王新涛， 盛磊祥， 鞠少栋， 王世强， 邢洪宪， 刘传刚

（1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452；2.中海石油（中国）有限公司 北京研究中心，北京 100020）

0 引言

海上油田防砂井大部分采用了筛管简易防砂和筛管砾石充填的防砂方式，油气井开发至后期，储层近井地带地层颗粒、胶质等向井筒周围运移聚集，堵塞筛管，造成其渗透率降低，最终导致油井产量下降，甚至停产[1]。目前解除地层堵塞主要采用的是物理解堵法和化学解堵法，物理解堵法污染较小，解堵效果较差；化学解堵方法投资较大、工艺复杂，易对地层造成二次污染。

设计井下解堵辅助配套工具，解决物理解堵方法中解堵效果较差的问题[2]，主要是通过提供周向高频振动，清理筛管外表面沉积砂及筛管网布堵塞的细粉砂，从而提高油气井解堵效率。通过对井下解堵辅助配套工具进行理论计算、流场模拟分析及强度校核，验证其提供周向高频振动、辅助解堵的可行性。

1 井下解堵辅助配套工具流场分析

1.1 工具流体计算理论

井下解堵辅助配套工具采用流体作为驱动介质。流体进入工具内部，分成3部分：经过工具中部流道下端的喷嘴继续向下流动；从工具中部流道分流一部分，进入冲击腔，推动冲击锤周向转动；进入换向通道。与其他两个通道相比，换向通道体积很小，计算工具的水力学参数时可以忽略。

工具内部流体的分流情况如图1所示，中部流道的流体和冲击腔内的流体为并联的关系。根据流体并联关系的特点，冲击腔内的流体和中部流道所造成的压降相等。

由于整个工具的长度较短，同时工具表面较为光滑，因此工具的摩擦阻力可以忽略，整个辅助配套工具压降的主要来源是工具内部流体流向改变和截面积突变的局部压降[3]。

1）中部流道。进入中部流道的流体通过中部喷嘴处，截面积突减，造成的压降为：

式中：Δp11为喷嘴处所造成的压降；ξ11为工具局部压降系数；ρ为流道中流体密度；v11为中部流道喷嘴出口处液流流速；Q1为从中部流道经过的流体的流量；A11为喷嘴的过流面积。

2）冲击腔。工具内部有2个完全相同且对称的冲击腔，这2个冲击腔是并联关系，分析时只需要计算1个冲击腔。流体从轴向运动的方向进入冲击腔内，流体的运动方向改变90°，同时流道面积也有突变，产生的压降为：

式中：Δp31为该处所造成的压降；ξ31为局部压降系数；ξ32为截面积突变时的局部压降系数；v31为从冲击腔通道内排出流体的流速；Q2为进入单个冲击腔内流体的流量；A31为冲击腔排出通道的过流面积。

排出后的流体从下端的通道流出并和中部通道流出的流体汇合，这部分的流体截面积发生突变，产生的压降为：2

中部喷嘴的过流面积越小，工具的压降越大，从喷嘴处流到下端的流体的流量越小，进入冲击腔内分流的液流排量越大，冲击锤振动的频率越高，所做的冲击功就越大。

冲击腔入口流道尺寸越小，进入冲击腔和从冲击腔排出的阻力越大，损耗的能量越大。流道面积越大越好，但是过大会降低冲击锤强度，因此在设计时需要综合考虑压降和工具强度。

1.2 工具内部流场模拟

为分析工具内部流体在流道中运动及压力状态，使用流体力学软件FLUENT进行数值模拟计算。建立工具三维的内部流道结构，如图2和图3所示。

图2 井下解堵辅助配套工具内部流道三维结构

图3 井下解堵辅助配套工具不同位置处横截剖面

建立CFD流体动力学模型，通过Gambit软件对辅助工具流体域建立网格模型[4]。

计算时工具内部通道液流取水的密度值，液流的动力黏度取0.001 kg/（m·s）。示例中，井下解堵辅助配套工具取中心孔的直径为30 mm，从中心孔进入的流速取30 L/s，可以看到此时为强湍流的流动状态，因为辅助配套工具内部的雷诺数高达2.48×105。进口条件：速度进口取0.6114 m/s，湍流强度取3.39%，水力直径取0.154 m。出口条件：压力出口。壁面条件：取无滑移壁面的边界条件。

冲击锤在流体压力的推动下运动，从开始运动到满程时总共所需时间为0.011 72 s，工具的冲击频率为42.66 Hz，模拟计算整套井下解堵辅助配套工具的进出口压力差为1.2～2.7 MPa。

井下解堵辅助配套工具的冲击锤在运动过程中的压差衰减曲线如图4所示，井下解堵辅助配套工具的冲击锤在流体压力的推动下运动时，刚开始的流阻是最大的，冲击锤启动之后，内部流体进行分流，工具的流阻逐渐减小；在结构一定的情况下，辅助配套工具总体的压差损失随排量的减小而降低。

图4 井下解堵辅助配套工具压差随时间变化曲线

不同流量下井下解堵辅助配套工具在中心孔处和分流孔处的液流的速度-时间变化规律曲线如图5所示，对比不同的排量，在一定的时间范围内的同一时间点时，排量增加，配套工具在中心孔处和分流孔处的液流的速度是变大的。

图5 井下解堵辅助配套工具不同排量下不同位置速度-时间变化曲线

分析不同排量下井下解堵辅助配套工具的运动特性的变化规律，需要重点研究冲击锤转矩和冲击锤加速度的特性变化规律。如图6所示，在刚开始启动的时刻，辅助配套工具的冲击锤所受转矩值及加速度值均为最大，冲击锤启动之后，内部流体进行分流，冲击锤所受的转矩值及加速度值均逐渐减小。对比不同排量，在一定的时间范围内的同一时间点时，排量增加，配套工具的冲击锤转矩和加速度均增加。

图6 井下解堵辅助配套工具不同流量下冲击锤转矩及冲击锤加速度变化曲线

2 井下解堵辅助配套工具强度分析

2.1 冲击锤结构碰撞力分析

当液流通过中部通道分流进入冲击腔内，液流推动冲击锤开始转动。冲击锤的运动关系为：1）初始状态时，冲击锤为静止状态。当入口通道打开，液流进入工具的冲击腔，冲击锤开始转动。这时冲击锤的转速较低，冲击锤低压腔内的流体排出的速度较低，冲击锤的阻尼力较小，冲击锤的加速度很大。2）冲击锤的转速越高，冲击锤低压腔内的流体排出的速度越高，冲击锤的阻尼力越大。当阻尼力与驱动力大小相等时，此时冲击锤受力为零，冲击锤做匀速转动，直至撞击冲击腔壁面。3）以恒定速度撞击到锤外壳上时，该冲击功会通过锤外壳下端的方形块传递到下部。同时冲击锤的速度变为零，这时启动器继续转动，改变高低压腔通道方向，驱动冲击锤向着相反的方向转动。

冲击锤的临界转速为：

式中：f为冲击频率；A24为摆锤叶片的侧面积；m为摆锤质量。

仿真计算的边界条件设定为通过Fluent动网格模拟计算出的液流对冲击锤的冲击速度，以此计算冲击锤的撞击力。在极限状态下，最大碰撞力发生在冲击锤与壁面撞击后反弹的时候。冲击锤在液流作用下与冲击腔的碰撞分为弹性碰撞和阻尼碰撞，即撞击后冲击锤反弹和速度为零的2种情况[5]。

经过模拟计算，辅助配套工具的冲击锤弹性碰撞和阻尼碰撞转矩曲线如图7所示，工具冲击锤弹性、阻尼碰撞的转矩及应力数据如表1所示。

图7 辅助配套工具冲击锤弹性碰撞和阻尼碰撞转矩曲线

表1 辅助配套工具冲击锤弹性碰撞和阻尼碰撞数据

2.2 工具结构强度校核

通过模拟计算来分析辅助配套工具本体的疲劳强度。辅助配套工具本体材质为4145H，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3，通过计算本体最大等效应力值为149 MPa，最大静变形为0.201 mm，如图8所示。工具整体满足强度要求。

图8 辅助配套工具本体等效应力和整体变形云图

冲击锤等效应力分布如图9所示，在冲击锤的边界处及换向槽的棱角处出现了一定的应力集中，最大应力值为128 MPa，而冲击锤所采用的材料为20CrMoTi，最大应力远小于屈服强度，因此冲击锤的强度满足需求。

图9 冲击锤等效应力分布

3 结语

1）在方案设计的基础上进行工具内部流场模拟，工具冲击锤在流体压力的推动下运动时，刚开始的流阻最大，冲击锤启动之后，内部流体进行分流，工具的流阻逐渐减小；结构一定的情况下工具总体的压差损失随排量的减小而降低。2）研究流量对工具运动特性影响，在刚开始启动的时刻，辅助配套工具的冲击锤所受转矩及加速度均为最大，冲击锤启动之后，内部流体分流，转矩及加速度均逐渐减小；在一定的时间范围内，排量增加，配套工具的冲击锤转矩和加速度均增加。3）对工具进行碰撞力和强度分析，工具整体满足强度要求，冲击锤强度亦满足需求。