水力振動(dòng)器在地層解堵中的應(yīng)用研究

龐博學(xué)，楊樹人，張?bào)w鵬，劉麗麗，孫奇

（1. 東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000；3. 新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司），新疆 克拉瑪依 834000）

水力振動(dòng)器在地層解堵中的應(yīng)用研究

龐博學(xué)1，楊樹人1，張?bào)w鵬2，劉麗麗1，孫奇3

（1. 東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000； 2. 大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163000；3. 新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司），新疆 克拉瑪依 834000）

水力振動(dòng)器對(duì)于解除近井地帶的孔隙通道堵塞有著很好的應(yīng)用效果，有必要對(duì)振動(dòng)器工作過(guò)程流場(chǎng)進(jìn)行研究并分析工況及結(jié)構(gòu)對(duì)解堵效果的影響。以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)及用戶自定義函數(shù)（UDF），實(shí)現(xiàn)腔室結(jié)構(gòu)水力振動(dòng)器內(nèi)球體仿真運(yùn)動(dòng)并對(duì)其解堵過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明，球體進(jìn)出振動(dòng)器喉道結(jié)構(gòu)瞬間產(chǎn)生水擊壓縮波及膨脹波，振幅達(dá)數(shù)兆帕；地層壓力釋放過(guò)程工作液流量減小，球體可能卡止于喉道。通過(guò)計(jì)算結(jié)果研究建立了工作液流量與喉道應(yīng)具備摩擦力的關(guān)系，揭示了水力振動(dòng)器解堵機(jī)理，為水力振動(dòng)器解堵工況及裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向。

水力振動(dòng)器；解堵；Fluent；動(dòng)網(wǎng)格；水擊；喉道摩擦力

油田開發(fā)過(guò)程中，油水井均可能受到不同程度的污染，近井地帶孔隙通道堵塞，油層滲透率下降，將嚴(yán)重影響油井產(chǎn)能，制約油氣田開發(fā)[1]。水力振動(dòng)技術(shù)是解決油田近井地帶堵塞的新型處理工藝，該技術(shù)主要應(yīng)用水力振動(dòng)器在流體中產(chǎn)生水擊脈沖波并傳播向地層[2]，使地層形成微裂縫，脈沖波振動(dòng)、沖擊流場(chǎng)內(nèi)的介質(zhì)，使流體質(zhì)點(diǎn)的壓力、速度等物理量發(fā)生反復(fù)變化，松動(dòng)并剝落附著在油層孔隙中的雜質(zhì)，被工作液帶走，以疏通孔隙通道，改善流體流動(dòng)特性[3]。該技術(shù)簡(jiǎn)單易行、環(huán)保高效，遼河、大慶、吉林、大港、河南、玉門等油田施工應(yīng)用增產(chǎn)效果明顯。然而，水力振動(dòng)解堵過(guò)程中流體運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，對(duì)其流場(chǎng)及脈沖波產(chǎn)生機(jī)理缺乏理論研究。本文應(yīng)用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)針對(duì)一種新型腔室結(jié)構(gòu)水力振動(dòng)器的解堵過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示水擊脈沖波產(chǎn)生機(jī)理并分析裝置結(jié)構(gòu)對(duì)解堵效果的影響。

1 物理模型

1.1 裝置結(jié)構(gòu)及原理

該水力振動(dòng)器由一系列腔室結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)置一與喉道內(nèi)徑大小相當(dāng)?shù)南鹉z球，裝置上下兩端裝有擋盤以阻止球體被工作液沖出。其三維結(jié)構(gòu)模型及剖面視圖如圖1所示。水力振動(dòng)器隨油管安裝至待解堵儲(chǔ)層，通過(guò)油管向井內(nèi)注入工作液，控制注入量使儲(chǔ)層與井口形成十余兆帕壓差時(shí)開啟油管出口進(jìn)行排液。高壓液流將沖擊管內(nèi)球體通過(guò)各個(gè)腔室向上運(yùn)動(dòng)，橡膠球“進(jìn)出”腔室喉道達(dá)到快速“啟閉”油井閥門的效果，產(chǎn)生水擊脈沖波并傳播向儲(chǔ)層，震蕩沖刷堵塞物使其隨工作液排出井口以達(dá)到解堵效果。

圖1 水力振動(dòng)器三維結(jié)構(gòu)及剖面圖Fig.1 Three-dimensional structure and sectional view of hydro-oscillator

1.2 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[4～6]

為實(shí)現(xiàn)水力振動(dòng)器內(nèi)球體的運(yùn)動(dòng)，數(shù)值模擬應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，如圖2。球體運(yùn)動(dòng)使得流體幾何區(qū)域變化劇烈，動(dòng)網(wǎng)格更新方法采用局部網(wǎng)格重構(gòu)模型（remeshing），動(dòng)區(qū)域選擇指定剛體運(yùn)動(dòng)（Rigid Body）。模擬計(jì)算過(guò)程中，因動(dòng)邊界導(dǎo)致局部網(wǎng)格超過(guò)定義的最大尺寸時(shí)網(wǎng)格一分為二，局部網(wǎng)格受擠壓緊縮低于定義的最小尺寸時(shí)合二為一，當(dāng)網(wǎng)格扭曲程度超過(guò)定義的傾斜度時(shí)亦重新劃分，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的形態(tài)變化。被重新劃分的面網(wǎng)格單元緊鄰動(dòng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)邊界附近網(wǎng)格得到及時(shí)更新。

動(dòng)網(wǎng)格任意控制體V，通用標(biāo)量Φ的積分守恒方程為：

式中：

ρ —液體密度；

→dV —控制體積V的邊界；

u→ —流動(dòng)速度矢量;

ug—?jiǎng)泳W(wǎng)格移動(dòng)速度；

Γ —擴(kuò)散系數(shù)；

SΦ—源項(xiàng)，?V用來(lái)描述控制體邊界。

時(shí)間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)可用一階向后差分項(xiàng)用如下形式表示：

式中：n、n+1為當(dāng)前時(shí)間及下一層時(shí)間，第n+1時(shí)間層上的體積Vn+1為：

式中：dV/dt為控制體的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。為滿足網(wǎng)格守恒律，控制體的體積時(shí)間導(dǎo)數(shù)為：

式中：nf為控制體的面網(wǎng)格數(shù)，為面j的面積向量。每個(gè)控制容積面上的點(diǎn)積為：

式中：δVj為整個(gè)時(shí)間步Δt上控制容積面j膨脹引起的體積改變。

圖2 動(dòng)態(tài)網(wǎng)格模擬演示Fig.2 Dynamic grid

圖3 水力振動(dòng)器內(nèi)球體受力分析Fig.3 Stress analysis of the ball in hydro-oscillator

1.3 用戶自定義函數(shù)（UDF）

用戶自定義函數(shù)（UDF）是為滿足計(jì)算個(gè)性化需求，可以動(dòng)態(tài)地連接到Fluent求解器上的用戶自編的程序。通過(guò)UDF調(diào)用動(dòng)網(wǎng)格宏（DEFINE_CG_MOTION）可實(shí)現(xiàn)剛體運(yùn)動(dòng)邊界的控制[7]。球體運(yùn)動(dòng)UDF編譯的主體思想如圖3，通過(guò)Fluent求解器在每一時(shí)刻積分整個(gè)球面微元獲得液流對(duì)球體豎直方向合力T，當(dāng)且僅當(dāng)球體進(jìn)入水力振動(dòng)器喉道位置時(shí)加載相應(yīng)的摩擦力f，根據(jù)牛頓第二定律，得到此時(shí)刻球體的加速度a=（T-mg-f）/m，進(jìn)而獲得每一時(shí)刻球體瞬時(shí)速度，該速度值返回Fluent求解器進(jìn)行計(jì)算。

2 水力振動(dòng)器流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

2.1 數(shù)值求解策略

此次水力振動(dòng)器流場(chǎng)數(shù)值模擬應(yīng)用有限體積法對(duì)控制方程離散，采用分離式求解器對(duì)隱式控制方程聯(lián)立求解。選用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilion 湍流模型，壓力項(xiàng)選擇PRESTO!格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)用中心差分格式離散，其余項(xiàng)用二階迎風(fēng)格式離散，壓力速度耦合方程采用PISO算法對(duì)水力振動(dòng)器內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行二維非定常求解。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

取工作液流體材料為水，模擬計(jì)算底端進(jìn)口流量 5 m3/h時(shí)水力振動(dòng)器中的流場(chǎng)情況。

水力振動(dòng)器內(nèi)各瞬態(tài)壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)如圖4、5所示。

圖4 水力振動(dòng)器內(nèi)壓力場(chǎng)云圖(單位Pa）Fig.4 Pressure field in hydro-oscillator （Pa）

圖5 水力振動(dòng)器內(nèi)速度場(chǎng)云圖(單位m/s）Fig.5 Velocity field in hydro-oscillator （m/s）

通過(guò)圖4、圖5可得結(jié)論：球體上行進(jìn)入喉道瞬間，流道關(guān)閉，球體以下工作液流速瞬間滯止，產(chǎn)生水擊壓縮波，球體以上空間產(chǎn)生水擊膨脹波。球體沖出喉道瞬間，流道開啟，恢復(fù)過(guò)流，球體以下工作液又產(chǎn)生水擊膨脹波，球體以上空間產(chǎn)生水擊壓縮波。振動(dòng)器過(guò)流通道周期性水擊，交替產(chǎn)生水擊膨脹波與壓縮波，并傳向地層。

水力振動(dòng)器內(nèi)流體速度矢量圖及底端進(jìn)口處壓力監(jiān)測(cè)如圖6、7所示。

圖6 水力振動(dòng)器內(nèi)速度矢量圖(單位m/s）Fig.6 Velocity vector in hydro-oscillator (m/s)

通過(guò)圖6可見，球體運(yùn)行所至區(qū)域流體速度及流動(dòng)方向變化顯著并形成渦流，速度波動(dòng)傳播至地層，對(duì)堵塞物起到?jīng)_擊震蕩作用。通過(guò)圖7可得結(jié)論：球體進(jìn)出喉道過(guò)程中水擊壓強(qiáng)逐漸增大然后又迅速衰減，最大負(fù)壓達(dá)-8 MPa，最大正壓達(dá)7 MPa，高強(qiáng)度水擊波在地層孔道中得以傳播。球體通過(guò)大管徑部位時(shí)，壓力震蕩不大，在一平衡壓力附近小范圍波動(dòng)。

圖7 各時(shí)刻水力振動(dòng)器底端進(jìn)口壓力監(jiān)測(cè)圖(單位Pa）Fig.7 The inlet pressure of the bottom in hydro-oscillator（Pa）

3 喉道摩擦力對(duì)水力振動(dòng)器工作效果的影響及裝置工作性能優(yōu)化

3.1 水力振動(dòng)器喉道摩擦力對(duì)球體上升高度的影響

編譯入口邊界UDF，實(shí)現(xiàn)地層壓力釋放過(guò)程中振動(dòng)器入口流量由5 m3/h線性減小至0.1 m3/h。在此條件下模擬計(jì)算喉道摩擦力分別為2 500、10000、20 000、30 000、40 000 N的振動(dòng)器對(duì)應(yīng)的球體可上升高度。

不同喉道摩擦力的水力振動(dòng)器中球體卡住位置狀態(tài)如圖8所示。

圖8 不同摩擦力水力振動(dòng)器中球體卡住狀態(tài)圖Fig.8 The jammed state of the ball in hydro-oscillator under different friction

從圖8可以看出，地層壓力釋放過(guò)程中，水力振動(dòng)器內(nèi)球體可能卡止于某一節(jié)喉道。小球卡住之后，相當(dāng)于油管出口關(guān)閉，球體上下空間壓力不再變化。喉道摩擦力越大，小球上升高度越低，通過(guò)腔室個(gè)數(shù)越少。為高效利用各腔室結(jié)構(gòu)提高解堵效率，有必要探究液流速度與球體所受沖擊力的關(guān)系從而找到某一流速對(duì)應(yīng)的喉道摩擦力值，在此流速下該摩擦力既能允許小球通過(guò)所有腔室又可使其在喉道處有足夠停留時(shí)間從而造成一定的壓力震蕩。經(jīng)模擬計(jì)算得到各流速下適合的喉道摩擦力值如表1。

表1 各流速對(duì)應(yīng)的適合的喉道摩擦力值Table 1 The suitable value of the throat friction corresponding to flow velocities

3.2 不同流量下水力振動(dòng)器喉道處應(yīng)加載摩擦力的優(yōu)化研究

繪制喉道摩擦力值與液流速度關(guān)系曲線并擬合其趨勢(shì)線如圖9所示。

圖9 喉道處摩擦力f與入口流速v關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves between friction of throat and inlet velocity

球體通過(guò)喉道為過(guò)盈配合，受到喉道處擠壓力，移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生摩擦力。影響喉道摩擦力值的因素除球體材質(zhì)外，便是球體直徑與水力振動(dòng)器喉道內(nèi)徑的相對(duì)大小。通過(guò)此項(xiàng)模擬計(jì)算得出的擬合公式，可為不同工況下水力振動(dòng)器尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)及方向。

4 結(jié) 論

（1） 水力振動(dòng)器球體進(jìn)出喉道產(chǎn)生水擊壓縮波及膨脹波并傳播至地層，水擊壓強(qiáng)可達(dá)數(shù)兆帕，可對(duì)地層有效解堵。

（2）地層壓力釋放，流量減小，振動(dòng)器內(nèi)球體上行過(guò)程中可能卡止于某一喉道，喉道摩擦力越大，球體上行高度越低。

（3）模擬計(jì)算得出不同工作流量下相對(duì)應(yīng)的適當(dāng)摩擦力值并擬合曲線，為裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向。

（4）水擊波產(chǎn)生于球體進(jìn)出喉道時(shí)刻，喉道結(jié)構(gòu)尺寸影響“閥門啟閉”時(shí)間，從而影響水擊波振幅及頻率。振動(dòng)頻率在解堵地帶巖芯固有頻率附近時(shí)，地層滲透率將得到更好改善，因此應(yīng)進(jìn)一步開展水力振動(dòng)器結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖波頻率的影響研究。

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Research on Application of the Hydro-oscillator in Formation Deplugging

PANG Bo-xue1，YANG Shu-ren1，ZHANG Ti-peng2，LIU Li-li1，SUN Qi3（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China；2. Daqing Oilfield Limited Company, Heilongjiang Daqing 163000，China；
3. Xinjiang Petroleum Survey and Design Institute (Limited) , Xinjiang Kelamayi 834000，China）

Hydro-oscillator has a good application effect for the broken down of pore channels near wellbore. It is necessity to study flow field in the working process of hydro-oscillator and analyze the effect of working conditions and tool structure on the deplugging. In this paper, based on computational fluid dynamics, dynamic mesh and user-defined functions (UDF) were used to achieve the simulation movement of ball within chamber structure hydro-oscillator, and its deplugging process was simulated. The results show that water hammer compression wave and expansion wave can be instantly generated while the ball pass in and out of the throat structure of hydro-oscillator, and the amplitude is up to several megapascals. During formation pressure releasing, the flow rate of working fluid decreases, and the ball may be locked in the throat. The relationship between appropriate friction in throat and flow rate of working fluid was established, and the deplugging mechanism of hydro-oscillator was revealed, which could provide direction for the optimization of working conditions and equipment structures.

Hydro-oscillator; Broken down; Fluent; Dynamic mesh; Water hammer; Throat friction

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）02-0375-04

2014-09-15

龐博學(xué)（1991-），男，黑龍江哈爾濱人，2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：復(fù)雜流體流動(dòng)與數(shù)值模擬。E-mail：pangboxue@126.com。