天然氣井井下作業工具下行阻力計算

孫 淼，王小虎，王 巖，王 旭，王春生

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

天然氣井井下作業工具下行阻力計算

孫 淼，王小虎，王 巖，王 旭，王春生

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江 大慶 163318）

在高產氣井鋼絲作業過程中，氣體流速過大導致鋼絲從井口防噴盒倒出。采用計算流體動力學軟件Fluent模擬鋼絲工具在井筒周圍中流場形態，得到鋼絲工具周圍的壓力場、速度場及鋼絲工具所受到的升力和阻力。分析鋼絲工具在均勻下行時不同氣體流速對生產工具的影響，擬合出所受阻力與氣體流速的關系式。研究結果對現場作業有指導作用，并具有良好的經濟效益。

鋼絲工具；數值計算；Fluent

在鋼絲井下作業中，鋼絲從防噴盒中倒出，主要是由氣井中氣流速度過大導致氣流對鋼絲工具的托舉力和阻力過大引起的［1-3］。現場只是單一地增加配重桿的質量使鋼絲工具下行，不僅費時費力，還會造成一定程度的經濟損失［4-6］。研究產氣井鋼絲作業加重桿配重與氣體流速變換對應關系，對節省鋼絲作業時間、減少人力消耗、提高經濟效益等具有重要的意義［7］。

1 鋼絲作業工具及模型建立

1．1 鋼絲作業基本井下工具

鋼絲作業基本工具串包括鋼絲繩帽、加重桿、震擊器和萬向節，如圖1。

1） 繩帽 起著連接鋼絲或鋼絲繩與井下測試儀器或井下工具的作用。

2） 加重桿 主要用于克服盤根盒盤根的摩擦力和井內壓力產生的上頂力使鋼絲作業工具能到達井下一定的深度。

3） 震擊器 在井下裝置的投撈過程中經常需要切斷銷釘，或者在打撈井下裝置時需要很強的力量，僅靠鋼絲或鋼絲繩拉力遠不夠，只有靠震擊器的震擊力才能完成。

4） 萬向節 實現震擊器與投撈工具之間的角度偏轉，以利于調節工具串與油管傾斜方向一致。用于完井鋼絲作業工具各段的連接，使工具串在井內隨油管偏轉，從而減少遇卡。

圖1 基本工具串

1．2 物理模型的建立

根據鋼絲作業基本工具串，運用Solidworks軟件，建立了長為160 mm、直徑為54 mm的鋼絲工具在井筒中下行，鋼絲工具模型如圖2所示。

圖2 鋼絲工具物理模型

2 一元穩定可壓縮流動的基本方程

2．1 狀態方程

一元穩定流動是一種最簡單的理想化的流動模型。對于氣體而言，狀態方程為

氣體狀態方程微分形式為

式中：p為氣體壓力，Pa；ρ氣體為密度，kg／m3；T為溫度，K；R為特定氣體的氣體常數，對空氣R＝287．06J／（kg·K）。

2．2 連續方程

連續方程是把質量守恒定律用于運動流體所得到的數學關系式。

一元穩定流動的連續性方程為

式中：m為單位時間內流入或流出控制體的流體質量，kg／s。

氣體一元穩定流動連續方程的微分形式為

式中：A為氣體通過橫截面積，m2；v為氣體流動速度，m／s。

連續方程是一個運動方程，無論是對理想流體還是粘性流體來說都是適用的。

3 數值計算及結果分析

數值模擬以鋼絲工具理論為基礎，應用Fluent軟件模擬計算了氣體流速v為10、15、20、25 m／s時，鋼絲工具長為20 m、直徑為0．88 m的井筒下行過程中的壓力場、速度場，以及鋼絲工具所受到的升力和阻力，得出鋼絲工具在井筒中勻速下行時不同的氣體流速對工具產生的影響。

3．1 壓力分布

鋼絲工具在不同氣體流速中下行時，在井筒中部和下部的壓力分布如圖3所示。

圖3 不同氣體流速時壓力分布

由圖3可知：在鋼絲作業工具下行時，隨氣體流速增加，工具前部及工具后部壓力增大；由于氣流速率增加，工具周圍氣體流速增大，致使工具周圍壓力會減小。

3．2 速度分布

鋼絲工具在不同氣體流速中下行時在井筒中部和下部的速度分布如圖4。

由圖4可知：在鋼絲工具勻速下行時，氣體通過鋼絲工具與井筒之間窄縫處氣體速度急劇增大；不同的入口流速，隨著氣體流速的增加，井筒內側工具周圍氣體速度增大，工具后面稍遠離尾部部分區域氣體速度變化不大，基本為零；靠近工具尾部區域產生擾流。

圖4 不同氣體流速時速度分布

3．3 壓力軌跡

鋼絲工具在氣體流速不同情況下下行時在井筒中部和下部的壓力軌跡如圖5。

圖5 不同氣體流速時壓力軌跡

由圖5可知：在鋼絲工具下行至井筒中部和下部時，鋼絲工具凹陷處壓力很小；氣體流速越大，凹陷處壓力就會越小，前部和尾部的壓力越大。

3．4 速度軌跡

鋼絲工具在不同氣體流速中下行時在井筒中部和下部的速度軌跡如圖6。

圖6 不同氣體流速時速度軌跡

由圖6看出：隨著氣體流速增加，鋼絲工具周圍流速增大，且越窄處流速越大；同時氣體流速增大尾部擾流越劇烈。

3．5 阻力

通過計算結果得出鋼絲工具在不同氣體流中下行所受阻力的平均值，得到氣體流速與鋼絲工具阻力對應關系（如表1），并擬合出氣流速度和阻力之間關系式，如圖7。

表1 氣體流速與鋼絲工具阻力對應關系

圖7 氣流流速度和阻力關系式

4 結論

1） 鋼絲作業工具在井筒中下行時，由于氣流速率增加，工具周圍氣體流速增大、壓力減小；且不同氣體流速下鋼絲工具凹陷處壓力小；氣體流速越大，前部和尾部的壓力越大，而凹陷處壓力越小。

2） 鋼絲工具勻速下行時，氣體通過鋼絲工具與井筒之間窄縫處氣體速度急劇增大；氣體流速增加，井筒內側工具周圍氣體速度更大，而工具后稍遠離尾部區域氣體速度變化不大；靠近工具尾部區域產生擾流。

［1］劉文喜，張鵬，韓俠．井下工具可靠性設計［J］．石油礦場機械，2009，38（7）：56-59．

［2］竇益華，胡洪濤，賴茂宏，等．井下工具零件應力分析［J］．石油礦場機械，1995，34（2）：32-37．

［3］楊樹人，金卓，常敏．旋流扶正器作用下環空中氣液兩相螺旋流場壓降研究［J］．石油礦場機械，2012，41（7）：15-18．

［4］聶飛朋，孫寶全，李治軍，等．大港油田灘海地區電泵井井下安全控制系統研制［J］．石油礦場機械，2011，40（1）：80-83．

［5］沈雪明．完井作業中的鋼絲打撈操作［J］．中國海上油氣工程，1996（5）：32-37．

［6］李曉偉．理想氣體中運動物體的阻力分析［J］．赤峰學院學報，2012（23）：1-2．

［7］卞保民，賀安之，李振華，等．理想氣體一維不定常流自模擬運動的基本微分方程［J］．物理學報，2005（12）：24-29．

Down Resistance Calculation of Gas Well Downhole Operation Tools

SUN Miao，WANG Xiao-hu，WANG Yan，WANG Xu，WANG Chun-sheng
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Aiming at the high yield gas wells in the process of slick wire operation，gas velocity of flow rate was too big lead to slick wire poured from the stuffing box of phenomenon．Using Fluent which are computational fluid dynamics software calculation simulation around the flow field conformation of steel wire，the pressure field，velocity field of around wire tools and wire tools on lift and resistance were obtained．The influence of different gas flow velocity on production tools was analyzed when steel wire tools drop with uniform velocity，fitting relational expression of resistance and the gas flow velocity，which proved that guiding for field operation and favorable economic effect．

slick wire operation；numerical calculation；Fluent

TE931．2

A

1001-3482（2014）01-0017-04

2013-07-04

國家自然科學基金“超重力流化床氣固相間作用機理與顆粒流矩模型的研究”（21076043）

孫 淼（1988-），男，黑龍江訥河人，碩士研究生，主要研究方向為復雜流體流動與數值模擬，E-mail：sun2003miao＠163．com。