基于Fluent的连续油管冲砂喷头性能仿真

张云驰，王丙刚，李清涛，邢洪宪，刘传刚

（中海油能源发展有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

在油气田生产开发过程中，由于地层出砂或者管柱内壁结垢，会影响油井的正常生产，如果不及时进行清垢洗井作业，随着开发时间的延长，可能会产生堵死生产通道的严重后果。连续油管冲砂作为一种高效的作业技术，具有冲砂效率高、作业时间短等优点，目前在世界范围内已经推广开来[1-2]。其中，国外油服技术公司掌握有成套技术服务工具，在国内市场也已投入应用，并取得了一定的效果，但技术服务价格相对较高，不符合国内油气行业降本增效的发展趋势。相比之下，国内产品往往存在清洁效率低、冲洗不彻底的问题，限制了自主产品的推广应用。

本文针对清洁难题，对连续油管冲砂中自主研发的冲砂喷头关键部件进行性能仿真，该喷头可实现360°全方位冲洗，利用流体仿真软件，模拟其作业排量下稳态时的射流速度及压耗，并通过多相流仿真，分析其轴向冲砂的作业效果，为现场应用提供支持。

1 工艺原理

连续油管在下入过程中，利用管柱底部的冲砂喷头进行高压旋流冲洗，冲刷管壁垢层，打破清洗管柱内砂体的胶结，流化砂石，然后再利用高速冲砂液将杂质从连续油管与清洗管柱的环空携带返出。常规的连续油管清洗作业主要包括以下3个阶段：

1）下放阶段。连续油管地面试压，深度计数器清零，随后连接冲砂管柱下放，下入过程中需准确记录上提、下放数据，密切观察悬重变化，逐渐下放至冲洗井段。

2）循环阶段。当连续油管到达目标冲洗井段时，启动地面冲砂泵，进行循环洗井作业，记录相应排量、压力及地面返出杂质情况，冲洗至返出液干净后，继续下放至下一冲洗井段，如此反复。

3）划眼阶段。保持冲洗的同时，上提连续油管，对管柱沿程未清洗干净或二次堆积的杂质进行扫驱，并对宜沉降井段和重点清洗井段进行二次清洁。其中循环阶段和划眼阶段可以依次进行也可反复交替进行，依据现场井况而定。

2 结构特征

连续油管冲砂喷头主要由3部分构成，分别是上接头、旋转套和下引堵，其中旋转套上装有射流喷嘴，沿工具轴向上下各有4个，用于清扫管柱内沿程沉砂及内壁污垢，沿工具切向对称安装2个喷嘴，为旋转套旋转提供动力，冲洗液流经喷嘴时，压能转变为动能，高速冲击生产管柱内壁，将管壁垢层冲击破坏，并利用高速旋流形成的湍流，携带管内沉砂，清洗杂质上返至井口，实现高效冲洗的目的。

图1 连续油管冲砂喷头工具结构图

3 工作参数仿真

通过分析不同排量下冲砂喷头的流量、压力变化及喷嘴速度大小，可以得到工具的工作参数。

建立冲砂喷头三维流场模型，以2-7/8 in油管为作业环境构建流域，进口为冲砂喷头上接头内流道端面，出口为工具与油管环空剖面，如图2所示。

图2 整体流场结构

采用混合网格的划分方法对流场模型进行网格划分，如图3所示，在喷嘴进出口处流速变化较快，采用了四面体网格进行局部网格加密，距离喷嘴较远区域的流场采用了相对稀疏的结构化网格，总体网格数为611 889，其中平均网格质量为0.846，符合计算标准。

图3 局部网格划分情况

将网格模型导入流体计算软件Fluent中，设定求解器为Pressure-Based的压力基求解器，湍流模型采用工业上应用较成熟的Realizable K-epsilon双方程模型，该模型稳定性较高，具有一定的经济性和比较高的计算精度，是工程上流场计算中的主要模型，该模型可以表示为：

式中：ρ为密度；t为时间；Ui为速度；xi、xj为坐标；k为湍流动能；ε为湍流动能消散率；μ1为层流涡黏系数；Pk为速度梯度产生的湍流动能；Pb为浮力产生的湍流动能；YM为扩散产生的波动；Sk、Sε为参数；σk、C1ε、C2ε、C3ε为模型常数。

模型边界条件中进口设置为速度进口，出口设置为压力出口，进口速度根据工作排量（100、200、300 L/min）进行换算，压力出口为0.1 MPa，流体介质为水。

采用稳态流场计算得到不同排量下的入口压力及喷嘴处流速，以排量200 L/min时为例，剖面压力云图及速度云图如图4、图5所示，可以看出，流体在喷嘴内压能转化为动能，流速得到极大提升，形成高速水射流，有利于除垢冲砂作业。

图4 冲砂喷头压力云图

图5 冲砂喷头速度云图

统计不同排量下的计算结果，得到工作参数如表1所示，根据文献资料，油管的清洗射流速度建议在150 m/s以上，这样才能完全清除油套管内壁的杂质[3]，因此建议冲砂喷头的工作排量要大于200 L/min，另外考虑连续油管摩阻压耗大的特点，同时建议冲砂喷头的工作排量小于300 L/min，以便保证总体泵压在安全范围内。

表1 冲砂喷头排量与压力关系

4 作业性能仿真

当连续油管冲砂时，内部流场可以看作是存在复杂流动状态的固液两相流动，利用两相流理论进行仿真分析，设置水为主相，砂砾为次相，将冲砂喷头下0.5 m的流域设置为砂砾相。在理想状态下，对冲砂效果进行数值分析，并做出如下假设：1）流体在整个流场为连续流动状态；2）液相（水）为不可压缩流体，固相颗粒（砂砾）为尺寸均匀、大小一致的球体；3）固相与液相各相的物理特性为常数，不随压力、温度的变化而变化，且不考虑流场的空化现象。

液固两相流模型选择mixture混合模型，通过求解混合物的动量方程和离散相相对速度来描述多相流体流动，该模型适用于固相浓度高于10%的工况，计算时效率较高、稳定性好，能够相对完整地模拟砂砾相的运动过程。

砂砾直径设为0.1 mm，密度设为2650 kg/m3，采用瞬态流场计算，时间步长为0.01 s，总计算时长为15 s，计算得到砂砾浓度随时间的变化，如图6所示，可以看出冲砂喷头对管柱内部沉砂有很好的清洗和携带作用，当定点冲洗时，基本15 s就可实现喷头底部0.5 m区域的清洁作业，相当于2 m/min的冲洗速度，通过观察可以看出，前期砂面下降较快，这主要是因为距离冲砂喷头近的区域，冲砂液流速及湍流性更强，更易携砂，因此当连续冲砂作业时，冲洗速度会大于定点冲洗速度，为保证冲砂效率，当连续冲砂作业时，连续油管下放速度应至少大于2 m/min。

图6 随时间变化的沉砂体积分数

5 结论

1）研发的连续油管冲砂喷头可以对井下管柱进行冲砂除垢作业，该洗井工具既有较强的冲洗能力，又具有一定的携砂能力，可以显著提高油气井连续油管洗井效率，操作便捷，结构可靠，有较好的应用前景和推广价值。

2）经仿真分析，冲砂喷头建议工作排量为200～300 L/min，此时单个喷嘴流速大于150 m/s，水射流具备一定的冲击力，满足冲砂除垢的作业要求。结合瞬态冲砂仿真结果，建议连续冲砂作业时，管柱下放速度应大于2 m/min，以便提升冲砂效率。