煤層氣井管壁煤粉清洗彎曲射流影響因素分析

唐 勇 劉金海 韋 濤 林建偉 李耀全 靖傳凱

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司神府分公司 3. 中國石油大學(xué)(華東))

0 引 言

常規(guī)油氣資源的開發(fā)已無法滿足日益增長的能源消耗需求，進(jìn)一步加強(qiáng)非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)尤為迫切。作為主要的非常規(guī)天然氣之一，煤層氣的商業(yè)規(guī)模開發(fā)可有效緩解能源供求矛盾。我國煤層氣開發(fā)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤質(zhì)較脆，受開發(fā)過程中儲層改造和流體壓差作用易產(chǎn)生煤粉、煤泥、煤焦及其他固性顆粒[1-3](統(tǒng)稱煤粉)。煤粉在產(chǎn)氣通道內(nèi)沉積會造成堵塞而影響滲流和降壓效果[4]。另外，進(jìn)入井筒的部分煤粉在隨井液上升過程中易黏附于生產(chǎn)管柱、設(shè)備(泵)或發(fā)生井筒沉積，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致埋泵、卡泵、堵泵、泵閥難開啟以及磨損嚴(yán)重等一系列問題[5-6]，嚴(yán)重影響煤層氣井穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，井筒內(nèi)沉積和管壁黏附煤粉的清洗對煤層氣井高效生產(chǎn)具有重要意義。

射流清洗是利用高壓水射流產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力將結(jié)垢物從油管內(nèi)壁剝離，該方法具有成本低、效率高、無污染等特點(diǎn)[7]，可用于煤層氣井管壁和井底煤粉的清洗。許多學(xué)者對水射流沖砂解堵[8-10]、沖擊破巖鉆井[11-14]、水射流煤礦開采[15-16]、管道除垢[17-21]等方面開展了大量的研究，取得了豐富的有益成果。然而煤層氣井管壁煤粉黏附與油田結(jié)垢和沉砂機(jī)理有本質(zhì)區(qū)別，管壁附著物性質(zhì)也差別較大，油田水射流除垢理論無法直接用于煤層氣井井筒管壁煤粉清洗。鑒于此，筆者依據(jù)設(shè)計(jì)的新型水力射流清洗噴頭裝置，建立煤層氣井管壁黏附煤粉清洗臨界流速模型，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行仿真分析，對自旋轉(zhuǎn)噴頭彎曲射流流場進(jìn)行了研究，揭示了不同噴嘴偏轉(zhuǎn)角、噴嘴直徑、噴頭轉(zhuǎn)速對彎曲射流流場的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為煤層氣井管壁黏附煤粉的清洗提供依據(jù)。

1 技術(shù)分析

1.1 旋轉(zhuǎn)清洗噴頭結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)井底沉積煤粉和管壁黏附煤粉的清洗，設(shè)計(jì)了煤層氣井井底-管壁/炮眼煤粉清洗專用自旋轉(zhuǎn)射流噴頭，如圖1所示。該裝置主要由噴頭、外殼、轉(zhuǎn)筒、推力軸承、底蓋和連接管柱等部分組成。其中噴頭內(nèi)包括頂部1個(gè)噴嘴以及側(cè)面與噴頭軸線垂直的4個(gè)噴嘴。側(cè)面的4個(gè)噴嘴在截面上呈一定的偏轉(zhuǎn)角度。采用噴頭頂部噴嘴清洗井底沉積煤粉；利用噴頭側(cè)面和截面上存在一定的偏轉(zhuǎn)角，噴嘴實(shí)現(xiàn)管壁/炮眼黏附煤粉的清洗以及自旋轉(zhuǎn)。

1—連接管柱；2—大密封圈；3—轉(zhuǎn)筒；4—六角螺栓；5—底蓋；6、10—密封圈卡槽；7、11—小密封圈；8—推力軸承；9—外殼；12—噴頭；13—墊圈；14—噴嘴。

圖2 管壁/炮眼黏附煤粉力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of coal fines adhering to wellbore wall and perforation

1.2 工作原理

側(cè)面噴嘴在徑向存在一定的偏轉(zhuǎn)角度，其噴出的水流產(chǎn)生反推力形成扭矩促使噴頭轉(zhuǎn)動，用于清洗管壁和炮眼的煤粉。通過轉(zhuǎn)筒的臺階、底蓋以及外殼將2個(gè)推力軸承固定。轉(zhuǎn)筒、底蓋與外殼之間為間隙配合，并利用螺栓將推力軸承扣緊；密封圈密封防止泄露。清洗過程中，液體流經(jīng)連續(xù)管到達(dá)旋轉(zhuǎn)噴頭，高壓清洗液從注入口注入，并從各噴嘴噴出形成高速射流，推動噴頭旋轉(zhuǎn)并清洗管壁。

由于噴頭的旋轉(zhuǎn)，使側(cè)面噴嘴噴射的流線彎曲而形成彎曲射流。故分析管壁/炮眼煤粉清洗臨界流速和噴頭旋轉(zhuǎn)的條件、以及各參數(shù)對自旋轉(zhuǎn)噴頭彎曲射流流場規(guī)律的影響，可為煤層氣井井底-管壁煤粉清洗關(guān)鍵工具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

2 自旋轉(zhuǎn)條件和清洗臨界流速模型

2.1 自旋轉(zhuǎn)條件分析

自旋轉(zhuǎn)射流噴頭利用射流反作用力所產(chǎn)生的扭矩作為旋轉(zhuǎn)動力，噴嘴射流方向與旋轉(zhuǎn)噴頭截面呈一定偏轉(zhuǎn)角以形成驅(qū)動扭矩。扭矩需要克服的阻力主要來自2方面：推力軸承上的摩擦阻力、小密封圈與轉(zhuǎn)筒之間的摩擦阻力。

根據(jù)流體力學(xué)動量定理可知：

(1)

則該噴嘴動量定理方程為：

(2)

式中：b0為噴嘴直徑，m；Fq為射流產(chǎn)生的反作用力，N；p0為噴嘴出口壓力，Pa；pa為大氣壓力，Pa。

則噴嘴射流產(chǎn)生的反作用力Fq為：

(3)

射流提供的扭矩M0為：

M0=nhFq

(4)

式中：M0為射流提供的力矩，N·m；n為噴嘴的數(shù)量，個(gè)；h為從軸心到噴嘴射流方向的垂直距離，m。

推力球軸承產(chǎn)生的摩擦阻力矩Mt為：

Mt=ntftFtRt

(5)

式中：Mt為推力球軸承產(chǎn)生的摩擦阻力矩，N·m；nt為推力軸承的個(gè)數(shù)；ft為推力球軸承摩擦因數(shù)；Ft為六角螺栓對于底蓋的預(yù)緊力，N；Rt為推力球軸承的半徑，m。

小密封圈與轉(zhuǎn)筒之間的摩擦阻力矩Mm為：

Mm=nmfmFmSm

(6)

式中：Mm為小密封圈與轉(zhuǎn)筒之間的摩擦阻力矩，N·m；nm為小密封圈的個(gè)數(shù)；fm為密封圈與轉(zhuǎn)筒之間的摩擦因數(shù)；Fm為密封圈與轉(zhuǎn)筒之間的壓力，N；Sm為密封圈與轉(zhuǎn)筒的接觸長度，m。

故旋轉(zhuǎn)射流噴頭能夠發(fā)生自旋轉(zhuǎn)的條件為：

M0>Mt+Mm

(7)

將式(4)～式(6)代入式(7)，可得發(fā)生自旋轉(zhuǎn)需滿足噴嘴出口流速u0：

(8)

2.2 管壁/炮眼煤粉清洗臨界流速分析

假設(shè)黏附在炮眼中的煤粉為半徑相同的球形顆粒，其形狀不隨流體的沖刷作用產(chǎn)生變化且顆粒間無化學(xué)反應(yīng)；煤粉顆粒主要受到顆粒間的液橋力、范德華力和自身重力等影響，忽略其顆粒間作用力；由于炮眼直徑很小，可認(rèn)為只受到旋轉(zhuǎn)彎曲射流的沖擊區(qū)影響。

在清洗時(shí)黏附煤粉顆粒受自身重力FG、射流的沖洗力Fp、范德華力Ff和液橋力Fm等。

顆粒所受流體沖洗力Fp為：

(9)

射流由旋轉(zhuǎn)噴頭側(cè)面噴嘴噴出后，由于噴頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得射流軸線發(fā)生較為明顯的彎曲變形，彎曲切線與射流軸向的夾角定義為偏轉(zhuǎn)角度β，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)彎曲射流偏轉(zhuǎn)分析Fig.3 Deflection analysis of rotating curved jetting

在射流偏轉(zhuǎn)區(qū)中，旋轉(zhuǎn)彎曲射流軸線上的流體速度um與噴嘴出口流速u0之間的關(guān)系為：

(10)

式中：um為彎曲射流軸線上速度，m/s；A、B和t為擬合系數(shù)。

自旋轉(zhuǎn)后，管壁黏附顆粒所受的流體沖洗力Fpx為：

(11)

式中：β為偏轉(zhuǎn)角度，(°)。

范德華力Ff為：

(12)

式中：Z為Hamaker常數(shù)，J；D為兩球形顆粒的表面間距，mm。

煤粉顆粒間液橋力如圖4所示，液橋力Fm為：

圖4 液橋力Fig.4 Liquid bridge force

Fm=πΔprs2sin2φ+2πγrssinφsin(ψ+φ)

(13)

式中：Δp為液體-蒸汽界面上的毛細(xì)抽吸壓差，N/m2；由Laplace-Young方程給出：

(14)

式中：γ為地層液的液體表面張力，N/m；r1和r2為液橋表面曲率半徑，m。

對黏附在管壁和炮眼的煤粉進(jìn)行受力分析，如圖5所示。根據(jù)力矩平衡原理，射流沖洗力使得黏附煤粉發(fā)生滾動移除的條件為：

圖5 黏附煤粉顆粒受力Fig.5 Force on adhered coal fine particles

Fpxrscos(α+θ)>(Fm+Ff)rssin2θ+FGrscosθ

(15)

將式(11)～式(13)帶入式(15)，可得到一定粒徑下，炮眼黏附煤粉顆粒的流體臨界流速um1為：

(16)

由此，可得煤粉沖洗所需噴嘴出口臨界流速u0為：

(17)

3 自旋轉(zhuǎn)射流噴頭模擬分析

3.1 三維模型建立

以SolidWorks構(gòu)建自旋轉(zhuǎn)射流噴頭三維模型，如圖6和圖7所示。

圖7 噴頭三維工作圖Fig.7 Three-dimensional working diagram of the nozzle

側(cè)面噴嘴呈一定角度λ從而產(chǎn)生扭矩使其旋轉(zhuǎn)。建立不同噴嘴直徑b0(1.5、2.0、3.0 mm)、噴嘴偏轉(zhuǎn)角λ(40°、50°、55°、60°)的模型進(jìn)行仿真分析。

3.2 網(wǎng)格劃分

幾何模型網(wǎng)格的劃分在有限元分析當(dāng)中尤為重要，劃分網(wǎng)格的質(zhì)量以及模式將影響模擬的最終結(jié)果。且網(wǎng)格的劃分決定著模擬的計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度和收斂程度，如果網(wǎng)格劃分不當(dāng)，則會造成模擬計(jì)算中負(fù)體積的產(chǎn)生以及浮點(diǎn)溢出等問題。

在煤層氣井清洗煤粉作業(yè)過程中，利用旋轉(zhuǎn)噴頭的旋轉(zhuǎn)清洗管壁上黏附的煤粉，側(cè)面噴嘴產(chǎn)生的推力形成扭矩為噴頭旋轉(zhuǎn)提供動力。在仿真中，旋轉(zhuǎn)射流噴頭置于?139.7 mm(5in)套管中，使用分界面對幾何區(qū)域進(jìn)行劃分。為計(jì)算更加精確，以及避免容易產(chǎn)生負(fù)體積的情況出現(xiàn)，將幾何體進(jìn)行分割并添加interface，使用滑移網(wǎng)格模型(Sliding Mesh Model，SMM)，如圖8所示。劃分后的網(wǎng)格單元質(zhì)量平均在0.887 58(>0.8)，偏度最大值0.932 25(<0.98)，正交質(zhì)量最小值0.067 75(>0.01)，網(wǎng)格總體質(zhì)量良好。

圖8 網(wǎng)格劃分Fig.8 Meshing process

3.3 基本條件設(shè)置

基于所構(gòu)建三維模型、基本結(jié)構(gòu)參數(shù)及流場參數(shù)，采用Fluent軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)。入口采用速度入口、壓力出口。定義湍流方法為強(qiáng)度I和黏度比μt/μ，分別為：

I=0.16Re-0.125

(18)

(19)

式中：k為湍流動能，m2/s2；ε為湍流耗散率，m2/s3。

根據(jù)實(shí)際計(jì)算值，設(shè)置逆流湍流強(qiáng)度為5%，逆流湍流黏度比為10。

3.4 模擬結(jié)果分析

自旋轉(zhuǎn)射流噴頭通過噴嘴噴出的射流產(chǎn)生的反推力作為動力，在進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)噴頭以一定角速度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行清洗，取不同噴嘴偏轉(zhuǎn)角λ、噴嘴直徑b0以及噴頭轉(zhuǎn)速ω進(jìn)行模擬。

3.4.1 噴嘴偏轉(zhuǎn)角λ的影響分析

噴嘴偏轉(zhuǎn)角λ影響著射流沖擊管壁的角度。在旋轉(zhuǎn)速度和噴嘴直徑一定的情況下，4個(gè)不同偏轉(zhuǎn)角60°、55°、50°和40°的流場情況如圖9所示。從圖中可以看出，偏轉(zhuǎn)角λ越小，可為旋轉(zhuǎn)噴頭提供的扭矩越大。偏轉(zhuǎn)角λ越小，射流與管壁接觸面越大，即沖洗面積增大。

圖9 不同噴嘴偏轉(zhuǎn)角下流場Fig.9 Flow field under different nozzle deflection angles

3.4.2 噴嘴直徑b0的影響分析

圖10～圖12為3種不同噴嘴直徑1.5、2.0和3.0 mm下的流場分析。從圖10～圖12可以看出，噴嘴直徑越小，射流越集中。在轉(zhuǎn)速ω為200 r/min、噴嘴直徑b0為1.5 mm時(shí)，射流的能量損失最少，流體更靠近射流軸線。在動力液流量相同的情況下，噴嘴直徑越大對管壁黏附煤粉沖擊力越小。此外，噴嘴直徑b0在1.5、2.0以及3.0 mm時(shí)，管壁處射流所產(chǎn)生的最大沖擊力分別為41.0、20.0及1.4 MPa。從結(jié)果可以看出，噴嘴直徑越大，產(chǎn)生的射流最大流速會相應(yīng)的減小；動力液入口流量為4.5 L/h，噴嘴直徑b0為1.5、2.0及3.0 mm時(shí)，所對應(yīng)的最大射流流速分別為683、362及115 m/s。

圖10 不同噴嘴直徑下環(huán)空流場Fig.10 Annular flow fields of different nozzle diameters

圖11 不同噴嘴直徑下流速圖Fig.11 Flow velocity diagram under different nozzle diameters

3.4.3 不同轉(zhuǎn)速的影響分析

圖13～圖15為噴嘴直徑b0為1.5 mm，不同轉(zhuǎn)速ω下流場的分析。從圖13～圖15可以看出，旋轉(zhuǎn)噴頭轉(zhuǎn)速ω在200、400 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速ω對射流影響較小，射流沒有發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)速ω達(dá)到600 r/min時(shí)，由于周圍流體對射流的摻混作用以及能量交換影響，射流軸線發(fā)生輕微的偏轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)速ω達(dá)到800 r/min時(shí)，摻混作用更加明顯，致使射流發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，射流軸線偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到30°左右。轉(zhuǎn)速在200、400、600、800 r/min時(shí)，所對應(yīng)的壁面最大沖擊力分別為41、38、31、22 MPa。由600 r/min增加到800 r/min，產(chǎn)生的最大沖擊力減小了29.03%。因此，轉(zhuǎn)速ω增加，射流對壁面產(chǎn)生的最大沖擊力下降，故在實(shí)際清洗作業(yè)時(shí)應(yīng)合理選擇轉(zhuǎn)速。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下流場Fig.13 Flow fields under different rotating speeds

圖14 不同轉(zhuǎn)速下流速圖Fig.14 Flow velocity diagram under different rotating speeds

圖15 不同轉(zhuǎn)速下射流沖擊力Fig.15 Jetting impact force under different rotating speeds

4 結(jié) 論

(1)考慮旋轉(zhuǎn)彎曲射流的影響，煤層氣井管壁煤粉的清洗與噴嘴直徑、偏轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等因素密切相關(guān)。偏轉(zhuǎn)角λ越小，射流與管壁接觸面越大，其沖洗面積較大；噴嘴直徑越大，所產(chǎn)生的射流最大流速會相應(yīng)地減小。

(2)旋轉(zhuǎn)射流清洗管壁煤粉時(shí)，隨著噴嘴直徑和轉(zhuǎn)速的增加，產(chǎn)生的壁面沖擊力減少；當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 r/min，噴嘴直徑為2.0 mm時(shí)產(chǎn)生的壁面沖擊力為20 MPa。轉(zhuǎn)速由600 r/min增加到800 r/min，產(chǎn)生的最大沖擊力減小了29.03%，可為合理選擇射流參數(shù)提供依據(jù)。

(3)煤層氣井管壁煤粉清洗旋轉(zhuǎn)噴頭沖煤粉流場分析可為煤層氣井管壁/炮眼煤粉清洗工具現(xiàn)場實(shí)施和參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，為進(jìn)一步解決管壁黏附煤粉問題奠定基礎(chǔ)。