隨鉆堵漏工具旋流噴嘴優化設計

趙常舉 郝宙正 陳培亮 劉禹銘 魏 來 李瀟洋

1. 中國石化西北局油田分公司, 新疆 烏魯木齊 830001;2. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司, 天津 300452

0 前言

在鉆井過程中,由于井下復雜情況的不可預見性和突發性,難免會發生鉆井液、水泥漿等工作流體在壓差作用下漏入地層即井漏的復雜現象[1-4]。出現井漏不僅會影響鉆井速度,還可能會引起卡鉆、井眼坍塌等重大鉆井事故[5-8],造成不必要的經濟損失。

停鉆堵漏和隨鉆堵漏是通常采用的兩種堵漏方式。前者是停止鉆井施工專門實施堵漏措施,這種方式在理論上可以應對所有的井漏問題,但停工堵漏會增加施工周期;后者是鉆井施工與防漏補漏措施同時進行,縮短了鉆井周期,是目前處理滲透性漏失和中小型裂縫性漏失采用的主要堵漏方式。隨鉆堵漏技術可分為化學法隨鉆堵漏和物理法隨鉆堵漏,前者從鉆井液配方、堵漏材料的角度出發[9-12],后者從鉆井工具角度出發進行研究。國內已有大量學者對物理法隨鉆堵漏的機理進行了研究[13-17],但對隨鉆堵漏工具旋流噴嘴結構參數的研究較少。

王慧藝通過分析旋轉射流鉆頭的內流場,證明了圓柱形葉輪不存在既無徑向流又等旋度的葉輪參數,并運用翼型繞流理論,推導出了葉片長度、半徑、葉片安放角等參數與射流噴嘴直徑、擴散角、旋度之間的關系式,為葉輪的設計提供了一定的參考價值[18]。程仲以Realizable k-ε湍流模型為基礎,根據計算流體動力學理論建立了在旋轉射流作用下環空流場的數學模型,模擬結果為物理法隨鉆防漏堵漏鉆井水力參數設計、井底水力能量分配提供了一定的理論依據[19]。王春曉利用COMSOL軟件分析了葉片數、噴嘴出口直徑等結構參數對側向旋轉射流的影響,但未進一步詳細考慮旋流噴嘴其他結構相關參數的影響[20]。

目前,物理法隨鉆堵漏技術的研究仍處于起步階段,旋流噴嘴的相關結構參數對隨鉆堵漏工具性能的影響和規律研究鮮有涉及。現有少部分學者對旋流噴嘴的葉片數、出口直徑以及安裝角度進行過簡單的數值仿真和實驗研究,但均沒有詳細考慮葉片結構多個相關參數之間的影響及其規律性。

1 數學模型

任何物理現象均受到物理學中質量、動量和能量守恒定律的支配,流體流動用數學表達式描述這些守恒定律的方程分別稱為連續性方程、動量方程和能量方程。在計算流體力學中,這三大方程的基本控制方程如下:

(1)

式中:t為時間變量,s;ρ為密度,kg/m3;φ為通用變量,可以代表速度分量u、v、w等求解變量,m/s;V為速度矢量,m/s;Г為廣義擴散系數;S為廣義源項。式(1)各項分別對應于瞬態項、對流項、擴散項和源項。

數值模擬時必須選擇合適的湍流輸運方程。Reynolds平均法是目前使用最為廣泛的湍流數值模擬方法。Realizable k-ε湍流模型對強旋流動的計算相較于其他幾種模型有較高的精度,本文采用Realizable k-ε湍流模型進行數值計算,針對物體壁面問題采用標準壁面函數進行處理。

2 數值計算模型

2.1 幾何模型、計算區域及邊界條件

旋流噴嘴安裝在鉆頭與鉆鋌之間,是隨鉆堵漏工具最為主要的特征之一。在鉆遇漏失地層時,旋流噴嘴會及時噴射出堵漏鉆井液形成旋轉射流,填補漏失地層中的裂縫和孔道,堵漏鉆井液中的堵漏材料顆粒會在漏失地層的井壁處形成一個能抗壓的環形區域,在鉆井和固井過程中可實現防漏堵漏,更好地保護油氣層。圖1給出了隨鉆堵漏工具側向旋流噴嘴的結構示意圖,主要由直管段、加旋段、錐形收縮段和圓柱出口段四部分組成,直管段長20 mm,加旋段到出口的長度為40 mm,旋流噴嘴的內徑為25 mm。L代表旋轉葉片的導程,N代表葉片數,D代表噴嘴出口直徑。一般以旋度評價旋轉射流的流場特性,旋度與導向葉片的導程、葉片數以及出口直徑相關,因此本文研究旋流噴嘴導向葉片導程L、葉片數N以及出口直徑D對隨鉆堵漏工具性能的影響,旋流噴嘴的相關參數見表1。

圖1 隨鉆堵漏工具旋流噴嘴結構圖Fig.1 Structure of swirling nozzle of plugging tool while drilling

為了考慮旋轉射流的氣流分布特性,在噴嘴出口端建立一個長方形的環空區域,寬度為40 mm。實際環空鉆井液的上返速度一般為1.0～1.5 m/s,在鉆井過程中,隨鉆堵漏工具相對于井壁向下移動,在數值模擬時必須考慮這種相對狀態,因此環空區域下端面入口設置為速度入口,大小為2.0 m/s,環空計算區域上端面設為壓力出口。旋轉射流考慮成不可壓縮黏性流動,選用Realizable k-ε湍流模型進行求解計算。邊界條件設置為:旋流噴嘴入口分流量為0.24 m3/min,噴嘴端面面積為452 mm2,對應的入口流速為10.32 m/s。

表1 不同結構旋流噴嘴相關參數表

Tab.1 Relevant parameters of swirling nozzles with different structures

編號葉片導程L/mm葉片數N出口直徑D/mm編號葉片導程L/mm葉片數N出口直徑D/mmL 16-2-D 81628L 20-2-D 82028L 16-2-D 1016210L 20-2-D 1020210L 16-3-D 81638L 20-3-D 82038L 16-3-D 1016310L 20-3-D 1020310

2.2 網格劃分

網格劃分選用四面體以及五面體的混合單元類型,分別對前面創建的計算區域進行網格離散,表面網格最大尺寸為4 mm,最小尺寸為0.5 mm。為了準確模擬隨鉆堵漏工具旋流噴嘴壁面附近的附面層的流動,劃分了較為詳細的邊界層,邊界層第一層高度為0.1 mm,增長率為1.1,共計12層,網格劃分總數為 1 200 萬,見圖2。

a)表面網格a)Surface mesh

b)邊界層網格b)Boundary layer grid

3 計算結果

在下文中,對旋流噴嘴的旋轉射流流場進行分析,對比研究了葉片導程、葉片數以及噴嘴出口直徑對隨鉆堵漏工具旋流噴嘴性能的影響。

3.1 導程

圖3給出了旋流噴嘴內部三維流場的速度分布情況。由圖3可知,流體經過加旋段后,速度有顯著提升,之后經過錐形收縮段,流速進一步增大,最后由噴嘴噴射出去,加旋段以及錐形收縮段對高速旋轉射流的形成至關重要。

圖4給出了部分不同葉片導程工況下,旋流噴嘴縱向中心截面的速度分布云圖。對比圖4-a)、b)可得,入口來流被葉輪引導做旋轉運動,在旋流噴嘴葉片數和噴嘴出口直徑不變的情況下,葉片導程越小,流體做旋轉流動越強,但是旋轉射流出口中心區域的流速較低。

圖3 旋流噴嘴內部三維速度分布圖Fig.3 Three-dimensional velocity distribution of inside swirling nozzle

a)L 16-2-D 10

b)L 20-2-D 10

圖5給出了噴距為25.4 mm時,旋轉射流噴射在環空區域橫截面上的速度分布情況。由圖5可知,導程的減小雖然導致了旋轉射流速度幅值的增加,但由于離心力的作用,射流外側區域的速度較高而中心區域的速度較低,導致截面中心區域的補漏效果較差。因此,葉片導程過大過小均不利于防漏堵漏。

圖6給出了旋流噴嘴不同葉片導程工況下,旋轉射流在環空中的速度衰減規律。由圖6可知,射流速度衰減規律較為一致,隨著葉片導程的增加,射流速度幅值有所減小,葉片導程越大,射流的流速衰減更快。因此,葉片導程越小越有利于提高旋轉射流的速度。

圖5 不同葉片導程噴嘴環空截面速度分布圖(噴距25.4 mm)Fig.5 Velocity distribution of annulus section of nozzle with different blade leads(standoff distance 25.4 mm)

圖6 導程對旋轉射流速度的影響圖Fig.6 The effect of lead on the rotational jet velocity

3.2 葉片數

圖7給出了部分不同葉片數工況下,旋流噴嘴縱向中心截面的速度分布圖，圖8給出了噴距為25.4 mm時,旋轉射流噴射在環空區域橫截面上的速度分布。對比可得,旋流噴嘴葉片導程以及噴嘴出口直徑不變的情況下,葉片數量越多,旋流噴嘴出口射流流速越大且出口射流擴散角越大。葉片數的增加,入口來流經過加旋段時會被分成幾股流體分別加速,相較于少葉片數而言,葉片數多時更多的流體得到加速,葉輪的導流能力得到明顯的增強,導流效果更加突出,并且從旋流噴嘴噴射出的流體擴散角更大。

圖9給出了旋流噴嘴不同葉片數工況下,旋轉射流在環空中的速度衰減規律。由圖9可知,葉片數的增加在一定程度上增大了旋轉射流的流速,因此在滿足結構設計要求下,葉片數越多越利于防漏堵漏,但是葉片數對于旋轉射流的流速影響小于葉片導程的影響。

a)L 20-2-D 8

b)L 20-3-D 8

圖8 不同葉片數噴嘴環截面速度分布圖(噴距25.4 mm)Fig.8 Velocity distribution of annulus section of nozzle with different blade number(standoff distance 25.4 mm)

圖9 葉片數對旋轉射流速度的影響圖Fig.9 The effect of the number of blades on the rotational jet velocity

3.3 出口直徑

圖10給出了不同出口直徑工況下旋流噴嘴縱向中心截面的速度分布云圖，圖11給出了噴距為25.4 mm時旋轉射流噴射在環空區域橫截面上的速度分布。由圖10～11可知,葉輪出口直徑對旋流噴嘴的性能有較大的影響,旋流噴嘴其他參數不變,出口直徑越小旋轉射流速度越大;噴嘴出口直徑為10 mm時的擴散角比出口直徑為8 mm時更大,但是旋轉射流的流速更低。在流量一定的前提下,出口直徑決定了出口截面積,出口面積越大,流體流速越低。因此,在滿足防堵防漏速度的前提下,出口直徑越大射流的擴散角越大,井壁上的射流面積越大,更利于防堵防漏。旋流噴嘴出口直徑過大或過小均不利于防堵防漏,出口直徑過小導致射流覆蓋面積較小,出口直徑過大導致截面部分區域流速較低防漏堵漏效果較差。

a)L 16-2-D 8

圖11 不同噴嘴出口直徑環空截面速度分布圖(噴距25.4 mm)Fig.11 Velocity distribution of annulus section with different nozzle outlet diameters(standoff distance 25.4 mm)

4 結論

1)旋流噴嘴的性能與其結構的相關參數密切相關,受噴嘴出口直徑的影響最大,其次為葉片數和葉片導程的影響。

2)葉片導程過大會導致旋轉射流的速度較低,過小將導致射流噴射截面的速度分布不均勻,中心區域的速度較低,在滿足旋轉射流速度的前提下,可以適當增大葉片導程,旋轉射流封堵更均勻。

3)在滿足結構設計的前提下,葉片數越多,葉輪的導流能力越強,入口來流的導流效果越好,旋轉射流噴射的封堵面積越大;出口直徑對旋流噴嘴的性能影響較大,噴嘴出口直徑過小導致封堵面積較小,出口直徑過大導致旋轉射流的速度較低,封堵效果變差,在滿足速度要求下,增大出口直徑有利于防漏堵漏。