随钻堵漏工具旋流喷嘴优化设计

赵常举 郝宙正 陈培亮 刘禹铭 魏 来 李潇洋

1. 中国石化西北局油田分公司, 新疆 乌鲁木齐 830001;2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司, 天津 300452

0 前言

在钻井过程中,由于井下复杂情况的不可预见性和突发性,难免会发生钻井液、水泥浆等工作流体在压差作用下漏入地层即井漏的复杂现象[1-4]。出现井漏不仅会影响钻井速度,还可能会引起卡钻、井眼坍塌等重大钻井事故[5-8],造成不必要的经济损失。

停钻堵漏和随钻堵漏是通常采用的两种堵漏方式。前者是停止钻井施工专门实施堵漏措施,这种方式在理论上可以应对所有的井漏问题,但停工堵漏会增加施工周期;后者是钻井施工与防漏补漏措施同时进行,缩短了钻井周期,是目前处理渗透性漏失和中小型裂缝性漏失采用的主要堵漏方式。随钻堵漏技术可分为化学法随钻堵漏和物理法随钻堵漏,前者从钻井液配方、堵漏材料的角度出发[9-12],后者从钻井工具角度出发进行研究。国内已有大量学者对物理法随钻堵漏的机理进行了研究[13-17],但对随钻堵漏工具旋流喷嘴结构参数的研究较少。

王慧艺通过分析旋转射流钻头的内流场,证明了圆柱形叶轮不存在既无径向流又等旋度的叶轮参数,并运用翼型绕流理论,推导出了叶片长度、半径、叶片安放角等参数与射流喷嘴直径、扩散角、旋度之间的关系式,为叶轮的设计提供了一定的参考价值[18]。程仲以Realizable k-ε湍流模型为基础,根据计算流体动力学理论建立了在旋转射流作用下环空流场的数学模型,模拟结果为物理法随钻防漏堵漏钻井水力参数设计、井底水力能量分配提供了一定的理论依据[19]。王春晓利用COMSOL软件分析了叶片数、喷嘴出口直径等结构参数对侧向旋转射流的影响,但未进一步详细考虑旋流喷嘴其他结构相关参数的影响[20]。

目前,物理法随钻堵漏技术的研究仍处于起步阶段,旋流喷嘴的相关结构参数对随钻堵漏工具性能的影响和规律研究鲜有涉及。现有少部分学者对旋流喷嘴的叶片数、出口直径以及安装角度进行过简单的数值仿真和实验研究,但均没有详细考虑叶片结构多个相关参数之间的影响及其规律性。

1 数学模型

任何物理现象均受到物理学中质量、动量和能量守恒定律的支配,流体流动用数学表达式描述这些守恒定律的方程分别称为连续性方程、动量方程和能量方程。在计算流体力学中,这三大方程的基本控制方程如下:

(1)

式中:t为时间变量,s;ρ为密度,kg/m3;φ为通用变量,可以代表速度分量u、v、w等求解变量,m/s;V为速度矢量,m/s;Г为广义扩散系数;S为广义源项。式(1)各项分别对应于瞬态项、对流项、扩散项和源项。

数值模拟时必须选择合适的湍流输运方程。Reynolds平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。Realizable k-ε湍流模型对强旋流动的计算相较于其他几种模型有较高的精度,本文采用Realizable k-ε湍流模型进行数值计算,针对物体壁面问题采用标准壁面函数进行处理。

2 数值计算模型

2.1 几何模型、计算区域及边界条件

旋流喷嘴安装在钻头与钻铤之间,是随钻堵漏工具最为主要的特征之一。在钻遇漏失地层时,旋流喷嘴会及时喷射出堵漏钻井液形成旋转射流,填补漏失地层中的裂缝和孔道,堵漏钻井液中的堵漏材料颗粒会在漏失地层的井壁处形成一个能抗压的环形区域,在钻井和固井过程中可实现防漏堵漏,更好地保护油气层。图1给出了随钻堵漏工具侧向旋流喷嘴的结构示意图,主要由直管段、加旋段、锥形收缩段和圆柱出口段四部分组成,直管段长20 mm,加旋段到出口的长度为40 mm,旋流喷嘴的内径为25 mm。L代表旋转叶片的导程,N代表叶片数,D代表喷嘴出口直径。一般以旋度评价旋转射流的流场特性,旋度与导向叶片的导程、叶片数以及出口直径相关,因此本文研究旋流喷嘴导向叶片导程L、叶片数N以及出口直径D对随钻堵漏工具性能的影响,旋流喷嘴的相关参数见表1。

图1 随钻堵漏工具旋流喷嘴结构图Fig.1 Structure of swirling nozzle of plugging tool while drilling

为了考虑旋转射流的气流分布特性,在喷嘴出口端建立一个长方形的环空区域,宽度为40 mm。实际环空钻井液的上返速度一般为1.0～1.5 m/s,在钻井过程中,随钻堵漏工具相对于井壁向下移动,在数值模拟时必须考虑这种相对状态,因此环空区域下端面入口设置为速度入口,大小为2.0 m/s,环空计算区域上端面设为压力出口。旋转射流考虑成不可压缩黏性流动,选用Realizable k-ε湍流模型进行求解计算。边界条件设置为:旋流喷嘴入口分流量为0.24 m3/min,喷嘴端面面积为452 mm2,对应的入口流速为10.32 m/s。

表1 不同结构旋流喷嘴相关参数表

Tab.1 Relevant parameters of swirling nozzles with different structures

编号叶片导程L/mm叶片数N出口直径D/mm编号叶片导程L/mm叶片数N出口直径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 网格划分

网格划分选用四面体以及五面体的混合单元类型,分别对前面创建的计算区域进行网格离散,表面网格最大尺寸为4 mm,最小尺寸为0.5 mm。为了准确模拟随钻堵漏工具旋流喷嘴壁面附近的附面层的流动,划分了较为详细的边界层,边界层第一层高度为0.1 mm,增长率为1.1,共计12层,网格划分总数为 1 200 万,见图2。

a)表面网格a)Surface mesh

b)边界层网格b)Boundary layer grid

3 计算结果

在下文中,对旋流喷嘴的旋转射流流场进行分析,对比研究了叶片导程、叶片数以及喷嘴出口直径对随钻堵漏工具旋流喷嘴性能的影响。

3.1 导程

图3给出了旋流喷嘴内部三维流场的速度分布情况。由图3可知,流体经过加旋段后,速度有显著提升,之后经过锥形收缩段,流速进一步增大,最后由喷嘴喷射出去,加旋段以及锥形收缩段对高速旋转射流的形成至关重要。

图4给出了部分不同叶片导程工况下,旋流喷嘴纵向中心截面的速度分布云图。对比图4-a)、b)可得,入口来流被叶轮引导做旋转运动,在旋流喷嘴叶片数和喷嘴出口直径不变的情况下,叶片导程越小,流体做旋转流动越强,但是旋转射流出口中心区域的流速较低。

图3 旋流喷嘴内部三维速度分布图Fig.3 Three-dimensional velocity distribution of inside swirling nozzle

a)L 16-2-D 10

b)L 20-2-D 10

图5给出了喷距为25.4 mm时,旋转射流喷射在环空区域横截面上的速度分布情况。由图5可知,导程的减小虽然导致了旋转射流速度幅值的增加,但由于离心力的作用,射流外侧区域的速度较高而中心区域的速度较低,导致截面中心区域的补漏效果较差。因此,叶片导程过大过小均不利于防漏堵漏。

图6给出了旋流喷嘴不同叶片导程工况下,旋转射流在环空中的速度衰减规律。由图6可知,射流速度衰减规律较为一致,随着叶片导程的增加,射流速度幅值有所减小,叶片导程越大,射流的流速衰减更快。因此,叶片导程越小越有利于提高旋转射流的速度。

图5 不同叶片导程喷嘴环空截面速度分布图(喷距25.4 mm)Fig.5 Velocity distribution of annulus section of nozzle with different blade leads(standoff distance 25.4 mm)

图6 导程对旋转射流速度的影响图Fig.6 The effect of lead on the rotational jet velocity

3.2 叶片数

图7给出了部分不同叶片数工况下,旋流喷嘴纵向中心截面的速度分布图，图8给出了喷距为25.4 mm时,旋转射流喷射在环空区域横截面上的速度分布。对比可得,旋流喷嘴叶片导程以及喷嘴出口直径不变的情况下,叶片数量越多,旋流喷嘴出口射流流速越大且出口射流扩散角越大。叶片数的增加,入口来流经过加旋段时会被分成几股流体分别加速,相较于少叶片数而言,叶片数多时更多的流体得到加速,叶轮的导流能力得到明显的增强,导流效果更加突出,并且从旋流喷嘴喷射出的流体扩散角更大。

图9给出了旋流喷嘴不同叶片数工况下,旋转射流在环空中的速度衰减规律。由图9可知,叶片数的增加在一定程度上增大了旋转射流的流速,因此在满足结构设计要求下,叶片数越多越利于防漏堵漏,但是叶片数对于旋转射流的流速影响小于叶片导程的影响。

a)L 20-2-D 8

b)L 20-3-D 8

图8 不同叶片数喷嘴环截面速度分布图(喷距25.4 mm)Fig.8 Velocity distribution of annulus section of nozzle with different blade number(standoff distance 25.4 mm)

图9 叶片数对旋转射流速度的影响图Fig.9 The effect of the number of blades on the rotational jet velocity

3.3 出口直径

图10给出了不同出口直径工况下旋流喷嘴纵向中心截面的速度分布云图，图11给出了喷距为25.4 mm时旋转射流喷射在环空区域横截面上的速度分布。由图10～11可知,叶轮出口直径对旋流喷嘴的性能有较大的影响,旋流喷嘴其他参数不变,出口直径越小旋转射流速度越大;喷嘴出口直径为10 mm时的扩散角比出口直径为8 mm时更大,但是旋转射流的流速更低。在流量一定的前提下,出口直径决定了出口截面积,出口面积越大,流体流速越低。因此,在满足防堵防漏速度的前提下,出口直径越大射流的扩散角越大,井壁上的射流面积越大,更利于防堵防漏。旋流喷嘴出口直径过大或过小均不利于防堵防漏,出口直径过小导致射流覆盖面积较小,出口直径过大导致截面部分区域流速较低防漏堵漏效果较差。

a)L 16-2-D 8

图11 不同喷嘴出口直径环空截面速度分布图(喷距25.4 mm)Fig.11 Velocity distribution of annulus section with different nozzle outlet diameters(standoff distance 25.4 mm)

4 结论

1)旋流喷嘴的性能与其结构的相关参数密切相关,受喷嘴出口直径的影响最大,其次为叶片数和叶片导程的影响。

2)叶片导程过大会导致旋转射流的速度较低,过小将导致射流喷射截面的速度分布不均匀,中心区域的速度较低,在满足旋转射流速度的前提下,可以适当增大叶片导程,旋转射流封堵更均匀。

3)在满足结构设计的前提下,叶片数越多,叶轮的导流能力越强,入口来流的导流效果越好,旋转射流喷射的封堵面积越大;出口直径对旋流喷嘴的性能影响较大,喷嘴出口直径过小导致封堵面积较小,出口直径过大导致旋转射流的速度较低,封堵效果变差,在满足速度要求下,增大出口直径有利于防漏堵漏。