孫浩玉,李增亮,魏新芳,余金陵,徐 鑫

(1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營 257000)

兩種結(jié)構(gòu)型式控流篩管內(nèi)流動特性的數(shù)值研究

孫浩玉1,2,李增亮1,魏新芳2,余金陵2,徐 鑫2

(1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營 257000)

控流篩管可通過控制油井部分井段產(chǎn)出液流量實(shí)現(xiàn)水平段同時(shí)出水。以計(jì)算流體動力學(xué)為基礎(chǔ),分別對導(dǎo)流式控件和迷宮式控件流道內(nèi)流體的流動特征進(jìn)行數(shù)值模擬,并對兩種控件的適用范圍進(jìn)行對比分析。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,兩種控件由流道入口到出口的流道壓力均呈線性降低;導(dǎo)流式控件流道中的流動近似呈平推流,渦流和湍動不顯著;低黏度條件下,迷宮式控件流道內(nèi)存在明顯的一次、二次渦流,過流阻力顯著增加,控流效果顯著。過流流體黏度為25～1000 mPa·s時(shí),導(dǎo)流式控件的性能較優(yōu);其他黏度范圍內(nèi),迷宮式控件的性能較優(yōu)。

控流篩管;計(jì)算流體力學(xué);流動特性;過流壓降;黏度

油氣井投產(chǎn)后隨著生產(chǎn)的進(jìn)行出現(xiàn)了邊底水錐進(jìn)問題,導(dǎo)致大量井底原油無法采出,降低了油井綜合經(jīng)濟(jì)效益。解決這個(gè)問題的出路在于在篩管分段基礎(chǔ)上對可能出現(xiàn)邊底水錐進(jìn)的部分進(jìn)行控流,確保油井產(chǎn)量最大化[1-3]?？亓骱Y管是實(shí)現(xiàn)控流作用的最簡潔方式之一,它是在充分了解油井地質(zhì)、油藏、工程參數(shù)基礎(chǔ)上,在油井生產(chǎn)井段下入預(yù)先設(shè)計(jì)好參數(shù)的控流篩管,流體在進(jìn)入管內(nèi)之前,首先經(jīng)過流道式控流結(jié)構(gòu),增加了液體的流動阻力,由此產(chǎn)生需要的附加壓差,從而有針對性地控制部分井段的產(chǎn)出速率,提高采收率?？亓骱Y管采用3層結(jié)構(gòu):內(nèi)層基管-中間節(jié)流噴嘴管+篩管-外層不銹鋼保護(hù)套,通過優(yōu)化噴嘴直徑、布置位置、個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一均衡的流率剖面,而控流控件設(shè)計(jì)是實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵問題之一[4-7]。導(dǎo)流式控流篩管和迷宮式控流篩管均為常見的控流篩管。油井產(chǎn)出液流經(jīng)外罩及過濾層,砂粒及巖屑等被擋在篩管外,液體流入后由徑向流轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂行墓艿妮S向流流入過流控件。過流控件是控水篩管的關(guān)鍵部件,通過其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化可達(dá)到控制產(chǎn)出速率的目的[8-12]。筆者在計(jì)算流體動力學(xué)基礎(chǔ)上對導(dǎo)流式控流篩管及迷宮式控流篩管流道壓力云圖、速度矢量圖及流線圖進(jìn)行研究,并對兩種控件的適用范圍進(jìn)行對比分析。

1 過流控件建模及準(zhǔn)確性驗(yàn)證

1.1 過流控件模型建立

采用Solidworks三維建模軟件建立導(dǎo)流式及迷宮式控流篩管的物理模型,導(dǎo)入Gambit前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到的三維模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。兩種過流控件的外徑為196 mm,內(nèi)徑為178 mm,長度為313 mm。運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算流體動力學(xué)分析,采用RNGk-ε模型對控流篩管內(nèi)流體的流動特性進(jìn)行模擬。

圖1 導(dǎo)流式、迷宮式控件流道三維模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.1 3D model and meshing of helical-flow-channel and labyrinth-flow-channel controllers

數(shù)值計(jì)算過程中進(jìn)、出口邊界條件均采用壓力入口邊界條件,即給定控流篩管進(jìn)、出口兩側(cè)的壓差,計(jì)算設(shè)定壓差下控流篩管的過流流量?？亓骱Y管壁面處采用無滑移邊界條件,壁面邊界處湍流的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。計(jì)算中,過流流體密度取0.9 g/cm3,流道進(jìn)口壓力為5.0 MPa。

1.2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

建立導(dǎo)流式控件測試實(shí)物模型并進(jìn)行試驗(yàn),以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)裝置由主體裝置、柱塞泵、分流器、沉砂計(jì)量罐、儲液罐、流量壓力測量儀器、沖洗管路等組成,測試裝置實(shí)物如圖2所示。圖3為不同黏度下導(dǎo)流式控件過流流量對比。由圖3可知,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的精度,滿足工程需要。

圖2 導(dǎo)流式控件測試裝置Fig.2 Test device of helical-flow-channel controller

圖3 導(dǎo)流式控件數(shù)學(xué)模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 Contrast between mathematic simulation and experiment results of helical-flow-channel controller

2 流道流動特性分析

2.1 導(dǎo)流式控件

圖4為導(dǎo)流式控件流道壓力分布云圖及速度矢量圖。由圖4可知,不同流體黏度、不同進(jìn)出口壓差下,導(dǎo)流式控件流道的壓力分布特點(diǎn)一致。由于黏性流體流動過程中與流道壁面產(chǎn)生摩擦損耗,且流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦損耗,由流道入口到出口,流道壓力線性降低。

由流道速度矢量圖可知,導(dǎo)流式控件流道的速度矢量分布特點(diǎn)也近似一致。流體在流道中的流動近似呈平推流,渦流和湍動不顯著。由于流道的邊壁效應(yīng),流體在近壁處速度較低,在流道中間區(qū)域速度較大。流速沿流動方向不衰減,即流動動能不衰減,其沿程阻力損失全部體現(xiàn)于沿流動方向流道壓力逐漸降低。

2.2 迷宮式控件

迷宮式控件流道壓力云圖及速度矢量見圖5。由圖5可知,與導(dǎo)流式控件類似,不同流體黏度、不同進(jìn)出口壓差下,迷宮式控件流道的壓力分布特點(diǎn)基本一致。由于壁面摩擦損耗、流體內(nèi)摩擦損耗及渦旋和湍流耗損,由流道入口到出口,流道壓力逐漸降低且近似呈線性。不同之處在于,沿流道內(nèi)流動方向,迷宮式控件流動截面面積存在較大變化,流動過程中易出現(xiàn)渦流、渦旋及湍動狀態(tài),這使得流道壓力梯度在小范圍內(nèi)存在微小變化。

圖4 導(dǎo)流式控件流道壓力云圖及速度矢量圖Fig.4 Pressure contours and velocity vectors of helical-flow-channel controller

圖5 迷宮式控件流道壓力云圖及速度矢量圖Fig.5 Pressure contours and velocity vectors of labyrinth-flow-channel controller

迷宮式控件流道中的流體存在明顯的主流區(qū)(流道中心區(qū)域)及流動死區(qū)(流道兩側(cè)邊壁)。低黏度條件下,主流區(qū)域速度矢量呈明顯的蛇形分布,而流動死區(qū)不明顯;隨著黏度增大,由于黏性流體的內(nèi)摩擦效應(yīng),主流區(qū)域流動趨于平穩(wěn),而流動死區(qū)范圍逐漸增大。

圖6為不同黏度條件下迷宮式流道內(nèi)部流線圖。由圖6可知,低黏度時(shí)迷宮式流道內(nèi)部存在明顯的一次、二次渦流,流體湍流程度增大,流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)加劇,過流阻力隨之增加。隨著流體黏度增大,一次、二次渦流受到抑制,渦流區(qū)域顯著縮小。高黏度條件下,流體內(nèi)摩擦力增加,流線呈蛇形分布,流動死區(qū)有所擴(kuò)大。黏度大于5 Pa·s時(shí),黏性力占主導(dǎo),流體流動形態(tài)趨于穩(wěn)定。

圖6 不同黏度條件下迷宮式流道內(nèi)部流線圖Fig.6 Flow charts in labyrinth path with different viscosities

3 導(dǎo)流式與迷宮式控件適用范圍對比

圖7給出了不同黏度時(shí)兩種控件的流量-壓差對比曲線(稀油:黏度小于50 mPa·s,普通油:黏度50 ～150 mPa·s,稠油:黏度150～10000 mPa·s,特稠、超稠油:黏度大于等于10000 mPa·s)。由圖7可知,隨著進(jìn)出口壓差增加,不同控件流道的壓差-流量曲線近似呈冪曲線上升。隨著黏度增加,曲線的直線度增加,黏性摩擦損耗增加,流道進(jìn)出口壓差隨之增大。當(dāng)黏度超過1 Pa·s時(shí),壓差-流量曲線近似呈直線。

圖7 兩種控件的流量-壓差曲線對比Fig.7 Flow-pressure contrast curves of two controllers

過流流體黏度較低時(shí),相同流量下流道壓差較大的過流控件性能較優(yōu)。由圖7(a)、(b)可知,當(dāng)流體黏度較低時(shí)(1 mPa·s),相同流量下,迷宮式控件流道內(nèi)流體流動過程中出現(xiàn)劇烈的一次、二次渦流,產(chǎn)生較大的渦流損耗,過流壓差較高,此時(shí),迷宮式控件的性能較優(yōu)。隨著黏度進(jìn)一步增大并超過25 mPa·s,黏性耗散效應(yīng)加劇,導(dǎo)流式控件流道進(jìn)出口壓差有所增大,而迷宮式控件壓差有所降低,此時(shí)導(dǎo)流式控件的性能較優(yōu)。

由圖7(c)、(d)可知,稠油條件下,當(dāng)黏度較低(黏度小于1 Pa·s)時(shí),流道的過流流量最大可達(dá)7 m3/h,相同流量下流道壓差較大的導(dǎo)流式過流控件性能更優(yōu)。隨著流體黏度不斷增大(黏度大于1 Pa·s),流道過流流量急劇降低,為避免控件壓降過大,通常需要并聯(lián)使用控件,在較大流量條件下獲得較為適宜的流道壓差,而此時(shí)流道壓降較小的控件的并聯(lián)數(shù)量較少,成本相應(yīng)較低。因此,此時(shí)相同流量下流道壓差較小的迷宮式過流控件性能更優(yōu)。

4 結(jié) 論

(1)不同流體黏度、進(jìn)出口壓差條件下,導(dǎo)流式控件和迷宮式流道的壓力分布特點(diǎn)基本一致,由流道入口到出口的流道壓力近似呈線性降低。

(2)流體在導(dǎo)流式控件流道中的流動近似呈平推流,渦流和湍動不顯著;由于邊壁效應(yīng),流體在近壁處速度較低,在流道中間區(qū)域速度較大,流速沿流動方向不衰減。

(3)迷宮式控件流道中的流體存在明顯的主流區(qū)及流動死區(qū);低黏度條件下,流道內(nèi)存在明顯的一次、二次渦流,主流呈蛇形分布;隨流體黏度增大,渦流受到抑制,渦流區(qū)域顯著縮小,主流趨于平穩(wěn),死區(qū)范圍增大。

(4)過流流體黏度為25～1 000 mPa·s時(shí),導(dǎo)流式控件的性能較優(yōu);流體黏度低于25 mPa·s、大于1000 mPa·s時(shí),迷宮式控件的性能較優(yōu)。

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(編輯 沈玉英)

Numerical study on flow performance of two types of inflow control devices

SUN Haoyu1,2,LI Zengliang1,WEI Xinfang2,YU Jinling2,XU Xin2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Drilling Technology Research Institute of Shengli Oilfield,Dongying 257000,China)

Inflow control device can efficiently get inflow in the horizontal part of oil well by controlling the liquid production of other part,and control unit is the core component of this tool.Flow characteristics of helical-flow-channel and labyrinthflow-channel controllers were simulated based on computational fluid dynamics,and scopes comparative analysis of the two controllers was carried out.The numerical results show that channel pressure decreases linearly from channel inlet to the outlet for the two controllers.The flow pattern in helical-flow-channel approximates plug flow,swirl and turbulence are not significant.There are distinct primary and secondary vortexs in labyrinth-flow-channel under the conditions of low viscosity, which results in large pressure drop.Helical-flow-channel controller has better performance when viscosities range from 25 to 1000 mPa·s,while labyrinth-flow-channel controller has better performance in other viscosity ranges.

inflow control device;computational fluid dynamics;flow characteristics;flow pressure drop;viscosity

TE 925.3

A

1673-5005(2014)04-0138-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.020

2014-01-14

國家重大專項(xiàng)(2011ZX05022)

孫浩玉(1978-),男,高級工程師,博士研究生,主要從事石油鉆井機(jī)械及儀器裝備研究。E-mail:sunhaoyu7909@163.com。

李增亮(1962-),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,從事石油機(jī)械教學(xué)及科研工作。E-mail:lizl@upc.edu.cn。

孫浩玉,李增亮,魏新芳,等.兩種結(jié)構(gòu)型式控流篩管內(nèi)流動特性的數(shù)值研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,38(4):138-142.

SUN Haoyu,LI Zengliang,WEI Xinfang,et al.Numerical study on flow performance of two types of inflow control devices [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):138-142.