劉少胡，羅　衡，馮　定，石　磊，聶榮國，魏世忠

（1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.中海油發(fā)展安全環(huán)保分公司，廣東湛江524057；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都610051；4.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）①

控壓鉆井多級(jí)節(jié)流元件壓降場(chǎng)數(shù)值模擬

劉少胡1，羅衡2，馮定1，石磊3，聶榮國4，魏世忠1

（1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.中海油發(fā)展安全環(huán)保分公司，廣東湛江524057；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都610051；4.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500）①

利用控壓鉆井可解決碳酸鹽巖儲(chǔ)層溢、漏頻繁發(fā)生，硫化氫分布不均勻和存在大量裂縫等鉆井難點(diǎn)，而多級(jí)節(jié)流元件是實(shí)現(xiàn)控壓的主要部件之一?；贑FD技術(shù)建立了該多級(jí)節(jié)流元件數(shù)值計(jì)算模型，并分別選取12.00、14.84、22.42、30.70 L/s流量進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，同時(shí)研究了流量變化對(duì)壓降場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：隨著流量的增加，該多級(jí)節(jié)流元件的壓降增幅較大；流量是影響多級(jí)節(jié)流元件壓降的主要因素之一。由此證實(shí)該元件在控壓鉆井中進(jìn)行節(jié)流控壓是可行的，其節(jié)流控壓性能明顯；在精細(xì)控壓鉆井中可發(fā)揮節(jié)流控壓的作用。

節(jié)流元件；控壓鉆井；壓降場(chǎng)；數(shù)值模型

針對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層溢、漏頻繁發(fā)生，硫化氫分布不均勻和存在大量裂縫等鉆井難點(diǎn)，利用控壓技術(shù)可消除儲(chǔ)層傷害、保障工程安全，于是在常規(guī)鉆井和欠平衡鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了控壓鉆井技術(shù)［1-2］。目前，控壓鉆井按照控制對(duì)象可分為環(huán)空壓降剖面控制和環(huán)空流量控制2類，而微流量控制方法則屬于環(huán)空流量控制［3-5］。

文獻(xiàn)［6］介紹了微流量控制方法，該方法可隨鉆監(jiān)測(cè)井下環(huán)空流量的變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)井口回壓閥的開度，通過改變井底壓降來控制溢流或井漏的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)空流量的控制。其中，井下多級(jí)節(jié)流元件是實(shí)現(xiàn)環(huán)空流量控制的主要部件之一，基于井下安全的考慮，參考廣泛應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)的井下穩(wěn)定器螺旋結(jié)構(gòu)為節(jié)流元件的控制結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)生需要壓降的前提下，為了保證攜巖鉆井液能夠順利通過節(jié)流元件而不發(fā)生阻塞，這里使用多級(jí)節(jié)流的方法來達(dá)到預(yù)期的節(jié)流效果。文獻(xiàn)［6］對(duì)井下多級(jí)節(jié)流元件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而沒有進(jìn)行工作性能可行性研究，故有必要研究不同流量下該元件的控壓情況。

1　數(shù)值計(jì)算模型的建立

環(huán)空內(nèi)鉆井液攜巖是復(fù)雜的液固兩相三維紊流瞬態(tài)問題。連續(xù)相為液體鉆井液，離散相為巖屑顆粒，環(huán)空三維流動(dòng)模擬采用了雷洛平均NS方程，并以RNG紊流模型使方程組閉合［7-8］。

井下多級(jí)節(jié)流元件三維模型如圖1所示，所計(jì)算模型有3處均布螺旋帶，為劃分網(wǎng)格和計(jì)算方便，故對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。3處螺旋帶的壓降可認(rèn)為是每一處壓降的和，即認(rèn)為每處壓降基本相等（由模型的對(duì)稱性可知），故只計(jì)算1處螺旋帶壓降便可知總壓降，圖2為簡(jiǎn)化后的三維模型。

圖1　井下多級(jí)節(jié)流元件三維模型

圖2　井下多級(jí)節(jié)流元件簡(jiǎn)化三維模型

采用有限體積法對(duì)求解域（元件與井眼過流環(huán)空）進(jìn)行離散，使用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)算法的反復(fù)迭代過程。

2　元件壓降場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

為計(jì)算鉆井液排量對(duì)元件壓降場(chǎng)的影響，首先分別選取流量為12.00、14.84、22.42、30.70 L/s進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，該模擬計(jì)算可定量研究鉆井液流量對(duì)元件壓降場(chǎng)的影響。

2.1 流量為12 L/s對(duì)壓降場(chǎng)的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證流量對(duì)元件壓力場(chǎng)的影響，計(jì)算了流量為12 L/s時(shí)元件的壓力場(chǎng)，元件三維模型壓力場(chǎng)云圖和壓力場(chǎng)切片云圖如圖3所示。由圖3可知：螺旋帶處井眼環(huán)空的壓降為0.0628MPa，則該多級(jí)節(jié)流元件的總壓降約為0.188 MPa。為了減少網(wǎng)格劃分所帶來的錯(cuò)誤及為了節(jié)約數(shù)值計(jì)算時(shí)間，所計(jì)算螺旋帶棱和根部均未繪制圓角，所以計(jì)算結(jié)果要稍大于實(shí)際壓降，即實(shí)際壓降應(yīng)略小于0.188MPa。

圖3　流量為12 L/s時(shí)元件壓降云圖

2.2 流量為14.84 L/s對(duì)壓降場(chǎng)的影響

如圖4所示為流量14.84 L/s時(shí)元件壓降場(chǎng)，由圖4可知：螺旋帶所在環(huán)空最大壓降為0.175 MPa，根據(jù)假設(shè)可知該多級(jí)節(jié)流元件的總壓降約為0.525 MPa。與流量為12 L/s壓降進(jìn)行對(duì)比可知：隨著流量的增加，該多級(jí)節(jié)流元件的壓降增幅較大，由此可知在小流量的情況下，該多級(jí)節(jié)流元件壓降明顯，在控壓鉆井中可發(fā)揮節(jié)流控壓的作用。

圖4　流量為14.84 L/s時(shí)元件壓降云圖

2.3 流量為22.42 L/s對(duì)壓降場(chǎng)的影響

圖5為排量22.42 L/s時(shí)的元件壓降云圖，由圖5可知：一級(jí)節(jié)流元件螺旋帶處井眼環(huán)空壓降為0.366 7 MPa，則該三級(jí)節(jié)流元件的總壓降約為1.1 MPa，實(shí)際壓降應(yīng)小于1.1 MPa。與流量為12 L/s時(shí)壓降進(jìn)行對(duì)比，可知流量增加了10.42 L/s，而壓降增加了約6倍。

圖5　流量為22.42 L/s時(shí)元件壓降云圖

2.4 流量為30.7L/s時(shí)對(duì)壓降場(chǎng)的影響

圖6為排量30.7L/s時(shí)多級(jí)節(jié)流元件壓降云圖，由計(jì)算結(jié)果可知：該一級(jí)節(jié)流元件的壓降約為0.72 MPa，則該三級(jí)節(jié)流元件的總壓降約為2.17 MPa，即整個(gè)節(jié)流裝置的壓降為2.17 MPa。綜合對(duì)比前面的計(jì)算結(jié)果可知：不但小流量對(duì)壓降的影響較大，而且大流量對(duì)該多級(jí)節(jié)流元件的壓降尤為敏感，由此可以得出該元件也可在精細(xì)控壓鉆井中應(yīng)用。

圖6　流量為30.7L/s時(shí)元件壓降云圖

2.5 流量變化對(duì)壓降場(chǎng)的影響

圖7為流量變化對(duì)壓降場(chǎng)的影響曲線，由圖7可知：隨著流量的增加，一級(jí)節(jié)流元件（一級(jí)壓降）和三級(jí)節(jié)流元件（三級(jí)壓降）的壓降值也在逐漸增加。由此可以看出，流量是影響多級(jí)節(jié)流元件壓降的主要因素之一，同時(shí)反應(yīng)出多級(jí)節(jié)流元件的節(jié)流控壓性能比較明顯。

圖7　流量變化對(duì)壓降場(chǎng)的影響曲線

3　結(jié)論

1） 通過數(shù)值模擬研究了流量分別為12.00、14.84、22.42、30.70 L/s時(shí)對(duì)元件壓降場(chǎng)的影響。隨著流量的增加，該多級(jí)節(jié)流元件的壓降增幅較大，由此證實(shí)該元件在控壓鉆井中進(jìn)行節(jié)流控壓是可行的。

2） 通過定性研究流量變化對(duì)多級(jí)節(jié)流元件壓降場(chǎng)的影響可知，流量是影響多級(jí)節(jié)流元件壓降的主要因素之一，同時(shí)證實(shí)該多級(jí)節(jié)流元件的節(jié)流控壓性能明顯?；诖丝芍摱嗉?jí)節(jié)流元件在精細(xì)控壓鉆井中可發(fā)揮節(jié)流控壓的作用。

［1］ 張奎林.精細(xì)控壓鉆井井筒壓力控制技術(shù)研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2013.

［2］ 朱軼.精細(xì)控壓鉆井井內(nèi)壓力計(jì)算方法研究［D］.成都：西南石油大學(xué)，2011.

［3］ 葛亮，胡澤，陳平，等.深水表層鉆井隨鉆壓降與溫度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（11）：

92-98.

［4］ 蔡振華，廖新維，袁玉金.氣井井下節(jié)流器壓降模型的建立［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31（1）：58-61.

［5］ 趙志學(xué)，韓玉安，孟祥光，等.隨鉆測(cè)量井下壓降、溫度儀器的研制及應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2010，38（1）：44-47.

［6］ 石磊，陳平，胡澤，等.井下微流量控制方法［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（2）：79-81.

［7］ 龍?zhí)煊澹K亞欣.計(jì)算流體力學(xué)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2007.

［8］ 劉少胡，鄭華林.基于氣固兩相流的氣體鉆井套管沖蝕數(shù)值模擬研究［J］.熱加工工藝，2014，43（12）：96-98.

Numerical Simulation of Pressure Field for Multi-Stage Throttling Tool in MPd

LIU Shaohu1，LUO Heng2，F(xiàn)ENG Ding1，SHI Lei3，NIE Rongguo4，WEI Shizhong1
（1.College of Mechanical Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China；2.CNOOC EnerTech-Safety&Environmental Protection Co.，Zhanjiang 524057，China；3.China CCDC Downhole Limited Company，Chengdu 610051，China；4.College of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Carbonate Reservoir overflow＆leak frequent occurring can be resolved with MPD，caused by hydrogen sulfide uneven distribution and a lot of cracks.And multi-stage throttling toll is one of the main components to achieve control pressure.The numerical model of a multi-stage throttling tool is established based on CFD technology.The flow 12 L/s，14.84 L/s，22.42 L/s and 30.7 L/s are selected for numerical simulation，and the effect of changing flow on the pressure drop field is also studied.The result shows that the pressure drop increase is larger for multi-stage throttling tool when flow increases.Qualitative research through multi-level flow change on pressure field of throttling tool shows that the flow is one of the main factors that impact pressure of multi-level throttling tool.Thus confirmed that the tool is feasible in the MPD，and confirmed the pressure control performance of the tool is obvious.Based on this study we can see that the multi-stage throttling tool may play a fine role in the throttle control pressure for MPD.

throttling tool；MPD；pressure field；numerical model

TE927

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.003

1001-3482（2015）07-0011-04

①2015-01-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深水無隔水管鉆井渦動(dòng)對(duì)鉆柱動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究”（51405032）

劉少胡（1984-），男，甘肅靜寧人，講師，博士，主要從事管柱力學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及鉆完井井下工具研究，Email：liushaoh＠126.com。