油管的生產(chǎn)封隔器腐蝕穿孔模擬分析

姚　超，王益軒，孫　蕊，劉　育

(1.西安工程大學機電工程學院，陜西西安710048;2. 西安石油大學材料科學與工程學院，陜西西安710065)

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油管的生產(chǎn)封隔器腐蝕穿孔模擬分析

姚超1，王益軒1，孫蕊2，劉育1

(1.西安工程大學機電工程學院，陜西西安710048;2. 西安石油大學材料科學與工程學院，陜西西安710065)

摘要：油管的生產(chǎn)封隔器是油田采油工藝中重要的井下工具之一，廣泛地應用于注水、采油、壓裂及酸化等工藝措施之中。然而近幾年，油管的封隔器失效事故頻發(fā)，為了了解其失效的原因，利用ANSYS/Fluent軟件對生產(chǎn)封隔器腐蝕穿孔情況進行建模仿真分析，由仿真結(jié)果可知，封隔器管壁旋合處無錯扣時油管壁和封隔器管壁均沒有產(chǎn)生沖蝕現(xiàn)象，然而在旋合處錯扣現(xiàn)象發(fā)生時，偏低和偏高的兩端均出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，封隔器受到反復沖蝕，以至于造成腐蝕穿孔失效。這與實際生產(chǎn)情況一致。該方法為油管的封隔器失效機理診斷提供了有效的途徑。

關(guān)鍵詞:封隔器腐蝕穿孔建模模擬分析ANSYS/fluent

油管是油氣田開發(fā)時下入到油井套管內(nèi)的管柱鋼管，是原油從地下輸送到地面的通道，井下封隔器是保護套管的井下重要工具。在石油開采過程中，油管是石油專用管材中使用量僅次于套管的第二類石油管材[1]。目前，我國許多油田已進入中后期開采階段，油管失效事故的頻繁發(fā)生，油管報廢數(shù)量逐年增大，給經(jīng)濟效益造成很大損失[2]。因而，對油管的失效情況進行分析，給出可以指導油田生產(chǎn)現(xiàn)場正確使用油管的相關(guān)信息，對防止由于油管失效而造成的各種事故的發(fā)生有著十分重要的意義，也是我國各大油田急需解決的現(xiàn)實問題。

圖1　生產(chǎn)封隔器本體發(fā)生腐蝕穿孔

某油井作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，油管(φ136.55×2.5 mm)的生產(chǎn)封隔器本體上部變徑位置發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔，生產(chǎn)封隔器其它部位完好，油管有腐蝕但未穿孔。腐蝕是由上至下逐漸加重，在漏點腐蝕穿孔以下未發(fā)現(xiàn)腐蝕，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場管接頭螺紋出現(xiàn)粘扣和拉痕的現(xiàn)象，可能是由于生產(chǎn)封隔器錯扣才引起了沖蝕穿孔。本文將利用有限元軟件對該油管的生產(chǎn)封隔器腐蝕穿孔情況進一步分析，以便準確掌握工具腐蝕情況。

1物理模型

在氣體鉆井中，從井底高壓反排出到井口低壓處，發(fā)生氣體膨脹而產(chǎn)生高速氣流，此高速氣流在油管內(nèi)將產(chǎn)生嚴重的紊流，因此其流動控制方程必須用流體紊流控制方程[3-5]。根據(jù)流體動力學理論，RNGk-ε紊流模型對具有分離和二次流的紊流流動具有較好的模擬性，既適應高雷諾數(shù)的紊流流動也適應于低雷諾數(shù)的紊流流動，模型常數(shù)是利用RNG方法精確推導出來的，適合本文所研究的生產(chǎn)封隔器本體模型。氣固兩相流動中兩相流之間相互作用力，固體粒子受重力沉降，此外還有浮力，薩夫曼升力等，氣固兩相流在管道中運動規(guī)律是復雜的過程，具體控制方程見文獻[6]。本文主要介紹利用ANSYS/Fluent軟件進行封隔器有限元建模和數(shù)值模擬分析的方法。

2有限元模型

2.1建立氣固兩相流流體域三維幾何模型

圖2　二維剖視圖

利用計算流體動力學(CFD)軟件建立管體三維模型，并抽取氣固兩相流的流體域。二維幾何圖如圖2所示，直管的內(nèi)徑為98.5 mm；變徑管細端內(nèi)徑為98.5 mm；粗管內(nèi)徑為直管，外徑125.5 mm。

2.2網(wǎng)格劃分

首先，建立流體域三維模型，利用ANSYS/fluent抽取內(nèi)部流體域，如圖3所示。用四面體對流體域進行網(wǎng)格劃分，在氣體鉆井中，由于粘性作用對壁面氣體的流動影響較大，并且壁面附近氣體的流動情況變化也很大，為了更準確地研究環(huán)空氣體的流動狀況，本文將對壁面附近的網(wǎng)格進行局部加密，如圖4所示。

2.3邊界條件

邊界條件如下：入口氣體30 m/s，氣體密度為：1.225 kg/m3；巖屑速度12 m/s，巖屑密度3 900 kg/m3，巖屑粒徑1 mm，入口巖屑流量0.1 kg/s。取出口為壓力邊界條件，其值為1個標準大氣壓；壁面為無滑移邊界條件，湍流脈動為0。

基本假設(shè)：1)固體巖屑顆粒為不可壓縮具有均一尺寸的球形顆粒，巖屑的比熱為常數(shù)且顆粒內(nèi)部溫度一致；2)環(huán)空中巖屑為稀疏懸浮流；3)忽略巖屑之間的相互碰撞[7]；4)巖屑在氣體流場中非常稀薄，因此，該模型中氣體為連續(xù)相，巖屑顆粒為離散相，氣體對巖屑顆粒有作用力，巖屑顆粒之間沒有作用力，也不對氣體流場產(chǎn)生影響。

3仿真計算及結(jié)果分析

3.1封隔器無錯扣

當封隔器無錯扣時，對其進行模擬分析，模擬結(jié)果如圖5、6所示。從圖5速度矢量圖可以看出，氣體攜巖屑在管道中自下而上運動，速度逐漸變大；在油管壁附近，氣體攜帶巖屑的流速均比較低，接近于零。氣體和巖屑在生產(chǎn)封隔器兩端，也沒有形成漩渦，只有個別巖屑對封隔器進行沖蝕，不足以使生產(chǎn)封隔器穿孔。從圖6巖屑沖蝕速率云圖可以看出，油管及其封隔器均未發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，可見，在封隔器無錯扣時，氣體攜帶的巖屑對生產(chǎn)封隔器是無沖蝕作用。

3.2封隔器錯扣

管螺紋螺距旋合安裝不當或外力情況下，發(fā)生錯位的現(xiàn)象時，建立的流體域三維模型，用四面體對流體域進行網(wǎng)格劃分，并將壁面附近的網(wǎng)格進行局部加密，如圖7、8所示。

管螺紋旋合偏心1 mm時，錯扣生產(chǎn)封隔器進行有限元分析模擬結(jié)果如圖9、10所示。從圖9氣體攜帶巖屑的速度矢量圖中可以看出，氣體攜巖屑在管道中自下而上運動，速度逐漸變大；在油管壁附近，氣體攜帶巖屑速度幾乎為零，所以，巖屑對油管沒有發(fā)生沖蝕。在錯扣生產(chǎn)封隔器管壁旋合處，偏低和偏高的兩端均出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，反復沖蝕會使封隔器穿孔；而在封隔器其它部位也存在回流現(xiàn)象，但巖屑沖蝕速度均比較小，幾乎為零，不足以使封隔器產(chǎn)生沖蝕現(xiàn)象。從圖10氣固兩相流沖蝕速率云圖可以看出，油管壁面沖蝕速率為0 kg/(m2·s)，在封隔器管壁旋合處偏高的一端出現(xiàn)了嚴重的沖蝕現(xiàn)象，沖蝕速率為6.61 kg/(m2·s)。這與圖9所模擬的結(jié)果一致。

4分析及討論

當生產(chǎn)封隔器管壁旋合處無錯扣現(xiàn)象發(fā)生時，油管壁和封隔器管壁均沒有產(chǎn)生沖蝕現(xiàn)象，然而在旋合處錯扣現(xiàn)象發(fā)生時，偏低和偏高的兩端均出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，封隔器受到反復沖蝕，其偏高的一端將產(chǎn)生嚴重的沖蝕，而在封隔器其它部位也存在回流現(xiàn)象，但是巖屑沖蝕速度均比較小，不足以使封隔器產(chǎn)生沖蝕。從巖屑沖蝕速率云圖可知，在封隔器管壁旋合處偏高的一端出現(xiàn)了嚴重的沖蝕現(xiàn)象，這和氣體攜帶巖屑的速度矢量圖所模擬的結(jié)果一致?？梢姡a(chǎn)封隔器本體發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔，是由于生產(chǎn)封隔器的管壁旋合處存在錯扣現(xiàn)象。

5結(jié)論及建議

1)該油管失效的原因是：生產(chǎn)封隔器內(nèi)外螺紋在上扣時不當，造成一端高一端低的現(xiàn)象，高的那端出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，反復沖蝕，致使生產(chǎn)封隔器偏高的一端沖蝕比較嚴重。

2)建議將油管下入井里之前，工作人員應對封隔器進行檢測，防止有錯扣的生產(chǎn)封隔器入井，導致不必要的損失。

參考文獻

[1]周思柱,何迪,呂志鵬. 用有限元方法研究含缺陷油管失效判據(jù)[J].石油礦場機械,2006,35(6)：19-22.

[2]孫蕊,張鈞,王溫棟. N80油管斷裂分析[J]. 理化檢驗-物理分冊,2014,50(11)：860-862.

[3]錢東良,紀蘇丹,劉剛,等.含砂輸氣管線三通部位的沖蝕仿真模擬[[J].石油機械,2014,42(10)：111-116.

[4]練章華,陳新海,林鐵軍,等. 排砂管線彎接頭的沖蝕機理研究[J].西南石油大學學報: 自然科學版,2014,36(1)：150 -156.

[5]程嘉瑞,楊向同,李臻,等.API油管接箍液固兩相流體沖蝕數(shù)值模擬[J].腐蝕與防護,2013，34(12)：1067-1071.

[6]費祥麟,胡慶康,景思睿. 高等流體力學[M].西安：西安交通大學出版社,1989：534-540.

[7]韓春雨,龍剛,紀海鵬.氣體鉆井巖屑顆粒動力學分析[J].重慶科技學院學報,2008,10(6)：31-33.

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0074-03

作者簡介：姚超(1989-)，男，西安工程大學碩士研究生，研究方向為機械工程(機械CAD/CAE/CAM研究應用)。

收稿日期：2015-11-17

Simulation analysis of the corrosion and perforation of the tubing packer

YAO Chao, WANG Yixuan, SUN Rui, LIU Yu

Abstract:The tubing packer is one of the most important tools for underground operation in oil fields, and is widely used in the processes of water flooding, oil extraction, fracturing and acidification. In recent years, however, packer failures have happened frequently. In order to understand the causes of packer failure, we simulated the corrosion and perforation of the packer using ANSYS/Fluent. The results showed that, there was no corrosion or perforation in the wall of the tubing or the packer without cross threading. However, when cross threading happened, backflow appeared at both the lower and higher ends of the tubing, and the packer underwent repeated erosion, which eventually led to packer failure. The simulation results were in line with the actual situation. Our method has provided an effective way to diagnose the mechanism of the packer failure.

Keywords:packer; modeling of corrosion and perforation; simulation analysis; ANSYS/Fluent