随着油气田开发的深入，部分油气井由于井内管柱断落、井筒堵塞等原因造成修井作业逐年增多，修井难度逐渐增大，严重时甚至造成油气井报废^[1]。而处于开发中后期的油气田区块由于地层压力不足，在洗井过程中易发生洗井循环液和清水漏失，部分漏失严重井甚至无法建立洗井循环，为落物鱼顶碎屑的收集打捞带来了很大困难。针对部分漏失严重井，如何有效地建立良好的洗井循环通道以正常循环回收井内的碎屑是解决上述问题的关键^[1]。

目前修井作业可采用正循环、反循环以及局部反循环方式对落物鱼顶碎屑进行收集打捞。采用正循环方式作业时，碎屑依靠大排量的液流携带，经油、套环空返至地面；与正循环打捞方式不同，采用反循环方式作业时，液流经油、套环空注入井底，从油管通道流出，碎屑依靠大排量的液流携带，经油管返至地面；正循环和反循环方式对于常规油气井可满足施工要求，而对于井筒漏失及大斜度井、水平井段的小件落物的打捞施工则存在很大的难度及风险^[2]。为了解决上述问题，人们提出了局部反循环打捞技术。局部反循环打捞技术的特点在于能够在井下改变洗井介质的循环方式，直接在井底构成局部循环，将碎屑收集至打捞工具内。而局部反循环打捞工具是实现局部反循环打捞作业的核心装置，其性能好坏直接决定了打捞作业的效率。

已有不少学者对局部反循环打捞工具开展了研究。顾长增等^[3]根据多年技术经验研制了小井眼局部反循环工具，并结合现场施工效果对该工具进行了完善和改进。杨义兴^[4]根据落物特点、性质以及井筒情况，研制了一种加长隔腔式反循环打捞篮，并成功应用于元54-8井打捞作业，该工具能有效解决小件落物打捞技术难题。单茂青等^[5]研制了一种由外筒、内衬管、中心管、中心管接头、中心管底座及滤砂器组成的多功能局部反循环工作筒，并分析了该多功能局部反循环工作筒的工作原理。王春生等^[6]利用数值模拟方法对常规反循环打捞装置在洗井作业时孔底流场流体分布特征进行了研究，分析了常规局部反循环洗井装置在井下形成反循环的原理，并总结了导致常规反循环洗井装置洗井效果不理想的原因。艾白布·阿不力米提等^[7]基于负压抽吸原理研制了一套专门针对球类落物的连续油管负压打捞管柱，并用数值模拟和试验分析进行了优化，该工具为球类落物打捞难题提供了有效的解决方案。

尽管目前已有众多学者对不同局部反循环打捞工具进行了研究，但是在实际应用中发现，这些装置存在打捞对象单一、反循环能量不足、碎屑采集率低等问题。为了解决上述问题，笔者研发了一种新型局部反循环打捞工具，该新型局部反循环打捞工具具有结构复杂、打捞范围大等特点，实验研究难以直接观测到其内部的流场情况。计算流体动力学(CFD)方法具有成本低和能模拟较复杂或较理想的流动过程等优点^[8-14]，能对复杂的结构进行模拟，并求得流场不同位置的基本物理量(如速度和压力等)的分布。因此，笔者利用CFD方法模拟该型局部反循环打捞工具的工作过程并进行结构优化：利用SolidWorks软件建立该工具在井筒作业时的三维物理模型，运用FLUENT前处理器ICEM软件对物理模型进行网格划分，利用FLUENT3D单精度求解器对网格模型进行求解，获得该工具在井筒作业时的内部压力场、速度场分布，分析该工具的工作原理，在此基础上，开展该型打捞工具结构优化数值模拟研究。

1 数值模拟 1.1 物理模型及网格划分

图 1所示为研发的新型局部反循环打捞工具结构示意图，该工具主要由工具套筒、过滤本体、喷嘴安装座、喷嘴本体以及吸入扶正杆5部分组成。

根据工具实际尺寸以及井筒尺寸，利用SolidWorks软件建立井下作业时的局部反循环打捞工具计算域模型(长约4 638.82 mm、直径为114.30 mm)。所建物理模型如图 2所示。

将局部反循环打捞工具模型导入FLUENT软件前处理器ICEM中对模型进行网格划分。由于结构复杂，全局均采用四面体非结构化网格，对喷嘴、筛管、工具壁面开孔处等主要细小计算区域进行局部网格加密处理，以提高计算过程的稳定性及精度。划分后的网格单元数为2 332 399个，节点数为405 342个，所得网格模型见图 3。

1.2 边界条件与模拟参数

流体入口边界采用压力入口边界，混合流体出口边界采用压力出口边界。固体壁面采用无滑移壁面边界。基本方程采用有限体积法离散化三维N-S方程，湍流模型采用Realizable k-ε湍流模型，采用非耦合隐式方案进行求解，采用二阶迎风式离散对流项，用工作流体入口压力初始化流场，以残差10^-5作为收敛依据。

根据现场施工工艺参数，地层压力为10 MPa，工具入口压力为20 MPa，因此，设置入口初始压力为20 MPa，出口初始压力为10 MPa。

2 计算结果与分析 2.1 局部反循环打捞工具模拟结果

将上述模拟参数带入FLUENT求解器中进行计算，得到图 4和图 5中的结果。

从图 4中可以看出，在工具壁面开孔以下位置，局部反循环工具内部的静压小于环空区的静压，而由于喷嘴的作用主要是将高压水转换成高速流动的水射流，所以喷嘴内部的静压比较低，从喷嘴喷出的高速流动的水射流将卷吸喷嘴出口附近的流体，并通过动量交换的形式将部分动能传递给被卷吸的流体，本身流速降低，所以此区域内的静压比喷嘴内部的大。

从图 5中可以看出，流体在吸入扶正杆内的流动较快，在过滤本体内的流动较慢，由于喷嘴能将高压水转变成高速流动的水射流，所以在喷嘴内以及喷嘴出口处流体速度非常大，高速水射流经过工具壁面开孔之后撞击到环空壁面，流体速度出现转向并随之减小，流体向井筒底部流动。

对图 5中局部反循环打捞工具速度云图进行处理，得到井下作业时的局部反循环打捞工具底部、喷嘴出口附近以及过滤筛管处的速度矢量图，分别见图 6、图 7和图 8。

分析图 6~8中的速度矢量，可以得出局部反循环打捞工具的工作原理，即高压水从局部反循环打捞工具中的喷嘴喷出形成高速水射流，此时喷嘴形成的射流流体与其周围流体之间存在切向间断面，该切向间断面一旦受到扰动将失去稳定并产生漩涡，卷吸周围流体进入射流流体。由于动量的横向传递，卷入的流体与射流混合，随着高速水射流一起经过套管壁面开孔进入环空区，最后撞击到井筒壁，流体速度发生转向，向工具底部流动并对工具底部产生扰动作用。而在工具内部，喷嘴出口附近被卷吸走的流体被下部流体替代，工具内的下部流体被更下部流体替代，依次循环，最终在工具内部和环空区之间构成反循环系统。

由于局部反循环打捞工具的原理主要是利用喷嘴形成的高压水射流的卷吸作用来构成反循环，若能增大射流的卷吸能力，则喷嘴出口附近被卷吸的流体越多，清洁工具形成的反循环系统运行越顺畅，清洁工具的打捞能力越强。

2.2 局部反循环打捞工具结构优化研究

已有多种方法可用于增大射流的卷吸能力，比如增加喷嘴数量，改变喷嘴直径，改变喷嘴形状等^[15-20]。

2.2.1 喷嘴数量对局部反循环打捞工具性能影响

采用8.0 mm直径圆形喷嘴的局部反循环打捞工具，改变喷嘴数量，其他结构不变，考查对工具性能的影响。由于增加喷嘴数量时工具壁面开孔也要增加，为了保证工具本身的强度，只考虑了3个、4个以及6个喷嘴的情况。设置流体出口边界条件为10 MPa，入口压力为20 MPa。将上述参数代入FLUENT中，计算结果见表 1。

从表 1中可以看出，增加喷嘴数量能够增加工具内外部压差，提高工具内部的流体运动速度，意味着增加喷嘴数量能增加射流卷吸能量，但是随着喷嘴数量增加，需要提供的排量也增加。

2.2.2 喷嘴直径对局部反循环打捞工具性能的影响

采用圆形喷嘴，喷嘴数量为3，改变喷嘴直径，其他结构不变。将喷嘴直径分别设置为5.7, 7.0, 8.0, 10.0, 12.0, 16.0 mm，工具壁面开孔直径为16.0 mm，设置流体出口边界条件为10 MPa，入口压力为20 MPa。将上述参数代入FLUENT中，计算结果见表 2。

局部反循环打捞工具的性能随着喷嘴直径增大先增加后减小，当喷嘴直径达到12 mm时，工具与环空区之间内外压力几乎相同，但是此时局部反循环打捞工具与环空仍能形成反循环系统，随着喷嘴直径进一步增加，工具与环空区之间内外压差由负值变成正值，说明工具内部静压大于环空区静压，意味着部分水流是从工具内部经工具底部流入环空区的，此时无法构成反循环系统。

当喷嘴直径为8.0 mm即为壁面开孔直径的1/2时，工具内部的流体流动速度最大，工具内部与环空区之间的压差最大，说明此时局部反循环打捞工具的能力最强。

2.2.3 喷嘴几何形状对局部反循环打捞工具性能的影响

改变喷嘴形状，会改变射流的卷吸能力，进而影响局部反循环打捞工具的性能。在保证喷嘴出口最小截面积相同的前提下，分析了拉瓦尔喷嘴、圆锥形喷嘴、圆形喷嘴、三角形喷嘴、圆锥收敛型喷嘴以及文丘里喷嘴对局部反循环打捞工具性能的影响。具体喷嘴形状见图 9。

喷嘴的直径为8.0 mm，数量为3，依次采用图 9中不同的几何形状，设定流体出口边界条件为10 MPa，入口压力为20 MPa。将上述参数代入FLUENT中，计算得到结果列于表 3。

从表 3中可知，不同几何形状喷嘴的局部反循环打捞工具的性能差异较大。将喷嘴换成拉瓦尔喷嘴时，工具内部与环空区之间的压力几乎相等，且在工具内部的流体运动速度较小；安装了圆锥形喷嘴的局部反循环打捞工具的性能最好，此时，工具内部与环空区之间的压差最大，工具内部流体运动速度最大；其次是圆锥收敛型喷嘴，再次是文丘里喷嘴，最差的是拉瓦尔喷嘴。

在相同条件下，不同形状的喷嘴需要的排量不同。与圆形喷嘴比较，在入口压力和出口压力相同的条件下，采用圆锥形喷嘴、圆锥收敛型喷嘴、文丘里喷嘴的局部反循环打捞工具形成的内外压差分别是圆形喷嘴局部反循环打捞工具的1.40，1.21和1.18倍，底部入口速度分别是圆形喷嘴局部反循环打捞工具的1.33，1.17和1.12倍，筛管内部平均速度分别是圆形喷嘴局部反循环打捞工具的1.18，1.15和1.05倍，需要的排量分别是圆形喷嘴局部反循环打捞工具的1.48，1.05和1.44倍。

3 结论

利用计算流体动力学方法模拟了井下作业时局部反循环打捞工具的流场，通过分析局部反循环打捞工具与环空区之间的速度矢量图，揭示了局部反循环打捞工具井下作业的工作原理：利用喷嘴形成的高压水射流的卷吸作用来构成反循环系统。

为提高局部反循环打捞工具性能，基于局部反循环打捞工具工作原理，开展了局部反循环打捞工具结构优化设计数值模拟研究，结果表明：

1) 增加喷嘴数量能提高局部反循环打捞工具性能，但是所需排量随之增大。

2) 随着喷嘴直径增大，局部反循环打捞工具性能呈现先增加后降低的趋势，当喷嘴直径增加到一定值时，局部反循环打捞工具甚至无法形成反循环系统。

3) 改变喷嘴形状会影响局部反循环打捞工具的性能，采用圆锥形喷嘴的局部反循环打捞工具性能最佳，其次为圆锥收敛型喷嘴，最差为拉瓦尔喷嘴；但是采用圆锥形喷嘴的局部反循环打捞工具所需排量较大。