局部反循環打撈裝置數值模擬

王春生 何振楠 徐玉建 楊富祥

摘要：為了明確常規局部反循環洗井裝置在井下形成反循環的機理及其目前洗井效果不理想的原因，解決其在應用過程中碎屑提取率低的問題，采用計算流體力學方法，建立該裝置洗井作業時的孔底固液兩相流場計算模型，分析液相洗井介質在沖洗碎屑過程中的壓力場、速度場分布及湍流特征。模擬計算得出：液相洗井介質的壓力、流速及湍動能耗散主要發生在進入孔底流場前的兩次出水孔換向過程中，導致其對孔底中部的碎屑沖洗能力不足，部分碎屑滯留在孔底中部。為改善反循環洗井裝置的洗井效果，可改進下出水孔的結構，將下出水孔位置適當下移或縮小下出水孔直徑，通過增大孔底處洗井介質流速來提升其對碎屑的攜帶能力。研究結果可為局部反循環打撈裝置的優化設計提供參考。

關鍵詞：計算流體力學;反循環洗井;數值模擬;固液兩相流;碎屑提取率

中圖分類號：TE925.1 文獻標志碼：A doi： 10.7535/hbgykj.2018yx02004

WANG Chunsheng， HE Zhennan， XU Yujian，et al.Numerical simulation of local reverse circulation salvage device[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2018，35（2）：98-103.Numerical simulation of local reverse circulation salvage device

WANG Chunsheng1， HE Zhennan1， XU Yujian2， YANG Fuxiang1

（1.School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China; 2.Northeast Petroleum Bureau， SINOPEC， Changchun， Jilin 130062， China）

Abstract： In order to make clear the mechanism of reverse circulation formation by conventional partial reverse circulation washing device in underground and the cause of the unsatisfactory washing effect at present， as well as to solve the problem of low chip extraction rate in the application process， computational fluid dynamics method is used to establish the calculation model of solid-liquid two-phase flow field of hole bottom in the washing operation of the device， and the pressure field distribution， the velocity field distribution and the turbulence characteristics of the liquid phase washing media in the process of flush debris are analyzed. The simulation calculation shows that the pressure， flow velocity and turbulent kinetic energy dissipation of liquid phase washing media mainly occurr in the process of twice reversing in the outlet hole before entering the hole bottom flow field， reducing the ability to clean the debris in the middle of the hole， and causing part of the debris trapped in the middle of the hole. In order to improve the washing effect of reverse circulation well washing device， the structure of the bottom outlet hole can be improved， shifting downward the lower outlet hole position appropriately or reducing the diameter of outlet hole， increasing the flow rate of the washing medium at the bottom of the hole to improve the carrying capacity of the well washing medium to the debris. The research results may provide reference for the optimal design of the local reverse circulation salvage device.

Keywords：computational fluid dynamics; reverse circulation washing well; numerical simulation; solid-liquid two-phase flow; extraction rate of debris

反循環洗井打撈技術是在反循環鉆探取樣技術的基礎上發展而來的，根據反循環工作方式不同又細化出局部反循環洗井方式。局部反循環技術的特點在于其能夠在井下改變洗井介質的循環方式[1-2]。局部反循環打撈裝置的研制是為解決漏失井所存在的洗井困難問題，但在應用中發現，該裝置存在反循環能力不足、碎屑采取率低等問題[3]。因此，正確分析其在洗井作業時孔底流場流態分布特征及洗井介質湍動能的變化規律，對解決該問題顯得尤為重要。

針對上述問題，本文基于局部反循環洗井裝置的結構，利用SolidWorks軟件建立該裝置的三維模型，運用Fluent前處理器ICEM對輸出的構造模型進行網格劃分，利用Fluent 3D單精度求解器對網格進行計算，分析液相洗井介質在沖洗碎屑過程中壓力場、速度場分布及湍流特征，明確該裝置的反循環機理以及應用過程中產生反循環能力不足、碎屑采取能力不佳等現象的原因。隨后對增大流速、減小孔底固相碎屑濃度的工況進行模擬，并與正常工況模擬結果進行對比，為局部反循環打撈裝置優化設計提供參考。

1結構分析及模型建立

常規的反循環打撈裝置設有入水口、出水口及沖洗口3種流動通道，用于改變洗井液在井下的循環方式，具體結構如圖1所示[4]。當洗井介質進入該裝置時，由擋水板上部入水口進入裝置內外筒之間的環空內，隨后經沖洗口射流進入裝置與井壁之間的環空，并在孔底形成反循環，使孔底碎屑隨洗井介質穿過活頁總成進入裝置內筒處的沉淀管中[5]。在沉淀管與裝置中部出水口之間設有過濾網，當巖屑溢出沉淀管時，過濾網能夠防止其穿過中部出水口重新流回井底空間。進入內筒的洗井介質通過裝置中部出水口再次進入裝置與井壁之間的環空，一部分會上返到地面，另一部分與裝置下部沖洗口射流出的洗井介質一起進入孔底繼續進行反循環作業。

考慮到局部反循環打撈裝置結構的復雜性，建模過程中，在不影響流場的前提下忽略活頁總成部分以及裝置內筒中的沉淀管，計算模型如圖2所示。該打撈裝置具體的幾何參數如下：井孔直徑為124 mm;裝置外筒直徑為114 mm;裝置內筒直徑為84 mm;在裝置內筒體上部設置6組均角度分布直徑為6 mm的上噴孔，噴孔中軸線與裝置中軸線呈45°;在外筒下部設置6組均角度分布的下噴孔，噴孔直徑及角度與上噴孔相同;在裝置中部設置2組中部噴孔，噴孔直徑為10 mm，噴孔中軸線與裝置中軸線垂直。在裝置和井底之間留出10 mm高度作為巖屑放置空間，流體域模型高度為300 mm。

2局部反循環打撈裝置孔底流場數值模擬

2.1液相數學模型與算法

考慮到反循環裝置進行洗井作業時孔底內部流場較復雜，在數值計算中作如下假設[6-8]：

1）假設液相洗井介質在裝置及孔底的流動為連續流動，視洗井介質為不可壓縮流體。假設流動中無熱量交換，忽略溫度變化的影響。

2）孔底巖屑為粒徑尺寸均勻的球形顆粒，初始徑向、軸向及切向速度均為零，并假設固液相之間不存在相變現象及空化現象，在此理想狀態下，對該裝置洗井作業時孔底固液兩相流場進行模擬計算。

在模擬裝置孔底流場的固液兩相流動時采用混合物模型，求解混合物的動量方程，并通過相對速度來描述離散相[9]。在忽略能量方程的假設下，孔底流場的控制方程主要包括連續性方程和動量方程[10-11]。由于裝置在井下作業時內部流場存在強烈的湍流流動，故在數值模擬時采用RNG k-ε模型[12-13]。該模型考慮了湍流漩渦并對湍流黏度進行修正，在有效改善精度的同時在耗散率方程中增加了能夠反映時均應變率的參數，使得該模型適用范圍更加廣泛且具有更高的精度[9]。

2.2顆粒相數學模型

由于反循環洗井打撈裝置的孔底流場中固相巖屑顆粒濃度較低，顆粒的運動主要由流場內湍流決定，所以可以忽略顆粒間的碰撞[13]。井底巖屑在流場中受到的相間作用力包括曳力、壓力梯度力、虛擬質量力、Magnus力、Saffman升力以及Basset力等，在忽略顆粒碰撞的情況下，顆粒相的運動遵循牛頓第二定律[14]：mpdupdt=∑F。（1）式中：mp為顆粒質量，g;up為顆粒速度矢量，m/s;∑F為顆粒所受外力之和，N。

洗井過程中孔底流場中的固相顆粒運動主要由流場內的湍流決定，湍流的存在會使顆粒的運動存在脈動，忽略湍流擴散會造成顆粒軌跡計算結果不準確，通過將湍流脈動速度引入流體平均速度中，得到流體瞬時速度[15]：u=+u′。?????? （2）式中：為平均速度，m/s;u′為湍流脈動速度，m/s。

由此可得到顆粒隨機軌道模型，如式（3）所示：

dupxdt=1τp（+u′-upx），dupydt=1τp（+v′-upy），dupzdt=1τp（+w′-upz）。???????????????? （3）

式中：，，分別為氣相流體時均速度在x，y，z方向上的分量;u′，v′，w′為氣體脈動速度在3個方向上的分量;upx，upy，upz分別為固相顆粒速度在3個方向上的分量;τp為顆粒的松弛時間[13]。

2.3網格劃分與邊界條件設置

由于孔底流場結構的復雜性，因此在進行流體域網格劃分時采用有限體積法生成非結構化網格，流體域網格如圖3所示。采用瞬態模型進行模擬計算，設置y方向重力加速度值為-9.81 m/s2，多相流模型采用歐拉模型。采用液、固兩相流體，將沖洗介質水設置為主相，設置固相顆粒直徑為0.01 m，密度為2 600 kg/m3。將裝置上接頭設置為速度入口邊界，流速為5 m/s，將裝置與井壁之間的環空設置為壓力出口邊界。將井底碎屑設置在裝置與井底之間預留空間處，碎屑的體積分數為70%，碎屑分布如圖4所示。

2.4孔底流場數值模擬及結果分析

采用瞬態模型對孔底流場進行數值模擬，通過對比分析不同時步下流場內顆粒分布情況，明確該裝置反循環機理。從圖5中可以看出，洗井介質從下出水口射入裝置底部，沿裝置內壁沖洗裝置底部聚集的碎屑，固相顆粒受洗井介質的攜帶作用，沿裝置中通部分向沉淀管運動。當沖洗介質到達孔底中部時，能量會損失一部分，位于孔底中心處的巖屑受到的舉升力小于孔底外側的碎屑，導致洗井過程中此處存在少量無法洗出的碎屑，故假設洗井時碎屑所存在的“死區”為孔底中心部分。

洗井裝置中液相壓力場分布如圖6所示。從圖6 a）中可以看出，液相介質在上、下出水孔處存在一定的壓力消耗。如圖6 b）所示，當洗井介質經過裝置上接口到達擋水板處時會產生回流現象，回流的液體會對進入上出水孔的液體產生阻礙作用，故由于裝置結構原因洗井介質會在上出水孔處損失一部分的壓力。如圖6 c）所示，當洗井介質由裝置內外筒之間的環空穿過下出水孔進入裝置內外壁之間環空時，壓力會進一步損失，故洗井介質流至孔底中部時因能量不足無法將位于此處的巖屑全部洗出，導致在孔底中部存在巖屑遺留問題。

洗井裝置流體域速度場分布圖見圖7。如圖7 a）所示，液體的速度變化主要出現在上、下出水孔處，而在其余位置變化不明顯。由于下出水孔是該裝置在孔底形成反循環的主要結構，故對下出水孔進行著重分析。由圖7 b）下出水孔局部放大圖可以看出，在洗井介質由裝置內外筒之間環空經下出水孔進入到裝置與井壁之間環空的過程中，由于井壁的阻擋部分介質會形成上返流，該上返流的存在也是造成局部反循環洗井裝置洗井效果不佳的原因。

不同時步下液相洗井介質的湍動能等值線分布如圖8所示。在液體由下出水孔進入到裝置外壁和井壁之間的環空過程以及流入孔底的過程中時，湍動能由于液體的壓縮和流向的改變產生局部升高的現象。當洗井介質流入孔底與孔底巖屑接觸時，液相的湍動能主要沿裝置中通部分內壁向上移動，而在孔底中部位置湍動能能量很低，導致孔底中心處碎屑隨液相洗井介質上返至沉淀管的能量不足，從而在孔底中部形成碎屑“死區”。

為驗證分析的合理性，將洗井介質流速改為10 m/s，設置孔底巖屑的體積分數為50%，改變工況進行數值模擬。不同時步下固相顆粒分布等值線如圖9所示，在增大流速、減小孔底固相碎屑后，孔底中部遺留巖屑與之前相比相對較少，但仍存在少量無法洗出的碎屑。為證實之前的分析，數值模擬時采用的液體流速已經接近油田所用的最大流速，并且在原模型的基礎上減少了固相顆粒濃度，在此工況下，孔底中心部位仍然存在少量碎屑殘留，因此可以確定在反循環洗井裝置實際應用過程中存在碎屑遺留問題的原因是在孔底的中心部位存在碎屑“死區”。

3結論

1）常規應用的局部反循環裝置在進行洗井作業時，洗井介質在由上接口到達孔底的過程中能量損耗較大，使得洗井介質對孔底中心處碎屑的舉升力大大降低，最終在該處形成碎屑“死區”。在模擬過程中設置的孔底碎屑為粒徑尺寸均勻的球形顆粒，若孔底中心部位存在粒徑較大的碎屑，碎屑遺留問題會更加嚴重。

2）在反循環洗井過程中，洗井介質經下出水孔射流到裝置外壁與井壁之間的環空內時，由于井壁的阻擋作用會在該處產生局部上返流，該現象會削弱洗井介質在井底形成反循環的能力。為防止該現象的產生，可在下出水孔上部設置封隔器。

3）增大流速能夠提高洗井介質對孔底中心處巖屑的攜帶能力，從而改善反循環洗井裝置的洗井效果。下噴孔到孔底的距離會增大湍動能的損耗，所以在局部反循環打撈裝置優化設計中，可以將下噴孔適當下移或縮小噴孔直徑，增大洗井介質進入孔底處的射流速度，從而增強裝置的反循環能力，提升液相介質對井底碎屑的攜帶能力。

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