水力振动器在地层解堵中的应用研究

庞博学，杨树人，张体鹏，刘丽丽，孙奇

（1. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163000； 2. 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000；3. 新疆石油勘察设计研究院（有限公司），新疆 克拉玛依 834000）

水力振动器在地层解堵中的应用研究

庞博学1，杨树人1，张体鹏2，刘丽丽1，孙奇3

（1. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163000； 2. 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000；3. 新疆石油勘察设计研究院（有限公司），新疆 克拉玛依 834000）

水力振动器对于解除近井地带的孔隙通道堵塞有着很好的应用效果，有必要对振动器工作过程流场进行研究并分析工况及结构对解堵效果的影响。以计算流体动力学为基础，应用动网格技术及用户自定义函数（UDF），实现腔室结构水力振动器内球体仿真运动并对其解堵过程进行了模拟计算。研究结果表明，球体进出振动器喉道结构瞬间产生水击压缩波及膨胀波，振幅达数兆帕；地层压力释放过程工作液流量减小，球体可能卡止于喉道。通过计算结果研究建立了工作液流量与喉道应具备摩擦力的关系，揭示了水力振动器解堵机理，为水力振动器解堵工况及装置结构优化提供方向。

水力振动器；解堵；Fluent；动网格；水击；喉道摩擦力

油田开发过程中，油水井均可能受到不同程度的污染，近井地带孔隙通道堵塞，油层渗透率下降，将严重影响油井产能，制约油气田开发[1]。水力振动技术是解决油田近井地带堵塞的新型处理工艺，该技术主要应用水力振动器在流体中产生水击脉冲波并传播向地层[2]，使地层形成微裂缝，脉冲波振动、冲击流场内的介质，使流体质点的压力、速度等物理量发生反复变化，松动并剥落附着在油层孔隙中的杂质，被工作液带走，以疏通孔隙通道，改善流体流动特性[3]。该技术简单易行、环保高效，辽河、大庆、吉林、大港、河南、玉门等油田施工应用增产效果明显。然而，水力振动解堵过程中流体运动情况复杂，对其流场及脉冲波产生机理缺乏理论研究。本文应用Fluent动网格技术针对一种新型腔室结构水力振动器的解堵过程进行数值模拟，揭示水击脉冲波产生机理并分析装置结构对解堵效果的影响。

1 物理模型

1.1 装置结构及原理

该水力振动器由一系列腔室结构组成，内置一与喉道内径大小相当的橡胶球，装置上下两端装有挡盘以阻止球体被工作液冲出。其三维结构模型及剖面视图如图1所示。水力振动器随油管安装至待解堵储层，通过油管向井内注入工作液，控制注入量使储层与井口形成十余兆帕压差时开启油管出口进行排液。高压液流将冲击管内球体通过各个腔室向上运动，橡胶球“进出”腔室喉道达到快速“启闭”油井阀门的效果，产生水击脉冲波并传播向储层，震荡冲刷堵塞物使其随工作液排出井口以达到解堵效果。

图1 水力振动器三维结构及剖面图Fig.1 Three-dimensional structure and sectional view of hydro-oscillator

1.2 动网格技术[4～6]

为实现水力振动器内球体的运动，数值模拟应用动网格技术，如图2。球体运动使得流体几何区域变化剧烈，动网格更新方法采用局部网格重构模型（remeshing），动区域选择指定刚体运动（Rigid Body）。模拟计算过程中，因动边界导致局部网格超过定义的最大尺寸时网格一分为二，局部网格受挤压紧缩低于定义的最小尺寸时合二为一，当网格扭曲程度超过定义的倾斜度时亦重新划分，以适应运动区域的形态变化。被重新划分的面网格单元紧邻动网格节点，运动边界附近网格得到及时更新。

动网格任意控制体V，通用标量Φ的积分守恒方程为：

式中：

ρ —液体密度；

→dV —控制体积V的边界；

u→ —流动速度矢量;

ug—动网格移动速度；

Γ —扩散系数；

SΦ—源项，∂V用来描述控制体边界。

时间导数项可用一阶向后差分项用如下形式表示：

式中：n、n+1为当前时间及下一层时间，第n+1时间层上的体积Vn+1为：

式中：dV/dt为控制体的时间导数。为满足网格守恒律，控制体的体积时间导数为：

式中：nf为控制体的面网格数，为面j的面积向量。每个控制容积面上的点积为：

式中：δVj为整个时间步Δt上控制容积面j膨胀引起的体积改变。

图2 动态网格模拟演示Fig.2 Dynamic grid

图3 水力振动器内球体受力分析Fig.3 Stress analysis of the ball in hydro-oscillator

1.3 用户自定义函数（UDF）

用户自定义函数（UDF）是为满足计算个性化需求，可以动态地连接到Fluent求解器上的用户自编的程序。通过UDF调用动网格宏（DEFINE_CG_MOTION）可实现刚体运动边界的控制[7]。球体运动UDF编译的主体思想如图3，通过Fluent求解器在每一时刻积分整个球面微元获得液流对球体竖直方向合力T，当且仅当球体进入水力振动器喉道位置时加载相应的摩擦力f，根据牛顿第二定律，得到此时刻球体的加速度a=（T-mg-f）/m，进而获得每一时刻球体瞬时速度，该速度值返回Fluent求解器进行计算。

2 水力振动器流场数值计算

2.1 数值求解策略

此次水力振动器流场数值模拟应用有限体积法对控制方程离散，采用分离式求解器对隐式控制方程联立求解。选用标准k-epsilion 湍流模型，压力项选择PRESTO!格式离散，扩散项用中心差分格式离散，其余项用二阶迎风格式离散，压力速度耦合方程采用PISO算法对水力振动器内流动进行二维非定常求解。

2.2 数值模拟结果分析

取工作液流体材料为水，模拟计算底端进口流量 5 m3/h时水力振动器中的流场情况。

水力振动器内各瞬态压力场及速度场如图4、5所示。

图4 水力振动器内压力场云图(单位Pa）Fig.4 Pressure field in hydro-oscillator （Pa）

图5 水力振动器内速度场云图(单位m/s）Fig.5 Velocity field in hydro-oscillator （m/s）

通过图4、图5可得结论：球体上行进入喉道瞬间，流道关闭，球体以下工作液流速瞬间滞止，产生水击压缩波，球体以上空间产生水击膨胀波。球体冲出喉道瞬间，流道开启，恢复过流，球体以下工作液又产生水击膨胀波，球体以上空间产生水击压缩波。振动器过流通道周期性水击，交替产生水击膨胀波与压缩波，并传向地层。

水力振动器内流体速度矢量图及底端进口处压力监测如图6、7所示。

图6 水力振动器内速度矢量图(单位m/s）Fig.6 Velocity vector in hydro-oscillator (m/s)

通过图6可见，球体运行所至区域流体速度及流动方向变化显著并形成涡流，速度波动传播至地层，对堵塞物起到冲击震荡作用。通过图7可得结论：球体进出喉道过程中水击压强逐渐增大然后又迅速衰减，最大负压达-8 MPa，最大正压达7 MPa，高强度水击波在地层孔道中得以传播。球体通过大管径部位时，压力震荡不大，在一平衡压力附近小范围波动。

图7 各时刻水力振动器底端进口压力监测图(单位Pa）Fig.7 The inlet pressure of the bottom in hydro-oscillator（Pa）

3 喉道摩擦力对水力振动器工作效果的影响及装置工作性能优化

3.1 水力振动器喉道摩擦力对球体上升高度的影响

编译入口边界UDF，实现地层压力释放过程中振动器入口流量由5 m3/h线性减小至0.1 m3/h。在此条件下模拟计算喉道摩擦力分别为2 500、10000、20 000、30 000、40 000 N的振动器对应的球体可上升高度。

不同喉道摩擦力的水力振动器中球体卡住位置状态如图8所示。

图8 不同摩擦力水力振动器中球体卡住状态图Fig.8 The jammed state of the ball in hydro-oscillator under different friction

从图8可以看出，地层压力释放过程中，水力振动器内球体可能卡止于某一节喉道。小球卡住之后，相当于油管出口关闭，球体上下空间压力不再变化。喉道摩擦力越大，小球上升高度越低，通过腔室个数越少。为高效利用各腔室结构提高解堵效率，有必要探究液流速度与球体所受冲击力的关系从而找到某一流速对应的喉道摩擦力值，在此流速下该摩擦力既能允许小球通过所有腔室又可使其在喉道处有足够停留时间从而造成一定的压力震荡。经模拟计算得到各流速下适合的喉道摩擦力值如表1。

表1 各流速对应的适合的喉道摩擦力值Table 1 The suitable value of the throat friction corresponding to flow velocities

3.2 不同流量下水力振动器喉道处应加载摩擦力的优化研究

绘制喉道摩擦力值与液流速度关系曲线并拟合其趋势线如图9所示。

图9 喉道处摩擦力f与入口流速v关系曲线Fig.9 Relation curves between friction of throat and inlet velocity

球体通过喉道为过盈配合，受到喉道处挤压力，移动过程中产生摩擦力。影响喉道摩擦力值的因素除球体材质外，便是球体直径与水力振动器喉道内径的相对大小。通过此项模拟计算得出的拟合公式，可为不同工况下水力振动器尺寸结构优化设计提供依据及方向。

4 结 论

（1） 水力振动器球体进出喉道产生水击压缩波及膨胀波并传播至地层，水击压强可达数兆帕，可对地层有效解堵。

（2）地层压力释放，流量减小，振动器内球体上行过程中可能卡止于某一喉道，喉道摩擦力越大，球体上行高度越低。

（3）模拟计算得出不同工作流量下相对应的适当摩擦力值并拟合曲线，为装置结构优化设计提供方向。

（4）水击波产生于球体进出喉道时刻，喉道结构尺寸影响“阀门启闭”时间，从而影响水击波振幅及频率。振动频率在解堵地带岩芯固有频率附近时，地层渗透率将得到更好改善，因此应进一步开展水力振动器结构对脉冲波频率的影响研究。

［1］魏斌. 油井水力冲击解堵装置的研制与应用[J]. 石油机械, 2009, 37(6): 68-69.

［2］ 王先荣, 袁艳勤, 钟声. 低渗透油藏冲击波解堵的应用效果与影响因素分析[J]. 特种油气藏, 2006, 12(4): 68-69.

［3］梁春. 水力脉冲解堵技术研究与应用[J]. 科技信息, 2010 (05X): 60-60.

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［5］ 张来平,邓小刚,张涵信. 动网格生成技术及非定常计算方法进展综述[J]. 力学进展,2010,04:424-447.

［6］肖根福, 刘国平, 王俊亭, 等. 动网格在涡旋压缩机三维流场数值模拟中的应用[J]. 流体机械, 2014, 42(1): 25-29.

［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

庞博学（1991-），男，黑龙江哈尔滨人，2013年毕业于东北石油大学油气储运工程专业，研究方向：复杂流体流动与数值模拟。E-mail：pangboxue@126.com。