祝井岗

(中石化中原油田分公司第五采油厂工艺研究所，河南 濮阳 457001)

陈治，张强

稠油热采固井地锚喷嘴选型试验研究

祝井岗

(中石化中原油田分公司第五采油厂工艺研究所，河南 濮阳 457001)

陈治，张强

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

[摘要]在稠油热采固井技术中，固井地锚通过对套管柱预应力处理，从而防止套管在高温注汽条件下损坏。地锚作为一种重要的固井工具，主要通过喷嘴对循环钻井液的节流作用，实现压降产生动力推动锚爪张开，实施预应力固井作业。喷嘴的水力性能直接决定着固井地锚工作可靠性。借助CFD仿真软件分析比较了圆柱形直喷嘴、圆锥形喷嘴2种喷嘴水力性能，确定固井地锚喷嘴采用圆柱形直喷嘴结构，并对∅25mm、∅30mm、∅37mm 3种孔径圆柱形直喷嘴进行水力循环试验，测试了不同孔径喷嘴水力性能参数，以提高地锚工作可靠性。研究结果对于地锚结构设计以及稠油热采预应力固井作业具有指导作用。

[关键词]热采井；地锚；喷嘴；CFD；循环试验

近几年，随着海洋石油勘探开发的深入，热采技术开始应用于海上稠油开发。稠油热采技术是目前世界上提高稠油采收率实际应用规模最大且效果最好的开采技术[1,2]。海洋常规稠油热采可依次选用蒸汽驱、汽水交替注入与热水驱等热采方式。在热力开采作业中，套管承受大温差作用而导致其热胀冷缩，套管与井壁的水泥环阻碍了套管的热变形，从而导致套管发生塑性变形、错断和井口上移等破坏，因此需要采用固井地锚来实施预应力固井作业[3]。喷嘴作为固井地锚直接能量转换元件，其性能参数直接决定着整个固井地锚系统的工作可靠性。喷嘴主要有圆柱形、圆锥形、流线形和孔板形等结构，喷嘴的流量系数是设计时应考虑的关键参数，同时喷嘴水力性能参数变化规律对于固井地锚的结构设计具有指导意义。下面，笔者以固井地锚喷嘴作为研究对象，建立圆柱形直喷嘴、圆锥形喷嘴2种喷嘴内部流道模型，利用CFD仿真软件分析对比了2种地锚喷嘴的水力性能参数，优选地锚喷嘴结构形式，并借助地锚水力循环试验确定喷嘴结构尺寸，同时进一步验证喷嘴结构尺寸与水力性能参数之间关系，以期掌握固井地锚循环排量控制规律，指导固井地锚的现场作业，提高固井地锚锚固可靠性。

1固井地锚结构

注:　1—节流喷嘴；2—活塞；3—上部短接；4—复位弹簧；5—中心管；6—本体；　7、9—销；8—连杆；10—锚爪；11—锚爪销；12—导向套。　　　　图1　地锚结构示意图

喷嘴作为固井地锚的主要动力元件，其水力性能参数直接决定着地锚系统的整体工作效率。固井地锚是通过节流喷嘴产生压差，压差形成的压力作用在活塞上，推动活塞和中心管下行，然后由中心管及连杆推动锚爪张开接触井壁，配合井口上提套管柱，使锚爪吃入地层，实施预应力固井作业。固井地锚结构如图1所示。

图2　喷嘴结构示意图

结合固井地锚结构设计方案，选取圆柱形直喷嘴、圆锥形喷嘴2种类型喷嘴，作为固井地锚喷嘴选型初步设计方案，2种喷嘴结构如图2所示。

2理论计算

2.1水力计算

固井地锚内部流道包括节流喷嘴、中心管等结构。中心管由长0.4m，内径为5.2cm管段和长0.4m，内径3.5cm管段2部分组成。喷嘴主要是依靠结构尺寸的改变，使液流流道改变形成局部阻尼，这些局部阻尼形成一定的压降，实现能量转换。液流流经中心管结构时，不仅各部分管段会产生压降，而且由于这2部分管柱内径的变化造成流道的改变，也会产生局部阻尼形成压降。

喷嘴压降计算公式为：

式中,ΔP为喷嘴压降，MPa； ρ为循环液密度,g/cm2；ν为循环液流量，L/s； μ为流量系数，取值0.97； A为喷嘴孔截面积，cm2。

中心管压降计算公式为：

式中,ΔP1为喷嘴压降，MPa； uν为循环液的黏度，Pa·s；L为管段长度，m；d为管段内径，cm。

中心管2部分管段局部压降计算公式为：

式中,ΔP2为喷嘴压降，Pa； l1取5.2cm；l2取3.5cm；S为中心管出口截面积，m2[4]。

2.2喷嘴流量系数

通常液流通过喷嘴产生的压降大于液流通过中心管管段产生的压降，故地锚喷嘴水力参数直接决定着地锚系统的工作性能，而地锚喷嘴水力参数包括喷嘴流量系数和喷嘴能量转换效率。

喷嘴流量系数是流过喷嘴液流的实际流量与理论流量之比。液流由高压泵增压后通过管线到达喷嘴，由喷嘴将其转换为高流速水射流。在此转换过程中存在流量损失，流量系数集中地反映了这种损失。能量转换效率是指喷嘴产生的水射流功率与进入喷嘴的高压水功率的比值。喷嘴能量转换效率又直接由与结构相关的表征转换性能的流量系数决定[5]。

固井地锚喷嘴水力设计计算时，喷嘴流量系数取为0.97，可求得整个地锚系统水力总压降值，从而确定地锚复位弹簧的设计参数值。喷嘴流量系数的选取对于地锚喷嘴的结构设计至关重要，目前并没有固定的理论公式确定喷嘴流量系数。地锚喷嘴流量系数取决于液流在喷嘴中的流动状态、喷嘴结构、液流物性、喷嘴加工粗糙度等多个因素[6]，因此完全运用理论计算公式确定流量系数是困难的。在实际工程研究中,常采用理论计算、仿真模拟和实验相结合的方法来确定喷嘴流量系数。

3CFD仿真分析

选取圆柱形直喷嘴、圆锥形喷嘴2种结构，研究2种类型喷嘴水力性能参数并验证理论计算结果的准确性。根据地锚系统压降理论计算，选取2种喷嘴出口处孔径均为37mm,地锚入口流道直径为∅155mm，出口流道直径为∅145mm。借助SolidWorks软件建立2种喷嘴三维模型，然后导入ANSYS Workbench软件进行网格划分，设置边界条件(包括速度入口、压力出口和壁面),最后利用FLURNT软件进行水力模拟仿真，选取湍流模型模拟喷嘴内部液流流场，湍流模型选取标准k-ε方程作为控制方程。假设流经地锚内部液流为理想液体，选用液体介质为清水。设置边界条件，给定进口绝对速度大小及方向，以及出口静压力边界条件，壁面采用无滑移固壁边界。

选定循环排量为20L/s，换算成流体入口流速，计算流体通过2种喷嘴流道入口与出口的压差，2种类型喷嘴压降分布云图如图3、4所示。

图3　圆锥形喷嘴压降分布云图　　　　　　　　　　　　　　图4　圆柱形直喷嘴压降分布云图

图5　2种类型喷嘴循环流量-压降曲线

从2种喷嘴水力性能仿真分析中可得，在循环排量为20L/S时，∅37mm圆锥形喷嘴压降为0.2629MPa，∅37mm圆柱形直喷嘴压降为0.3318MPa。圆锥形喷嘴流道逐渐变小，存在局部阻尼产生压降；圆柱形直喷嘴流道突然变小，压降效果更加明显。选取不同循环排量，换算成流体入口流速，计算流体通过2种喷嘴流道入口与出口的压差，2种类型喷嘴循环排量-压降曲线如图5所示。

从仿真研究数据可知，在同样的入口速度下，相同孔径的圆柱形直喷嘴所产生的压降值大于圆锥形喷嘴，圆柱形直喷嘴节流效果明显；在同样的入口速度下，圆锥形喷嘴出口流速比圆柱形喷嘴大，液流射程远。

4试验研究

综合理论计算和CFD仿真分析，确定固井地锚采用圆柱形直喷嘴结构，并加工制造出∅25mm、∅30mm、∅37mm这3种孔径圆柱形喷嘴试验工装，进行地锚水力循环试验，验证3种孔径圆柱形直喷嘴压降性能，以及固井地锚工作可靠性。

4.1试验目的

模拟固井地锚锚爪张开工作特性，探讨不同流量下不同喷嘴的憋压特性，为固井地锚系统结构参数设计提供依据。

4.2试验方法

1)试验台架由铸铁平台、夹持机构、循环系统3部分组成。其中夹持机构将地锚固定于铸铁平台上，循环系统由D25-50×10多级离心泵、水箱、管线、阀门等组成。D25-50×10多级离心泵配用交流变频器，以实现改变泵的转速、调节地锚的入口流量。

2)加工制造∅178mm固井地锚试验工装、进出口接头工装。安装流量传感器及数显仪测量循环流量，型号：WL-80涡轮流量传感器，测量范围：0~100m3/h，精度0.5%。

3)在地锚流道入口处，安装10MPa压力变送器及数显仪，出口处安装 1MPa压力变送器及数显仪，精度0.2%。

4)逐步增大地锚入口流量，待流量稳定，记录地锚入口流量、地锚入口压力、地锚出口压力等数据，然后逐渐减小地锚入口流量，待流量稳定，记录地锚入口流量、地锚入口压力、地锚出口压力等数据。试验结束后，重复进行第2次试验，取平均值减小试验误差。待2次试验完成后，更换另一种孔径的喷嘴，重复上述试验过程。

图7　∅25mm圆柱形直喷嘴流量-压差曲线图

4.3试验结果

1)压降-流量曲线。通过∅178mm固井地锚水力循环试验，得出∅25mm、∅30mm、∅37mm这3种不同孔径圆柱直喷嘴的压降-流量曲线图，如图7、图8、图9所示。

由图7~图9可以看出，在一定的流量下，不同孔径的圆柱形直喷嘴均能实现锚爪的打开和回收；在相同的循环排量下，随着圆柱形直喷嘴孔径增大，喷嘴节流压降值减小。因此，在地锚固井施工过程中，可根据现场施工工艺参数，选择不同孔径的喷嘴实施锚固作业。

2)喷嘴流量系数。喷嘴流量系数反映喷嘴的节流效果，流量系数越小，说明过流能力小。通常情况下，流量系数主要取决于喷嘴的结构，数值趋于一常量[7]。通过理论计算、CFD仿真模拟以及循环试验可得，当喷嘴内径小于中心管管段最小内径35mm时，流量系数为0.8～1.0；当喷嘴内径大于中心管管段最小内径35mm时，流量系数为0.65～0.9。

图8　∅30mm圆柱形直喷嘴流量-压差曲线图　　　　　　　图9　∅37mm圆柱形直喷嘴流量-压差曲线图

图10　圆柱形直喷嘴雷诺系数-流量系数曲线图

3)喷嘴雷诺系数。根据水力循环试验数据，利用连续性方程求得圆柱形直喷嘴出口处速度值、雷诺系数。∅25mm、∅30mm、∅37mm这3种孔径圆柱形直喷嘴雷诺系数-流量系数曲线图如图10所示。

根据3种不同孔径圆柱形直喷嘴雷诺系数与流量系数曲线图可知，圆柱形直喷嘴流量系数并不是趋于一常量，当圆柱形直喷嘴雷诺系数为25000~35000时，喷嘴流量系数较大；随着喷嘴雷诺系数增大或减小，流量系数变小，喷嘴对液流的阻尼变大。

5结论

1)比较分析了圆柱形直喷嘴和圆锥形喷嘴结构性能，圆柱形直喷嘴节流效果明显，在同样的入口速度下，相同孔径的圆柱形直喷嘴所产生的压降值大于圆锥形喷嘴。

2)利用水力循环试验，分析比较3种不同孔径圆柱形直喷嘴水力性能。在相同的循环排量下，随着圆柱形直喷嘴孔径增大，喷嘴节流压降减小。在地锚固井施工过程中，可根据现场施工工艺参数，选择不同孔径的喷嘴实施锚固作业。

3)喷嘴流量系数直接决定着喷嘴水力性能，合适的喷嘴流量系数，对于地锚结构技术至关重要。通过理论计算、CFD仿真模拟和水力循环试验，初步确定当喷嘴内径小于中心管管段最小内径35mm时，流量系数为0.8～1.0；当喷嘴内径大于中心管管段最小内径35mm时，流量系数为0.65～0.9。当喷嘴雷诺系数为25000~35000时，喷嘴流量系数取大值。

[参考文献]

[1]周守为.海上稠油高效开发新模式研究及应用[J].西南石油大学学报, 2007,29(5):1~4.

[2] 庞永鑫.浅析现行主要稠油热采技术及发展趋势[J].中国石油和化工标准与质量，2011(4)：159.

[3] 李燕青，张强.热采井单元式预应力固井地锚[J].内蒙古石油化工，2012(4)：53~54.

[4] 张国强.流体力学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5] 费建国.高压水射流喷嘴的流量系数及与能量转换效率的关系[J].长春光学精密机械学院学报，1995，18(1)：32~36.

[6] 周新建，陈听宽.引射喷嘴流量系数的计算方法[J].化工学报，2002，53(10)：92~94.

[7] 张强，李丁.单元式固井地锚水力循环试验与CFD分析[J].石油机械，2014，42(9)：19~22.

[编辑]洪云飞

[引著格式]聂建军，吴笑伟.异形盾构变异五杆切削机构运动学分析[J].长江大学学报(自科版)，2015,12(16)：51~56.

47 Experimental Study on Nozzle Selection for Anchors in the Cementation of Thermal Recovery

Zhu Jinggang(5thOilProductionPlant,ZhongyuanOilfieldCompany,SINOPEC,Puyang457001)

Chen Zhi，Zhang Qiang(YangtzeUniversity,Jingzhou434023)

Abstract:In cementing technology of heavy oil thermal recovery, the treatment of prestress of the cementing anchors for the casing string can prevent the casing damage in high temperature steam injection conditions.The anchor as an important cementing tool, controls the throttling of circulation of drilling fluid through the nozzle and achieves the pressure drop to generate power to promote fluke penetrating into the formation to achieve prestress cementing.The hydraulic performance of the nozzle directly determines the reliability of cementing anchors.By analyzing the CFD simulation software，the hydraulic performance both of the straight cylindrical nozzle and conical nozzle are compared, it determines that a straight cylindrical nozzle is used as the cementing anchor; and hydraulic cycle tests are carried out for ∅25, ∅30 and ∅37 of straight cylindrical nozzles for verifying the hydraulic performance parameters of different diameters of nozzlesto improve the reliability of anchors.It provides guidance for anchor design and for the cementation of thermal recovery of heavy oil.

Key words:thermal recovery wells； anchor；nozzle；CFD；circulation test

[作者简介]聂建军(1971-)，男，博士，副教授，现主要从事现代设计理论与方法方面的教学与研究工作；E-mail:jjnie311@163.com。 潘俊宏(1989-)男，硕士生，现主要从事体育教育训练学方面的研究工作；孙国涛，guotaosun520@163.com；殷学锋，教授，1359262259@qq.com。

通信作者:

[基金项目]湖北省教育厅人文社会科学研究项目(2010D019)。 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2002AA420020)；河南省重点科技攻关计划(122102210400)。

[收稿日期]2015-02-15 2015-02-14

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)16-0047-04

[中图分类号]TE925