0 引言

中石化在国外开采的伊朗雅达油田主要有Sarvak储层和Fahliyan储层，Sarvak储层含蜡质量分数约为5.713%，Fahliyan储层含蜡质量分数约为6.588%。其原油生产面临结蜡严重的问题，经常出现井筒堵塞从而耽误生产进度^[1]。在哈萨克斯坦参与的FIOC S油田项目中，原油同样高含蜡，每年清蜡费用较高，造成开采成本上升。因此，对自动清蜡工具需求急迫。

现有井筒清蜡技术主要有热清蜡、化学清蜡和传统机械清蜡等^[2]。热清蜡是通过热能提高井筒流体温度从而达到井筒清蜡的目的，但该技术耗电量较高，操作复杂，而且可能污染原油层^[3-5]。化学清蜡是通过加化学防蜡剂来降凝解堵，达到防蜡目的，但此过程耗费人力，且容易对人体或者油层造成损害。传统机械清蜡是靠机械工具刮掉所凝结的蜡并随油液带出井筒，清蜡效率低^[6]。为此，设计了2套自喷井自动清蜡工具^[7-8]，并对其中1套进行数值模拟，以期对今后自动清蜡工具的研制提供指导。

1 自动清蜡工具的设计

自动清蜡工具的原理就是利用井底压力和自身重力来实现上、下运动。换向装置是控制清蜡工具上、下运行自动换向的一个重要装置，通过换向装置的区别来介绍以下2种不同的清蜡工具。

1.1 通过换向杆换向的工具 1.1.1 结构

该工具包括井口换向装置、井底换向装置及清蜡器^[9-11]。如图 1所示，清蜡器由换向杆、筒状主体和刮蜡瓦片等构成。刮蜡瓦片通过瓦片弹簧和流体的作用在扩张和收拢状态之间切换，其直径接近于油管内径，张开为61 mm，收拢为56 mm。清蜡器中间靠换向杆完成内部通道的打开与关闭。井口换向装置包括缓冲器和捕捉器，缓冲器主要由弹簧构成，捕捉器起回收清蜡器的作用。当需要回收或检查油管清蜡器时，由人工操作捕捉器，在清蜡器到达井口时取出回收或检查。井底换向装置(见图 2)包括顶杆、弹簧和固定座，其安装于井下结蜡点至井底任意油管接箍位置。

1.1.2 工作原理

清蜡时，油管清蜡器靠换向杆打开清蜡器通道，清蜡器靠自重回落；当到达井下换向装置位置时与之碰撞，换向杆相对于筒状主体上移(朝向井口的方向)，此时换向杆与筒状主体在内壁结合点卡死，关闭了清蜡器内部通道，由底层流动液体(气体)能量推动清蜡器上行。上喷流体将刮蜡瓦片顶到扩张状态，上行时由紧贴油管内壁的清蜡瓦片刮掉蜡。到达井口时，清蜡器换向杆与井口换向装置碰撞，换向杆打开清蜡器内部通道，上喷流体通过内部通道上行，清蜡器可靠自重回落；同时，在瓦片弹簧及刮蜡瓦片受冲击减小的作用下，刮蜡瓦片转换至收拢状态。因此，清蜡器可重复下行回落和上行清蜡，实现自动清蜡。

1.2 通过胶筒换向的工具 1.2.1 结构

该工具包括清蜡器和井口捕捉器。清蜡器结构如图 3所示的，包括刮蜡中心杆、3级刮蜡片、连杆结构、固定销、电磁定位器、丝杠电机、胶筒和螺杆等部件。刮蜡中心杆安放了3级刀片，每一级刀片直径逐渐扩大。第1级刮蜡片直径最小，负责刮削最外层的蜡，第2级刮蜡片直径稍大，进一步加大刮削深度，第3级刮蜡片刮除最后剩余的蜡。刀片与中心杆由平行四边形连杆相连接，保证其在平行于中心杆的情况下，完成刮蜡片的收缩和扩展，进而保证其刮削效果。将刮蜡中心杆尾部掏空，放入定位装置及电机，丝杠电机与螺杆连接。定位装置包括井口接收装置及清蜡工具内部电磁发射装置。电磁定位器通过信号传递给电机，控制电机在预定位置正转或反转。螺杆外部覆盖胶筒，依靠胶筒的膨胀和复位控制井筒油液的流通，进而造成压差使工具上、下运动。

1.2.2 工作原理

从井口下放清蜡工具之后，外部刮蜡片受到油液以及井筒内壁蜡的阻力，使其通过平行四边形连杆收缩至中心杆，当电磁定位器探测其下放到预定距离后，传送信号给丝杠电机，使电机正转。电机正转带动螺杆向上转动挤压胶筒，胶筒受压膨胀使井筒过油液面积减小甚至堵住井筒，此时油液向上的压力大于工具自身的重力，在压差作用下即可实现工具在井底的自动换向。刮刀在自重的作用下展开，上行进行清蜡。清蜡工具到达井口后，井口安装捕捉器捕捉到清蜡工具，此时电机反转，胶筒恢复到初始状态，为下次下井清蜡做准备。

1.2.3 主要技术参数

工具总长890 mm，总质量2.6 kg；3级刮蜡片外径分别为50、55和60 mm，切削角度30°；胶筒长度180 mm，适用油管内径62 mm，工作温度≤170 ℃。

1.2.4 主要特点

该工具利用自喷井能量及自身重力实现上、下运动，不依靠其他动力，节约能源，工作可靠^[12]；自动换向机构的内置电机控制胶筒的膨胀和复位，进而控制压力差实现上、下运动；3级刮蜡机构清蜡工具带有3个不同外径的刀片，可确保对较硬蜡的刮削效果。

2 胶筒换向性能的数值模拟

选择胶筒换向的清蜡工具，对其进行数值模拟，验证其在胶筒膨胀后是否能够在井底压力及自身重力的压差作用下上行清蜡^[11]。通过数值模拟，分析设定的自动清蜡工具在胶筒膨胀上行所需的最小流量及井底压力，结合实际井况验证其实用性。

2.1 求解模型 2.1.1 控制方程

连续方程：

(1)

模拟的动量方程:

(2)

2.1.2 湍流模型

在自喷井的实际生产过程中，油筒中的油液存在强烈的湍流流动，为了更好地模拟油筒中清蜡工具周围油液的实际流动情况，采用RNG k-epsilon湍流模型，以得到更加准确的结果^[12]。

(3)

(4)

式中：α_k=α_ε=1.39；C_1ε=1.42；C_2ε=1.68。

2.2 流场建模及网格划分

对所设计的清蜡工具进行数值模拟。设井筒长度4 750 mm，内径62 mm。井底油液在压力作用下通过胶筒与井筒之间的缝隙向上运动，并推动清蜡工具上行。将胶筒设定为刚性体，选取胶筒膨胀后外径为58、59、60和61 mm，主要模拟膨胀后的工具流场。为方便计算，忽略刮蜡片对油液压力及流速的影响。

将井筒内部流动区域及清蜡工具作为计算模型。由于井筒内部流场结构较为复杂，为得到精确的计算结果，采用非结构化(四边形)网格进行划分，并且在流场流动复杂的部分对网格加密，如胶筒附近的流场。

2.3 边界条件

由于井筒中油液向上流动，所以设井筒下边线为入口边界，上边线为出口边界，入口和出口分别采用压力进口和压力出口条件。将井筒内壁及工具外壁设为壁面边界，该区域的壁面设为无滑移壁面。

2.4 模拟结果及分析

模拟结果如图 4和图 5所示。由图 4和图 5可见，随胶筒外径增大，上行所需最小流量与压力都逐渐减小。当胶筒外径为61 mm时，最小流量为2.52 m³/h；随着胶筒膨胀外径的减小，所需最小流量逐渐增加；当外径由59 mm减为58 mm时，所需最小流量明显增加；当直径小于59 mm时，压力有明显增加的趋势。因此，在预设条件下，膨胀后的胶筒外径59 mm是临界值，当膨胀后的胶筒外径小于59 mm时，所需的井底压力及流量急剧升高，最好保持膨胀后胶筒外径大于59 mm。

根据模拟所得最小流量及最小压力，结合伊朗雅达油田Sarvak储层和Fahliyan储层的数据进行分析。Sarvak地层温度约95 ℃，压力约35 MPa，Fahliyan地层温度约138 ℃，压力约68 MPa，因此该清蜡工具完全能够在这2种地层条件下上行清蜡。还可以根据实际地层数据进一步优化清蜡工具的参数^[13]。

3 结论及认识

(1) 由模拟结果可知，通过自喷井井底压力及重力的压差作用来实现自动上行清蜡完全可行。

(2) 根据模拟所得数据及中东油田的实际地层数据，可适当增大所设定自动清蜡工具的质量和尺寸等，进一步优化工具的参数。

(3) 考虑到中东油田井底温度过高，工具在选材(特别是胶筒的橡胶材料选择)时，需保证其在高温条件下可用及稳定性。