井下电视喷水驱污影响因素研究

刘明尧，张 岭，武育斌，杜常饶

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

在石油开采中，经过较长时间的开发生产，地层的流体场、压力场都会发生很大的变化，与新开发的油井相比，其地质条件较为多变。此外，井下环境恶劣，温度较高[1]，再加上采油过程中频繁的物理、化学开采措施以及修井施工等诸多因素的影响，使得井下情况十分复杂。井下石油套管的变形、穿孔、破裂、腐蚀[2-6]不断发生，因此造成的井下管道堵塞等情况时常发生。而大量井下事故的存在，严重影响了油井的正常生产，制约了油田的开采效率；油井井液浑浊，透光率极低，不利于常规井下电视技术的检测，因此探究井下电视喷水驱污的影响因素显得尤为重要。

20世纪90年代初期，DHV 公司开发出了“鹰眼”井下电视成像测井系统。“鹰眼”井下电视成像系统使用便捷、操作简单。“鹰眼”系统采用普通的铠装电缆，大大降低了井深的约束，迅速在测井领域占据一席之地，但“鹰眼”成像系统对井液要求高，测井前须彻底洗井，待油水分离后方可施工[7-10]。马安丽[11]介绍了全景式井下电视检测系统的工作原理、操作规程及在旧井修复中的应用情况进行论述分析,结论说明全景式井下电视检测系统为旧井修复提供了先进的手段,成倍地提高修井的成功率和效率,为单位创造了不菲的经济效益。2008年西安光学精密机械研究所研制了一套基于光纤传输的小型井下电视[12]，系统采用后端照明的方式，在井下微弱的光线下也能保证较高的图像清晰度。使用了光纤传输视频信号，克服了同轴电缆和双绞线在图像传输方面的缺点，且具备传输图像容量大、抗干扰能力强、保密性好，设备重量整体较轻等优点，采用了密封和高温保护等一系列措施，在井下复杂的环境下，仍然可以正常工作，此外小型化的结构设计也进一步提高了系统的便捷性。Jun-Hua[13]通过解决高温电阻、高压电阻、密封、远距离视频信号传输等关键技术问题，研制出了一种能够清晰显示井下情况的井下光学成像测井系统，解决了井下高温高压带来的系列问题。综上所述目前对于井下电视的研究主要围绕远距离成像、温度压力保护等方面，对井液的要求较高，笔者将喷水驱污和井下电视成像技术相结合，研究出一套依靠喷水驱污保证相机成像区域井液清晰的井下电视装置，大大降低了测井过程中对井液的要求，进一步扩大了井下电视的使用范围。

论文利用流体力学软件FLUENT，采用油井仿真场景中比较常见的RNGk-ε湍流模型[14-16]和封闭时均雷诺方程，对影响井下电视成像的影响因素进行三维不可压缩定常数值模拟，分析各个影响因素对流场的影响，研究喷水驱污装置的最佳设计参数。

1 井下电视及喷水驱污装置结构

1.1 井下电视总体方案

井下电视系统主要包含成像模块和喷水驱污模块。喷水驱污保证相机前方井液的透光率高，可以保证成像模块的清晰成像。井下电视装置外部的油管直径120 mm，喷口近似为一个半圆，喷口外侧所在圆的直径为60 mm，整个井下电视装置的外径为80 mm，如图1所示，其中包含8个喷口。

图1 井下电视和外部油管的三维几何模型

1.2 喷水驱污装置结构

喷水驱污装置由包含螺旋沟槽的内腔和空心圆柱组合而成，空心圆柱的内径与螺旋沟槽处的外径相同，两部分相互包裹形成整个喷水驱污装置。图2为喷水驱污装置的内腔结构，右侧为螺旋沟槽区域，沟槽均布在圆柱体的外表面。

图2 喷水驱污装置内腔结构图

1.3 喷水驱污效果评定

相机在整个井下电视的前端，前方井液的清晰度直接影响了相机的成像效果，相机的视角为70°，因此管壁到相机的成像路径可以看作一个锥形区域，在锥面的一条母线上等距选取6个观测点，从相机到油管壁依次从1到6，如图3所示。依据这6个点处水的体积分数来评定喷水驱污的效果。

图3 包含观测点的仿真模型

2 仿真方法及结果分析

2.1 仿真方法

仿真模型一般由较为简单的结构组成，为了网格划分的方便，一般会采用分割法对仿真模型进行处理，如图4所示。将模型从A1-A2处截断，为提高计算精度，对喷口部分进行局部加密处理。喷口处的边界条件为速度入口，在出口处为了更好地模拟真实环境，选择了自由出口。模型网格数经过相关性检查，当计算观测点处水的清晰度的变化小于1%时认为达到了网格无关化要求，最后整个井下电视仿真模型的网格总数为298 252个，该网格对于井下电视内部宏观流动的捕捉已经足够，Element Quality均大于0.72，网格质量较好。

图4 井下电视系统仿真模型网格信息

2.2 相同流速不同喷射角度下的流场分析

2.2.1 不同角度观测点水的体积分数分析

对不同的喷射角度进行瞬态数值模拟分析，可以得到6个观测点在不同时刻所有角度水的体积分数，如图5所示。

随着角度增大，6个观测点处水的清晰度也逐渐下降，喷射角度为25°时，水的清晰度最高，在第1 s就达到了85.5%以上，在第2 s达到了92.2%以上，基本满足了相机成像的需求，随着仿真时间的增加，角度的变化对观测点清晰度的影响逐渐减小，第5 s后观测点处水的体积分数虽然依旧存在波动，但不同角度差距不大。以上现象基本符合事实，随着仿真时间的增加，大量的清水进入油管内，水的体积分数自然会逐渐增大，不同角度的差别也会逐渐缩小，喷射角度为25°时，喷口喷出水的轨迹面和观测点所在的锥面重合度较高，因此会出现区别于其它角度的效果。

2.2.2 关键角度流场分析

相机的成像视角为70°，将观测点所在的直线沿Z轴旋转360°可以得到一个观测面，观测面上水体积分数的大小决定了相机的成像效果，图6为喷射夹度为22°、25°、30°时，观测面处水的体积分数。

图5 不同时刻不同角度观测点处水的体积分数

图6 不同喷射角在1 s时刻观测面处水的体积分数

图6展示了几个不同角度在瞬态数值模拟1 s时刻观测面水的体积分数，从图6中可以直观的看出，在观测面上距离相机越近，水的体积分数越低，3个喷射角度中，25°时刻整体上水的体积分数都较好。此现象也符合实际，8个喷口是均布在相机周围的。在漩涡的中心，水的流速较小，越远离相机，水的流速越大，流速大的水会带走更多浑浊的油水混合物。

2.3 相同喷射角度不同流速下的流场分析

在相同的喷射角度下流速不同时，外界流场也会有较大的不同，图7展示了相同喷口的情况下，不同流速驱污效果对比图，图7(a)～图7(c)依次为第1 s、第2 s和第3 s时6个观测点不同喷射流速的对比图。

图7 不同流速对成像区水的体积分数的影响

当喷口处流速增大时，单位时间内流出的高压水量将变大，从图7中可知，冲洗相同的时间，随着喷口处水的流速增大，相机前方成像区域水的体积分数逐渐增大，当流速从10 m/s增加到40 m/s时，水的体积分数变化较大，当流速再次增加时，水的体积分数增加不如之前的明显，随着流速增大，水的体积分数的增速逐渐放缓。流速大于40 m/s，2 s内相机前方水的体积分数就可以达到80%以上，可以满足普通的拍摄需求。如果对时间要求不高，则可以选择较小的流速。以上的现象也符合理论的要求，随着流速的增大，水的体积分数不可能保持原来的增速持续增大。

2.4 喷口数量对流场的影响

在相机的成像视角为70°时，将观测点所在的直线沿Z轴旋转360°可以得到一个锥形观测面，从Z 轴正半轴观察管侧面上水的体积分数云图，图8为不同喷口数量在步长为第2 s时刻水的体积分数云图。

图8 不同喷口数量在第2 s时刻水的体积分数的云图

随着喷口数量的增加，相同位置处水的体积分数逐渐增大。喷口数量较少时，流场相对混乱，两个喷口中间所处的区域水的体积分数较低，虽然会随着时间增大该部分水占的体积分数有所增大，但是在相邻区域水的体积分数依然存在大的突变。保证出口流速不变的情况下，增加出口数量也可以大大提高效率，在第2 s时，4个喷口的工况下，观测面上水的体积分数的最小值在0.7左右，而8个喷口的工况下，观测面上水的体积分数的最小值在0.85左右，8个喷口的情况明显优于4个喷口的情况。

3 结论

随着喷口喷射角度的增加，相机前方区域水的体积分数逐渐减小，但在25°存在极值。

相同喷射角度下，随着喷口喷射速度的提高，相机前方区域水的体积分数也逐渐增大，但增大的幅度逐渐减小，可以根据工程的要求选择合适的喷射速度。

在总流量不变的情况下，随着喷口数量的增加，相机前方区域水的体积分数也逐渐增大，当喷口数量较少时，流场相对比较混乱，效果较差。