(College of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jingzhou Hubei 434023,China)

Aiming at problems such as difficult anchoring of single-stage anchor and inadequate pre-tension and other issues of the offshore heavy oil thermal recovery technology,the multi-stage cementing anchor combination construction technology is applied to raise the anchoring performance of ground anchor.Numerical simulation to the interior flow field of the tertiary anchor is conducted with the Fluent simulation software,from aspects of the theoretical and numerical simulation,structure size of the pressure-nozzle in ground anchor is designed,and testing programs on ground and underground are also discussed.The results show that it could meet the drilling requirements when the pores size of conical nozzles in these three anchors are successively φ65mm,φ60mm,φ57mm,and the anchoring performance could also be increased.The results have guiding function for the design of anchor nozzle and the cycle displacement control in the site construction.

ground anchor;nozzle;analogue simulation;differential pressure;experimental study

TE925

A

1007-4414(2015)05-0107-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.036

2015-07-10

中國海洋石油總公司重點科技攻關項目《海上熱采井預應力固井可鉆性地錨研究(編號:CCL2013RCPS0175RNN)》。

陳 治(1990-),男,湖北武漢人,在讀碩士,主要從事石油井下工具設計研究方面的工作。