自循環(huán)填砂裝置的研制與應(yīng)用

孫立波，孫 巖，楊 潔，李海濤，張德龍，劉玉洲

（中國石油渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283）

填砂是井下作業(yè)過程中常用的施工工藝，大港油田試油現(xiàn)場(chǎng)每年有近40口井需填砂封層或機(jī)械防砂[1-3]。目前，常規(guī)的填砂施工是采用直接向防噴器或者井口自封內(nèi)傾倒工程砂的方式進(jìn)行，這種操作容易使工程砂粘附在防噴器的膠皮密封處，導(dǎo)致膠皮磨損，密封失效，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致應(yīng)急作業(yè)失敗，造成井噴事故[4-7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前填砂施工的總不合格率為30.75%，其中填砂速度控制不到位占6.75%，配水排量未達(dá)到要求占3.5%，砂比控制不到位占17.25%。由此可見，砂比控制不到位是導(dǎo)致填砂失敗的主要原因[8-9]。但是，目前現(xiàn)場(chǎng)缺乏有效控制砂量、砂比的設(shè)備，無法有效實(shí)現(xiàn)一次性填砂成功，反復(fù)填砂作業(yè)不僅增大成本投入，增加員工勞動(dòng)強(qiáng)度，還會(huì)延長作業(yè)周期。同時(shí)，在填砂過程中，砂粒對(duì)井口防噴器會(huì)造成一定的堵塞，并對(duì)密封膠圈造成不同程度的磨損，大大增加井控風(fēng)險(xiǎn)。本文研制了一種自循環(huán)填砂裝置，通過選配合理的裝置，調(diào)整砂比參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自循環(huán)填砂，高效滿足施工需求，在提高一次性填砂成功率的同時(shí)降低井控風(fēng)險(xiǎn)。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自循環(huán)填砂裝置主要由井口提升裝置、井口連接裝置、帶刺桿喇叭式漏砂裝置、渦旋流渦旋流裝置、密封機(jī)構(gòu)等5大部分組成，外觀如圖1所示。

圖1 自循環(huán)填砂裝置外觀

1.2 工作原理

1.2.1 注砂

通過井口連接裝置連接至井口，由井口提升裝置配合修井機(jī)小鉤將砂袋吊起至帶刺桿喇叭式漏砂裝置上部，利用該裝置中心部位的刺桿將砂袋刺出約20mm的出砂口，保證砂子以1.5m3/h 的速度勻速注入帶刺桿喇叭式漏砂裝置內(nèi)。

1.2.2 自循環(huán)填砂裝置安裝好后，在注砂口注砂的同時(shí)，打開進(jìn)液通道，液體通過安裝在進(jìn)液口的渦旋流裝置進(jìn)入漏砂裝置內(nèi)。渦旋流裝置內(nèi)設(shè)有渦輪葉片，在液體壓力的作用下，渦旋流裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)液體形成龍卷風(fēng)式渦旋流，充分對(duì)砂子進(jìn)行攪拌，形成砂粒分布較均勻的高濃度攜砂液并進(jìn)入井筒內(nèi)。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

帶刺桿喇叭式漏砂裝置的設(shè)計(jì)考慮了回轉(zhuǎn)流場(chǎng)中砂粒受離心力等多種作用力對(duì)攜砂流體運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，設(shè)計(jì)了錐形的喇叭式漏砂容器[10]。渦旋流裝置的設(shè)計(jì)考慮了液體密度大于氣體密度，離心力較大，液體從進(jìn)口進(jìn)入渦旋流裝置后，不斷沖擊渦輪葉片，使其受力的作用不斷加速旋轉(zhuǎn)進(jìn)入到帶刺桿喇叭式漏砂裝置內(nèi)。液體經(jīng)過渦旋流裝置后，流體從湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻讫埦盹L(fēng)的渦旋流，帶動(dòng)工程砂沿漏砂裝置的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在漏砂裝置的中心，以渦旋流方式運(yùn)動(dòng)，降低固液兩相流的摩擦阻力，減小能量損失，有效防止了工程砂進(jìn)入防噴器，從而順利進(jìn)入井筒內(nèi)[11]。渦旋流裝置是自循環(huán)填砂裝置的核心，在砂子經(jīng)過帶刺桿喇叭式漏砂裝置后，將套管中的液體通過渦旋流裝置再次壓至帶刺桿喇叭式漏砂裝置中形成自循環(huán)，為混砂比提供了技術(shù)保障。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

漏砂裝置最大外徑：600mm；

漏砂裝置總長度：700mm；

漏砂裝置壁厚：3mm；

漏砂裝置中心刺桿長度：700mm；

渦旋流裝置總長度：230mm；

渦旋流裝置噴射孔大小：長2mm×寬14mm。

1.5 性能特點(diǎn)

（1）現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)填砂使用的砂子粒徑為0.45～0.9mm；水泥車排量為350～400L/h；填砂時(shí)間為20～25L/min，本研究所設(shè)計(jì)的自循環(huán)填砂裝置完全滿足現(xiàn)場(chǎng)填砂作業(yè)需求；

（2）采用密封元件進(jìn)行單向鎖定，有效減少了自循環(huán)填砂裝置作業(yè)時(shí)因液體壓力、流體流動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)而導(dǎo)致砂子堵塞裝置元件或軸承上下竄動(dòng)等不安全現(xiàn)象的發(fā)生；

（3）自循環(huán)填砂裝置的設(shè)計(jì)，確保了填砂作業(yè)的成功率，避免了防噴器的堵塞與密封膠圈的高度磨損，使施工作業(yè)更加安全可靠；

（4）渦輪葉片采用金屬鍍層防腐蝕，抗老化，有效期長，且砂粒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)其磨損程度低，不易損壞。

2 計(jì)算理論

自循環(huán)填砂裝置能否產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果如何，將是需要考慮的核心問題，故通過數(shù)值模擬的方法判斷流體運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生情況。由于整個(gè)流場(chǎng)為水和工程砂的固—液兩相流動(dòng)，所以，在數(shù)值模擬過程中，選用計(jì)算精度更高的Eulerian 模型[12]。假設(shè)液固兩相均為連續(xù)介質(zhì)存在于流場(chǎng)中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[13]在歐拉坐標(biāo)下進(jìn)行處理。本文液體—固體交換系數(shù)模型采用Syamlal-O’Brien模型[14-15]，曳力系數(shù)采用由Dalla Valle給出的形式，有關(guān)顆粒相壓力和顆粒相應(yīng)力—應(yīng)變張量的處理。

2.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)理論

在保證不憋壓的情況下，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)部件的噴射孔直徑和個(gè)數(shù)。

由于密封的作用，使得旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)存在一定的旋轉(zhuǎn)阻力。

而由于旋轉(zhuǎn)部件的噴射孔是切向打孔，使得液體切向噴出，對(duì)旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生一個(gè)切向的旋轉(zhuǎn)力，即旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力[16]。

通過以上計(jì)算，獲得渦旋流裝置旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計(jì)結(jié)果為：

（1）噴射孔寬2mm，長14mm，個(gè)數(shù)44。

（2）為了保證自旋流管旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，采用螺旋形均勻布孔的方式。

（3）旋轉(zhuǎn)阻力23.7N，驅(qū)動(dòng)力54.4N。驅(qū)動(dòng)力大于旋轉(zhuǎn)阻力，保證自旋流管的旋轉(zhuǎn)。

2.2 多相流模型

2.2.1 歐拉（Eulerian）方程

式中：t——時(shí)間；

u——沿坐標(biāo)s方向流體質(zhì)點(diǎn)的速度；

ρ——密度；

p——壓力；

u、ρ、p——表示速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)與密度場(chǎng)，它們都是s和t的二元函數(shù)。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型湍動(dòng)能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式中：Cμ、C1、C2——常數(shù)；

σk、σε——兩個(gè)方程的Prandt1 數(shù)，，其中Cμ為模型常數(shù)。

2.2.3 Syamlal-O’Brien模型

式中：g0,ss——顆粒徑向分布函數(shù)；

εs——整體固含率。

3 渦旋流裝置設(shè)計(jì)

3.1 CFD模型驗(yàn)證

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果獲得的渦旋流裝置核心元件——旋轉(zhuǎn)部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并繪制了旋轉(zhuǎn)頭的3D 模型，如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)部件

本文采用的模型常數(shù)取值如下：

邊界條件設(shè)置：液體入口和工程砂入口邊界條件均為速度入口；混合流體出口邊界條件為充分發(fā)展的湍流；壁面上液相滿足無滑移條件，顆粒相滿足有滑移條件，計(jì)算域近壁區(qū)采用壁面函數(shù)處理，壁面處u、k、ε值均為0。

網(wǎng)格劃分：模型主體整體采用六面體單元。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)液體和工程砂等流體流動(dòng)特性變化劇烈的流場(chǎng)關(guān)鍵部分進(jìn)行了局部加密。通過數(shù)值模擬研究表明，渦旋流的流速、流體分布狀態(tài)與普通直管流動(dòng)呈現(xiàn)完全不同的流動(dòng)特點(diǎn)，應(yīng)用該裝置可產(chǎn)生預(yù)期的渦旋流，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖

由圖3 可知，液體在經(jīng)過渦旋流裝置噴出后，流體呈明顯的渦旋流運(yùn)動(dòng)，對(duì)工程砂產(chǎn)生有著充分的攪拌與攜帶效果，更有利于控制砂比，保證填砂施工的順利進(jìn)行。

3.2 渦旋流裝置

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果及數(shù)值模擬分析，使用該裝置后的流體流動(dòng)狀態(tài)符合預(yù)期，因此對(duì)該裝置進(jìn)行加工，該裝置核心部件如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)部件

該渦旋流裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 渦旋流裝置

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用渦旋流裝置如圖6所示。

圖6 渦旋流裝置

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在理論研究的基礎(chǔ)上，在大港油田濱130X1 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。該井根據(jù)設(shè)計(jì)要求，作業(yè)人員起出73mm 加厚油管16 根，完成?73mm 筆尖深度3732.54m，填砂作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)對(duì)比如表1所示。由表1可知，安裝自循環(huán)填砂裝置可大大降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，提升填砂作業(yè)速度31.80%，保障了施工作業(yè)的連續(xù)性與井口防噴器的應(yīng)急作用。

表1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，該工具完善可靠，并在試油現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10 年填砂一次成功率為69.25%，通過現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用自動(dòng)循環(huán)填砂裝置后，目前填砂一次成功率為100%，填砂速度提高了36.80%，縮短施工周期0.6d。見圖7。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 結(jié)論

（1）充分考慮了填砂作業(yè)中重力加速度、液體排量、混砂比及回旋流場(chǎng)中砂粒受離心力等作用力影響的多種因素，研制了一種由井口提升裝置、井口連接裝置、帶刺桿喇叭式漏砂裝置、渦旋流裝置、密封機(jī)構(gòu)等5大部分組成的自循環(huán)填砂裝置；

（2）采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，液體—固體交換系數(shù)Syamlal-O’Brien 模型等計(jì)算模型計(jì)算裝置各參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明：液體在經(jīng)過渦旋流裝置噴出后，流體呈明顯的渦旋流運(yùn)動(dòng)，對(duì)工程砂產(chǎn)生有著充分的攪拌與攜帶效果，更有利于控制砂比，保證填砂施工的順利進(jìn)行；

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：該自循環(huán)填砂裝置的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)一次性填砂成功率100%，提高填砂速度36.80%，縮短施工周期0.6d，具備進(jìn)一步推廣前景。