鹽穴儲氣庫底部碎屑旋轉射流沖洗數值模擬

宋先知李根生王海柱丁國生田守嶒

1.油氣資源與探測國家重點實驗室·中國石油大學(北京) 2.中國石油勘探開發科學研究院廊坊分院

鹽穴儲氣庫底部碎屑旋轉射流沖洗數值模擬

宋先知1李根生1王海柱1丁國生2田守嶒1

1.油氣資源與探測國家重點實驗室·中國石油大學(北京) 2.中國石油勘探開發科學研究院廊坊分院

宋先知等.鹽穴儲氣庫底部碎屑旋轉射流沖洗數值模擬.天然氣工業,2010,30(8):83-86.

在地下鹽穴儲氣庫多夾層巖鹽水溶造腔過程中,不溶于水的夾層碎屑極易在鹽穴腔底過量沉積,引起有效造腔體積減小、造腔速度降低,從而影響儲氣庫造腔的質量和進度。為此,提出了高壓旋轉水射流沖洗碎屑的新方法,闡述了通過射流沖擊作用和旋流作用,完成高效沖洗腔底碎屑的工作原理;根據多相流理論,建立了旋轉射流沖洗碎屑數學模型,數值模擬研究了排量、顆粒直徑和工具轉速等參數對碎屑沖洗效率的影響規律。模擬結果表明:排量和顆粒直徑是影響碎屑沖洗效率的重要因素,沖洗效率隨著排量的增大而顯著提高,隨著顆粒直徑的增大而明顯降低;在一定條件下,存在最優工具轉速,但隨著顆粒直徑的增大,工具轉速對沖洗效率的影響逐漸降低。旋轉射流法沖洗鹽穴腔底碎屑能夠有效提高碎屑沖洗效率,該方法為我國多夾層巖鹽的快速、優質和安全造腔作業提供了一條新途徑。

旋轉射流 地下儲氣庫 多夾層巖鹽 水溶造腔 碎屑沉積 碎屑沖洗 數學模型

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.08.022

地下鹽穴儲氣庫是“西氣東輸”工程的配套設施,與天然氣管網一起實現向用戶安全平穩供氣[125]。我國鹽礦鹽巖層具有鹽巖分層多、單層厚度薄和鹽巖體中一般含有夾層的特點[6]。在造腔過程中,這些夾層主要通過鹽腔壁面循環流體的剪切作用和溶解作用來破碎,會產生大量不溶于水的碎屑顆粒,在常規水溶造腔工藝中,只有部分細小的顆粒能夠在循環流體的作用下運移至地面,而大部分碎屑都會沉積在鹽腔底部[7]。當巖鹽中夾層較多時,碎屑在腔底的沉積會減小有效造腔體積,降低造腔速度;沉積嚴重時,為了保證溶腔速度和腔體尺寸,不得不將注水管柱上移,從而影響鹽腔形狀和造腔計劃。為此,提出了旋轉射流沖洗腔底碎屑方法,根據射流沖擊作用和腔內流體的旋流作用,有效清洗腔底碎屑,為我國多夾層鹽穴儲氣庫造腔提供了一種新方法。

1 旋轉射流沖洗腔底碎屑方法

利用高壓水射流技術和旋轉控制技術,設計研制了旋轉射流沖洗工具,圖1為工具在腔內的作業示意圖。該工具用油管送至井下造腔段,由地面高壓泵車打壓,將清水通過油管、單向閥、過濾器和旋轉控制器后進入旋轉噴頭,產生多股高壓水射流,在腔內進行沖洗作業,同時,通過沖洗管柱在腔內的上下移動,達到充分沖洗腔底碎屑和快速造腔的目的。

圖1 鹽腔底部殘渣射流沖洗工藝示意圖

常規射流造腔工具僅在旋轉噴頭上布置了4個側向噴嘴,在此基礎上進行了改進,增加了1個垂直向下和2個45°斜向下的噴嘴。造腔過程中,在徑向射流產生的旋轉扭矩作用下,噴頭帶動7股高壓水射流沿垂向軸線旋轉,在腔內產生強旋流場。對于直接從夾層處脫落的不溶性碎屑,旋流效應可直接將其懸浮于循環流體當中,并被流體攜帶出腔體。同時,在3股向下射流的旋轉沖擊和攪拌作用下,沉積在腔底的碎屑重新懸浮到循環流體中,借助于腔內流體的旋流作用,被流體攜帶至地面。因此,旋轉射流沖洗工具可有效懸浮攜帶夾層碎屑,防止其在腔底大量沉積,保證多夾層巖鹽造腔工程的安全、優質、高效。

2 旋轉射流數學模型

為了研究旋轉射流沖洗工具在腔內產生的旋流場和沖洗碎屑效果,根據歐拉雙流體模型建立了描述旋轉射流沖洗腔底碎屑過程的數學模型[8]。

2.1 質量守恒方程

不考慮相間的質量傳遞,連續性方程為:

式中αk為k相的體積分數;ρk為k相的密度;?υk為k相的速度。

2.2 動量守恒方程

2.3 壓力應變張量

式中λk為相的體積;μk是k相的剪切黏度。

2.4 液固動量交換系數

3 數值模擬及分析

3.1 模擬方案

結合現場實際和計算條件,忽略了水溶造腔形態和尺寸變化對碎屑沖洗效率的影響,用直徑2 m、高5 m的圓柱形模型來模擬造腔初期的鹽腔形態,見圖2。模擬造腔管柱采用直徑分別為177.8 mm造腔外管和114.3 mm造腔內管的常用組合,邊界條件為速度入口邊界、壓力出口邊界和固壁無滑移邊界條件,模擬井深為1 000 m,噴嘴組合為7×6 mm,噴頭轉速為60～120 r/min,排量為35～60 m3/h,碎屑顆粒直徑為0.1～1.0 mm,碎屑的最大沉積體積分數為63%。網格化分采用結構和非結構相結合的方式,為了模擬高壓水射流在腔內的旋轉運動,在射流高速旋轉區采用了旋轉參考坐標系,并對該區域進行了網格加密,整個幾何模型共劃分45.38×104個網格單元。

圖2 模擬鹽腔結構示意圖

3.2 模擬結果分析

3.2.1 旋轉射流作用機理

旋轉射流工具在沖洗作業時,帶動7股高壓水射流在鹽腔內進行旋轉沖擊,擴大了流體的作用范圍,強化了腔內流體的對流循環作用,改變流體的流態,使得循環流體的作用效果明顯加強。圖3是排量為50 m3/h、噴頭轉速為100 r/min時腔內射流運動軌跡示意圖,由圖3可知,在旋轉射流的作用下腔內流體產生了旋流場,其中工具附近流體的旋流效應最明顯。圖4為排量42.7 m3/h、噴頭轉速60 r/min及粒徑0.1 mm條件下鹽腔內流體周向速度分布云圖。如圖4所示,隨著徑向距離的增加,流體周向速度逐漸增大,在靠近鹽腔壁面處達到最大值,在本條件下,腔內流體最大周向速度為2.5 m/s。旋轉射流產生的旋流場能夠有效改變腔內流體的速度分布和濃度分布,強化鹽腔壁面質量交換過程,從而提高鹽穴儲氣庫的造腔速度,同時,這種旋流效應還可提高懸浮運移夾層碎屑的能力,防止其在腔底過量沉積。

圖3 鹽腔內射流運動軌跡圖

圖4 鹽腔內流體周向速度云圖

3.2.2 沖洗效率影響規律分析

圖5 不同時間鹽腔內殘渣體積分數云圖對比分析圖

圖5為排量50.0 m3/h、噴頭轉速80 r/min及粒徑0.1 mm條件下的腔內碎屑體積分數分布云圖。由圖5可知,隨著時間的增加,腔底堆積的碎屑體積顯著減少,碎屑逐步擴散到整個腔體空間,其體積濃度呈由上到下逐漸增大的非均勻性分布。同時,懸浮到流體中的碎屑顆粒被循環流體逐步攜帶出腔體,在本模擬條件下,當作業時間達到500 s后,腔內僅剩少量碎屑聚集在腔底,其余大部分碎屑都被流體攜至地面。

圖6為碎屑粒徑為0.1 mm、工具轉速為60 r/min時,不同排量條件下腔內剩余碎屑體積隨時間的變化規律圖。由圖6可知,隨著作業時間的增加,腔內碎屑體積逐漸減少,且減少的速率逐漸降低。在相同作業時間內,排量越大,腔內剩余碎屑越少,沖洗效率也越高。排量為57.0 m3/h時,沖洗10 min即可沖洗出80%的碎屑顆粒。

圖6 腔內殘渣沖洗效率隨時間的變化規律圖

碎屑顆粒直徑亦是影響沖洗效率的重要因素之一。圖7為排量50 m3/h、沖洗10 min后的碎屑沖洗效率與顆粒直徑的關系。由圖7可知,粒徑對碎屑沖洗效率的影響很大,隨著顆粒直徑的增大,碎屑沖洗效率迅速降低,當碎屑顆粒直徑大于0.7 mm時,沖洗效率僅達到5%,很難有效將其沖洗出腔體,此時,只能通過移動管柱和增大排量的方式提高碎屑沖洗效率。

圖7 殘渣沖洗效率隨顆粒直徑的變化規律圖

從圖7還可看出,當顆粒直徑較小時,工具轉速對沖洗效率還有一定影響。在本模擬條件下,當工具轉速為80 r/min時,沖洗效果最好;但隨著顆粒直徑的增大,這種影響逐漸降低,當顆粒直徑達到0.7 mm后,工具轉速對沖洗效率的影響可以忽略不計。

4 結論

1)排量和顆粒直徑是影響碎屑沖洗效率的重要因素,數值模擬結果表明,隨著排量的增大,沖洗效率顯著提高;隨著顆粒直徑的增加,碎屑沖洗效率迅速降低,當顆粒直徑較大時,只有通過適當移動沖洗管柱和增大排量的方式提高沖洗效率。

2)工具轉速對碎屑沖洗效率有一定的影響,當碎屑顆粒直徑較小時,存在最優工具轉速;但隨著顆粒直徑的增大,工具轉速對沖洗效率的影響逐漸降低,最后可忽略不計。

3)旋轉射流沖洗工具能夠在鹽腔內能夠產生強旋流場,改變腔內流體流態,強化對流循環作用,有效提高夾層碎屑的沖洗效率,防止其在腔底大量沉積,從而保證多夾層巖鹽造腔工程的快速、優質、安全,為我國多夾層巖鹽建造地下儲氣庫提供了一種新方法。

[1]BEU TEL T H,BLACK S T.Salt deposits and gas cavern storage in the UK with a case study of salt exp lo ration from Cheshire[J].Erd?l.Erdgas,Kohle,2005,31(1):312-35.

[2]STOPA J,RYCHL ICKIS,KOSOWSKIP.The role of salt caverns in underground gas sto rage[J].Gospodarka Surowcami M ineralnymi2M ineral Resources Management,2008,24(3):11-23.

[3]田中蘭,張芳.金壇鹽礦采鹵溶腔利用與改造技術[J].中國井礦鹽,2005,36(2):17-20.

[4]丁國生,謝萍.中國地下儲氣庫現狀與發展展望[J].天然氣工業,2006,26(6):111-113.

[5]袁光杰,申瑞臣,田中蘭,等.快速造腔技術的研究和現場應用[J].石油學報,2006,27(4):139-142.

[6]楊春和,李銀平,屈丹安,等.層狀鹽巖力學特性研究進展[J].力學進展,2008,38(4):484-494.

[7]袁光杰,田中蘭,袁進平,等.鹽穴儲氣庫密封性能影響因素[J].天然氣工業,2008,28(4):105-107.

[8]GIDASPOW D,BEZBURUAH R,D ING J.Hydrodynamicsof circulating fluidized beds:kinetic theory app roach[C]∥7th International Conference on Fluidization,Gold Coast(Australia),328 May 1992.Brisbane:Cambridge University Press,1992.

(修改回稿日期 2010-06-30 編輯 何 明)

宋先知,1982年生,博士研究生;主要從事油氣井流體力學和水射流技術研究工作。地址:(102249)北京市昌平區府學路18號中國石油大學石油工程學院。電話:(010)89733379,15210242339。E-mail:songxianzhi@yahoo.com.cn