局部反循环打捞装置数值模拟

王春生 何振楠 徐玉建 杨富祥

摘要：為了明确常规局部反循环洗井装置在井下形成反循环的机理及其目前洗井效果不理想的原因，解决其在应用过程中碎屑提取率低的问题，采用计算流体力学方法，建立该装置洗井作业时的孔底固液两相流场计算模型，分析液相洗井介质在冲洗碎屑过程中的压力场、速度场分布及湍流特征。模拟计算得出：液相洗井介质的压力、流速及湍动能耗散主要发生在进入孔底流场前的两次出水孔换向过程中，导致其对孔底中部的碎屑冲洗能力不足，部分碎屑滞留在孔底中部。为改善反循环洗井装置的洗井效果，可改进下出水孔的结构，将下出水孔位置适当下移或缩小下出水孔直径，通过增大孔底处洗井介质流速来提升其对碎屑的携带能力。研究结果可为局部反循环打捞装置的优化设计提供参考。

关键词：计算流体力学;反循环洗井;数值模拟;固液两相流;碎屑提取率

中图分类号：TE925.1 文献标志码：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

反循环洗井打捞技术是在反循环钻探取样技术的基础上发展而来的，根据反循环工作方式不同又细化出局部反循环洗井方式。局部反循环技术的特点在于其能够在井下改变洗井介质的循环方式[1-2]。局部反循环打捞装置的研制是为解决漏失井所存在的洗井困难问题，但在应用中发现，该装置存在反循环能力不足、碎屑采取率低等问题[3]。因此，正确分析其在洗井作业时孔底流场流态分布特征及洗井介质湍动能的变化规律，对解决该问题显得尤为重要。

针对上述问题，本文基于局部反循环洗井装置的结构，利用SolidWorks软件建立该装置的三维模型，运用Fluent前处理器ICEM对输出的构造模型进行网格划分，利用Fluent 3D单精度求解器对网格进行計算，分析液相洗井介质在冲洗碎屑过程中压力场、速度场分布及湍流特征，明确该装置的反循环机理以及应用过程中产生反循环能力不足、碎屑采取能力不佳等现象的原因。随后对增大流速、减小孔底固相碎屑浓度的工况进行模拟，并与正常工况模拟结果进行对比，为局部反循环打捞装置优化设计提供参考。

1结构分析及模型建立

常规的反循环打捞装置设有入水口、出水口及冲洗口3种流动通道，用于改变洗井液在井下的循环方式，具体结构如图1所示[4]。当洗井介质进入该装置时，由挡水板上部入水口进入装置内外筒之间的环空内，随后经冲洗口射流进入装置与井壁之间的环空，并在孔底形成反循环，使孔底碎屑随洗井介质穿过活页总成进入装置内筒处的沉淀管中[5]。在沉淀管与装置中部出水口之间设有过滤网，当岩屑溢出沉淀管时，过滤网能够防止其穿过中部出水口重新流回井底空间。进入内筒的洗井介质通过装置中部出水口再次进入装置与井壁之间的环空，一部分会上返到地面，另一部分与装置下部冲洗口射流出的洗井介质一起进入孔底继续进行反循环作业。

考虑到局部反循环打捞装置结构的复杂性，建模过程中，在不影响流场的前提下忽略活页总成部分以及装置内筒中的沉淀管，计算模型如图2所示。该打捞装置具体的几何参数如下：井孔直径为124 mm;装置外筒直径为114 mm;装置内筒直径为84 mm;在装置内筒体上部设置6组均角度分布直径为6 mm的上喷孔，喷孔中轴线与装置中轴线呈45°;在外筒下部设置6组均角度分布的下喷孔，喷孔直径及角度与上喷孔相同;在装置中部设置2组中部喷孔，喷孔直径为10 mm，喷孔中轴线与装置中轴线垂直。在装置和井底之间留出10 mm高度作为岩屑放置空间，流体域模型高度为300 mm。

2局部反循环打捞装置孔底流场数值模拟

2.1液相数学模型与算法

考虑到反循环装置进行洗井作业时孔底内部流场较复杂，在数值计算中作如下假设[6-8]：

1）假设液相洗井介质在装置及孔底的流动为连续流动，视洗井介质为不可压缩流体。假设流动中无热量交换，忽略温度变化的影响。

2）孔底岩屑为粒径尺寸均匀的球形颗粒，初始径向、轴向及切向速度均为零，并假设固液相之间不存在相变现象及空化现象，在此理想状态下，对该装置洗井作业时孔底固液两相流场进行模拟计算。

在模拟装置孔底流场的固液两相流动时采用混合物模型，求解混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相[9]。在忽略能量方程的假设下，孔底流场的控制方程主要包括连续性方程和动量方程[10-11]。由于装置在井下作业时内部流场存在强烈的湍流流动，故在数值模拟时采用RNG k-ε模型[12-13]。该模型考虑了湍流漩涡并对湍流黏度进行修正，在有效改善精度的同时在耗散率方程中增加了能够反映时均应变率的参数，使得该模型适用范围更加广泛且具有更高的精度[9]。

2.2颗粒相数学模型

由于反循环洗井打捞装置的孔底流场中固相岩屑颗粒浓度较低，颗粒的运动主要由流场内湍流决定，所以可以忽略颗粒间的碰撞[13]。井底岩屑在流场中受到的相间作用力包括曳力、压力梯度力、虚拟质量力、Magnus力、Saffman升力以及Basset力等，在忽略颗粒碰撞的情况下，颗粒相的运动遵循牛顿第二定律[14]：mpdupdt=∑F。（1）式中：mp为颗粒质量，g;up为颗粒速度矢量，m/s;∑F为颗粒所受外力之和，N。

洗井过程中孔底流场中的固相颗粒运动主要由流场内的湍流决定，湍流的存在会使颗粒的运动存在脉动，忽略湍流扩散会造成颗粒轨迹计算结果不准确，通过将湍流脉动速度引入流体平均速度中，得到流体瞬时速度[15]：u=+u′。       （2）式中：为平均速度，m/s;u′为湍流脉动速度，m/s。

由此可得到颗粒随机轨道模型，如式（3）所示：

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

式中：，，分别为气相流体时均速度在x，y，z方向上的分量;u′，v′，w′为气体脉动速度在3个方向上的分量;upx，upy，upz分别为固相颗粒速度在3个方向上的分量;τp为颗粒的松弛时间[13]。

2.3网格划分与边界条件设置

由于孔底流场结构的复杂性，因此在进行流体域网格划分时采用有限体积法生成非结构化网格，流体域网格如图3所示。采用瞬态模型进行模拟计算，设置y方向重力加速度值为-9.81 m/s2，多相流模型采用欧拉模型。采用液、固两相流体，将冲洗介质水设置为主相，设置固相颗粒直径为0.01 m，密度为2 600 kg/m3。将装置上接头设置为速度入口边界，流速为5 m/s，将装置与井壁之间的环空设置为压力出口边界。将井底碎屑设置在装置与井底之间预留空间处，碎屑的体积分数为70%，碎屑分布如图4所示。

2.4孔底流場数值模拟及结果分析

采用瞬态模型对孔底流场进行数值模拟，通过对比分析不同时步下流场内颗粒分布情况，明确该装置反循环机理。从图5中可以看出，洗井介质从下出水口射入装置底部，沿装置内壁冲洗装置底部聚集的碎屑，固相颗粒受洗井介质的携带作用，沿装置中通部分向沉淀管运动。当冲洗介质到达孔底中部时，能量会损失一部分，位于孔底中心处的岩屑受到的举升力小于孔底外侧的碎屑，导致洗井过程中此处存在少量无法洗出的碎屑，故假设洗井时碎屑所存在的“死区”为孔底中心部分。

洗井装置中液相压力场分布如图6所示。从图6 a）中可以看出，液相介质在上、下出水孔处存在一定的压力消耗。如图6 b）所示，当洗井介质经过装置上接口到达挡水板处时会产生回流现象，回流的液体会对进入上出水孔的液体产生阻碍作用，故由于装置结构原因洗井介质会在上出水孔处损失一部分的压力。如图6 c）所示，当洗井介质由装置内外筒之间的环空穿过下出水孔进入装置内外壁之间环空时，压力会进一步损失，故洗井介质流至孔底中部时因能量不足无法将位于此处的岩屑全部洗出，导致在孔底中部存在岩屑遗留问题。

洗井装置流体域速度场分布图见图7。如图7 a）所示，液体的速度变化主要出现在上、下出水孔处，而在其余位置变化不明显。由于下出水孔是该装置在孔底形成反循环的主要结构，故对下出水孔进行着重分析。由图7 b）下出水孔局部放大图可以看出，在洗井介质由装置内外筒之间环空经下出水孔进入到装置与井壁之间环空的过程中，由于井壁的阻挡部分介质会形成上返流，该上返流的存在也是造成局部反循环洗井装置洗井效果不佳的原因。

不同时步下液相洗井介质的湍动能等值线分布如图8所示。在液体由下出水孔进入到装置外壁和井壁之间的环空过程以及流入孔底的过程中时，湍动能由于液体的压缩和流向的改变产生局部升高的现象。当洗井介质流入孔底与孔底岩屑接触时，液相的湍动能主要沿装置中通部分内壁向上移动，而在孔底中部位置湍动能能量很低，导致孔底中心处碎屑随液相洗井介质上返至沉淀管的能量不足，从而在孔底中部形成碎屑“死区”。

为验证分析的合理性，将洗井介质流速改为10 m/s，设置孔底岩屑的体积分数为50%，改变工况进行数值模拟。不同时步下固相颗粒分布等值线如图9所示，在增大流速、减小孔底固相碎屑后，孔底中部遗留岩屑与之前相比相对较少，但仍存在少量无法洗出的碎屑。为证实之前的分析，数值模拟时采用的液体流速已经接近油田所用的最大流速，并且在原模型的基础上减少了固相颗粒浓度，在此工况下，孔底中心部位仍然存在少量碎屑残留，因此可以确定在反循环洗井装置实际应用过程中存在碎屑遗留问题的原因是在孔底的中心部位存在碎屑“死区”。

3结论

1）常规应用的局部反循环装置在进行洗井作业时，洗井介质在由上接口到达孔底的过程中能量损耗较大，使得洗井介质对孔底中心处碎屑的举升力大大降低，最终在该处形成碎屑“死区”。在模拟过程中设置的孔底碎屑为粒径尺寸均匀的球形颗粒，若孔底中心部位存在粒径较大的碎屑，碎屑遗留问题会更加严重。

2）在反循环洗井过程中，洗井介质经下出水孔射流到装置外壁与井壁之间的环空内时，由于井壁的阻挡作用会在该处产生局部上返流，该现象会削弱洗井介质在井底形成反循环的能力。为防止该现象的产生，可在下出水孔上部设置封隔器。

3）增大流速能够提高洗井介质对孔底中心处岩屑的携带能力，从而改善反循环洗井装置的洗井效果。下喷孔到孔底的距离会增大湍动能的损耗，所以在局部反循环打捞装置优化设计中，可以将下喷孔适当下移或缩小喷孔直径，增大洗井介质进入孔底处的射流速度，从而增强装置的反循环能力，提升液相介质对井底碎屑的携带能力。

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