YK304-445擴孔器不同水眼流量分配計算及應(yīng)用

王貴亭

摘 要：在擴孔器刀體上設(shè)計沖洗齒的流道，可以很大程度上改善擴孔器的“泥包”現(xiàn)象，在擴孔器底部加不同尺寸的水眼可以調(diào)節(jié)流量在鉆頭和擴眼器的不同分配。由于擴眼器內(nèi)部流道不規(guī)則，用理論計算流量的分配情況比較復(fù)雜且難以實現(xiàn)，而應(yīng)用數(shù)值計算軟件進行仿真分析則能夠提供相對精確的計算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：擴孔器;水眼;流量分配;刀翼泥包

YK304-445液力擴眼器在土耳其UGS-8井應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，由于地層中含膏巖成分較多，刀翼易發(fā)生“泥包”，影響機械鉆速和進尺。

在擴孔器刀體上設(shè)計沖洗齒的流道，可以很大程度上改善擴孔器的“泥包”現(xiàn)象，在擴眼器底部加不同尺寸的水眼可以調(diào)節(jié)流量在鉆頭和擴眼器的不同分配。由于擴眼器內(nèi)部流道不規(guī)則，用理論計算流量的分配情況比較復(fù)雜且難以實現(xiàn)，本文選擇Fluent流體分析軟件對擴眼器不同水眼的流量分配進行分析。

1.幾何模型建立及網(wǎng)格劃分與處理

擴眼器為三刀翼，且?guī)缀紊洗嬖趯ΨQ關(guān)系，選取擴孔器的1/3進行建模分析，具體圖形如圖1所示。

對網(wǎng)格進行劃分時，由于刀體上的流道相對于整個模型尺寸較小，需要單獨剖分出來，進行網(wǎng)格加密（圖2所示）。兩個矩形流道采用六面體網(wǎng)格，其它部分采用四面體網(wǎng)格。

2.計算模型選擇與設(shè)置

流體性質(zhì)設(shè)為清水，密度為1000kg/m3，粘度為0.001kg/m-s。正常工作時，擴眼器流量為50L/s，可得流體流速。

流速v計算：

Q-泵排量，L/s，這里取50L/s。

計算得v=49.14（m/s）。

雷諾數(shù)的計算：

運動粘度取80℃時水的粘度值0.367×10-6m2/s，計算得到雷諾數(shù)Re為4.82×106，從而判斷流體流動處于紊流狀態(tài)，在Fluent計算過程中選擇湍流模型。

FLUENT提供的湍流模型包括：單方程（Spalart-Allmaras）模型、雙方程模型（標準）κ-e模型、重整化群κ-ε模型、可實現(xiàn)（Realizable）κ-ε模型）及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬。

根據(jù)本模型的計算需求，考慮雷諾數(shù)的大小，選擇雙方程模型（標準κ-e模型），標準模型需要求解湍動能及其耗散率方程。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的。該模型假設(shè)流動為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。因此，標準模型只適合完全湍流的流動過程模擬。

標準模型的湍動能k和耗散率ε方程為如下形式：

在上述方程中，表示由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生，是用于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生;可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。湍流粘性系數(shù)。

在FLUENT中，作為默認值常數(shù)，=1.44，=1.92，，湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為=1.0，=1.3?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)“粘性模型”面板來調(diào)節(jié)這些常數(shù)值。

3.模型求解及結(jié)果分析

當(dāng)流動和網(wǎng)格不在一條線上時（即：流動斜穿網(wǎng)格線）一階對流離散增加了對流離散的誤差（數(shù)值耗散）。對于三角形和四面體網(wǎng)格，流動從來就不會和網(wǎng)格成一條線，此時一般要使用二階離散來獲取更高精度的結(jié)果。因此這里選擇二階精度隱式求解模式。

流場初始化選擇進口流速，速度設(shè)為49.1m/s，迭代次數(shù)設(shè)為300。

計算得到擴眼器底部水眼出口平均流速為39.88m/s，從而得到下部出口的流量分配。24mm水眼為18.03L/s，則刀體上流量分配為31.97L/s。17mm水眼，為8.44L/s，刀體上流量分配為41.56L/s。

4.舊式Y(jié)K304-444.5擴眼器土耳其UGS-8井?dāng)U眼施工情況

UGS-8井是土耳其鹽湖天然氣地下儲氣庫項目的第一口井，使用舊式Y(jié)K304-444.5液力擴眼器。舊式Y(jié)K304-444.5液力擴眼器共下井5趟，使用工具三套，實際擴眼井段為1130.50-1459.00m。擴眼進尺328.50m，平均機械擴速為3.18m/h。影響機械鉆速的主要原因是刀翼出現(xiàn)泥包，擴速慢，影響刀翼張開和收縮。

5.新型YK304-444.5擴眼器土耳其UGS-7井?dāng)U眼施工應(yīng)用

UGS-7井是勝利渤海鉆井在土耳其鹽湖天然氣地下儲氣庫項目的第二口井，使用新型YK304-444.5擴孔器，在刀翼中間增加清洗流道，使刀翼得到充分清洗。利用Fluent流體分析軟件對擴孔器不同水眼的流量分配進行分析，選用合適尺寸的水眼，期望達到充分清洗效果。

新型YK304-444.5液力擴眼器共下井4趟，使用工具兩套（使用情況見表1），其中第一趟由于新改工具沒有及時到達井場，使用舊式工具下井應(yīng)急。

該井的擴眼施工效果明顯優(yōu)于UGS-8井：

（1）擴眼速度明顯提高，平均擴眼機械鉆速達到6.93m/h，如果排除掉第一趟使用舊式工具的速度，平均機械擴速達到7.48m/h，比UGS-8井3.18m/h擴速提高了一倍。

（2）擴后井徑較大，能夠達到設(shè)計要求。UGS-8井?dāng)U后井徑平均約為16″，而本井?dāng)U后基本都大于17″，平均井徑大于17-1/2″。

6.結(jié)論

通過在擴眼器底部加不同尺寸的水眼可以調(diào)節(jié)流量在鉆頭和擴眼器的不同分配，在擴孔器擴眼刀體上增加沖洗齒的流道，可以很大程度上改善擴眼器的“泥包”現(xiàn)象，從而大大提高機械鉆速，節(jié)省鉆井時效。

參考文獻：

1. HR型液力擴孔器在埃及GPC油田的應(yīng)用

作者：于海平、劉虎《石油鉆探技術(shù)》

2. 勝利液力擴眼器在超深井克深19的應(yīng)用與認識

作者：寧仁磊《中小企業(yè)管理與科技》