盐穴储气库底部碎屑旋转射流冲洗数值模拟

宋先知李根生王海柱丁国生田守嶒

1.油气资源与探测国家重点实验室·中国石油大学(北京) 2.中国石油勘探开发科学研究院廊坊分院

盐穴储气库底部碎屑旋转射流冲洗数值模拟

宋先知1李根生1王海柱1丁国生2田守嶒1

1.油气资源与探测国家重点实验室·中国石油大学(北京) 2.中国石油勘探开发科学研究院廊坊分院

宋先知等.盐穴储气库底部碎屑旋转射流冲洗数值模拟.天然气工业,2010,30(8):83-86.

在地下盐穴储气库多夹层岩盐水溶造腔过程中,不溶于水的夹层碎屑极易在盐穴腔底过量沉积,引起有效造腔体积减小、造腔速度降低,从而影响储气库造腔的质量和进度。为此,提出了高压旋转水射流冲洗碎屑的新方法,阐述了通过射流冲击作用和旋流作用,完成高效冲洗腔底碎屑的工作原理;根据多相流理论,建立了旋转射流冲洗碎屑数学模型,数值模拟研究了排量、颗粒直径和工具转速等参数对碎屑冲洗效率的影响规律。模拟结果表明:排量和颗粒直径是影响碎屑冲洗效率的重要因素,冲洗效率随着排量的增大而显著提高,随着颗粒直径的增大而明显降低;在一定条件下,存在最优工具转速,但随着颗粒直径的增大,工具转速对冲洗效率的影响逐渐降低。旋转射流法冲洗盐穴腔底碎屑能够有效提高碎屑冲洗效率,该方法为我国多夹层岩盐的快速、优质和安全造腔作业提供了一条新途径。

旋转射流 地下储气库 多夹层岩盐 水溶造腔 碎屑沉积 碎屑冲洗 数学模型

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.08.022

地下盐穴储气库是“西气东输”工程的配套设施,与天然气管网一起实现向用户安全平稳供气[125]。我国盐矿盐岩层具有盐岩分层多、单层厚度薄和盐岩体中一般含有夹层的特点[6]。在造腔过程中,这些夹层主要通过盐腔壁面循环流体的剪切作用和溶解作用来破碎,会产生大量不溶于水的碎屑颗粒,在常规水溶造腔工艺中,只有部分细小的颗粒能够在循环流体的作用下运移至地面,而大部分碎屑都会沉积在盐腔底部[7]。当岩盐中夹层较多时,碎屑在腔底的沉积会减小有效造腔体积,降低造腔速度;沉积严重时,为了保证溶腔速度和腔体尺寸,不得不将注水管柱上移,从而影响盐腔形状和造腔计划。为此,提出了旋转射流冲洗腔底碎屑方法,根据射流冲击作用和腔内流体的旋流作用,有效清洗腔底碎屑,为我国多夹层盐穴储气库造腔提供了一种新方法。

1 旋转射流冲洗腔底碎屑方法

利用高压水射流技术和旋转控制技术,设计研制了旋转射流冲洗工具,图1为工具在腔内的作业示意图。该工具用油管送至井下造腔段,由地面高压泵车打压,将清水通过油管、单向阀、过滤器和旋转控制器后进入旋转喷头,产生多股高压水射流,在腔内进行冲洗作业,同时,通过冲洗管柱在腔内的上下移动,达到充分冲洗腔底碎屑和快速造腔的目的。

图1 盐腔底部残渣射流冲洗工艺示意图

常规射流造腔工具仅在旋转喷头上布置了4个侧向喷嘴,在此基础上进行了改进,增加了1个垂直向下和2个45°斜向下的喷嘴。造腔过程中,在径向射流产生的旋转扭矩作用下,喷头带动7股高压水射流沿垂向轴线旋转,在腔内产生强旋流场。对于直接从夹层处脱落的不溶性碎屑,旋流效应可直接将其悬浮于循环流体当中,并被流体携带出腔体。同时,在3股向下射流的旋转冲击和搅拌作用下,沉积在腔底的碎屑重新悬浮到循环流体中,借助于腔内流体的旋流作用,被流体携带至地面。因此,旋转射流冲洗工具可有效悬浮携带夹层碎屑,防止其在腔底大量沉积,保证多夹层岩盐造腔工程的安全、优质、高效。

2 旋转射流数学模型

为了研究旋转射流冲洗工具在腔内产生的旋流场和冲洗碎屑效果,根据欧拉双流体模型建立了描述旋转射流冲洗腔底碎屑过程的数学模型[8]。

2.1 质量守恒方程

不考虑相间的质量传递,连续性方程为:

式中αk为k相的体积分数;ρk为k相的密度;?υk为k相的速度。

2.2 动量守恒方程

2.3 压力应变张量

式中λk为相的体积;μk是k相的剪切黏度。

2.4 液固动量交换系数

3 数值模拟及分析

3.1 模拟方案

结合现场实际和计算条件,忽略了水溶造腔形态和尺寸变化对碎屑冲洗效率的影响,用直径2 m、高5 m的圆柱形模型来模拟造腔初期的盐腔形态,见图2。模拟造腔管柱采用直径分别为177.8 mm造腔外管和114.3 mm造腔内管的常用组合,边界条件为速度入口边界、压力出口边界和固壁无滑移边界条件,模拟井深为1 000 m,喷嘴组合为7×6 mm,喷头转速为60～120 r/min,排量为35～60 m3/h,碎屑颗粒直径为0.1～1.0 mm,碎屑的最大沉积体积分数为63%。网格化分采用结构和非结构相结合的方式,为了模拟高压水射流在腔内的旋转运动,在射流高速旋转区采用了旋转参考坐标系,并对该区域进行了网格加密,整个几何模型共划分45.38×104个网格单元。

图2 模拟盐腔结构示意图

3.2 模拟结果分析

3.2.1 旋转射流作用机理

旋转射流工具在冲洗作业时,带动7股高压水射流在盐腔内进行旋转冲击,扩大了流体的作用范围,强化了腔内流体的对流循环作用,改变流体的流态,使得循环流体的作用效果明显加强。图3是排量为50 m3/h、喷头转速为100 r/min时腔内射流运动轨迹示意图,由图3可知,在旋转射流的作用下腔内流体产生了旋流场,其中工具附近流体的旋流效应最明显。图4为排量42.7 m3/h、喷头转速60 r/min及粒径0.1 mm条件下盐腔内流体周向速度分布云图。如图4所示,随着径向距离的增加,流体周向速度逐渐增大,在靠近盐腔壁面处达到最大值,在本条件下,腔内流体最大周向速度为2.5 m/s。旋转射流产生的旋流场能够有效改变腔内流体的速度分布和浓度分布,强化盐腔壁面质量交换过程,从而提高盐穴储气库的造腔速度,同时,这种旋流效应还可提高悬浮运移夹层碎屑的能力,防止其在腔底过量沉积。

图3 盐腔内射流运动轨迹图

图4 盐腔内流体周向速度云图

3.2.2 冲洗效率影响规律分析

图5 不同时间盐腔内残渣体积分数云图对比分析图

图5为排量50.0 m3/h、喷头转速80 r/min及粒径0.1 mm条件下的腔内碎屑体积分数分布云图。由图5可知,随着时间的增加,腔底堆积的碎屑体积显著减少,碎屑逐步扩散到整个腔体空间,其体积浓度呈由上到下逐渐增大的非均匀性分布。同时,悬浮到流体中的碎屑颗粒被循环流体逐步携带出腔体,在本模拟条件下,当作业时间达到500 s后,腔内仅剩少量碎屑聚集在腔底,其余大部分碎屑都被流体携至地面。

图6为碎屑粒径为0.1 mm、工具转速为60 r/min时,不同排量条件下腔内剩余碎屑体积随时间的变化规律图。由图6可知,随着作业时间的增加,腔内碎屑体积逐渐减少,且减少的速率逐渐降低。在相同作业时间内,排量越大,腔内剩余碎屑越少,冲洗效率也越高。排量为57.0 m3/h时,冲洗10 min即可冲洗出80%的碎屑颗粒。

图6 腔内残渣冲洗效率随时间的变化规律图

碎屑颗粒直径亦是影响冲洗效率的重要因素之一。图7为排量50 m3/h、冲洗10 min后的碎屑冲洗效率与颗粒直径的关系。由图7可知,粒径对碎屑冲洗效率的影响很大,随着颗粒直径的增大,碎屑冲洗效率迅速降低,当碎屑颗粒直径大于0.7 mm时,冲洗效率仅达到5%,很难有效将其冲洗出腔体,此时,只能通过移动管柱和增大排量的方式提高碎屑冲洗效率。

图7 残渣冲洗效率随颗粒直径的变化规律图

从图7还可看出,当颗粒直径较小时,工具转速对冲洗效率还有一定影响。在本模拟条件下,当工具转速为80 r/min时,冲洗效果最好;但随着颗粒直径的增大,这种影响逐渐降低,当颗粒直径达到0.7 mm后,工具转速对冲洗效率的影响可以忽略不计。

4 结论

1)排量和颗粒直径是影响碎屑冲洗效率的重要因素,数值模拟结果表明,随着排量的增大,冲洗效率显著提高;随着颗粒直径的增加,碎屑冲洗效率迅速降低,当颗粒直径较大时,只有通过适当移动冲洗管柱和增大排量的方式提高冲洗效率。

2)工具转速对碎屑冲洗效率有一定的影响,当碎屑颗粒直径较小时,存在最优工具转速;但随着颗粒直径的增大,工具转速对冲洗效率的影响逐渐降低,最后可忽略不计。

3)旋转射流冲洗工具能够在盐腔内能够产生强旋流场,改变腔内流体流态,强化对流循环作用,有效提高夹层碎屑的冲洗效率,防止其在腔底大量沉积,从而保证多夹层岩盐造腔工程的快速、优质、安全,为我国多夹层岩盐建造地下储气库提供了一种新方法。

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(修改回稿日期 2010-06-30 编辑 何 明)

宋先知,1982年生,博士研究生;主要从事油气井流体力学和水射流技术研究工作。地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学石油工程学院。电话:(010)89733379,15210242339。E-mail:songxianzhi@yahoo.com.cn