深海淺層非成巖天然氣水合物噴射破碎壓控滑套的研制

唐 洋 姚佳鑫 王國榮 鐘 林 何玉發(fā) 劉清友,4 周守為

1.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院 2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（湛江） 3.中海油研究總院有限責(zé)任公司 4.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學(xué) 5.中國海洋石油集團有限公司

0 引言

目前，有關(guān)天然氣水合物（以下簡稱水合物）的開采方式較多，然而對于具有海底埋深淺、膠結(jié)性差等特點的水合物[1-3]，傳統(tǒng)的開采方式有可能會導(dǎo)致水合物無序分解，進而對水合物儲層穩(wěn)定性造成影響，從而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[4-5]?；谏鲜鲈?，周守為院士提出了“水合物固態(tài)流化開采”的新工藝。該工藝的核心在于利用水合物在海底溫度和壓力的穩(wěn)定性，將含水合物的沉積物粉碎成細小顆粒后，再與海水混合、采用封閉管道輸送至海洋平臺，然后在海洋平臺進行后期處理與加工[6-8]。然而，目前用于水合物固態(tài)流化開采的水合物破碎工具相對較少，在我國首次水合物固態(tài)流化開采作業(yè)中，所使用的射流破碎工具為常規(guī)的射流噴頭[9-11]，其存在著作業(yè)過程不可控、不可重復(fù)使用等問題，并且不能根據(jù)不同的鉆井工況進行射流噴頭的自動切換與連續(xù)運作，需要反復(fù)起下鉆柱。為了解決現(xiàn)有射流破碎工具所存在的問題，筆者研發(fā)了一種用于水合物噴射破碎的壓控滑套，以期為后續(xù)的水合物固態(tài)流化開采作業(yè)提供幫助。

1 水合物噴射破碎壓控滑套設(shè)計

1.1 固態(tài)流化開采作業(yè)流程

水合物固態(tài)流化開采工藝流程[12]主要有以下幾個步驟：①下入帶有壓控滑套的連續(xù)管螺桿鉆具，完成水平井的鉆進；②待其到達指定工作位置后，可短時間內(nèi)增大通入鉆井管柱內(nèi)的鉆井液流量至壓控滑套的開啟流量，以完成壓控滑套射流噴頭的開啟并封堵通入鉆頭的鉆井流量，使得鉆井液從射流噴頭高速噴出以射流破碎水合物；③回拖開采工具管串，邊破碎水合物儲層邊收集水合物與泥沙混合漿體，并經(jīng)過海底分離器對其進行分離，分離后的泥沙將回填至采空區(qū)[13]，分離后的水合物通過密閉管道及舉升系統(tǒng)輸送至海上平臺，進行后處理；④采集完畢后，可減小鉆井液流量至正常鉆進流量，使滑套回彈關(guān)閉射流噴頭開啟通往鉆頭的鉆井液通道，換方向進行水合物開采作業(yè)。

1.2 節(jié)流壓降原理簡述

流體在通過突然縮小管道時因流體流動慣性力的作用，主流與壁面分離，在主流與壁面間將形成漩渦區(qū)[14]，具體情況如圖1所示，漩渦運動加劇了流體的湍動，加大了能量損失；同時漩渦區(qū)和主流區(qū)不斷進行質(zhì)量交換，漩渦運動質(zhì)點被主流帶向下游，加劇了下游一定范圍內(nèi)主流的湍動強度，從而進一步加大了能量損失，從而產(chǎn)生壓降[15-16]，所產(chǎn)生的壓降將作用在滑套上使其產(chǎn)生軸向推力?；谝陨显恚O(shè)計了一種基于鉆井液流量控制的壓控滑套，以通過改變鉆井液流量大小的方式控制滑套的運動過程以完成射流噴頭的開啟與關(guān)閉。

圖1 節(jié)流壓降原理圖

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓控滑套工具結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由滑套、射流噴頭、外筒體、彈簧、過流連接頭以及封堵塊等構(gòu)成，與現(xiàn)有的壓差滑套有所不同，壓控滑套利用鉆井液在流過滑套內(nèi)部產(chǎn)生局部阻力損失和沿程損失驅(qū)使其工作，其工作狀態(tài)與通入壓控滑套的鉆井液流量相關(guān)，不會因地層壓力變化而變化。

圖2 壓控滑套結(jié)構(gòu)示意圖

其工作過程可被分為3個階段：①水合物流化開采水平井井眼鉆進，在此階段通入的鉆井液流量較小，壓控滑套上的噴頭將處于關(guān)閉狀態(tài)，鉆井液將經(jīng)由壓控滑套流向鉆頭，提供鉆井所需鉆井液；②完成水平井的鉆進，回拖壓控滑套，進一步擴大破碎空間；可增大通入的鉆井液流量，使鉆井液在流經(jīng)壓控滑套內(nèi)部的滑套時推動滑套壓縮彈簧，從而打開噴頭，封堵通入鉆頭的鉆井液通道，使大流量的鉆井液只從壓控滑套的噴頭處高速噴出，以擴大破碎直徑；③完成回拖擴徑作業(yè)后，可減小鉆井液流量至正常鉆進所需鉆井液流量以關(guān)閉射流噴頭，從而進行新的鉆進作業(yè)。

2 滑套流場仿真分析

2.1 仿真幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

滑套的結(jié)構(gòu)如圖3-a所示，在對其作流場分析時主要是對其內(nèi)部的流體流動區(qū)域進行流場分析，具體結(jié)構(gòu)如圖3-b所示。

圖3 滑套三維模型與簡化流場計算域模型網(wǎng)格劃分圖

在流場分析中網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)劃分與數(shù)量直接影響計算精度和規(guī)模，針對物理模型的不同部位，網(wǎng)格劃分的疏密也不同。本研究對所建立的物理模型進行自由四面體網(wǎng)格劃分，得到有限元網(wǎng)格模型（圖3-b）。

2.2 理論模型選擇與邊界條件

在仿真計算過程中針對湍流仿真計算的數(shù)學(xué)模型較多，其中主要包括：Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）以及大渦模擬（LES）等[17-18]。但其中Spalart-Allmaras模型主要適用于空氣動力學(xué)流動問題，不適合求解剪切流與壁面流問題[19]；k-ω模型主要適用于曲率流、分離流及射流等流動現(xiàn)象的仿真，且其計算結(jié)果收斂相對困難[20]；而大渦模擬（LES）則主要適用于熱疲勞、振動以及船舶浮力流動等情況[21-22]。因此，適用于滑套內(nèi)部流動情況計算的湍流模型主要有雷諾應(yīng)力模型（RSM）與k-ε模型，然而雷諾應(yīng)力模型（RSM）更加嚴格的考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)和張力的快速變化，它對于復(fù)雜流動有更高的精度預(yù)測的潛力，但其非常消耗計算資源且需要高質(zhì)量的計算網(wǎng)格[23-24]；而k-ε模型是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出的半經(jīng)驗公式，其應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟且精度合理，在工程流場計算中得到廣泛運用[25-26]。因鉆井液在滑套內(nèi)部的流動過程相對簡單且本文主要針對工程實際問題，k-ε模型的計算精度完全能夠滿足需求，所以綜合以上因素，選擇k-ε湍流模型。現(xiàn)對鉆井液在壓控滑套的滑套內(nèi)部流動過程作如下假設(shè)：①流體是不可壓縮的牛頓流體；②滑套內(nèi)部流體物理特性保持不變；③流動過程為等溫過程，因此不需要能量方程[27-29]。

滑套入口處采用速度入口邊界條件，其主要適用于不可壓縮流動，因其允許駐點條件浮動，如果將其用于可壓縮流動，將導(dǎo)致非物理結(jié)果；出口采用壓力出口邊界條件；壁面采用非滑移壁面邊界條件[30]。

2.3 仿真結(jié)果分析

對壓控滑套工具內(nèi)部滑套的節(jié)流壓降原理做了詳細分析，其中主要包括對滑套入口錐角、流量的變化與滑套內(nèi)部壓降之間的關(guān)系分析以及對不同錐角情況下滑套內(nèi)部的沖蝕情況進行分析，以確定出滑套的端部結(jié)構(gòu)尺寸與滑套所產(chǎn)生軸向力大小，從而為彈簧的設(shè)計提供依據(jù)，保證滑套在設(shè)計流量情況下能開啟與關(guān)閉射流噴頭，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 滑套仿真云圖

表1 入口錐角影響滑套工作性能表

由圖4-a、表1可知，壓降主要由滑套入口處漸縮管段產(chǎn)生，由直管段所產(chǎn)生的壓降相對較小，且在同一出、入口尺寸與流量條件下，隨著入口處入口錐角的增加，鉆井液在流過壓控滑套內(nèi)部時所產(chǎn)生的壓降與所產(chǎn)生的軸向力大小也隨之增加；當(dāng)錐角由10°增加到30°時，滑套內(nèi)部壓降也由0.163 MPa增加到了0.213 MPa，軸向力大小也相應(yīng)地由301 N增加到391 N，壓降與軸向力的相對增長率達到最大值，在錐部角度達到30°以后，雖然壓降與軸向力隨著角度的增加有所升高；當(dāng)入口錐角達到180°時，滑套內(nèi)部壓降與軸向力能夠達到同等情況下的最大值（表1），隨著入口錐角的增大，鉆井液對滑套入口段的沖蝕也將加劇，當(dāng)入口錐角為10°時，滑套入口處的沖蝕率最大值為 0.15×10－4kg/(m2·s)，而當(dāng)入口錐角為120°時，滑套入口處的沖蝕率最大值可達 2.41×10－4kg/(m2·s)，在 120°度后隨著角度的增加，最大沖蝕率有所降低，當(dāng)錐角為180°時最大沖蝕率將減小到 2.05×10-4kg/(m2·s)，但沖蝕嚴重情況并未改善，如圖4-b所示，并且沖蝕情況最嚴重的地方主要發(fā)生在大直徑段向小直徑段過渡處。

綜合考慮以上因素，滑套端部的入口處錐角設(shè)置為30°，其在滿足同等情況下壓降與所產(chǎn)生軸向力盡可能大的同時，也極大地改善了錐面根部向小直徑段過渡處的沖蝕情況，使得過渡處的沖蝕率保持在 0.06×10－4～ 0.12×10－4kg/(m2·s)之間，而使整個入口段的最大沖蝕率變?yōu)?0.20×10－4kg/(m2·s)。

當(dāng)滑套尺寸一定時，通入滑套的流量大小與滑套內(nèi)部壓降、軸向力關(guān)系如圖4-c、表2所示。隨著鉆井液流量大小的增加，鉆井液在流過滑套內(nèi)部時所產(chǎn)生的壓降與軸向力也隨之增加，其中當(dāng)鉆井液流量從100 L/min增加到300 L/min時，壓降與軸向力的相對增長率較小，在300 L/min以后壓降與軸向力的相對增長率大幅度增加，其中壓降還是主要發(fā)生在滑套入口段錐部位置。

表2 入口鉆井液流量影響滑套工作性能表

考慮到當(dāng)滑套滑動開啟射流噴頭時，滑套下端的軸向鉆井液流道將被封堵，因下端面采用的是端面密封的方式進行密封的，因此，當(dāng)噴頭被開啟后，鉆井液在流過滑套時所產(chǎn)生的軸向力越大，下端端面的密封效果就越好。考慮到實際工況條件下正常鉆進時所需流量大小為300 L/min，將射流破碎流量大小設(shè)為 800 L/min。

依據(jù)正常鉆進與射流破碎流量大小，設(shè)計計算出能準確控制壓控滑套開啟與關(guān)閉的彈簧，其中所設(shè)計彈簧的行程與鉆井液流量的關(guān)系如圖5所示。

3 實驗設(shè)計與分析

為驗證壓控滑套的可行性，依據(jù)仿真結(jié)果加工出了一套壓控滑套的實驗樣機，如圖6所示。

圖5 壓控滑套狀態(tài)理論設(shè)計圖

圖6 實驗樣機照片

對其進行了節(jié)流壓降原理實驗與試壓實驗，實驗過程中采用清水作為鉆井液進行實驗，具體實驗設(shè)備參數(shù)如表3所示。實驗采用3DY400/60型電動試壓泵，試壓泵額定壓力60 MPa，試壓實驗壓力40 MPa。

3.1 節(jié)流壓降原理驗證實驗

其實驗流程如圖7所示，實驗采用多級泵系統(tǒng)為壓控滑套提供鉆井液，多級泵從水槽吸水經(jīng)節(jié)流閥Ⅱ、電子流量調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥Ⅲ以及入水管進入壓控滑套，然后經(jīng)回水管回到水槽。實驗過程中通過調(diào)節(jié)旁路上的電子流量調(diào)節(jié)閥將多級泵排出液體的一部分重新引入水箱來控制通入壓控滑套的鉆井液流量。

實驗過程中，為保證測量數(shù)據(jù)的準確性，減緩數(shù)據(jù)傳遞延遲誤差，在調(diào)節(jié)通入壓控滑套的流量時，應(yīng)采用分段調(diào)節(jié)的方式進行調(diào)節(jié)，主要分為4個階段進行：①當(dāng)通入流量小于300 L/min時，電子流量調(diào)節(jié)閥的開度每次可增加5%，并保持5 s，待顯示流量穩(wěn)定，觀察記錄相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象后方可繼續(xù)調(diào)節(jié)；②當(dāng)通入流量大于300 L/min小于400 L/min時，電子流量調(diào)節(jié)閥的開度每次可增加3%，并保持8 s，待顯示流量穩(wěn)定，觀察記錄相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象后方可繼續(xù)調(diào)節(jié)；③當(dāng)通入流量大于400 L/min時，電子流量調(diào)節(jié)閥的開度每次可增加1%，并保持10 s，待顯示流量穩(wěn)定后方可繼續(xù)調(diào)節(jié)，直到噴頭被完全開啟，回流管線流量為0；④按上述步驟，減小通入壓控滑套的鉆井液流量，觀察記錄相關(guān)數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象。

表3 實驗樣機設(shè)計參數(shù)表

圖7 實驗裝置示意圖

為了便于觀察實驗現(xiàn)象，實驗流程圖中的回流管線未被連接，實驗過程中將工具置于射流破碎箱體中使其處于自由噴射狀態(tài)，當(dāng)通入滑套的流量大小為300 L/min時，實驗所測得的壓降大小為0.018 MPa，其與仿真值基本吻合，且所對應(yīng)的彈簧理論行程差值也相對較小，此時，壓控滑套狀態(tài)如圖8-a所示，射流噴頭未開啟，鉆井液均從壓控滑套下端流出。

圖8 實驗現(xiàn)象照片

隨著通入鉆井液流量的增加，當(dāng)通入的流量達到 550 L/min 時，實驗所測得的壓降為 0.143 MPa，此時壓控滑套狀態(tài)如圖8-b所示，有少量鉆井液從噴頭處噴出。當(dāng)通入壓控滑套的流量大小達到800 L/min時，實驗所測壓降值為0.35 MPa，與理論值的差值為0.136 MPa，此時壓控滑套狀態(tài)如圖8-c所示，噴頭噴射強度較圖8-b明顯增加，但壓控滑套下端仍然有鉆井液流出，表明滑套未滑動到設(shè)定位置，噴頭未完全開啟。當(dāng)通入壓控滑套的流量大小達到833 L/min時，噴射情況如圖8-d所示，從噴頭所噴出的水柱呈穩(wěn)定狀態(tài)，且壓控滑套下端未有明顯鉆井液流出，此時實驗測得的壓降達到了0.609 MPa，其與仿真值的差值為0.14 MPa。實驗測得的數(shù)據(jù)與理論設(shè)計數(shù)據(jù)對比如圖9所示。

圖9 實驗結(jié)果與理論值對比圖

由圖9可知，隨著通入壓控滑套內(nèi)部鉆井液流量的增加，壓降與彈簧行程曲線變化趨勢大致相同，但隨著流量的增加，仿真值與實驗值的差值也逐漸增大，導(dǎo)致這一趨勢的主要原因在于，仿真值主要是針對滑套內(nèi)部的壓降建立相關(guān)的仿真模型進行仿真的，而實驗測量值主要測量的是壓控滑套兩端壓力變送器之間的壓差值，且當(dāng)噴頭被完全開啟，壓控滑套下部通道被封堵時，位于壓控滑套下端的壓力為大氣壓，實驗所測壓力主要為壓控滑套內(nèi)部的壓力且壓力值大小與射流噴頭數(shù)目與尺寸密切相關(guān)，所以當(dāng)壓控滑套內(nèi)部流量達到833 L/min，下端被封堵時，壓降值會突然上升。然而由實驗結(jié)果可知，噴頭完全開啟的實際流量大小為833 L/min，其與理論設(shè)計值之間的誤差為4.13%，在可被認同的誤差范圍內(nèi)。

3.2 試壓實驗

實驗主要驗證壓控滑套內(nèi)部滑套是否會因其所處環(huán)境壓力的變化而動作，實驗主要采用圖10所示的3DY400/60型電動試壓泵為實驗提供所需實驗壓力，其能達到的最大壓力為60 MPa，實驗介質(zhì)為清水。

圖10 試壓實驗裝置及實驗現(xiàn)象照片

實驗步驟如下：①使用封堵頭封堵壓控滑套底部出口，并在壓控滑套上端連接打壓接頭，并使打壓接頭與電動試壓泵相連接；②調(diào)節(jié)試壓泵上的流量控制閥門控制壓力大小，使得壓力加載梯度維持在5 MPa/次，完成每次加載后穩(wěn)壓2 min；③記錄實驗數(shù)據(jù)與相應(yīng)的實驗現(xiàn)象；④重復(fù)上述實驗步驟兩次，以保證實驗結(jié)果的準確性。

表4為記錄的實驗現(xiàn)象及結(jié)果分析情況，因?qū)嶒炦^程中各連接部位處存在泄漏，因此當(dāng)壓控滑套內(nèi)部壓力達到38 MPa時，壓力未能繼續(xù)增加，其壓力已超出實際工作時的壓力30 MPa，當(dāng)壓力值達到38 MPa左右時，接頭連接處因密封問題導(dǎo)致有少量泄漏以外，噴頭處未見有水噴出，因此，壓控滑套的啟閉過程不受其所處壓力環(huán)境的影響。

表4 試壓實驗壓力值與實驗現(xiàn)象表

4 壓控滑套應(yīng)用前景

目前用于天然水合物射流破碎的擴眼噴頭基本都采用常規(guī)的射流噴頭，其主要存在如下問題：射流噴頭在射流作業(yè)時不可控，且不可重復(fù)使用。不能實現(xiàn)鉆頭機械破碎鉆進作業(yè)與射流破碎擴徑作業(yè)的自動切換從而保證整個過程連續(xù)運作，使用現(xiàn)有的射流噴頭需要反復(fù)起下鉆柱，大大降低了水合物層鉆采效率，增加了作業(yè)風(fēng)險以及作業(yè)成本。而壓控滑套主要針對常規(guī)射流噴頭所存在的問題進行了創(chuàng)新設(shè)計，可實現(xiàn)射流噴頭在鉆井作業(yè)中可根據(jù)具體工藝需求開啟與關(guān)閉，保證機械破碎鉆進作業(yè)與射流破碎擴徑作業(yè)自動切換連續(xù)運作，降低起下鉆柱次數(shù)與鉆井作業(yè)，因此其對于提高水合物固態(tài)流化開采效率有著廣大而深遠的意義。

5 結(jié)論

針對水合物固態(tài)流化開采工藝的特點，本文運用節(jié)流壓降原理創(chuàng)新性地設(shè)計了一種用于水合物固態(tài)流化開采的壓控滑套，并對壓控滑套內(nèi)部滑套進行了仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果加工出壓控滑套實驗樣機，對樣機進行了壓力試壓實驗與節(jié)流壓降原理實驗，并得出如下結(jié)論。

1）仿真分析結(jié)果表明：滑套入口錐角為30°時所產(chǎn)生壓降與軸向力大小能在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上有效減小沖蝕對滑套錐面的損傷。

2）節(jié)流壓降原理驗證實驗結(jié)果表明，壓控滑套的全開啟流量為833 L/min，與設(shè)計開啟流量相比，誤差值為4.13%，滑套在開啟后也能在鉆井液流量達到300 L/min時回彈復(fù)位，有效關(guān)閉噴頭；本實驗有效驗證了節(jié)流壓降原理用于控制壓控滑套噴頭開啟與關(guān)閉的可行性。

3）試壓實驗結(jié)果表明，由于密封問題，當(dāng)滑套內(nèi)部壓力達到38 MPa時，噴頭處有少量泄漏但未被開啟，且壓力已超過了實際工作時的壓力。實驗驗證了壓控滑套滑套的驅(qū)動方式與現(xiàn)有的壓差滑套的驅(qū)動方式不同，滑套不會因所處環(huán)境壓力變化而運動，壓力的增加并不會驅(qū)動滑套運動。

4）研究表明，采用節(jié)流壓降原理所產(chǎn)生的壓降驅(qū)動滑套控制射流噴頭的開啟與關(guān)閉是可行的，其能夠滿足水合物固態(tài)流化開采作業(yè)需求。壓控滑套的運用將減少起下鉆次數(shù)，降低起下鉆過程中鉆井作業(yè)風(fēng)險與作業(yè)成本，提高了鉆井的安全性。節(jié)流壓降控制原理在壓控滑套上的運用將推動其在別的井下工具中的運用。