海上油田礫石充填滑套沖蝕性能研究與改進(jìn)*

孔學(xué)云 楊志國 鞠少棟 陳勝宏 左 凱 付 利 柴龍順

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

孔學(xué)云，楊志國，鞠少棟，等.海上油田礫石充填滑套沖蝕性能研究與改進(jìn)［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：98-101.

中國海上油田已發(fā)現(xiàn)的稠油儲(chǔ)量約占總地質(zhì)儲(chǔ)量的69%以上，而稠油儲(chǔ)量的96.8%分布在渤海油田的新生代含油氣盆地，稠油油田開發(fā)全部需要防砂作業(yè)［1-2］。然而，防砂作業(yè)中完井管柱的充填滑套總成工具易受礫石沖蝕而出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，造成防砂作業(yè)效果不理想，導(dǎo)致油氣井提前進(jìn)行大修作業(yè)，從而帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高完井工具的耐沖蝕性能對(duì)完井防砂作業(yè)至關(guān)重要。物體的沖蝕主要取決于流動(dòng)介質(zhì)和所攜帶相的特點(diǎn)以及被沖蝕物體本身的耐沖蝕性能。目前有關(guān)沖蝕的研究多集中在高速和高壓多相流的沖蝕上，諸如煙氣輪機(jī)、鍋爐管道、高速飛行器、汽輪機(jī)葉片、水輪機(jī)葉片、泥漿泵葉輪、船用螺旋槳、高壓閥門密封面等沖蝕研究［3-5］，而對(duì)海上油田完井作業(yè)中完井工具受礫石的沖蝕研究較少。由于ANSYS軟件Finne沖蝕模型在模擬多相流沖蝕方面具有較好的適應(yīng)性［6-9］，因此，筆者運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究了礫石充填滑套沖蝕性能，提出了滑套性能改進(jìn)措施，并取得了良好的應(yīng)用效果，可為礫石充填完井作業(yè)提供參考。

1 滑套沖蝕數(shù)值模擬

1.1 模型建立

海上油田礫石充填滑套總成主要由內(nèi)層、中層和外層等3層工具串組成(圖1)，其中內(nèi)層由充填短節(jié)、密封短節(jié)組成，中層由上部延伸筒、滑套和滑套密封筒組成，外層為套管。礫石充填時(shí)，通過滑套開關(guān)工具將滑套打開，建立環(huán)空通道，攜砂液由充填孔進(jìn)入充填短節(jié)和上部延伸筒的環(huán)空，并經(jīng)滑套孔進(jìn)入滑套、滑套密封與套管的環(huán)空，實(shí)現(xiàn)充填作業(yè)；充填完畢，通過開關(guān)工具將滑套孔關(guān)閉，切斷通道。

根據(jù)圖1中礫石充填滑套總成工具結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)部流場建立流體分析模型，運(yùn)用ANSYSCFX流體分析模塊進(jìn)行流體沖蝕研究與模擬分析。

圖1 海上油田礫石充填滑套總成工具串組成Fig.1 Column figure of gravel packing sliding sleeves assembly used in offshore oilfields

1.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際礫石充填防砂作業(yè)，ANSYSCFX沖蝕模擬邊界設(shè)置為：①入口流速為2.49 m/s(液體和固體速度相同)，出口為壓力出口；②礫石密度為2 650 kg/m3，礫石質(zhì)量流速率為1.14 kg/s，礫石尺寸為20～40目(顆粒直徑0.42～0.84 mm，粒度中值為0.64 mm)；③模擬的流體域中流體模型為K-E模型，沖蝕模型為Finne模型。

1.3 結(jié)果分析

圖2 礫石充填滑套總成ANSYSCFX沖蝕模擬云圖Fig.2 ANSYSCFX erosion simulated contour of gravel packing sliding sleeves assembly

礫石充填滑套總成ANSYS CFX沖蝕模擬結(jié)果如圖2所示，其中充填孔沖蝕速率密度云圖見圖3。由圖2可以看出，礫石充填滑套總成工具上沖蝕嚴(yán)重位置為充填孔、滑套孔及其對(duì)應(yīng)的環(huán)空壁面，該位置最大沖蝕速率密度為9.8×10-5kg/(m2·s)，若取鋼密度7 800 kg/m3，那么最大沖蝕速度為1.25×10-8m/s。這是由于該位置處流體速度較大，砂粒平均體積分?jǐn)?shù)(砂粒濃度)較大，造成該位置沖蝕嚴(yán)重。盡管砂粒濃度較大時(shí)，會(huì)有更多的反彈砂粒與入射砂粒進(jìn)行碰撞，可以引起沖蝕減緩，但是對(duì)于礫石充填滑套總成工具結(jié)構(gòu)而言，其充填孔、滑套孔及其對(duì)應(yīng)的環(huán)空壁面處相對(duì)入射砂粒(即反彈砂粒與入射砂粒進(jìn)行碰撞后造成入射砂粒減少后的入射砂粒)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工具其他部位處的入射砂粒。

圖3 礫石充填滑套總成ANSYSCFX模擬沖蝕速率密度云圖Fig.3 ANSYSCFX erosion rate density contour of filling hole of gravel packing sliding sleeves assembly

2 滑套沖蝕試驗(yàn)

2013年9月在中海油鉆采試驗(yàn)培訓(xùn)基地的JJSY-1試驗(yàn)井(直井)對(duì)礫石充填滑套總成工具進(jìn)行了沖蝕試驗(yàn)，礫石充填試驗(yàn)參數(shù)為：泵速0.016 m3/s(6 bpm)，砂比71.92 kg/m3(0.6 ppg)，充填時(shí)間5 h，礫石密度2 650 kg/m3，礫石尺寸20～40目(與上述軟件模擬設(shè)置條件一致)。在連續(xù)進(jìn)行5 h的礫石充填試驗(yàn)后，關(guān)閉滑套，對(duì)滑套進(jìn)行密封性試驗(yàn)，即打壓至6.88 MPa(1 000 psi)穩(wěn)壓15 min，再繼續(xù)打壓至13.76 MPa(2 000 psi)，結(jié)果顯示壓力微降，滑套不能密封。起出礫石充填滑套總成工具并利用清水清洗，發(fā)現(xiàn)滑套孔、充填孔以及滑套密封筒表面均已被嚴(yán)重沖蝕，其中充填孔沖蝕最為嚴(yán)重(圖4)，平均沖蝕厚度約為0.25 mm左右。

對(duì)比圖3與圖4，并按照實(shí)際沖蝕試驗(yàn)時(shí)間5 h進(jìn)行數(shù)值模擬獲得的充填孔沖蝕厚度約為0.225 mm，與實(shí)際沖蝕試驗(yàn)厚度0.25 mm基本吻合。這表明，上述礫石充填滑套總成ANSYSCFX沖蝕模擬結(jié)果是可信的。

圖4 充填滑套總成充填孔沖蝕試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Erosion testing result of filling hole of gravel packing sliding sleeves assembly

3 改進(jìn)措施及其效果

通過上述礫石充填滑套總成工具沖蝕的數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)礫石充填滑套總成工具的沖蝕位置主要集中在充填孔、滑套孔以及充填孔對(duì)應(yīng)的密封筒壁面。若要提高滑套總成工具的抗沖蝕性能，則須對(duì)沖蝕嚴(yán)重的充填孔、滑套孔以及充填孔對(duì)應(yīng)的密封筒壁面等部位進(jìn)行局部抗沖蝕處理。

研究表明，提高滑套工具局部材料抗沖蝕性能的措施有2種：一是改變滑套基體材質(zhì)，二是提高表面硬度［10-11］。分析認(rèn)為，由于礫石充填滑套總成工具的沖蝕位置主要集中在充填孔、滑套孔以及充填孔對(duì)應(yīng)的密封筒壁面，因此提高滑套工具局部表面硬度的方法既可有效提高工具的抗沖蝕性能，又具有較大成本優(yōu)勢?；诖?，對(duì)比分析了表面涂鍍金屬層、表面激光熔覆耐磨材料、表面鍍陶瓷等方法，最終利用PVD技術(shù)對(duì)充填孔、滑套孔、滑套密封筒等表面進(jìn)行鍍陶瓷(TiN)處理，將表面硬度提高到2 000 HV，形成了一套自主開發(fā)的抗沖蝕礫石充填滑套總成工具。2013年至今，該項(xiàng)成果已應(yīng)用于渤海、南海和東海等海域共計(jì)82口井120多層礫石充填防砂作業(yè)，礫石充填完成后關(guān)閉滑套進(jìn)行滑套密封性能測試，其結(jié)果均為良好。

4 結(jié)論

1)數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析結(jié)果表明，礫石充填滑套總成工具的沖蝕位置主要集中在充填孔、滑套孔及充填孔對(duì)應(yīng)的密封筒壁面，只需對(duì)上述部位進(jìn)行抗沖蝕處理即可提高整個(gè)滑套總成工具的抗沖蝕性能。

2)采用表面鍍陶瓷處理可將充填孔、滑套孔及充填孔對(duì)應(yīng)的密封筒壁面等部位表面硬度提高到2 000 HV，能夠有效提高滑套抗沖蝕性能，解決了礫石充填完井作業(yè)中滑套關(guān)閉后不能密封的問題。2013年至今，自主開發(fā)的抗沖蝕礫石充填滑套總成工具已成功應(yīng)用于渤海、南海和東海等海域共計(jì)82口井120多層礫石充填防砂作業(yè)，滑套密封性能良好。

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