水力振動器在地層解堵中的應用研究

龐博學，楊樹人，張體鵬，劉麗麗，孫奇

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163000； 2. 大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000；3. 新疆石油勘察設計研究院（有限公司），新疆 克拉瑪依 834000）

水力振動器在地層解堵中的應用研究

龐博學1，楊樹人1，張體鵬2，劉麗麗1，孫奇3

（1. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163000； 2. 大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163000；3. 新疆石油勘察設計研究院（有限公司），新疆 克拉瑪依 834000）

水力振動器對于解除近井地帶的孔隙通道堵塞有著很好的應用效果，有必要對振動器工作過程流場進行研究并分析工況及結構對解堵效果的影響。以計算流體動力學為基礎，應用動網格技術及用戶自定義函數（UDF），實現腔室結構水力振動器內球體仿真運動并對其解堵過程進行了模擬計算。研究結果表明，球體進出振動器喉道結構瞬間產生水擊壓縮波及膨脹波，振幅達數兆帕；地層壓力釋放過程工作液流量減小，球體可能卡止于喉道。通過計算結果研究建立了工作液流量與喉道應具備摩擦力的關系，揭示了水力振動器解堵機理，為水力振動器解堵工況及裝置結構優化提供方向。

水力振動器；解堵；Fluent；動網格；水擊；喉道摩擦力

油田開發過程中，油水井均可能受到不同程度的污染，近井地帶孔隙通道堵塞，油層滲透率下降，將嚴重影響油井產能，制約油氣田開發[1]。水力振動技術是解決油田近井地帶堵塞的新型處理工藝，該技術主要應用水力振動器在流體中產生水擊脈沖波并傳播向地層[2]，使地層形成微裂縫，脈沖波振動、沖擊流場內的介質，使流體質點的壓力、速度等物理量發生反復變化，松動并剝落附著在油層孔隙中的雜質，被工作液帶走，以疏通孔隙通道，改善流體流動特性[3]。該技術簡單易行、環保高效，遼河、大慶、吉林、大港、河南、玉門等油田施工應用增產效果明顯。然而，水力振動解堵過程中流體運動情況復雜，對其流場及脈沖波產生機理缺乏理論研究。本文應用Fluent動網格技術針對一種新型腔室結構水力振動器的解堵過程進行數值模擬，揭示水擊脈沖波產生機理并分析裝置結構對解堵效果的影響。

1 物理模型

1.1 裝置結構及原理

該水力振動器由一系列腔室結構組成，內置一與喉道內徑大小相當的橡膠球，裝置上下兩端裝有擋盤以阻止球體被工作液沖出。其三維結構模型及剖面視圖如圖1所示。水力振動器隨油管安裝至待解堵儲層，通過油管向井內注入工作液，控制注入量使儲層與井口形成十余兆帕壓差時開啟油管出口進行排液。高壓液流將沖擊管內球體通過各個腔室向上運動，橡膠球“進出”腔室喉道達到快速“啟閉”油井閥門的效果，產生水擊脈沖波并傳播向儲層，震蕩沖刷堵塞物使其隨工作液排出井口以達到解堵效果。

圖1 水力振動器三維結構及剖面圖Fig.1 Three-dimensional structure and sectional view of hydro-oscillator

1.2 動網格技術[4～6]

為實現水力振動器內球體的運動，數值模擬應用動網格技術，如圖2。球體運動使得流體幾何區域變化劇烈，動網格更新方法采用局部網格重構模型（remeshing），動區域選擇指定剛體運動（Rigid Body）。模擬計算過程中，因動邊界導致局部網格超過定義的最大尺寸時網格一分為二，局部網格受擠壓緊縮低于定義的最小尺寸時合二為一，當網格扭曲程度超過定義的傾斜度時亦重新劃分，以適應運動區域的形態變化。被重新劃分的面網格單元緊鄰動網格節點，運動邊界附近網格得到及時更新。

動網格任意控制體V，通用標量Φ的積分守恒方程為：

式中：

ρ —液體密度；

→dV —控制體積V的邊界；

u→ —流動速度矢量;

ug—動網格移動速度；

Γ —擴散系數；

SΦ—源項，?V用來描述控制體邊界。

時間導數項可用一階向后差分項用如下形式表示：

式中：n、n+1為當前時間及下一層時間，第n+1時間層上的體積Vn+1為：

式中：dV/dt為控制體的時間導數。為滿足網格守恒律，控制體的體積時間導數為：

式中：nf為控制體的面網格數，為面j的面積向量。每個控制容積面上的點積為：

式中：δVj為整個時間步Δt上控制容積面j膨脹引起的體積改變。

圖2 動態網格模擬演示Fig.2 Dynamic grid

圖3 水力振動器內球體受力分析Fig.3 Stress analysis of the ball in hydro-oscillator

1.3 用戶自定義函數（UDF）

用戶自定義函數（UDF）是為滿足計算個性化需求，可以動態地連接到Fluent求解器上的用戶自編的程序。通過UDF調用動網格宏（DEFINE_CG_MOTION）可實現剛體運動邊界的控制[7]。球體運動UDF編譯的主體思想如圖3，通過Fluent求解器在每一時刻積分整個球面微元獲得液流對球體豎直方向合力T，當且僅當球體進入水力振動器喉道位置時加載相應的摩擦力f，根據牛頓第二定律，得到此時刻球體的加速度a=（T-mg-f）/m，進而獲得每一時刻球體瞬時速度，該速度值返回Fluent求解器進行計算。

2 水力振動器流場數值計算

2.1 數值求解策略

此次水力振動器流場數值模擬應用有限體積法對控制方程離散，采用分離式求解器對隱式控制方程聯立求解。選用標準k-epsilion 湍流模型，壓力項選擇PRESTO!格式離散，擴散項用中心差分格式離散，其余項用二階迎風格式離散，壓力速度耦合方程采用PISO算法對水力振動器內流動進行二維非定常求解。

2.2 數值模擬結果分析

取工作液流體材料為水，模擬計算底端進口流量 5 m3/h時水力振動器中的流場情況。

水力振動器內各瞬態壓力場及速度場如圖4、5所示。

圖4 水力振動器內壓力場云圖(單位Pa）Fig.4 Pressure field in hydro-oscillator （Pa）

圖5 水力振動器內速度場云圖(單位m/s）Fig.5 Velocity field in hydro-oscillator （m/s）

通過圖4、圖5可得結論：球體上行進入喉道瞬間，流道關閉，球體以下工作液流速瞬間滯止，產生水擊壓縮波，球體以上空間產生水擊膨脹波。球體沖出喉道瞬間，流道開啟，恢復過流，球體以下工作液又產生水擊膨脹波，球體以上空間產生水擊壓縮波。振動器過流通道周期性水擊，交替產生水擊膨脹波與壓縮波，并傳向地層。

水力振動器內流體速度矢量圖及底端進口處壓力監測如圖6、7所示。

圖6 水力振動器內速度矢量圖(單位m/s）Fig.6 Velocity vector in hydro-oscillator (m/s)

通過圖6可見，球體運行所至區域流體速度及流動方向變化顯著并形成渦流，速度波動傳播至地層，對堵塞物起到沖擊震蕩作用。通過圖7可得結論：球體進出喉道過程中水擊壓強逐漸增大然后又迅速衰減，最大負壓達-8 MPa，最大正壓達7 MPa，高強度水擊波在地層孔道中得以傳播。球體通過大管徑部位時，壓力震蕩不大，在一平衡壓力附近小范圍波動。

圖7 各時刻水力振動器底端進口壓力監測圖(單位Pa）Fig.7 The inlet pressure of the bottom in hydro-oscillator（Pa）

3 喉道摩擦力對水力振動器工作效果的影響及裝置工作性能優化

3.1 水力振動器喉道摩擦力對球體上升高度的影響

編譯入口邊界UDF，實現地層壓力釋放過程中振動器入口流量由5 m3/h線性減小至0.1 m3/h。在此條件下模擬計算喉道摩擦力分別為2 500、10000、20 000、30 000、40 000 N的振動器對應的球體可上升高度。

不同喉道摩擦力的水力振動器中球體卡住位置狀態如圖8所示。

圖8 不同摩擦力水力振動器中球體卡住狀態圖Fig.8 The jammed state of the ball in hydro-oscillator under different friction

從圖8可以看出，地層壓力釋放過程中，水力振動器內球體可能卡止于某一節喉道。小球卡住之后，相當于油管出口關閉，球體上下空間壓力不再變化。喉道摩擦力越大，小球上升高度越低，通過腔室個數越少。為高效利用各腔室結構提高解堵效率，有必要探究液流速度與球體所受沖擊力的關系從而找到某一流速對應的喉道摩擦力值，在此流速下該摩擦力既能允許小球通過所有腔室又可使其在喉道處有足夠停留時間從而造成一定的壓力震蕩。經模擬計算得到各流速下適合的喉道摩擦力值如表1。

表1 各流速對應的適合的喉道摩擦力值Table 1 The suitable value of the throat friction corresponding to flow velocities

3.2 不同流量下水力振動器喉道處應加載摩擦力的優化研究

繪制喉道摩擦力值與液流速度關系曲線并擬合其趨勢線如圖9所示。

圖9 喉道處摩擦力f與入口流速v關系曲線Fig.9 Relation curves between friction of throat and inlet velocity

球體通過喉道為過盈配合，受到喉道處擠壓力，移動過程中產生摩擦力。影響喉道摩擦力值的因素除球體材質外，便是球體直徑與水力振動器喉道內徑的相對大小。通過此項模擬計算得出的擬合公式，可為不同工況下水力振動器尺寸結構優化設計提供依據及方向。

4 結 論

（1） 水力振動器球體進出喉道產生水擊壓縮波及膨脹波并傳播至地層，水擊壓強可達數兆帕，可對地層有效解堵。

（2）地層壓力釋放，流量減小，振動器內球體上行過程中可能卡止于某一喉道，喉道摩擦力越大，球體上行高度越低。

（3）模擬計算得出不同工作流量下相對應的適當摩擦力值并擬合曲線，為裝置結構優化設計提供方向。

（4）水擊波產生于球體進出喉道時刻，喉道結構尺寸影響“閥門啟閉”時間，從而影響水擊波振幅及頻率。振動頻率在解堵地帶巖芯固有頻率附近時，地層滲透率將得到更好改善，因此應進一步開展水力振動器結構對脈沖波頻率的影響研究。

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［2］ 王先榮, 袁艷勤, 鐘聲. 低滲透油藏沖擊波解堵的應用效果與影響因素分析[J]. 特種油氣藏, 2006, 12(4): 68-69.

［3］梁春. 水力脈沖解堵技術研究與應用[J]. 科技信息, 2010 (05X): 60-60.

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［5］ 張來平,鄧小剛,張涵信. 動網格生成技術及非定常計算方法進展綜述[J]. 力學進展,2010,04:424-447.

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［7］ FLUENT6.3 UFD Manual[DB/CD].Fluent Inc, 2006:13.

Research on Application of the Hydro-oscillator in Formation Deplugging

PANG Bo-xue1，YANG Shu-ren1，ZHANG Ti-peng2，LIU Li-li1，SUN Qi3（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China；2. Daqing Oilfield Limited Company, Heilongjiang Daqing 163000，China；
3. Xinjiang Petroleum Survey and Design Institute (Limited) , Xinjiang Kelamayi 834000，China）

Hydro-oscillator has a good application effect for the broken down of pore channels near wellbore. It is necessity to study flow field in the working process of hydro-oscillator and analyze the effect of working conditions and tool structure on the deplugging. In this paper, based on computational fluid dynamics, dynamic mesh and user-defined functions (UDF) were used to achieve the simulation movement of ball within chamber structure hydro-oscillator, and its deplugging process was simulated. The results show that water hammer compression wave and expansion wave can be instantly generated while the ball pass in and out of the throat structure of hydro-oscillator, and the amplitude is up to several megapascals. During formation pressure releasing, the flow rate of working fluid decreases, and the ball may be locked in the throat. The relationship between appropriate friction in throat and flow rate of working fluid was established, and the deplugging mechanism of hydro-oscillator was revealed, which could provide direction for the optimization of working conditions and equipment structures.

Hydro-oscillator; Broken down; Fluent; Dynamic mesh; Water hammer; Throat friction

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）02-0375-04

2014-09-15

龐博學（1991-），男，黑龍江哈爾濱人，2013年畢業于東北石油大學油氣儲運工程專業，研究方向：復雜流體流動與數值模擬。E-mail：pangboxue@126.com。