基于CFD的深海反循環清潔工具性能分析

王占昶，劉琦，王俊新，張益誠，劉文川

(1.重慶大學 a.礦災害動力學與控制國家重點實驗室；b.資源與安全學院，重慶 400044；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

油井清砂技術是提高油田生產效率、保護油井長期有效開采的重要技術。目前，針對油井出砂問題的清砂工有已有幾種：水力泵沖砂方法，通過雙噴嘴使用動力液將井筒沙粒利用主噴嘴產生的負壓作用提升至地面；氣舉反循環方法，通過向工具內部注入空氣，利用空氣的膨脹特性使工具內部流體排出；泡沫清砂方法，針對低壓漏失井通過氮氣泡沫將砂粒帶出。針對井底打撈目前最常用的是機械打撈方法，但主要針對豎井的情況。在實際深海井底作業過程中，油井管道有可能發生漏失，目前絕大多數井下清砂工藝在有漏失的情況下都存在作業效果難題，比如針對低壓漏失井設計的泡沫清砂方法在面對漏失量較大的油井，很難產生循環。基于負壓引射原理設計的反循環清潔工具利用高速、高壓的純水，通過內部產生的局部負壓將井底砂粒卷吸進工具中，從而達到清砂作用。目前針對深海高壓且存在漏失的工況研究報道較少，由于在工具工作過程中難以對工具內部進行觀測和數據記錄，因此需要通過室內實驗與CFD數值模擬方法相結合的手段對其進行分析，為解決深海油井出砂難題提供一種有效方法。

反循環清潔工具的主要結構見圖1。

圖1 反循環清潔工具結構示意

由各部分套筒、3個均布噴嘴、過濾部分、扶正桿及吸入部分組成。其中，3個均布噴嘴用來對深海油氣井套管內壁進行清理，待清理物經吸入本體吸入清潔工具，經過濾，吸入的水在噴嘴處產生的負壓作用下從噴嘴噴出。

1 可視化實驗

構建可視化測試平臺觀察反循環清潔工具卷吸碎屑的全過程，獲得無圍壓條件下清潔工具工作時套管內部的整體流場結構，以及不同工況條件下待清潔碎屑實驗前后的體積變化數據。分析負壓清潔工具卷吸碎屑時流場的渦旋流動特性，并從流場形態方面判定完整的反循環流場是否成功建立。

1.1 可視化實驗平臺搭建

使用3段直徑140 mm、長度2 260 mm的透明套管通過法蘭盤進行連接，工具的進水流量通過調節柱塞泵壓力和溢流閥開度共同控制，通過固定機位攝像機捕捉清潔區域的流場形態和卷吸碎屑情況，并通過LED光源進行補光以提升流場拍攝效果，實驗布置見圖2。

圖2 可視化實驗設備布置

1.2 反循環建立及卷吸特性

反循環清潔工具在工作過程中尾端存在渦旋流動和進入吸入口的流動，在開始工作階段，吸入口攜帶套管內空氣和液體同時進入工具且速度極快(見圖3a))；隨后工具持續攜帶井筒內待清理物進入工具，達到清潔效果(見圖3b)、c))，由于井筒內仍未完全注滿液體，在吸入口附近產生液面較低點；隨著工具穩定運行(見圖3d))，由噴嘴射出的水注滿整個套管但仍在吸入口附近產生氣體空腔，這是吸入口附近卷吸渦旋導致流態發生改變而導致的，也反映了工具的夾帶碎屑能力，在穩定階段套管尾部產生明顯渦旋且始終流向吸入口。

圖3 反循環卷吸過程

反循環清潔工具工作原理示意于圖4。

圖4 反循環清潔工具工作原理

高速高壓水由工具前端入口進入，經擴張段流入噴嘴座，由3個均分噴嘴高速射向井筒環空，從而達到清潔井筒管壁的目的。在上述過程中，高速流體從噴嘴至壁面開孔的過程中由于速度驟增引起動壓迅速升高使靜壓驟降，即產生相對負壓。然后高速水流攜帶待清理物從工具尾部吸入口流進工具內，碎屑和水由過濾本體分離。由于噴嘴與壁面開孔之間的相對負壓，水重新從壁面開孔射出，完成反循環流動。并且經可視化實驗結果分析，該反循環清潔工具尾部產生極為顯著的卷吸效應，卷吸段后部為一個紊亂流域，該紊亂流域還可在負壓清潔工具長期運行下將未卷吸進入工具而聚集在尾部的碎屑帶進吸入口。吸入口的速度表征外界流體及碎屑進入工具的速度，是評價反循環清潔工具清潔性能的一個重要指標，吸入口的吸入速度越大工具清潔效果越好。

1.3 清潔效果評估

將400 cm陶粒作為待清潔材料放入反循環清潔工具尾部，經過多次試驗，工具尾部有效清潔范圍主要集中于吸入口50～100 mm的流域內，測試時間內(4 min)對所放置陶粒的清潔效率可達75%～80%以上。經過觀察和分析，尾部渦旋卷吸流動能夠連續地將待清理物吸入，能夠保證長時間工作時的效果。工具清潔效果見圖5。

圖5 工具清潔效果

2 承壓實驗

選優承壓套管搭建反循環清潔工具承壓測試平臺，以獲取現有反循環清潔工具承壓工作時套管內的環空壓力分布，為探索不同流量、漏失量和圍壓對反循環清潔工具作業效率的影響提供定量數據支撐；同時，作為可視化無圍壓反循環清潔實驗的補充，通過對比相同流量和漏失量條件下承壓套管內的壓力分布和CFD數值計算結果中套管內的環空壓力分布狀況，對數值計算結果的可靠性進行驗證。

2.1 承壓實驗平臺搭建

承壓實驗期間清潔工具所處圍壓通過設置柱塞泵壓力和圍壓節流閥共同控制，由數字流量計監測漏失流量，并通過漏失量控制閥控制，承壓套管管壁上分布的壓力傳感器可測量并記錄所處位置套管內環空壓力的變化，實驗布置圖見圖6。

圖6 承壓實驗設備布置

2.2 套管環空壓力變化規律

海底油井清砂和打撈過程中，受深部井筒內水壓的影響，工具在高圍壓狀態下作業。為了在室內實驗過程中還原海底圍壓的工況，利用球閥和壓力表對套管內部圍壓進行實時調節，圍壓與排量穩定情況下通過傳感器實時獲取的環空壓力數據見圖7。

圖7 壓力實時監控數據

工具在存在水壓的套管內工作時，套管環空壓力見圖8。

圖8 環空壓力變化

環空中從入口至噴嘴前端圍壓為穩定相對低壓狀態，這部分流體流速也較為平穩；噴嘴處的環空壓力會因高速流體撞擊管壁而導致壓力驟增而失穩；從噴嘴至工具尾部環空圍壓穩定降低，并在工具尾部吸入口處達到最小值，這是由于吸入口對流體的卷吸作用和工具內部壓力驟減所造成的影響。由此可見，工具運行期間會對外部水壓產生規律性影響，進而影響其清潔性能。

3 數值模擬分析

3.1 控制方程

數值模擬采用ANSYS Fluent進行計算，其中涉及到的主要方程有連續性方程、動量方程和采用模型的輸運方程。

連續性方程即質量守恒方程，其在該數值模擬方法中表達為

(1)

式中：為密度；為時間；為速度矢量；為由其他項添加到連續項的質量。

數值模型動量方程為

(2)

采用可實現的-湍流模型，該模型中湍流動能及其耗散率的輸運方程為

+--+

(3)

(4)

3.2 計算模型簡化及邊界條件設置

根據反循環清潔工具實物結構建立三維物理模型，長5 422 mm、半徑57.4 mm,見圖9。

圖9 反循環清潔工具三維物理模型

為了保證數值模擬計算的穩定性和高效性，對實際工具的過濾篩管部分進行簡化處理，使用Space claim和Fluent軟件進行流道體積的提取以及網格的繪制。數值模擬的網格單元及邊界示意見圖10。采用多面體網格，網格單元總數為1 233 139。

圖10 數值模擬網格單元示意

數值模擬計算過程中，設置入口邊界為速度入口邊界，出口邊界為壓力出口邊界。邊界條件設置見表1。

表1 邊界條件

3.3 模型驗證

承壓套管實驗中因無法實時監測套管內部和工具內部的速度與壓力等指標，所以在套管外壁設置有6個壓力數據采集點，排水管路的壓力表用于監測套管內圍壓，另外5個壓力數據采集點為套管環空的典型壓力采集點，用于驗證數值模擬的可靠性。

相同工況下室內實驗和數值模擬獲得的壓力進行比較見圖11，忽略壓力傳感器系統誤差波動，對室內實驗監測數據取平均值即可得數值模擬獲取數據與室內實驗誤差約為1%，因此認為可以利用數值模擬得到的數據分析該工具運行狀態下的各項指標。

圖11 室內實驗與數值模擬套管環空壓力對比

3.4 工具性能分析

該工具清潔能力即吸入口吸入效率主要決定因素是工具內部所產生的壓差Δ，即工具尾部吸入口附近靜壓與工具內部噴嘴附近負壓區靜壓之差。

Δ=-

(5)

工具噴嘴附近的壓力數值模擬結果分析表明，工具內部局部負壓區在高速流體從噴嘴射出到工具外部開孔之間，主要是由于流體在噴嘴處加速引起的(圖12d)、e))，由于開孔尺寸約為噴嘴射流寬度的2倍左右，空腔內部流體在開孔附近會形成渦旋，使周圍壓力驟降以致影響噴嘴所處空腔總體壓力驟降形成負壓區，見圖12c)。

圖12 負壓區形成原理示意

不同的入口流量下工具內部產生的壓差不同，隨流量變化噴嘴附近負壓區產生的負壓差(-Δ)變化見圖13，可知隨著入口流量的增大，|Δ|增大。這是因為當入口流量增加時，噴嘴射流的速度也會相應呈比例增加，這時噴嘴射流與噴嘴所在腔室以及工具開孔附近之間的流體存在更大的速度差。這樣，不僅產生了更強的渦旋部分，而且使整個噴嘴所處腔室壓力總體急劇減小，形成更大的局部負壓。

圖13 工具負壓區隨入口流量的變化

擬合壓差與吸入速度發現，二者呈良好正相關關系(見圖14)，隨著入口流量的增大、|Δ|增大，工具內部流場的反循環速度會增大，最終影響到工具尾部的吸入口，使其吸入速度大幅提升(見圖15)，并且吸入口附近的尾端卷吸范圍也會增大，更有利于工具清理作業。

圖14 工具內外壓差與吸入速度擬合對比

圖15 工具吸入速度隨入口流量的變化

如圖16所示，在入口速度相同的條件下圍壓對壓差沒有影響，這是由于保持入口速度不變的情況下工具所處速度場沒有發生改變。因此，在入口速度相同的條件下工具所產生的吸入速度也不會發生改變，如圖17a)所示。在圍壓升高的同時，要保證相態的流量，必然要提高作業入口壓力(圖17b))，入口壓力與圍壓的同步提高維持了Δ的穩定，流場形態、吸入口速度也保持不變。實際應用中，隨著井深的增加(圍壓增加)，為保證清潔性能滿足要求，需提高泵壓以消除圍壓增加對吸入速度的削弱。

圖16 不同圍壓相同入口速度噴嘴處壓差對比

圖17 吸力速度及入口壓力與圍壓的關系

在油井清砂現場工作中，井筒漏失情況是影響油井清砂的難題，多種相似循環清理工具都無法完美適配存在漏失的井筒，模擬工具在尾部存在漏失與無漏失情況下工作效果的對比見圖18。如果井筒發生漏失，工具的清潔性能會有所降低，工具在有漏失的工況下吸入速度最多會較無漏失降低9%～14%。

圖18 有無漏失吸入速度與流量關系比較

如圖19a)b)所示，漏失有大量流體流失未參與卷吸進而改變工具尾端流場特征。如圖19c)d)所示，由于漏失口處壓力始終低于套管環空壓力，使工具與管壁之間的高速流體不僅受到吸入口卷吸的低壓進入吸入口，還會受到漏失口處的低壓而流向漏失口。隨著入口流速增大漏失口流速也將增大，漏失口處低壓區壓力降低，進而對吸入性能產生更大影響。在工程實際中由于難以對井筒漏失處進行填堵，為了達到清潔效果仍需增大泵注排量以獲得更高吸入速度。

圖19 有無漏失速度壓差對比

4 結論

1)反循環清潔工具利用射流高速噴射產生局部負壓，建立與工具底部吸入口附件的壓差卷吸打撈待清潔材料，清潔效率可達75%以上，實驗測試工況下最佳卷吸清潔范圍位于吸入口至后方50～100 mm處。

2)反循環清潔工具在外部高水壓環境下依舊能保證清潔能力，工具的吸入速度取決于工作時噴嘴射流在工具內部形成的負壓區與吸入口的壓力差，工具吸入速度以及工具內部所產生的壓差僅與入口流速有關，在高圍壓的情況下為了保證清潔效率需隨圍壓增大升高入口壓力。

3)管道漏失仍能夠建立局部的反循環達到清潔打撈的目的，但漏失的出現會改變工具內部及環空流場特征，隨著漏失量的增加，漏失口壓力降低使吸入速度降低，進而削弱清潔性能，因此，在實際工程應用中，面對漏失的出現需進一步提升泵壓，增加有效壓差以達到清潔的目的。