一油套環(huán)空壓耗實(shí)驗(yàn)研究

黃中偉, 李根生, 黃 昭

(中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

一油套環(huán)空壓耗實(shí)驗(yàn)研究

黃中偉, 李根生, 黃 昭

(中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

修井/壓裂作業(yè)中,油管上多個(gè)接箍導(dǎo)致環(huán)空流動(dòng)壓耗難以精確預(yù)測(cè)。按照油田油管和套管的實(shí)際尺寸,設(shè)計(jì)加工一套實(shí)驗(yàn)裝置,分別改變油管上接箍數(shù)量、接箍直徑、油管外徑、環(huán)空排量等參數(shù),測(cè)試不同參數(shù)組合條件下環(huán)空出口和入口的壓差,該壓差即為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下的流動(dòng)壓耗。結(jié)果表明:流量較大時(shí),油管接箍數(shù)與環(huán)空壓耗呈線性關(guān)系;泵入流量與環(huán)空壓耗呈二次函數(shù)關(guān)系。

環(huán)空; 壓耗; 流量; 壓裂作業(yè)

水力噴射壓裂作業(yè)中,油套環(huán)空需要同步泵注壓裂液,只有精確預(yù)測(cè)環(huán)空壓耗才能根據(jù)地面套壓較為準(zhǔn)確地判斷井底壓力,從而準(zhǔn)確地分層段壓裂[1-4]。Cartalos和Dupuis[5]通過簡(jiǎn)化模型指出了環(huán)空間隙的幾何形狀變化對(duì)環(huán)空壓耗的影響;Jeong 和 Shah[6]利用聚合物流體分析了非旋轉(zhuǎn)鉆桿條件下工具接頭對(duì)環(huán)空壓耗的影響;Simoes等[7]研究了不同的井筒尺寸和接頭幾何形狀對(duì)壓耗的影響;劉希圣等[8-11]對(duì)冪律、賓漢和赫-巴流體在同心環(huán)空內(nèi)軸向?qū)恿髁鲃?dòng)壓降進(jìn)行了精確的理論分析,導(dǎo)出了層流壓降的理論計(jì)算公式;汪海閣等[12-14]提出了非牛頓流體偏心環(huán)空壓降經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、水平井段環(huán)空壓耗的理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⑿【郗h(huán)空壓力損失的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?馬明芳[15]討論了巖屑床、偏心度、環(huán)空返速以及鉆井液流變性能等因素對(duì)環(huán)空壓耗的影響;郭曉樂等[16]建立了大位移井循環(huán)壓耗的精確計(jì)算方法;馬東軍等[17]提出了高壓軟管段壓耗計(jì)算公式,經(jīng)理論推導(dǎo)建立了完整的連續(xù)油管側(cè)鉆徑向水平井循環(huán)系統(tǒng)壓耗計(jì)算模型;沈海超等[18]綜合考慮了斜井段偏心環(huán)空及巖屑床的影響,總結(jié)并建立了一套斜井段環(huán)空壓耗分析半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?刁宇[19]等開展了環(huán)空壓耗數(shù)值模擬研究,但對(duì)比油田實(shí)際施工參數(shù),計(jì)算結(jié)果偏大。以上研究多集中在環(huán)空壓耗的模型建立及數(shù)值分析方面。筆者通過設(shè)計(jì)加工全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)試分析套管中放置不同尺寸的油管、不同數(shù)量及尺寸的接箍及改變排量條件下環(huán)空內(nèi)的壓耗。實(shí)驗(yàn)采用清水作為流體介質(zhì),套管和油管分別選用與工程標(biāo)準(zhǔn)尺寸較為接近的無縫鋼管和耐高壓PPR管,確保油管居中、不考慮偏心度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。套管采用多組無縫鋼管、兩端由法蘭連接,其中墊有密封圈,確保裝置連接時(shí)的密封性,由此組成一根18m長(zhǎng)的套管串。環(huán)空流動(dòng)的入口和高壓泵連接、出口(直徑80 mm的鋼管短節(jié))敞開在大氣中,因此,套管串壁面上任意一個(gè)傳感器的讀數(shù)即為該點(diǎn)到出口之間的環(huán)空壓耗。壓力傳感器采用了較高精度低量程壓力變送器。模擬油管采用了兩種外徑的PPR管(63和90 mm),以便減輕整套裝置的重量。為了方便安裝,油管接箍設(shè)計(jì)成一個(gè)中空的圓柱體,實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)需要將接箍套在油管外通過螺栓固定在油管某一位置,接箍?jī)?nèi)側(cè)裝有密封圈,確保流體不會(huì)從接箍與油管間通過。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experiment setup

環(huán)空流動(dòng)壓耗主要分為兩部分:一是環(huán)空內(nèi)的沿程壓耗,二是由于接箍引起的局部壓耗。實(shí)驗(yàn)時(shí),采用一種套管、兩種外徑的油管、三種不同外徑的接箍進(jìn)行組合,實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)見表1。

表1 裝置參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)方案

油套環(huán)空流動(dòng)壓耗實(shí)驗(yàn)主要分為三組,每組實(shí)驗(yàn)采用一種油管尺寸和一種接箍尺寸,改變接箍數(shù)量和流量來分析環(huán)空流動(dòng)壓耗的變化規(guī)律。

方案1:采用外徑63 mm的油管和外徑90 mm的接箍;

方案2:采用外徑63 mm的油管和外徑94 mm的接箍;

方案3:采用外徑90 mm的油管和外徑108 mm的接箍。

3 結(jié)果分析

3.1 接箍數(shù)量的影響

不同的環(huán)空/接箍組合時(shí)壓耗同接箍數(shù)量的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?當(dāng)流量較小時(shí),環(huán)空壓耗隨接箍數(shù)量的變化并不明顯;當(dāng)流量較大時(shí),環(huán)空壓耗隨接箍數(shù)量的增加而逐漸增大。

圖2 環(huán)空壓耗隨接箍數(shù)量的變化Fig.2 Varieties of pressure loss with number of coupling

以實(shí)驗(yàn)方案3中0.3 m3/min流量為例,對(duì)環(huán)空壓耗隨接箍數(shù)的關(guān)系進(jìn)行線性回歸,可得出:

“不，阿姆！”小米拉著阿姆的機(jī)械手，感動(dòng)地說，“我有一個(gè)想法，不如我們開設(shè)一個(gè)機(jī)器人權(quán)益維護(hù)中心，由你出任中心負(fù)責(zé)人，至于經(jīng)費(fèi)，我有積蓄，要是不夠的話，我們還可以募捐。我希望通過我們的行動(dòng)，號(hào)召全社會(huì)的人來關(guān)心、維護(hù)機(jī)器人的合法權(quán)益?！?/p>

Δp=0.001n+0.003,R2=0.939.

(1)

式中,Δp為環(huán)空壓耗,MPa;n為接箍數(shù)量;R為相關(guān)系數(shù)。此時(shí)環(huán)空壓耗與接箍數(shù)量的線性相關(guān)系數(shù)接近1,可以認(rèn)為環(huán)空壓耗與接箍數(shù)呈近似線性關(guān)系。

3.2 環(huán)空尺寸及泵入流量的影響

油管接箍和油管尺寸會(huì)影響環(huán)空截面積,當(dāng)流量一定時(shí),環(huán)空截面積越小,流速越快,雷諾數(shù)越大,此時(shí)環(huán)空流態(tài)、沿程摩擦阻力系數(shù)等因素都會(huì)隨之改變,從而影響到環(huán)空流動(dòng)壓耗。

相同接箍數(shù)量下環(huán)空壓耗隨泵入流量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 環(huán)空壓耗隨泵入流量的變化Fig.3 Varieties of pressure loss with flow rate

可以看出,環(huán)空壓耗隨著排量的增加而增加,特別是當(dāng)環(huán)控間隙較小時(shí),壓耗增加更為明顯。分別對(duì)不同接箍數(shù)量下流量與環(huán)空壓耗的關(guān)系進(jìn)行回歸,四、六、十個(gè)接箍時(shí)的環(huán)空壓耗與流量的回歸方程分別為

Δp1=0.089Q2-0.006Q+0.001,

(2)

Δp2=0.152Q2-0.014Q+0.002,

(3)

Δp3=0.123Q2+0.008Q+0.001.

(4)

式中,Q為泵入流量,m3/min。相關(guān)系數(shù)為0.984～1.000,表明相關(guān)性很好,可以認(rèn)為環(huán)空壓耗與泵入流量呈二次函數(shù)關(guān)系。

4 計(jì)算示例

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,按照90mm外徑油管、108mm外徑接箍、5 1/2″套管、單根油管長(zhǎng)度9.7m,計(jì)算4km井深、1.2m3/min排量下的環(huán)空壓耗。

當(dāng)流量為1.2m3/min時(shí),代入式(2),可得此時(shí)的壓耗Δp1=0.121 96MPa;代入式(4)可得Δp3=0.187 72MPa,由此可推算出單個(gè)接箍的局部壓耗為0.010 96MPa,環(huán)空沿程壓耗為4.34×10-3MPa/m。

當(dāng)井深為4 000m時(shí),油管柱共計(jì)412個(gè)接箍,由于接箍的存在而產(chǎn)生的局部壓耗為4.52MPa,沿程環(huán)空壓耗為17.36MPa,環(huán)空總壓耗為21.88MPa。

需要說明的是,上述結(jié)果是以清水作為工作介質(zhì)計(jì)算的,實(shí)際施工中環(huán)空泵注壓裂液(基液)時(shí),其壓耗約為清水的1/3[20],即本計(jì)算條件下的環(huán)空壓耗約為7MPa。

5 結(jié) 論

(1)增加油管接箍數(shù),流體經(jīng)過接箍造成的局部壓耗增加,當(dāng)流量較大時(shí),接箍數(shù)與流動(dòng)壓耗基本呈線性關(guān)系。

(2)增大流量或者油管/接箍外徑,環(huán)空流速隨之增大,環(huán)空沿程壓耗和局部壓耗都會(huì)增大,最終導(dǎo)致環(huán)空流動(dòng)壓耗增大,且環(huán)空壓耗與泵入流量呈明顯的二次函數(shù)關(guān)系。

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(編輯 劉為清)

Experiments on pressure loss along casing-tubing annulus

HUANG Zhongwei, LI Gensheng, HUANG Zhao

(StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspectinginChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

In well workover or fracturing operation, annulus pressure loss is difficult to calculate exactly because of the tubing coupling on tubing. An experimental equipment was designed according to actual size of the tubing and casing in oilfield. The pressure difference between annulus outlet and inlet, which is the pressure loss at current experimental conditions, was measured by changing the number and diameter of collars, as well as the external diameter of tubing and annulus flow. The results indicate that when the flow rate is comparatively higher, the number of tubing coupling presents a linear relationship with annulus pressure loss. The annulus pressure loss shows a quadratic function relationship with the flow rate.

annulus; pressure loss; flow rate; fracturing operation

2014-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374220,51210006);教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”項(xiàng)目(NCET-12-097)

黃中偉(1972-),男,教授,博士,研究方向?yàn)楦邏核淞骷夹g(shù)。E-mail:huangzw@cup.edu.cn。

1673-5005(2015)01-0079-04

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.011

TP 69

A

黃中偉,李根生,黃昭.油套環(huán)空壓耗實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,39(1):79-82.

HUANG Zhongwei， LI Gensheng， HUANG Zhao. Experiments on pressure loss along casing-tubing annulus[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2015,39(1):79-82.