劉明堯，張 嶺，武育斌，杜常饒

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

在石油開采中，經過較長時間的開發(fā)生產，地層的流體場、壓力場都會發(fā)生很大的變化，與新開發(fā)的油井相比，其地質條件較為多變。此外，井下環(huán)境惡劣，溫度較高[1]，再加上采油過程中頻繁的物理、化學開采措施以及修井施工等諸多因素的影響，使得井下情況十分復雜。井下石油套管的變形、穿孔、破裂、腐蝕[2-6]不斷發(fā)生，因此造成的井下管道堵塞等情況時常發(fā)生。而大量井下事故的存在，嚴重影響了油井的正常生產，制約了油田的開采效率；油井井液渾濁，透光率極低，不利于常規(guī)井下電視技術的檢測，因此探究井下電視噴水驅污的影響因素顯得尤為重要。

20世紀90年代初期，DHV 公司開發(fā)出了“鷹眼”井下電視成像測井系統(tǒng)?！苞椦邸本码娨暢上裣到y(tǒng)使用便捷、操作簡單?！苞椦邸毕到y(tǒng)采用普通的鎧裝電纜，大大降低了井深的約束，迅速在測井領域占據(jù)一席之地，但“鷹眼”成像系統(tǒng)對井液要求高，測井前須徹底洗井，待油水分離后方可施工[7-10]。馬安麗[11]介紹了全景式井下電視檢測系統(tǒng)的工作原理、操作規(guī)程及在舊井修復中的應用情況進行論述分析,結論說明全景式井下電視檢測系統(tǒng)為舊井修復提供了先進的手段,成倍地提高修井的成功率和效率,為單位創(chuàng)造了不菲的經濟效益。2008年西安光學精密機械研究所研制了一套基于光纖傳輸?shù)男⌒途码娨昜12]，系統(tǒng)采用后端照明的方式，在井下微弱的光線下也能保證較高的圖像清晰度。使用了光纖傳輸視頻信號，克服了同軸電纜和雙絞線在圖像傳輸方面的缺點，且具備傳輸圖像容量大、抗干擾能力強、保密性好，設備重量整體較輕等優(yōu)點，采用了密封和高溫保護等一系列措施，在井下復雜的環(huán)境下，仍然可以正常工作，此外小型化的結構設計也進一步提高了系統(tǒng)的便捷性。Jun-Hua[13]通過解決高溫電阻、高壓電阻、密封、遠距離視頻信號傳輸?shù)汝P鍵技術問題，研制出了一種能夠清晰顯示井下情況的井下光學成像測井系統(tǒng)，解決了井下高溫高壓帶來的系列問題。綜上所述目前對于井下電視的研究主要圍繞遠距離成像、溫度壓力保護等方面，對井液的要求較高，筆者將噴水驅污和井下電視成像技術相結合，研究出一套依靠噴水驅污保證相機成像區(qū)域井液清晰的井下電視裝置，大大降低了測井過程中對井液的要求，進一步擴大了井下電視的使用范圍。

論文利用流體力學軟件FLUENT，采用油井仿真場景中比較常見的RNGk-ε湍流模型[14-16]和封閉時均雷諾方程，對影響井下電視成像的影響因素進行三維不可壓縮定常數(shù)值模擬，分析各個影響因素對流場的影響，研究噴水驅污裝置的最佳設計參數(shù)。

1 井下電視及噴水驅污裝置結構

1.1 井下電視總體方案

井下電視系統(tǒng)主要包含成像模塊和噴水驅污模塊。噴水驅污保證相機前方井液的透光率高，可以保證成像模塊的清晰成像。井下電視裝置外部的油管直徑120 mm，噴口近似為一個半圓，噴口外側所在圓的直徑為60 mm，整個井下電視裝置的外徑為80 mm，如圖1所示，其中包含8個噴口。

圖1 井下電視和外部油管的三維幾何模型

1.2 噴水驅污裝置結構

噴水驅污裝置由包含螺旋溝槽的內腔和空心圓柱組合而成，空心圓柱的內徑與螺旋溝槽處的外徑相同，兩部分相互包裹形成整個噴水驅污裝置。圖2為噴水驅污裝置的內腔結構，右側為螺旋溝槽區(qū)域，溝槽均布在圓柱體的外表面。

圖2 噴水驅污裝置內腔結構圖

1.3 噴水驅污效果評定

相機在整個井下電視的前端，前方井液的清晰度直接影響了相機的成像效果，相機的視角為70°，因此管壁到相機的成像路徑可以看作一個錐形區(qū)域，在錐面的一條母線上等距選取6個觀測點，從相機到油管壁依次從1到6，如圖3所示。依據(jù)這6個點處水的體積分數(shù)來評定噴水驅污的效果。

圖3 包含觀測點的仿真模型

2 仿真方法及結果分析

2.1 仿真方法

仿真模型一般由較為簡單的結構組成，為了網格劃分的方便，一般會采用分割法對仿真模型進行處理，如圖4所示。將模型從A1-A2處截斷，為提高計算精度，對噴口部分進行局部加密處理。噴口處的邊界條件為速度入口，在出口處為了更好地模擬真實環(huán)境，選擇了自由出口。模型網格數(shù)經過相關性檢查，當計算觀測點處水的清晰度的變化小于1%時認為達到了網格無關化要求，最后整個井下電視仿真模型的網格總數(shù)為298 252個，該網格對于井下電視內部宏觀流動的捕捉已經足夠，Element Quality均大于0.72，網格質量較好。

圖4 井下電視系統(tǒng)仿真模型網格信息

2.2 相同流速不同噴射角度下的流場分析

2.2.1 不同角度觀測點水的體積分數(shù)分析

對不同的噴射角度進行瞬態(tài)數(shù)值模擬分析，可以得到6個觀測點在不同時刻所有角度水的體積分數(shù)，如圖5所示。

隨著角度增大，6個觀測點處水的清晰度也逐漸下降，噴射角度為25°時，水的清晰度最高，在第1 s就達到了85.5%以上，在第2 s達到了92.2%以上，基本滿足了相機成像的需求，隨著仿真時間的增加，角度的變化對觀測點清晰度的影響逐漸減小，第5 s后觀測點處水的體積分數(shù)雖然依舊存在波動，但不同角度差距不大。以上現(xiàn)象基本符合事實，隨著仿真時間的增加，大量的清水進入油管內，水的體積分數(shù)自然會逐漸增大，不同角度的差別也會逐漸縮小，噴射角度為25°時，噴口噴出水的軌跡面和觀測點所在的錐面重合度較高，因此會出現(xiàn)區(qū)別于其它角度的效果。

2.2.2 關鍵角度流場分析

相機的成像視角為70°，將觀測點所在的直線沿Z軸旋轉360°可以得到一個觀測面，觀測面上水體積分數(shù)的大小決定了相機的成像效果，圖6為噴射夾度為22°、25°、30°時，觀測面處水的體積分數(shù)。

圖5 不同時刻不同角度觀測點處水的體積分數(shù)

圖6 不同噴射角在1 s時刻觀測面處水的體積分數(shù)

圖6展示了幾個不同角度在瞬態(tài)數(shù)值模擬1 s時刻觀測面水的體積分數(shù)，從圖6中可以直觀的看出，在觀測面上距離相機越近，水的體積分數(shù)越低，3個噴射角度中，25°時刻整體上水的體積分數(shù)都較好。此現(xiàn)象也符合實際，8個噴口是均布在相機周圍的。在漩渦的中心，水的流速較小，越遠離相機，水的流速越大，流速大的水會帶走更多渾濁的油水混合物。

2.3 相同噴射角度不同流速下的流場分析

在相同的噴射角度下流速不同時，外界流場也會有較大的不同，圖7展示了相同噴口的情況下，不同流速驅污效果對比圖，圖7(a)～圖7(c)依次為第1 s、第2 s和第3 s時6個觀測點不同噴射流速的對比圖。

圖7 不同流速對成像區(qū)水的體積分數(shù)的影響

當噴口處流速增大時，單位時間內流出的高壓水量將變大，從圖7中可知，沖洗相同的時間，隨著噴口處水的流速增大，相機前方成像區(qū)域水的體積分數(shù)逐漸增大，當流速從10 m/s增加到40 m/s時，水的體積分數(shù)變化較大，當流速再次增加時，水的體積分數(shù)增加不如之前的明顯，隨著流速增大，水的體積分數(shù)的增速逐漸放緩。流速大于40 m/s，2 s內相機前方水的體積分數(shù)就可以達到80%以上，可以滿足普通的拍攝需求。如果對時間要求不高，則可以選擇較小的流速。以上的現(xiàn)象也符合理論的要求，隨著流速的增大，水的體積分數(shù)不可能保持原來的增速持續(xù)增大。

2.4 噴口數(shù)量對流場的影響

在相機的成像視角為70°時，將觀測點所在的直線沿Z軸旋轉360°可以得到一個錐形觀測面，從Z 軸正半軸觀察管側面上水的體積分數(shù)云圖，圖8為不同噴口數(shù)量在步長為第2 s時刻水的體積分數(shù)云圖。

圖8 不同噴口數(shù)量在第2 s時刻水的體積分數(shù)的云圖

隨著噴口數(shù)量的增加，相同位置處水的體積分數(shù)逐漸增大。噴口數(shù)量較少時，流場相對混亂，兩個噴口中間所處的區(qū)域水的體積分數(shù)較低，雖然會隨著時間增大該部分水占的體積分數(shù)有所增大，但是在相鄰區(qū)域水的體積分數(shù)依然存在大的突變。保證出口流速不變的情況下，增加出口數(shù)量也可以大大提高效率，在第2 s時，4個噴口的工況下，觀測面上水的體積分數(shù)的最小值在0.7左右，而8個噴口的工況下，觀測面上水的體積分數(shù)的最小值在0.85左右，8個噴口的情況明顯優(yōu)于4個噴口的情況。

3 結論

隨著噴口噴射角度的增加，相機前方區(qū)域水的體積分數(shù)逐漸減小，但在25°存在極值。

相同噴射角度下，隨著噴口噴射速度的提高，相機前方區(qū)域水的體積分數(shù)也逐漸增大，但增大的幅度逐漸減小，可以根據(jù)工程的要求選擇合適的噴射速度。

在總流量不變的情況下，隨著噴口數(shù)量的增加，相機前方區(qū)域水的體積分數(shù)也逐漸增大，當噴口數(shù)量較少時，流場相對比較混亂，效果較差。