孙 淼，王小虎，王 岩，王 旭，王春生

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

天然气井井下作业工具下行阻力计算

孙 淼，王小虎，王 岩，王 旭，王春生

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

在高产气井钢丝作业过程中，气体流速过大导致钢丝从井口防喷盒倒出。采用计算流体动力学软件Fluent模拟钢丝工具在井筒周围中流场形态，得到钢丝工具周围的压力场、速度场及钢丝工具所受到的升力和阻力。分析钢丝工具在均匀下行时不同气体流速对生产工具的影响，拟合出所受阻力与气体流速的关系式。研究结果对现场作业有指导作用，并具有良好的经济效益。

钢丝工具；数值计算；Fluent

在钢丝井下作业中，钢丝从防喷盒中倒出，主要是由气井中气流速度过大导致气流对钢丝工具的托举力和阻力过大引起的［1-3］。现场只是单一地增加配重杆的质量使钢丝工具下行，不仅费时费力，还会造成一定程度的经济损失［4-6］。研究产气井钢丝作业加重杆配重与气体流速变换对应关系，对节省钢丝作业时间、减少人力消耗、提高经济效益等具有重要的意义［7］。

1 钢丝作业工具及模型建立

1．1 钢丝作业基本井下工具

钢丝作业基本工具串包括钢丝绳帽、加重杆、震击器和万向节，如图1。

1） 绳帽 起着连接钢丝或钢丝绳与井下测试仪器或井下工具的作用。

2） 加重杆 主要用于克服盘根盒盘根的摩擦力和井内压力产生的上顶力使钢丝作业工具能到达井下一定的深度。

3） 震击器 在井下装置的投捞过程中经常需要切断销钉，或者在打捞井下装置时需要很强的力量，仅靠钢丝或钢丝绳拉力远不够，只有靠震击器的震击力才能完成。

4） 万向节 实现震击器与投捞工具之间的角度偏转，以利于调节工具串与油管倾斜方向一致。用于完井钢丝作业工具各段的连接，使工具串在井内随油管偏转，从而减少遇卡。

图1 基本工具串

1．2 物理模型的建立

根据钢丝作业基本工具串，运用Solidworks软件，建立了长为160 mm、直径为54 mm的钢丝工具在井筒中下行，钢丝工具模型如图2所示。

图2 钢丝工具物理模型

2 一元稳定可压缩流动的基本方程

2．1 状态方程

一元稳定流动是一种最简单的理想化的流动模型。对于气体而言，状态方程为

气体状态方程微分形式为

式中：p为气体压力，Pa；ρ气体为密度，kg／m3；T为温度，K；R为特定气体的气体常数，对空气R＝287．06J／（kg·K）。

2．2 连续方程

连续方程是把质量守恒定律用于运动流体所得到的数学关系式。

一元稳定流动的连续性方程为

式中：m为单位时间内流入或流出控制体的流体质量，kg／s。

气体一元稳定流动连续方程的微分形式为

式中：A为气体通过横截面积，m2；v为气体流动速度，m／s。

连续方程是一个运动方程，无论是对理想流体还是粘性流体来说都是适用的。

3 数值计算及结果分析

数值模拟以钢丝工具理论为基础，应用Fluent软件模拟计算了气体流速v为10、15、20、25 m／s时，钢丝工具长为20 m、直径为0．88 m的井筒下行过程中的压力场、速度场，以及钢丝工具所受到的升力和阻力，得出钢丝工具在井筒中匀速下行时不同的气体流速对工具产生的影响。

3．1 压力分布

钢丝工具在不同气体流速中下行时，在井筒中部和下部的压力分布如图3所示。

图3 不同气体流速时压力分布

由图3可知：在钢丝作业工具下行时，随气体流速增加，工具前部及工具后部压力增大；由于气流速率增加，工具周围气体流速增大，致使工具周围压力会减小。

3．2 速度分布

钢丝工具在不同气体流速中下行时在井筒中部和下部的速度分布如图4。

由图4可知：在钢丝工具匀速下行时，气体通过钢丝工具与井筒之间窄缝处气体速度急剧增大；不同的入口流速，随着气体流速的增加，井筒内侧工具周围气体速度增大，工具后面稍远离尾部部分区域气体速度变化不大，基本为零；靠近工具尾部区域产生扰流。

图4 不同气体流速时速度分布

3．3 压力轨迹

钢丝工具在气体流速不同情况下下行时在井筒中部和下部的压力轨迹如图5。

图5 不同气体流速时压力轨迹

由图5可知：在钢丝工具下行至井筒中部和下部时，钢丝工具凹陷处压力很小；气体流速越大，凹陷处压力就会越小，前部和尾部的压力越大。

3．4 速度轨迹

钢丝工具在不同气体流速中下行时在井筒中部和下部的速度轨迹如图6。

图6 不同气体流速时速度轨迹

由图6看出：随着气体流速增加，钢丝工具周围流速增大，且越窄处流速越大；同时气体流速增大尾部扰流越剧烈。

3．5 阻力

通过计算结果得出钢丝工具在不同气体流中下行所受阻力的平均值，得到气体流速与钢丝工具阻力对应关系（如表1），并拟合出气流速度和阻力之间关系式，如图7。

表1 气体流速与钢丝工具阻力对应关系

图7 气流流速度和阻力关系式

4 结论

1） 钢丝作业工具在井筒中下行时，由于气流速率增加，工具周围气体流速增大、压力减小；且不同气体流速下钢丝工具凹陷处压力小；气体流速越大，前部和尾部的压力越大，而凹陷处压力越小。

2） 钢丝工具匀速下行时，气体通过钢丝工具与井筒之间窄缝处气体速度急剧增大；气体流速增加，井筒内侧工具周围气体速度更大，而工具后稍远离尾部区域气体速度变化不大；靠近工具尾部区域产生扰流。

［1］刘文喜，张鹏，韩侠．井下工具可靠性设计［J］．石油矿场机械，2009，38（7）：56-59．

［2］窦益华，胡洪涛，赖茂宏，等．井下工具零件应力分析［J］．石油矿场机械，1995，34（2）：32-37．

［3］杨树人，金卓，常敏．旋流扶正器作用下环空中气液两相螺旋流场压降研究［J］．石油矿场机械，2012，41（7）：15-18．

［4］聂飞朋，孙宝全，李治军，等．大港油田滩海地区电泵井井下安全控制系统研制［J］．石油矿场机械，2011，40（1）：80-83．

［5］沈雪明．完井作业中的钢丝打捞操作［J］．中国海上油气工程，1996（5）：32-37．

［6］李晓伟．理想气体中运动物体的阻力分析［J］．赤峰学院学报，2012（23）：1-2．

［7］卞保民，贺安之，李振华，等．理想气体一维不定常流自模拟运动的基本微分方程［J］．物理学报，2005（12）：24-29．

Down Resistance Calculation of Gas Well Downhole Operation Tools

SUN Miao，WANG Xiao-hu，WANG Yan，WANG Xu，WANG Chun-sheng
（College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

Aiming at the high yield gas wells in the process of slick wire operation，gas velocity of flow rate was too big lead to slick wire poured from the stuffing box of phenomenon．Using Fluent which are computational fluid dynamics software calculation simulation around the flow field conformation of steel wire，the pressure field，velocity field of around wire tools and wire tools on lift and resistance were obtained．The influence of different gas flow velocity on production tools was analyzed when steel wire tools drop with uniform velocity，fitting relational expression of resistance and the gas flow velocity，which proved that guiding for field operation and favorable economic effect．

slick wire operation；numerical calculation；Fluent

TE931．2

A

1001-3482（2014）01-0017-04

2013-07-04

国家自然科学基金“超重力流化床气固相间作用机理与颗粒流矩模型的研究”（21076043）

孙 淼（1988-），男，黑龙江讷河人，硕士研究生，主要研究方向为复杂流体流动与数值模拟，E-mail：sun2003miao＠163．com。