井下電動清洗工具清洗性能數(shù)值模擬研究

曾云 周宗贛 吳文秀 李寧

摘要：油氣開采過程中，碎屑顆粒在井底容易沉積結(jié)塊，影響后續(xù)油氣開采進度及設(shè)備的正常工作，造成開采效率和經(jīng)濟效益降低。針對井底沉積碎屑的清洗打撈設(shè)計了一種井下電動清洗工具，該工具利用內(nèi)置的電泵將井底的流體介質(zhì)吸入之后，以沖洗裹挾的方式將碎屑帶入到工具內(nèi)部，并利用單向打撈籃和碎屑收集腔對碎屑顆粒進行收集。為進一步研究清洗工具在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下清洗打撈性能，基于Fluent軟件建立了井底流場模型，采用歐拉固液兩相流模型和RNGk—ε湍流模型得到了不同時步下的碎屑顆粒分布圖和流場底部的剩余碎屑體積分?jǐn)?shù)。仿真分析結(jié)果表明：當(dāng)噴嘴數(shù)目分別為2個、3個和4個時，井底剩余碎屑體積分?jǐn)?shù)為2.04％、1.49％和0.21％；當(dāng)噴嘴安裝角度與中軸線夾角為12°時，清洗碎屑速度最快，剩余體積分?jǐn)?shù)最?。浑姳门帕繛?0m／h時，具有較低的能耗，產(chǎn)生更高的清洗效率。研究結(jié)果可為油氣安全生產(chǎn)及井下電動清洗工具的設(shè)計提供一定的理論與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：井下電動清洗打撈工具；顆粒沉降；液固兩相流；噴嘴數(shù)目

中圖分類號：TE358 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16082／j．enki．issn．1001-4578.2022.12.016

Numerical Simulation of Cleaning Performance of a Downhole Electric Cleaning Tool Zeng Yun Zhou Zonggan Wu Wenxiu Li Ning

（School of Mechanical Engineering，Yanglze Unitersity）

Abstract： In the process of oil and gas production，debris particles tend to deposit and agglomerate at the bottom hole，which affects the production and the normal operation of equipment， reducing the recovery efficiency and economic benefit. To solve this problem， a downhole electrie cleaning tool was designed. It has a built-in e- lectric pump which sucks the fluid at the bottom hole， and then brings the debris into the tool by washing and wrapping.And it uses the one-way fishing basket and debris collection chamber to collect the debris particles.In order to study the cleaning and fishing performance of the cleaning tool with different structural parameters， a bot- tom hole flow field model was established based on the Fluent software.Euler solid-liquid two-phase flow model and RNG k-ε turbulence modelare used to obtain the distribution of debris particles and the residual debris volume fraction at the bottom hole of the flow field. The simulation analysis results show that，when the nozzle number is 2，3 and 4，respectively，the bottom residuaI debris volume fraction is 2.04%， 1.49% and 0.21%，respective- ly;when the angle between the nozzle installation angle and the centra axis is 12°，the debris cleaning speed is the fastest and the residual volume fraction is the smallest; when the electric pump displacement is 50 m'/h， it has low energy consumption and high cleaning efficiency. The study results provide a theoretical guidance for the safe production of oil and gas and the design of downhole electric cleaning tools.

Keywords：electric cleaning and fishing tool; particle sedimentation;fluid-solid two-phase flow;nozle number

0引言

在油氣開采過程中，鉆磨橋塞時難免有殘余碎屑留在井筒內(nèi)并在井底堆積沉結(jié)，不僅影響油氣開采的質(zhì)量，還可能對后續(xù)下井設(shè)備造成損壞，因此需要將碎屑顆粒進行清洗打撈。

顧文萍等］設(shè)計了一種清洗打撈工具，可以在井底實現(xiàn)反循環(huán)旋流連續(xù)沖砂，現(xiàn)場應(yīng)用平均沖砂時間減半。王方祥等［2］設(shè)計了一種渦輪負(fù)壓式局部反循環(huán)打撈工具，通過地面泵送的液體沖擊高比轉(zhuǎn)速渦輪進行轉(zhuǎn)動，既能加速流體沖擊碎屑，還能使工具內(nèi)部形成一定的負(fù)壓，達到打撈碎屑的目的。LIJ．等［3］基于同心連續(xù)管真空清砂技術(shù)，設(shè)計了一種沖砂工具，利用地面泵送的液體從噴嘴中射出，然后從井筒與工具環(huán)空處沖向井底，將井下碎屑攜帶至工具內(nèi)部以完成清洗工作。R.PINEDA等［4］提出前后2組噴頭的沖砂工具，多方向清洗打撈碎屑。C．V．UCHENDU等［5］提出一種CT水力沖砂工具，在工具末端四周均勻開孔，前方的噴嘴用來沖擊膠結(jié)的沉砂，旋轉(zhuǎn)的噴嘴用來產(chǎn)生負(fù)壓并使工具進行旋轉(zhuǎn)沖洗，將砂粒進行清洗打撈。這些井下清洗工具［6—8］雖然可以實現(xiàn)清洗打撈碎屑，但是需要持續(xù)泵送液體，存在地面設(shè)備龐雜、能量損失大、工藝復(fù)雜、成本高、環(huán)境污染等問題。針對以上問題，結(jié)合連續(xù)管、井下電潛泵技術(shù)裝備的新進展，筆者設(shè)計了一種針對垂直深井、利用井下已存液體而無需地面設(shè)備持續(xù)泵送液體、局部反循環(huán)清洗打撈的井下電動清洗工具。為進一步優(yōu)化電動清洗工具結(jié)構(gòu)，筆者進行了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的數(shù)值模擬，以期為后續(xù)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 工具結(jié)構(gòu)及原理

電動清洗工具的總體結(jié)構(gòu)（半剖視圖）示意圖如圖1所示。

工具由6大部分組成，從底部到上端分別為引鞋、單向打撈籃、碎屑收集腔、高速噴嘴架、噴嘴、電動泵與上接頭。

該電動清洗工具在工作過程中流體的流動方向示意圖如圖2所示。工作原理是利用流體的沖擊力來將井底中碎屑結(jié)塊沖入工具內(nèi)部，進行碎屑的分離與收集，以實現(xiàn)碎屑顆粒的清洗打撈。

1.2 應(yīng)用工況及網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks 和Workbench-Geometry 模塊建 立電動清洗工具的三維模型，在不影響流場分析的情況下，對工具內(nèi)部的單向打撈籃及碎屑收集腔進行適當(dāng)簡化。流道模型如圖3所示。

結(jié)合現(xiàn)場工況，本工具主要用于完井深度3000～3500m之間。電動清洗工具的應(yīng)用參數(shù)如下：套管外徑139.7mm，井筒通徑124.0mm，工具外徑114.0mm，工具內(nèi)徑98.0mm，工具殼體材料42CrNiMo，電泵排量40～60m3／h。

圖4為網(wǎng)格劃分示意圖。采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進行計算，并通過x＝0.02m截面的速度和壓降進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，最后選擇網(wǎng)格數(shù)量86 000進行求解。

2數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 連續(xù)相模型

井底中流場復(fù)雜，且本項目主要針對多相流模擬，工具內(nèi)流體的流動帶有輕微的旋轉(zhuǎn)，因此本文選用RNGk—ε湍流模型。該模型在很大程度上能夠反映出復(fù)雜的多相流場的變化情況，其基本控制方程如下：

式中：p為混合液密度，kg／m；t為時間，s；h為湍動能，㎡／s2；G，為湍動能k的產(chǎn)生項，Pa／s；ε為湍流耗散率，㎡／s；其中湍動能k和湍流耗散率的普朗特數(shù)分別為1.0和1.3；i、j為空間坐標(biāo)；u，為混合液的時均速度，m／s；μ。為動力黏性系數(shù)，kg／（m·s）；σ、σ。為模型常數(shù)。

方程中的一些常數(shù)取值如下：C1＝1.44，C2＝1.68，C=0.0845。

2.2 顆粒沉降模型

本文所研究的井下清洗工具內(nèi)部固體顆粒密度大于流體密度，井筒中的液固流動屬于稀相，因此不考慮附加質(zhì)量力、Basset力及Magnus力。由于只是考察顆粒運動末速度，也不考慮變速運動中的慣性力，只考慮重力、浮力和表面阻力。固體顆粒在流體內(nèi)的運動過程模型如圖5所示。

假設(shè)固體顆粒為球形，固體顆粒在流體中運動，考慮到顆粒受到浮力的作用，則有：

式中：Fw為為固體顆粒浮重，N；d，為固體顆粒直徑，m；g為重力加速度，m／s2；p，為固體顆粒密度，kg／㎡；p1為流體密度，kg／m3。

表面阻力與流體及固體顆粒運動的關(guān)系式有：1

式中：FR為固體顆粒所受表面阻力，N；Cp為表面阻力系數(shù)；v為流體流動速度，m／s；v，為固體顆粒運動速度，m／s。

由于顆粒在運動中受到了流體阻力與重力，其沉降運動方程為：

式中：m，為固體顆粒的質(zhì)量，kg；t為運動時間，s。

根據(jù)文獻［9—10］，當(dāng)顆粒速度大于或小于流體速度，分別表現(xiàn)為沉降和上升狀態(tài)。若要攜帶碎屑顆粒向上運動，則碎屑顆粒沉降末速度應(yīng)小于流體速度。根據(jù)文獻［11—12］，顆粒的自由沉降計算公式為：

假設(shè)井底存在的碎屑顆粒直徑為17mm，顆粒密度為2600kg／m3，壓裂液密度按1000kg／m3，計算得到v＝1.54m／s。因此，碎屑顆粒在通過高度為220mm的單向打撈籃時，速度大于1.54m／s即可。

2.3 邊界條件

采油瞬態(tài)分析進行井下清洗工具的流場模擬，對巖屑和壓裂液定義為固相和液相，按照2.2節(jié)設(shè)置密度；邊界條件設(shè)置入口為velocity-inlet，5 m／s；出口為outflow；其余設(shè)為固定壁面wall。

考慮模擬運算中的收斂性和穩(wěn)定性，采用一階迎風(fēng)離散格式和SIMPLE算法。使用Region Adap- tation在井底生成一個圓柱體的空間，在其中布置體積分?jǐn)?shù)為70％、直徑為7mm的碎屑顆粒固相。為了解不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的清洗打撈效果，在模型中建立了一條長度為800mm的中心軸線，以方便提取碎屑顆粒的流動速度，確定碎屑能進入工具內(nèi)部。同時建立井底220mm高度的圓柱體區(qū)域，用以提取清洗打撈流程結(jié)束之后剩余的碎屑顆粒體積分?jǐn)?shù)。中心軸線與圓柱體區(qū)域如圖6所示。

工具清洗打撈碎屑顆粒的能力取決于工具結(jié)構(gòu)，影響工具清洗打撈效率的參數(shù)主要有：①噴嘴數(shù)目；②噴嘴安裝角度；③電泵排量。本文將針對以上結(jié)構(gòu)參數(shù)進行液固兩相流模擬仿真，觀察清洗打撈工作結(jié)束后剩余的碎屑顆粒體積分?jǐn)?shù)，以得出具有最佳清洗打撈碎屑顆粒效率的結(jié)構(gòu)形式。

3仿真結(jié)果分析

3.1 噴嘴數(shù)目對清洗效果的影響規(guī)律

仿真中選用的噴嘴安裝角均為12°、電泵排量均為50m3／h時的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對不同噴嘴數(shù)目的工具進行仿真分析。分析仿真分析結(jié)果，提取得到了碎屑體積分?jǐn)?shù)每隔0.5s時的分布云圖。2噴嘴、3噴嘴和4噴嘴的碎屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖7、圖8、圖9所示。不同時步下的碎屑顆粒含量曲線如圖10a所示。2噴嘴、3噴嘴和4噴嘴在軸線路徑上的碎屑顆粒流動速度分布如圖10b所示。

從圖7～圖9可以看到，在2噴嘴、3噴嘴及4噴嘴的情況下，碎屑顆粒在最后的時步基本都在220mm的高度以上，可以視為有效進入工具內(nèi)部。在2噴嘴和3噴嘴的碎屑體積分?jǐn)?shù)分布圖中可以看到，碎屑顆?；径佳刂鞯滥Ｐ偷囊贿吷仙绻窃谖春喕墓ぞ邇?nèi)部，碎屑顆粒很有可能會卡在單向打撈籃閥板的開合處，影響工具提起時閥板的密封性；而在4噴嘴的碎屑體積分?jǐn)?shù)分布云圖可以看到，碎屑顆?；驹诹鞯滥Ｐ椭行纳仙@樣減小了碎屑顆?？ㄗ￠y板的可能性。

從圖10a中可以看到，3種結(jié)構(gòu)里的碎屑顆粒含量都隨著仿真步數(shù)的增加而不斷減少，而且3噴嘴和4噴嘴的清洗速率大致相同，2噴嘴的清洗速率較低一些，說明2噴嘴的結(jié)構(gòu)清洗效果較差一些。從圖10b可以看出，碎屑顆粒在高度為220mm處的速度基本在3m／s左右，大于理論計算的1.54m／s，說明碎屑顆粒在進入工具內(nèi)部單向打撈籃之后，仍能保持上升趨勢。進一步分析最終的清洗效果，由圖10a可以看到，2噴嘴、3噴嘴及4噴嘴中剩余碎屑顆粒的體積分?jǐn)?shù)分別為2.04％、1.49％及0.21％，從數(shù)值大小方面說明工具安裝噴嘴數(shù)目為4個時，清洗效果在這3種情況中效率最好。

3.2 噴嘴安裝角度對清洗效果的影響規(guī)律

在3.1節(jié)中做過了噴嘴安裝角度為12°的模擬仿真，故在本節(jié)中只做噴嘴安裝角度為8°與16°的模擬仿真。保持另外2個參數(shù)不變，僅改變噴嘴安裝角度，進行數(shù)值模擬。噴嘴安裝角度為8°、12°和16°在不同時步下的碎屑顆粒含量曲線如圖11a所示，軸線路徑上的碎屑顆粒流動速度分布如圖11b所示。

從圖11a可以看出，相較于另外2種噴嘴安裝角度，噴嘴安裝角度為12°時，清洗碎屑顆粒的速率最快。從圖11b可以看出，碎屑顆粒在220mm處的速度也都大于理論計算的1.54m／s。

從圖11a可以看到：噴嘴安裝角度為12°，完成6個步數(shù)時，該安裝角度下的工具內(nèi)剩余碎屑體積分?jǐn)?shù)最小，數(shù)值為0.21％，表明清洗效果最佳；噴嘴安裝角度為16°時，剩余碎屑體積分?jǐn)?shù)為1.42％。究其原因，夾角為16°時的噴嘴出口與井底距離更高，會使流體流動距離增加，有更多的能量損失。綜合比較下，工具噴嘴安裝角度應(yīng)采用與工具中軸線夾角呈12°的結(jié)構(gòu)。

4 電泵排量對清洗效果的影響規(guī)律

進一步研究不同能耗下的清洗效果，保持另外2個參數(shù)不變，僅改變電泵排量，以40、50和60m3／h一共3組進行對比。排量50m3／h在3.1節(jié)中已經(jīng)完成分析，對另外2種排量進行分析。不同電泵排量在不同時步下的碎屑顆粒含量曲線如圖12a所示，軸線路徑上的碎屑顆粒流動速度分布如圖12b所示。

從圖12a可以看到，隨著排量的增加，清洗碎屑顆粒的速率也在增加，同時排量越大，清洗效果越好。從圖12b可以看出，電泵排量為40m3／h時，碎屑顆粒在220mm處的運動速度剛好與理論計算值1.54m／s相近，而電泵排量為60m3／h時，碎屑顆粒在220mm處的運動速度為4.7m／s左右，大于碎屑顆粒的沉降末速度，因此電泵排量為60m3／h時，工具清洗打撈性能更優(yōu)。隨著電泵排量的增加，最終剩余碎屑體積顆粒分?jǐn)?shù)也不斷減小，究其原因是電泵排量越大，入口流體初速度越大，流體在到達井底沖擊碎屑顆粒的能量就越大，清洗打撈效果也就越好。從圖12a可以看出：在電泵的最低排量為40m3／h時，也勉強能完成碎屑清洗打撈工作，但是剩余碎屑體積分?jǐn)?shù)仍較大；在60m3／h工具剩余體積分?jǐn)?shù)只比50m3／h時降低了0.07％，因此選用電泵排量為50m3／h可以在較低能耗下更高效率地清洗打撈碎屑顆粒。

5 結(jié)論

為了解決目前在開采頁巖氣過程中在井筒內(nèi)產(chǎn)生碎屑顆粒而需要打撈清洗的問題，本研究推導(dǎo)了適用于井下工況的顆粒沉降模型，采用控制變量法對噴嘴安裝數(shù)目、噴嘴安裝角度及電泵排量這3個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行顆粒碎屑分布的數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下：

（1）在相同的工作環(huán)境與仿真設(shè)置條件下，工具內(nèi)的高速噴嘴架上均布4個噴嘴時，工具的打撈清洗效果與速率要優(yōu)于2噴嘴和3噴嘴的情況。

（2）噴嘴安裝角度與工具中軸線夾角呈12°時，清洗速率最快，剩余碎屑體積分?jǐn)?shù)最低，因此工具高速噴嘴架上的噴嘴安裝角度應(yīng)為12°。

（3）電泵排量越大，清洗速率越快。在電泵排量為40m3／h時，雖然可以完成碎屑清洗打撈，但是剩余碎屑體積分?jǐn)?shù)較大，清洗效果較差；而電泵排量為60m3／h時，清洗效果提升不高。因此應(yīng)選用電泵排量為50m3／h，此時工具能耗較低的情況下仍能有高效率清洗打撈性能。

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第一作者簡介：曾 云，講師，生于1991年，2020年畢業(yè)于長江大學(xué)石油礦場機械專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事石油機械設(shè)備研究工作。地址：（434023）湖北省荊州市。E-mail：626690025@qq.com。

通信作者：吳文秀，E-mail：wuwenxiu22＠163．com。

收稿日期：2022—08—17

（本文編輯 劉鋒）