水平井完井工具內(nèi)流場研究及應(yīng)用

劉言理，楊延征，聶上振

(大港油田石油工程研究院 天津300456)

水平井套管內(nèi)擠壓充填完井工藝是一種礫石充填防砂完井工藝，也是一種效果好、有效期長的防砂完井工藝，對疏松砂巖油氣藏，管內(nèi)礫石充填防砂完井技術(shù)不但有很好的防砂效果，而且可以最大程度地減低防砂完井表皮系數(shù)，提高油井產(chǎn)量。這種完井工藝結(jié)合了射孔完井和礫石充填的優(yōu)點(diǎn)，對疏松砂巖油氣藏防砂增油效果明顯[1-6]。

由于充填過程中管內(nèi)外攜砂液流動規(guī)律復(fù)雜，而且井底的壓力沖擊、速度沖擊無法直接測量，采用Fluent數(shù)值計算軟件進(jìn)行相關(guān)物理量的分析不失為一種可行的研究方法。目前有關(guān)充填工具內(nèi)流場數(shù)值計算的研究非常稀少，嚴(yán)重制約了該工藝的進(jìn)一步發(fā)展，所以專項(xiàng)研究非常有必要。

本文結(jié)合現(xiàn)場的施工參數(shù)，對充填施工的過程進(jìn)行數(shù)值計算，得到了不同截面處的速度云圖，并依據(jù)計算結(jié)果對充填工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)及現(xiàn)場應(yīng)用。

1 充填裝置工況分析

充填裝置是水平井充填過程中的導(dǎo)流部件。高壓的攜砂液井油管泵入，經(jīng)沖管進(jìn)入充填服務(wù)器，從其周向布置的3個孔流出，經(jīng)過充填防砂裝置對應(yīng)的孔道后一部分進(jìn)入套管和篩管的環(huán)形空間，如圖1。

圖1 擠壓充填防砂完井施工示意圖Fig.1 Construction diagram of extrusion-filled anti-sand completion

在現(xiàn)場的施工過程中，井底充填防砂裝置處的壓力和流速等參數(shù)不能被直接測量到，而這些參數(shù)對于裝置和施工工藝的優(yōu)化至關(guān)重要，所以對充填防砂裝置口中心上147.5mm和下42.5mm之間的攜砂液流體進(jìn)行了數(shù)值計算，得到了 20、45和 90mm 處截面的壓力、速度等參數(shù)的云圖分布，為相關(guān)擠壓充填防砂完井提供了定量參數(shù)。

2 幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分

使用Fluent中的前處理軟件Gambit建立幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，圖 2為流體幾何模型。本文通過對幾何模型進(jìn)行簡化，建立了內(nèi)部流體的幾何模型。充填服務(wù)器內(nèi)徑取 51mm，噴砂孔簡化為周向25mm、周向 20mm 的方形孔道，油層套管內(nèi)徑為124.26mm。

圖2 流體幾何模型Fig.2 Fluid geometry model

圖3為流體對應(yīng)的橫斷面網(wǎng)格。對于網(wǎng)格外面的環(huán)柱切分成三部分相同的流體，網(wǎng)格用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，軸向方向采用copper拓?fù)洹＿@種劃分方法不僅避免了圓柱中心處極差質(zhì)量網(wǎng)格點(diǎn)的存在，而且能控制網(wǎng)格的數(shù)目，同時網(wǎng)格面與流體流動方向基本一致，利于模型計算。

圖3 z＝45mm處橫斷面的網(wǎng)格Fig.3 A cross-sectional grid at z＝45mm

網(wǎng)格劃分總數(shù)157800，最小網(wǎng)格值0.0163766，最大網(wǎng)格值 0.964891，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)的比例為94.11%，完全符合數(shù)值計算的要求(見表1)。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量表Tab.1 Grid quality

3 邊界條件設(shè)置

入口采用速度入口，流體流量為 2.5m3/min，即150m3/h，根據(jù)入口面積求得流速為:

水力直徑:

運(yùn)動黏度:

出口采用自由出流。湍流模型選用能模擬復(fù)雜流動且收斂性較好的兩方程標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型(高雷諾數(shù)模型)，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。求解方法采用SIMPLE算法對壓力-速度耦合場進(jìn)行計算，從入口處對流場進(jìn)行初始化。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 流體流動跡線分析

圖4是攜砂液流動過程中的跡線圖，跡線的顏色以速度的大小為標(biāo)準(zhǔn)繪制，砂粒從入口處釋放。從圖 4可以看出，在噴砂孔以上流體的速度變化不大，基本保持在 24m/s附近，在噴砂孔下方由于噴砂孔的分流作用流體的速度降低。因?yàn)榱髁渴嵌ㄖ担?個噴砂孔的截面積變小，所以攜砂液速度在噴砂孔處達(dá)到最大值，接近42.8m/s。從噴砂孔到環(huán)形空間，存在截面的突擴(kuò)，導(dǎo)致攜砂液速度陡降，基本速度值在環(huán)空中僅為 10m/s以下，同時從跡線可以看出流體的摻雜更為強(qiáng)烈。

圖4 流體流動跡線圖Fig.4 Fluid flow pattern

4.2 速度場分析

圖5 顯示了z＝20mm的截面處軸向速度分布云圖?？梢钥闯鲈诔涮罘?wù)器中流體在中心處最小，呈近似三角形，流體在沖擊服務(wù)器底部后出現(xiàn)了反向流動且在靠近服務(wù)器邊壁附近相互擠壓并逐漸增大，在近壁區(qū)域形成了 3個小的渦流區(qū)。在環(huán)形空間內(nèi)壁面處存在一個大速度梯度區(qū)域，在3mm的距離內(nèi)速度由 0m/s陡增到 18m/s，達(dá)到最大值后又緩慢下降到零速度區(qū)域。分析原因是流體由噴孔流出后對環(huán)空底部沖擊造成的，同時此處也是受沖擊最嚴(yán)重的區(qū)域，可以考慮機(jī)械加工的時候予以針對性加硬處理。與此對應(yīng)，在近外壁面區(qū)域存在 3個大速度渦流區(qū)域，是由于流體沖擊環(huán)空底部后反向流動造成的，此流動對環(huán)空的外壁造成了一定的沖擊。分析認(rèn)為，從噴砂孔噴出的流體分為3個方向流動:一個是直接沖擊正對應(yīng)的外壁面，形成大速度梯度的渦流區(qū)；另外兩個分別向兩邊流動，同時相互擠壓形成大速度區(qū)域，如圖中3個紅色區(qū)域所示。

圖5 z＝20mm截面處的軸向速度分布云圖Fig.5 Cloud map of axial velocity at z＝20 mm

圖6 顯示了z＝45mm截面處的軸向速度分布云圖?？梢钥闯龀涮罘?wù)器和3個噴砂孔形成了速度大小均布的三角形區(qū)域，在此區(qū)域的邊壁上速度將為零后又反向增大。沿噴砂孔到環(huán)空近壁區(qū)域流體速度降為零后又增大到 18m/s，隨后在環(huán)空外壁面處降為零，該區(qū)域存在一個較大的速度梯度。環(huán)形空間內(nèi)且處于兩個噴砂孔之間的區(qū)域的速度分布與 z＝20mm處的趨勢一致，此處不再復(fù)述。

圖6 z＝45mm截面處的軸向速度分布云圖Fig.6 Cloud map of axial velocity at z＝45 mm

圖7 顯示了 Y＝0截面處的軸向速度分布云圖?？梢钥闯鲚S向速度最大處發(fā)生在噴砂孔的上端，為30.8m/s。噴砂孔處的負(fù)速度區(qū)域主要集中在噴砂孔的下半端，噴砂孔上端外側(cè)速度正向流動。噴砂孔兩側(cè)速度為較大正值，最大達(dá) 18.1m/s，如圖 7中紅色區(qū)域所示，故對充填服務(wù)器外側(cè)壁面產(chǎn)生了很強(qiáng)的沖擊效應(yīng)。施工結(jié)束后從油井內(nèi)起出的充填服務(wù)器外側(cè)壁面由于沖擊造成了嚴(yán)重的變形和磨損，如圖8和圖9所示，與數(shù)值計算的結(jié)果吻合較好。

圖7 Y＝0截面處的軸向速度分布云圖Fig.7 Cloud map of axial velocity at Y＝0

圖8 現(xiàn)場施工結(jié)束后的充填服務(wù)器Fig.8 Fill server after site construction

圖9 原三孔結(jié)構(gòu)充填服務(wù)器上部Fig.9 The upper part of the server of original three-hole structure fills

5 完井工具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為徹底釋放壓力和速度，同時提高加砂排量，進(jìn)行了全通徑充填裝置的研制，具體結(jié)構(gòu)如圖 10所示。充填服務(wù)器采用全通徑管，以增加通流面積，避免速度和壓力對充填工具造成的沖擊磨損。該工具最大外徑設(shè)計為 110mm，服務(wù)器內(nèi)通徑 48mm，適用于5-1/2″(139.7mm)的套變井充填完井。

圖10 全通徑充填裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure diagram of full bore filling device

全通徑充填裝置在大港油田應(yīng)用3井次，施工成功率達(dá) 100%，施工過程中排量 0.4～0.8m3/min，砂比 5%～10%，油壓 5～15MPa，施工結(jié)束后礫石充填工具沒有產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，可重復(fù)使用，大幅降低了完井成本。

6 結(jié)論與建議

采用 k-ε模型對水平井充填過程中的充填服務(wù)器和充填裝置內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值計算，攜砂液在噴砂孔位置出現(xiàn)了復(fù)雜渦流，導(dǎo)致流體對套管內(nèi)壁面和噴砂孔形成了一定角度的沖擊，是影響工具壽命的重要原因。

研制六孔充填工具及全通徑充填工具，在保證充填服務(wù)器橫截面強(qiáng)度的同時能減小噴砂孔位置的渦流尺度，降低流體對充填裝置的沖擊作用，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。