控壓鉆井多級節流元件壓降場數值模擬

劉少胡，羅　衡，馮　定，石　磊，聶榮國，魏世忠

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州434023；2.中海油發展安全環保分公司，廣東湛江524057；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，成都610051；4.西南石油大學機電工程學院，成都610500）①

控壓鉆井多級節流元件壓降場數值模擬

劉少胡1，羅衡2，馮定1，石磊3，聶榮國4，魏世忠1

（1.長江大學機械工程學院，湖北荊州434023；2.中海油發展安全環保分公司，廣東湛江524057；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，成都610051；4.西南石油大學機電工程學院，成都610500）①

利用控壓鉆井可解決碳酸鹽巖儲層溢、漏頻繁發生，硫化氫分布不均勻和存在大量裂縫等鉆井難點，而多級節流元件是實現控壓的主要部件之一。基于CFD技術建立了該多級節流元件數值計算模型，并分別選取12.00、14.84、22.42、30.70 L/s流量進行了數值模擬計算，同時研究了流量變化對壓降場的影響。結果表明：隨著流量的增加，該多級節流元件的壓降增幅較大；流量是影響多級節流元件壓降的主要因素之一。由此證實該元件在控壓鉆井中進行節流控壓是可行的，其節流控壓性能明顯；在精細控壓鉆井中可發揮節流控壓的作用。

節流元件；控壓鉆井；壓降場；數值模型

針對碳酸鹽巖儲層溢、漏頻繁發生，硫化氫分布不均勻和存在大量裂縫等鉆井難點，利用控壓技術可消除儲層傷害、保障工程安全，于是在常規鉆井和欠平衡鉆井技術的基礎上產生了控壓鉆井技術［1-2］。目前，控壓鉆井按照控制對象可分為環空壓降剖面控制和環空流量控制2類，而微流量控制方法則屬于環空流量控制［3-5］。

文獻［6］介紹了微流量控制方法，該方法可隨鉆監測井下環空流量的變化，進而調節井口回壓閥的開度，通過改變井底壓降來控制溢流或井漏的大小，實現對環空流量的控制。其中，井下多級節流元件是實現環空流量控制的主要部件之一，基于井下安全的考慮，參考廣泛應用于鉆井現場的井下穩定器螺旋結構為節流元件的控制結構。在產生需要壓降的前提下，為了保證攜巖鉆井液能夠順利通過節流元件而不發生阻塞，這里使用多級節流的方法來達到預期的節流效果。文獻［6］對井下多級節流元件進行了結構設計，而沒有進行工作性能可行性研究，故有必要研究不同流量下該元件的控壓情況。

1　數值計算模型的建立

環空內鉆井液攜巖是復雜的液固兩相三維紊流瞬態問題。連續相為液體鉆井液，離散相為巖屑顆粒，環空三維流動模擬采用了雷洛平均NS方程，并以RNG紊流模型使方程組閉合［7-8］。

井下多級節流元件三維模型如圖1所示，所計算模型有3處均布螺旋帶，為劃分網格和計算方便，故對模型進行了簡化處理。3處螺旋帶的壓降可認為是每一處壓降的和，即認為每處壓降基本相等（由模型的對稱性可知），故只計算1處螺旋帶壓降便可知總壓降，圖2為簡化后的三維模型。

圖1　井下多級節流元件三維模型

圖2　井下多級節流元件簡化三維模型

采用有限體積法對求解域（元件與井眼過流環空）進行離散，使用全隱式多網格耦合求解技術，可以避免傳統算法的反復迭代過程。

2　元件壓降場數值計算

為計算鉆井液排量對元件壓降場的影響，首先分別選取流量為12.00、14.84、22.42、30.70 L/s進行數值模擬計算，該模擬計算可定量研究鉆井液流量對元件壓降場的影響。

2.1 流量為12 L/s對壓降場的影響

為進一步驗證流量對元件壓力場的影響，計算了流量為12 L/s時元件的壓力場，元件三維模型壓力場云圖和壓力場切片云圖如圖3所示。由圖3可知：螺旋帶處井眼環空的壓降為0.0628MPa，則該多級節流元件的總壓降約為0.188 MPa。為了減少網格劃分所帶來的錯誤及為了節約數值計算時間，所計算螺旋帶棱和根部均未繪制圓角，所以計算結果要稍大于實際壓降，即實際壓降應略小于0.188MPa。

圖3　流量為12 L/s時元件壓降云圖

2.2 流量為14.84 L/s對壓降場的影響

如圖4所示為流量14.84 L/s時元件壓降場，由圖4可知：螺旋帶所在環空最大壓降為0.175 MPa，根據假設可知該多級節流元件的總壓降約為0.525 MPa。與流量為12 L/s壓降進行對比可知：隨著流量的增加，該多級節流元件的壓降增幅較大，由此可知在小流量的情況下，該多級節流元件壓降明顯，在控壓鉆井中可發揮節流控壓的作用。

圖4　流量為14.84 L/s時元件壓降云圖

2.3 流量為22.42 L/s對壓降場的影響

圖5為排量22.42 L/s時的元件壓降云圖，由圖5可知：一級節流元件螺旋帶處井眼環空壓降為0.366 7 MPa，則該三級節流元件的總壓降約為1.1 MPa，實際壓降應小于1.1 MPa。與流量為12 L/s時壓降進行對比，可知流量增加了10.42 L/s，而壓降增加了約6倍。

圖5　流量為22.42 L/s時元件壓降云圖

2.4 流量為30.7L/s時對壓降場的影響

圖6為排量30.7L/s時多級節流元件壓降云圖，由計算結果可知：該一級節流元件的壓降約為0.72 MPa，則該三級節流元件的總壓降約為2.17 MPa，即整個節流裝置的壓降為2.17 MPa。綜合對比前面的計算結果可知：不但小流量對壓降的影響較大，而且大流量對該多級節流元件的壓降尤為敏感，由此可以得出該元件也可在精細控壓鉆井中應用。

圖6　流量為30.7L/s時元件壓降云圖

2.5 流量變化對壓降場的影響

圖7為流量變化對壓降場的影響曲線，由圖7可知：隨著流量的增加，一級節流元件（一級壓降）和三級節流元件（三級壓降）的壓降值也在逐漸增加。由此可以看出，流量是影響多級節流元件壓降的主要因素之一，同時反應出多級節流元件的節流控壓性能比較明顯。

圖7　流量變化對壓降場的影響曲線

3　結論

1） 通過數值模擬研究了流量分別為12.00、14.84、22.42、30.70 L/s時對元件壓降場的影響。隨著流量的增加，該多級節流元件的壓降增幅較大，由此證實該元件在控壓鉆井中進行節流控壓是可行的。

2） 通過定性研究流量變化對多級節流元件壓降場的影響可知，流量是影響多級節流元件壓降的主要因素之一，同時證實該多級節流元件的節流控壓性能明顯。基于此可知，該多級節流元件在精細控壓鉆井中可發揮節流控壓的作用。

［1］ 張奎林.精細控壓鉆井井筒壓力控制技術研究［D］.北京：中國地質大學（北京），2013.

［2］ 朱軼.精細控壓鉆井井內壓力計算方法研究［D］.成都：西南石油大學，2011.

［3］ 葛亮，胡澤，陳平，等.深水表層鉆井隨鉆壓降與溫度監測裝置設計［J］.傳感器與微系統，2014，33（11）：

92-98.

［4］ 蔡振華，廖新維，袁玉金.氣井井下節流器壓降模型的建立［J］.陜西科技大學學報，2013，31（1）：58-61.

［5］ 趙志學，韓玉安，孟祥光，等.隨鉆測量井下壓降、溫度儀器的研制及應用［J］.石油機械，2010，38（1）：44-47.

［6］ 石磊，陳平，胡澤，等.井下微流量控制方法［J］.天然氣工業，2011，31（2）：79-81.

［7］ 龍天渝，蘇亞欣.計算流體力學［M］.重慶：重慶大學出版社，2007.

［8］ 劉少胡，鄭華林.基于氣固兩相流的氣體鉆井套管沖蝕數值模擬研究［J］.熱加工工藝，2014，43（12）：96-98.

Numerical Simulation of Pressure Field for Multi-Stage Throttling Tool in MPd

LIU Shaohu1，LUO Heng2，FENG Ding1，SHI Lei3，NIE Rongguo4，WEI Shizhong1
（1.College of Mechanical Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China；2.CNOOC EnerTech-Safety&Environmental Protection Co.，Zhanjiang 524057，China；3.China CCDC Downhole Limited Company，Chengdu 610051，China；4.College of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Carbonate Reservoir overflow＆leak frequent occurring can be resolved with MPD，caused by hydrogen sulfide uneven distribution and a lot of cracks.And multi-stage throttling toll is one of the main components to achieve control pressure.The numerical model of a multi-stage throttling tool is established based on CFD technology.The flow 12 L/s，14.84 L/s，22.42 L/s and 30.7 L/s are selected for numerical simulation，and the effect of changing flow on the pressure drop field is also studied.The result shows that the pressure drop increase is larger for multi-stage throttling tool when flow increases.Qualitative research through multi-level flow change on pressure field of throttling tool shows that the flow is one of the main factors that impact pressure of multi-level throttling tool.Thus confirmed that the tool is feasible in the MPD，and confirmed the pressure control performance of the tool is obvious.Based on this study we can see that the multi-stage throttling tool may play a fine role in the throttle control pressure for MPD.

throttling tool；MPD；pressure field；numerical model

TE927

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.003

1001-3482（2015）07-0011-04

①2015-01-24

國家自然科學基金項目“深水無隔水管鉆井渦動對鉆柱動態響應研究”（51405032）

劉少胡（1984-），男，甘肅靜寧人，講師，博士，主要從事管柱力學、計算流體動力學及鉆完井井下工具研究，Email：liushaoh＠126.com。