冰閥式保壓取樣器中冰閥形成數值模擬與試驗

張鑫鑫，彭枧明，孫銘澤，羅永江

(1. 吉林大學 建設工程學院，長春130026; 2.復雜條件鉆采技術國土資源部重點實驗室(吉林大學)，長春 130026)

冰閥式保壓取樣器中冰閥形成數值模擬與試驗

張鑫鑫1,2，彭枧明1,2，孫銘澤1,2，羅永江1,2

(1. 吉林大學 建設工程學院，長春130026; 2.復雜條件鉆采技術國土資源部重點實驗室(吉林大學)，長春 130026)

保壓取芯技術是天然氣水合物調查研究必備的關鍵技術.為了克服現有保壓取芯器在應用中保壓成功率低的問題，提出了采用天然氣水合物鉆井液在原位生成冰閥代替機械閥門實現對水合物巖芯保壓的冰閥式保壓取芯器.采用設計的冰閥實驗系統在實驗室內對天然氣水合物鉆井液原位形成冰閥的過程與冰閥的密封承壓能力進行了研究分析，并結合計算流體動力學技術對冰閥形成過程進行了仿真模擬.承壓試驗結果表明：冰閥的承壓能力隨冰閥長度的增長而增大；模擬結果與試驗結果均表明隨著冰閥長度的增長，冰閥形成所需時間也有所增長.因此，在滿足地層保壓取芯要求的前提下，應盡量采用較短的冰閥，以縮短冰閥式保壓取芯器內冰閥的形成時間.

天然氣水合物;保壓取芯;冰閥;計算流體動力學;模擬;密封承壓能力

天然氣水合物被認為是未來潔凈的戰略接替能源資源，并對全球變暖、海底滑坡、海洋鉆井安全等有重要影響，已經成為世界各國在能源戰略中必須加以考慮的重要因素[1-2].鉆探取芯是識別天然氣水合物最直接有效的方法，也是進行水合物研究工作不可缺少的手段，在天然氣水合物調查研究中發揮不可替代的重要作用[3].為了獲取高保真原位水合物巖芯樣品，國內外均對天然氣水合物用保壓取芯技術進行了大量研究[4-6].

目前，國內外現有各類保壓取芯器均采用機械閥門(球閥或板閥)作為保壓密封機構[4-9].然而，由于鉆井液中大量的固相顆粒對閥門的沖蝕作用，以及巖屑、巖塊的卡堵，造成閥體和閥座不能嚴密配合甚至無法正常關閉，導致閥門密封失效，統計表明，現有各類保壓取芯器在進行水合物鉆探保壓取芯操作中，平均保壓取芯成功率不足60%，遠不能滿足科學家們對保壓水合物巖芯的需求，也與天然氣水合物鉆探取芯的高昂費用不相稱，如何提高天然氣水合物保壓取芯器的保壓成功率受到各國學者的關注[10-11].

采用管道冷凍技術實現對擬維修或更換的管段進行臨時隔斷的方法已經被廣泛應用工業領域.該技術采用冷凍法將管道內的水基流體冰凍形成一小段冰塞(冰閥)，實現流道臨時隔斷[12-14].已實現商業應用的管道冷凍技術，冰閥承壓能力可達56 MPa，另外，Akyurt等[15]的研究表明，冰閥的最大承壓能力可達132 MPa.采用冰閥作為密封機構時，不會出現如關閉機械閥門時存在的卡堵、磨損問題；對冰閥形成表面無特殊要求，冰閥可以在粗糙面上形成密封作用；無需其他密封件，即可達到密封作用，可避免發生如機械閥門密封圈等被磨損導致密封失效.基于冰閥密封原理提出了冰閥式保壓取芯的構想：在井內原位將取心器通道內少量鉆井液凍結成鉆井液冰閥，封閉巖芯管上下端進行密封保壓.由于無需球閥等運動部件，沒有精密配合表面與常規密封件，因而冰閥保壓對井內富含固體顆粒物的復雜環境適應能力強，從而有利于從根本上大幅度提高天然氣水合物保壓取芯成功率.冰閥作為該技術的核心，有必要對其形成過程與保壓能力進行深入研究.

1 冰閥式保壓取芯器的工作原理

如圖1所示，冰閥式保壓取芯器由打撈機構、循環泵機構、巖芯管提升機構、冷卻劑儲存和循環機構組成.打撈機構采用與傳統繩索取芯打撈工具一致的打撈結構和打撈方法.為了加速冰閥的形成，采用射流式孔底往復泵對冷卻液進行循環，實現強制對流換熱.該循環泵以雙穩態射流元件作為控制元件，控制鉆井液交替進入活塞缸的上下腔，驅動活塞實現往復運動，循環泵柱塞與活塞為一體式結構，活塞的往復運動帶動循環泵柱塞實現吸液、排液.巖芯管提升機構與PCS保壓取芯器結構中的巖芯管提升結構類似，可將巖芯管與巖芯提升進入冰閥管內實現密封.冷卻劑儲存和循環機構由上下兩個杜瓦瓶、冷卻劑循環管路和冰閥管等組成.上部杜瓦瓶內預裝有足夠的低溫液態酒精，下部杜瓦瓶內預裝有換熱器，換熱器內部預裝低溫凝固的固態酒精.當完成鉆井作業，采用冰閥式保壓取芯器進行保壓取芯操作時，首先打開地表短桿接頭，下入繩索打撈器將冰閥式保壓取芯器向上提動，使鋼球爪張開釋放鋼球，鋼球下落至閥座上.重新連接地表鉆桿，啟動泥漿泵往孔內泵入泥漿，在泥漿的驅動下，巖芯管被提升約100 mm進入冰閥管內，同時雙穩態射流元件開始工作驅動往復泵進行往復運動，往復泵的工作驅使上部杜瓦瓶內的低溫酒精開始循環進入冰閥管下端的換熱器吸收冰閥管內鉆井液的熱量，吸熱升溫的液體酒精經由回流管道進入下部杜瓦瓶，與下部杜瓦瓶內儲存的低溫凝固形成的固體酒精通過換熱器進行熱交換，對升溫后液態酒精進行降溫，降溫后的酒精經循環泵抽吸進行下一輪循環冷凍，持續低溫酒精循環直至冰閥完全形成.為了減少冰閥管與外部熱量交換，冰閥管外部采用了專門的絕熱處理.待冰閥完全形成后，停止泵送鉆井液，下入打撈器將冰閥式保壓取芯器取至地表，從而完成保壓取芯的孔內作業.

圖1 冰閥式保壓取芯器的工作原理

2 冰閥形成與保壓能力實驗系統

為了在實驗室內研究冰閥形成過程，測試冰閥保壓能力，組建了冰閥實驗系統.如圖2所示，為實驗系統中主體試驗器的結構原理圖.該試驗器由冰閥管、內外管、上下端蓋、鎖緊螺母等組成.整個冰閥試驗器通過螺釘緊固在鋼板平臺上.冰閥管的上端設計了細長小孔用于加注鉆井液，并設計了螺紋用于連接加壓注氣接頭.注液后，可通過注液小孔將內窺鏡伸入到冰閥管內，對冰閥形成過程進行監視.根據前期對冰閥管結構形式的研究經驗，為了提高冰閥的承壓能力并縮短冰閥長度，冰閥管內壁設計了多道環槽，以增加冰閥體與冰閥管內壁的黏接面積.冰閥管內徑設計為58 mm，環槽深度設計為高2 mm、半錐角為60°的等腰梯形結構.在上端蓋上設計了兩個流體通道口，其中一個流體通道口用于冷卻劑流入冰閥試驗器，另一個通道口用于冷卻劑流出冰閥試驗器.

圖2 冰閥主體試驗器結構原理

實驗系統采用了一臺三級制冷的低溫恒溫槽作為制冷系統，對冰閥試驗器提供恒定溫度的冷卻劑，其額定最低溫度可達-110 ℃.冷卻劑的循環，采用一臺外置的循環泵作為動力，泵送低溫冷卻劑進入冰閥主體試驗器進行循環，泵體和循環管路均采用保溫棉進行包裹，冰閥管外壁采用聚氨酯泡沫進行保溫處理，防止與周圍空氣發生熱量交換.此外，一臺額定壓力為0.8 MPa，排量為0.9 m3/min的活塞式空氣壓縮機被作為氣體壓力源，驅動一臺最大排出壓力為100 MPa的氣體增壓泵對冰閥進行加壓操作.在試驗過程中，首先將低溫恒溫槽內冷卻劑的溫度降低至預定溫度，再往冰閥管內注入預定體積的鉆井液.然后，將內窺鏡放入冰閥管內，調整內窺鏡位置使電腦屏幕上的畫面能夠完全清晰的顯示冰閥管內流體的上表面，打開外置循環泵對冰閥管內流體進行冷凍制取冰閥，在打開循環泵的同時電腦通過內窺鏡開始錄制冰閥管內冰閥形成過程，并開始計時.通過內窺鏡觀察冰閥管內冰閥形成直至注入的鉆井液完全冷凍形成冰閥時停止計時，保持冷凍循環，連接注氣接頭，并取下下端蓋換上排氣接頭，排氣接頭的排氣口連接軟管并通入裝滿水的觀測筒中.打開空壓機、增壓泵對冰閥加壓，并隨時觀察觀測筒中是否有氣泡冒出.當有氣泡冒出時，表明冰閥泄漏，密封失效，停止加壓，記錄此時壓力表讀數，作為冰閥所能承受的壓力值.

3 結果與分析

3.1 冰閥形成過程數值模擬與實驗驗證

與冰閥形成與承壓實驗系統對應，數值模擬計算控制域主要由4部分組成：空氣計算域、鉆井液流體域、冷卻劑流體域和金屬套計算域.采用SolidWorks三維建模軟件建模，并采用Hypermesh軟件對其進行網格劃分.圖3是其中一個網格模型，該模型中冰閥長度為80 mm，共有627 876個網格單元，其中157 006個網格單元為四面體，10 026個網格單元為五面體，其他均采用六面體單元劃分.在進行計算模擬時，網格大小對計算結果的影響試算結果表明，最粗與最細網格的計算結果僅差不到5%，最粗的網格也能滿足計算要求.考慮到所需花費的計算時間及計算精度，均采用中等密度的網格模型.

采用了Fluent6.3.26求解器對連續性方程、動量方程和能量方程進行求解[16].盡管Fluent軟件提供了包括基于壓力的求解器和基于密度的求解器，但是受solidification/melting 模型限制，冰閥形成過程數值模擬計算中只能選用基于壓力的求解器.選用k-epsilon湍流模型[17].另外，在鉆井液中由于有高分子聚合存在，對自然對流有一定阻礙作用，鉆井液內部自然對流是極其微弱的，而且低溫狀態時，鉆井液的黏度相對較大，進一步降低了自然對流的影響，因此，本文計算模型主要以熱傳導和相變為主.計算中換熱壁面采用了計算精度較高的增強壁面處理方法.壓力-速度耦合計算采用SIMPLEC算法.壓力方程采用標準格式，其他方程均采用一階迎風格式進行離散化處理.迭代時間步長設置為0.1 s.質量流量入口邊界和壓力出口邊界被分別用于定義冷卻劑的入口和出口條件.空氣出口被定義為壓力出口.

圖3 冰閥形成過程數值模擬所用網格模型

本文采用的為祁連山水合物鉆井工程中應用的鉆井液[18]，密度為1.12 g/cm3，導熱系數為0.35 W/(m·K).此外，為了滿足數值模擬計算需要，獲取鉆井液的凝固點，采用了德國耐馳公司的DSC204型差示掃描量熱儀，獲取鉆井液的DSC曲線，由于鉆井液中除了水基以外，還添加了大量的黏土、高聚物和其他鹽類等物質，所有鉆井液屬于混合物類型，無固定的凝固點，因此采用切線法獲取了鉆井液開始發生凝固時的溫度-10.3 ℃作為其凝固點.

如圖4所示，為數值模擬計算所得的冰閥形成過程液相分數和溫度分布變化云圖.該圖中，在開始進行冷凍時，鉆井液、酒精、空氣和冰閥試驗裝置計算域的初始溫度均設置為298 K(室內溫度25 ℃)，酒精入口初始溫度設置為243 K(與恒溫槽內-30 ℃一致).隨著冷凍的進行，徑向靠近冰閥管的鉆井液首先開始凝固，冰閥體呈現從徑向外圍往中心有序生長.在鉆井液區域，有較為明顯的溫度梯度分布，隨著冷凍時間的增加，鉆井液區域的溫度梯度逐漸減小，但直至冰閥最終形成，其內部仍有一定的溫度梯度.采用福祿克Ti27熱成像儀對試驗過程中鉆井液冰閥形成過程監測結果表明，冰閥的實際形成過程與數值模擬結果具有較好的一致性，室內試驗過程中冰閥的形成過程如圖5所示.

圖4 冰閥凍結過程中液相分數和溫度變化云圖

圖5 冰閥生成過程溫度分布熱像儀觀測結果

3.2 冰閥長度對冰閥形成時間的影響

保壓取芯孔段的地層原位壓力，隨地層構成和深度等變化.為使冰閥式保壓取芯器能夠適應于各類地層不同深度保壓取芯的需要，可通過調整冰閥長度來改變冰閥式保壓取芯器的保壓能力.為分析預測形成不同長度的冰閥所需時間，開展了冰閥長度對冰閥形成時間影響的數值模擬研究與測驗測試，如圖6所示.

圖6中，隨著冰閥長度的增加，冰閥完全形成所需的時間逐漸增長.數值模擬結果與實驗測試值吻合較好，但整體數值偏小，分析原因為時間記錄存在誤差，仿真計算模型邊界條件設置過于理想化且受計算時間步長與網格質量、網格密度的影響等.但數值模擬結果已表現了良好的預測效果，具有重要參考意義.

3.3 冰閥長度對承壓能力的影響

如圖7所示，為保持直徑58 mm不變，不同長度的冰閥承壓能力測試值.在長度為140 mm時，冰閥的承壓能力可達40 MPa，60 mm時的承壓能力為14 MPa，在曲線所示的承壓壓力下，冰閥體均未發生泄漏.隨著冰閥長度的增加，冰閥承壓能力逐漸增強，但是，隨著冰閥長度的增加，冷凍循環時間亦相應增長.為了節約保壓取芯操作時間和冷源的儲存量，應根據地層壓力情況選取較為合適的冰閥長度，在滿足地層取芯保壓要求的前提下，盡量采用較短的冰閥，以縮短冰閥式保壓取芯器內冰閥的形成時間.

在祁連山脈永凍土地層天然氣水合物勘探過程中，發現天然氣水合物儲層的的最大埋藏深度為396 m，最淺的埋深只有133 m，其地層的最大原位壓力不到6 MPa[18].根據上述試驗結果，采用冰閥式保壓取芯器在祁連山脈永凍土地層進行保壓取芯鉆進操作時，采用58 mm直徑，長60 mm的的鉆井液冰閥，安全系數即可大于2，充分滿足保壓取芯對保壓能力的需要.

圖6 冰閥長度對冰閥形成時間的影響

圖7 冰閥長度對承壓能力的影響

Fig.7 Pressure sustaining capacity of the ice valve versus the ice valve length

4 結 論

1)基于冰閥密封原理，提出了天然氣水合物冰閥式保壓取芯器.采用祁連山水合物鉆井工程中應用的鉆井液，在實驗室生成了鉆井液冰閥，并對直徑為58 mm，不同長度的鉆井液冰閥進行了承壓實驗.實驗結果表明，隨著冰閥長度的增加，冰閥的承壓能力逐漸增強，當冰閥長度為120 mm時，承壓能力可達40 MPa，可充分滿足鉆探現場保壓取芯對保壓能力的需求，從原理上驗證了冰閥式保壓取芯方法的可行性.

2)以實驗室內冰閥實驗系統為研究對象，將液固耦合、流動與相變、流動與熱交換等復雜多場物理過程考慮在內，采用CFD技術，借助通用求解器軟件，對冰閥生成過程進行了數值模擬仿真分析，并進行了實驗驗證，數值模擬預測結果與試驗觀測結果較為吻合，證明了冰閥生成過程數值模擬仿真分析的有效性和適用性.

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(編輯 張 紅)

Numerical simulation and experimental studies on the formation process of ice valves for an ice-valve-based pressure corer

ZHANG Xinxin1,2, PENG Jianming1,2, SUN Mingze1,2, LUO Yongjiang1,2

(1.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China; 2. Key Laboratory of Complicated Conditions Drilling Technology (Jilin University), Ministry of Land and Resources, Changchun 130026, China)

Pressure coring is considered as one of the key techniques for the natural gas hydrate-bearing sediment coring. To overcome the problem of low successful rate of pressure coring for a pressure corer, an ice-valve-based pressure corer made out of in situ drilling fluid during coring was proposed. A series of experimental tests were conducted by using a specially designed experimental system. The formation process of the drilling fluid ice valves was studied by both experimental tests and computational fluid dynamics (CFD) simulation method. The pressure sustaining capacity of the ice valves was also measured experimentally. Results showed that the sustained pressure of the ice valve increased almost linearly with the increase of the ice valve length. However, the increasing length of the ice valve caused the extension of formation time of the ice valve. To save the coring time, the ice valve length for pressure coring should be as short as possible while satisfying the sealing requirement.

natural gas hydrate; pressure coring; ice valve; computational fluid dynamics; simulation; pressure sustaining capacity

10.11918/j.issn.0367-6234.201510083

2015-11-25

國家自然科學基金(51144004)

張鑫鑫(1990—),男,博士研究生； 彭枧明(1975—),男,教授,博士生導師

彭枧明，pengjm@jlu.edu.cn

P744.4

A

0367-6234(2017)04-0162-05