鹽穴儲氣庫溶腔促溶工具設(shè)計及流場優(yōu)化分析

基金項目：國家重大科研儀器研制項目“鉆井復(fù)雜工況井下實時智能識別系統(tǒng)研制”（52227804）。

目前在鹽穴儲氣庫腔體的建造中，促溶工具缺乏參數(shù)優(yōu)化過程，沒有關(guān)于其技術(shù)參數(shù)與所形成腔體大小、形狀之關(guān)系的闡釋。為此，設(shè)計了延伸式快速溶腔促溶工具，利用Fluent軟件對此工具的外流場進行仿真，研究噴嘴角度、入口排量和工具旋轉(zhuǎn)速度對鹽穴儲氣庫前期的建槽大小、形狀的影響。分析結(jié)果表明：該工具能實現(xiàn)工作狀態(tài)可控、延伸自適應(yīng)，且噴嘴可更換；45°噴嘴角度為建槽期的最佳建槽角度；入口排量越大，高速噴射流的噴射距離和噴射范圍越大，但是當(dāng)入口排量超過一定值時，其對噴射距離的增長幅值會快速減?。唤ㄗh工具在工作時采用較低的轉(zhuǎn)速，以減少單個高速噴射流的動能損耗。所得結(jié)論可為延伸式快速溶腔促溶工具的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

鹽穴儲氣庫；促溶工具；數(shù)值模擬；外流場；旋轉(zhuǎn)射流

TE972

A

007

Design and Flow Field Optimization Analysis of Dissolution

Promoting Tool for Salt Cavern Gas Storage Cavity

Zha Chunqing¹ Pang Ruihao¹ Wang Shuai² Zhou Junran² Meng Zhenqi² Sun Xuebin³

（1.Faculty of Materials and Manufacturing，Beijing University of Technology; 2.Engineering Research Institute，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited; 3.Zhundong Drilling Company，CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited）

In the construction of salt cavern gas storage cavities，there is a lack of parameter optimization process for dissolution promoting tools，and there is no explanation on the relationship between their technical parameters and the size and shape of the formed cavities. An extended rapid dissolution promoting tool for constructing cavity was designed，and the Fluent software was used to simulate the external flow field of the tool to study the effects of nozzle angle，inlet displacement and tool rotation speed on the size and shape of the constructed slotting at the early stage of salt cavern gas storage. The analysis results show that the tool can achieve controllable working state and adaptive extension，and the nozzle can be replaced. The 45° nozzle angle is the optimal slotting angle during the slotting period. The larger the inlet displacement，the greater the jet distance and range of high-speed jet flow are. However，when the inlet displacement exceeds a certain value，the amplitude of the increase in jet distance rapidly decreases. So，it is proposed to use a lower rotation speed during operation of the tool to reduce the kinetic energy loss of a single high-speed jet flow. The conclusions provide theoretical guidance for the field application of extended rapid dissolution promoting tool of cavities.

salt cavern gas storage; dissolution promoting tool; numerical simulation; external flow field; rotation jet

0 引 言

石油和天然氣是當(dāng)前人類社會重要的一次能源之一，在世界能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。從能源消費結(jié)構(gòu)看，石油、天然氣、煤等化石能源仍然是當(dāng)前世界最主要的能源。其中，石油消費量占全球一次能源消費量的33%、天然氣占24%、煤炭占30%（數(shù)據(jù)來源于BP公司《BP世界能源統(tǒng)計回顧2013》）^［1］。地下儲氣庫技術(shù)是能源結(jié)構(gòu)改變和天然氣工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，是能源戰(zhàn)略和季節(jié)調(diào)峰的需要^［2］。目前世界上典型的天然氣地下儲氣庫類型有5種：枯竭油藏儲氣庫、枯竭氣藏儲氣庫、含水層儲氣庫、鹽穴儲氣庫及巖洞儲氣庫。比較而言，鹽巖具有低滲透性、低孔隙度、良好流變特性以及可水溶開采等優(yōu)良特性，被國際公認為能源儲存的最佳途徑^［3-6］，且國內(nèi)外學(xué)者認為地下鹽巖是處置CO₂的有效地質(zhì)體^［7-8］。目前，國內(nèi)外普遍采用單直井水溶造腔法建造鹽穴儲氣庫，這種造腔方法不僅成本高，而且造腔周期長^［9-10］。

為了加快鹽穴儲氣庫腔體的建造，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)提出了解決方法：李龍等^［11］采用小間距對井造腔方法，利用大尺寸造腔套管對井直流排鹵，具有造腔速度快、建庫周期短、巖層利用率高等優(yōu)點；班凡生等^［12］研究了鹽穴快速建槽的方法，提出了優(yōu)化造腔參數(shù)、擴眼、使用快速工具促溶等快速建槽技術(shù)；袁進平等^［13］研制了快速造腔工具，該工具適用于造腔早期階段的建槽期，能夠提高建槽期的造腔速度；袁光杰等^［14］提出了以促溶工具為主的建槽期快速溶腔方案，研制了噴嘴式促溶工具、延伸式噴嘴促溶工具和軟管式促溶工具，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，這些促溶工具能將鹽穴溶腔速度提高1倍左右，但是也存在造腔管柱容易被掩埋、軟管上接頭容易破損以及下接頭部位出現(xiàn)過多次破損等問題。綜合分析發(fā)現(xiàn)，上述研究缺乏對促溶工具的參數(shù)優(yōu)化過程，并未闡釋促溶工具的參數(shù)與所形成腔體大小、形狀的關(guān)系，使得該類工具的應(yīng)用缺乏理論指導(dǎo)依據(jù)。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了延伸式快速溶腔工具，基于此工具的工作原理，利用Fluent軟件對工具的外流場進行仿真，研究噴嘴角度、入口排量和工具旋轉(zhuǎn)速度對鹽穴儲氣庫前期建槽大小、形狀的影響，進而優(yōu)化延伸式快速溶腔工具的參數(shù)設(shè)置，為延伸式快速溶腔工具在現(xiàn)場的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 延伸式快速溶腔促溶工具

1.1 溶腔促溶簡介

鹽穴儲氣庫的腔體建造一般分為建槽期和建腔期^［15］，延伸式快速溶腔工具應(yīng)用在建槽期，是為了加速建槽期腔體的形成。在對此工具應(yīng)用背景研究的基礎(chǔ)上，考慮國內(nèi)鹽層較薄、富含泥質(zhì)和對提取鹵水的質(zhì)量濃度要求較高等方面，確定以延伸式快速溶腔工具為基礎(chǔ)的工藝方案（見圖 1），具體工藝步驟如下。

（1） 在下入技術(shù)套管并固井后，下入普通鉆頭鉆至鹽層底部以上10 m的位置，確保鹽層不被鉆穿。裸眼鉆完后，利用原鉆具下入擴眼鉆頭，將裸眼擴至盡可能大的尺寸。

（2） 當(dāng)建槽期的腔體直徑達到0.5 m時，下入延伸式快速溶腔促溶工具到腔體底部，工具上接鉆桿，當(dāng)工具穩(wěn)定在腔體底部之后，注入高壓流體，在液壓的作用下高壓鋼管開始延伸，當(dāng)延伸完全時，鉆桿帶動工具旋轉(zhuǎn)，腔體體積逐漸增大。當(dāng)鹽穴腔體直徑達到4～5 m后，井口返出的鹵水質(zhì)量濃度基本達到飽和狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)入常規(guī)溶腔作業(yè)階段。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 結(jié)構(gòu)

延伸式快速溶腔促溶工具（以下簡稱為“工具”）的結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

此工具主要由動力機構(gòu)、連桿機構(gòu)和支撐機構(gòu)組成。動力機構(gòu)為工具提供旋轉(zhuǎn)和延伸動力，內(nèi)設(shè)有安全丟手；連桿結(jié)構(gòu)通過鉸鏈的連接實現(xiàn)高壓鋼管的延伸；支撐機構(gòu)為工具穩(wěn)定在腔體內(nèi)部提供結(jié)構(gòu)支撐。

1.2.2 工作原理

該工具的上端與鉆桿連接，下端通過支撐結(jié)構(gòu)中的引鞋固定在沉降的不溶水物殘渣中。工具在工作時，鉆桿中注入的高壓水流一部分經(jīng)過活塞套筒流進高壓鋼管，繼而通過噴嘴噴射出去；另一部分高壓水流為壓縮活塞推桿下的彈簧提供壓力，推動活塞推桿向下移動，活塞推桿通過鉸鏈實現(xiàn)高壓鋼管的徑向延伸。與此同時，動力機構(gòu)中通過上端面棘輪與下端面棘輪的嚙合，將懸掛接頭的旋轉(zhuǎn)動力傳遞到連桿機構(gòu)；由于支撐機構(gòu)中支撐軸的存在，實現(xiàn)了支撐機構(gòu)與連桿機構(gòu)相對旋轉(zhuǎn)，故該工具在工作時動力機構(gòu)和連桿機構(gòu)相對于支撐機構(gòu)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1.2.3 技術(shù)特點

（1）工作狀態(tài)可控制。工具在下入井內(nèi)過程中，活塞推桿在彈簧的作用下靜止不動，高壓鋼管緊貼在下支撐短節(jié)的半圓槽內(nèi)，使得工具整體外徑一致；當(dāng)工具穩(wěn)定在腔體內(nèi)部時，注入高壓水流，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度，工具才開始工作。

（2）延伸自適應(yīng)。工具工作時，因液壓作用而延伸出來的高壓鋼管，初始時呈未延伸完全狀態(tài)；隨著鹽巖被沖蝕溶解，延伸角度逐漸增大，直到角度增至最大。

（3）噴嘴可更換。噴嘴為可拆卸設(shè)計，根據(jù)所需腔體形狀及泵壓要求可裝卸不同類型的噴嘴。

2 工具外流場數(shù)值模擬

為了進一步分析該工具的參數(shù)與所形成腔體大小、形狀的關(guān)系，優(yōu)化工具的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Fluent軟件對此工具的外流場進行數(shù)值模擬。從入口排量、工具的旋轉(zhuǎn)速度和噴嘴角度3個方面進行流場仿真，通過控制變量法進行仿真計算。

2.1 模型假設(shè)

假設(shè)條件：①忽略工具內(nèi)部流場；②4個噴嘴的排量相同；③工具整體為圓柱體外殼，忽略不規(guī)則形狀對外流場的影響?；诩僭O(shè)條件建立了延伸式快速溶腔工具的工作計算流體域（見圖 3）。流體域高為5 m，直徑為3 m，噴嘴直徑為20 mm。

2.2 網(wǎng)格離散化

工具在淹沒流中旋轉(zhuǎn)并持續(xù)不斷地從入口噴射流體，在整個計算流體域中不僅存在著固體對流體的影響，且入口處的大排量流體與腔體內(nèi)部的靜止流體之間會產(chǎn)生強迫對流。故靠近旋轉(zhuǎn)域的地方采用細密的四面體網(wǎng)格劃分，對遠離旋轉(zhuǎn)域的地方采用粗網(wǎng)格進行劃分。

2.3 邊界條件

不同的入口排量影響入口邊界條件^［16］，不同的噴嘴角度影響所選用的仿真模型。圖 4為3種不同噴嘴角度的建模。不同旋轉(zhuǎn)速度影響單元區(qū)域條件中的網(wǎng)格運動。具體邊界條件設(shè)置如表 1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 入口排量對外流場的影響

圖 5為在轉(zhuǎn)速180 r/min、入口排量20 L/s及噴嘴角度為0°時工具形成的流場域?？紤]到噴嘴的射流對整個流場的影響較大，選擇A面（沿著噴嘴射流方向的整個流場的橫截面）和B面（沿著噴嘴射流方向的整個流場的縱截面）來描述該工具工作時對整個外部流場的影響。該工具的外殼形狀在旋轉(zhuǎn)時對淹沒流產(chǎn)生擾動，且在工具旋轉(zhuǎn)的過程中，高速射流在淹沒流中形成渦流。

圖 6為工具在不同排量下的速度截面分布云圖（工具的轉(zhuǎn)速為0）。所選取的截面為圖 5中的A面，定義流體的速度大于0.1 m/s為強迫對流，此時流體表現(xiàn)出對流擴散的特征，促使不同質(zhì)量濃度的鹽水混合^［17］。

該工具在轉(zhuǎn)速為0的情況下，隨著入口排量的增加，高速噴射流在淹沒流中的噴射距離和噴射寬度逐漸增加，即強迫對流的范圍越來越大。

為了分析入口排量與高速噴射流速度的關(guān)系，做出不同排量時噴射流軸心線處的速度分布曲線，如圖 7所示。當(dāng)噴射流的速度降低到等值線1 m/s時，入口排量10 L/s時的噴射距離為0.90 m，入口排量15 L/s時的噴射距離為1.0 m，入口排量20 L/s時的噴射距離為1.24 m，入口排量為25 L/s時的噴射距離為1.28 m，即入口排量越大所形成的噴射距離越大；但是當(dāng)排量超過一定值時，隨之增大，噴射距離的增長幅值卻減小。其原因為高速噴射流卷吸周圍較慢流速的流體，并且極易形成渦流，排量越大，渦流的數(shù)量越多、形狀越大，由此導(dǎo)致噴射流的動能沿著流動方向衰減的速度越快。

3.2 工具旋轉(zhuǎn)速度對外流場的影響

圖 8為不同旋轉(zhuǎn)速度的流場速度截面分布云圖。所選取的截面為圖5中的A面。圖8顯示工具在不旋轉(zhuǎn)時因其射流集中性好，其強迫對流的距離更遠，但范圍較小，只能覆蓋射流的直線路徑。工具在旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)射流使得強迫對流范圍擴大。隨著工具旋轉(zhuǎn)速度的增加，在腔體內(nèi)部產(chǎn)生強迫對流。該對流范圍的變化情況如下。

（1）最大直徑在逐漸變小，最小直徑也在逐漸變小，整體范圍的大小為動態(tài)平衡狀態(tài)。

（2）整體范圍的形狀變化為，由片狀離散化向團狀連續(xù)化轉(zhuǎn)變，A面的中間區(qū)域也逐漸成為強迫對流區(qū)域。這是因為旋轉(zhuǎn)速度的增加導(dǎo)致高速噴射流的離心力和切向力增大，高速噴射流“來不及”沿著徑向流動，反而沿著周向方向流動，最后使得單個高速噴射流的形狀均呈圓弧狀。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，單個高速噴射流的動能衰減大部分是卷吸周圍淹沒流中的靜止流體導(dǎo)致，而當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，單個高速噴射流的動能衰減大部分是2個相鄰高速噴射流的相互“碰撞”導(dǎo)致。

3.3 不同噴嘴角度對外流場的影響

圖9為在工具轉(zhuǎn)速（180 r/min）和排量（20 L/s）

均相同時，3種不同噴嘴角度在B面的速度分布云圖。

由圖9可以看出：0°噴嘴時強迫對流的形狀在B面上呈現(xiàn)出方形，20°噴嘴時呈現(xiàn)出上大下小的倒錐形，45°噴嘴時呈現(xiàn)出上小下大的錐形。

強迫對流的形狀反映流體在淹沒流中的流體流態(tài)，而流體流態(tài)代表了腔體內(nèi)部最終會形成的大小和形狀，即該工具使用不同角度的噴嘴會形成不同形狀的腔體。

國際上建造的鹽穴地下儲氣庫普遍采用單井油墊對流水溶開采法^［17-18］。單井油墊對流水溶造腔通過改變水循環(huán)的方式控制所形成的腔體形狀。正循環(huán)水溶造腔比較容易形成底部較大、上部較小的近梨形腔體，近梨形腔體的穩(wěn)定性好且底部能堆放大量沉渣^［19-20］；反循環(huán)水溶造腔比較容易形成倒錐形腔體，倒錐形腔體穩(wěn)定性差、容易坍塌。而在建槽期使用該工具時，只需要采用正循環(huán)的方式就可以改變腔體的形狀，并且45°噴嘴角度所形成的錐形腔體具有上述正循環(huán)所建腔體的優(yōu)點，20°噴嘴角度所形成的倒錐形腔體具有上述反循環(huán)所建腔體的缺點。故45°噴嘴角度為建槽期最佳建槽角度，筆者建議在建槽期使用45°的噴嘴進行初期腔體的建造。

4 結(jié) 論

設(shè)計了延伸式快速溶腔促溶工具，利用Fluent軟件對工具外流場進行了仿真分析，通過研究入口排量、工具旋轉(zhuǎn)速度和噴嘴角度對外流場的影響，得到如下結(jié)論。

（1）設(shè)計的延伸式快速溶腔促溶工具能實現(xiàn)工作狀態(tài)可控、延伸自適應(yīng)，且噴嘴可更換。

（2）延伸式快速溶腔促溶工具的噴嘴角度影響鹽穴儲氣庫建槽期的腔體形狀，在建槽期使用該工具時，只需要采用正循環(huán)的方式就可以改變腔體的形狀，并且45°噴嘴角度所形成的錐形腔體具有穩(wěn)定性好、中心管不易堵塞和底部能堆積大量沉渣等優(yōu)點，20°噴嘴角度所形成的倒錐形腔體具有穩(wěn)定性差、中心管易堵塞等缺點。故45°噴嘴角度為建槽期的最佳建槽角度。

（3）入口排量越大，高速噴射流的噴射距離和噴射范圍越大，但是當(dāng)入口排量超過一定值時，繼續(xù)增大入口排量，噴射距離的增長幅值會快速減小。

（4）工具的旋轉(zhuǎn)速度影響著腔體內(nèi)部的流體流態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，單個高速噴射流的動能衰減大部分是卷吸周圍淹沒流中的靜止流體導(dǎo)致；而當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，單個高速噴射流的動能衰減大部分是2個相鄰高速噴射流的相互“碰撞”導(dǎo)致。建議工具在工作時采用較低的轉(zhuǎn)速，以減少單個高速噴射流的動能損耗。

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第一作者簡介：查春青，副教授，生于1987年，2017年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事井下提速工具的研發(fā)工作。地址：（100124）北京市朝陽區(qū)。email：chachunqing@163.com。