分簇射孔電纜兩級(jí)注脂動(dòng)密封分析研究及應(yīng)用

楊登波, 陳鋒, 唐凱, 任國(guó)輝, 代傳剛, 李奔馳

(中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 重慶 400021)

0 引 言

分簇射孔、帶壓穿孔、生產(chǎn)測(cè)井等作業(yè)因井口帶壓必須對(duì)下井電纜實(shí)施可靠密封。油氣井帶壓射孔、測(cè)井等作業(yè)采用的承荷探測(cè)電纜為鎧裝電纜,其外表面由旋向相反的螺旋狀內(nèi)外層鋼絲纏繞而成,鋼絲之間存在微小間隙,不具密封性[1]。采用阻流管或向阻流管與電纜間隙泵注密封脂以形成間隙高壓阻止壓力泄漏是實(shí)現(xiàn)帶壓井口電纜動(dòng)密封的有效方法。

分簇射孔作業(yè)一級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)在電纜運(yùn)行速度較快時(shí)不能有足夠排量的密封脂實(shí)現(xiàn)可靠密封,往往需要2個(gè)注脂泵和雙注入點(diǎn)同時(shí)工作,即兩級(jí)注脂動(dòng)密封。高壓井作業(yè)中兩級(jí)注脂動(dòng)密封應(yīng)用較為廣泛,但還未見相關(guān)研究報(bào)道。為更好地指導(dǎo)帶壓井口電纜動(dòng)密封作業(yè),本文對(duì)兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)的注脂壓力及排量關(guān)系進(jìn)行研究。

1 注脂動(dòng)密封控制系統(tǒng)

研究對(duì)象為國(guó)產(chǎn)某品牌電纜防噴裝置。圖1為兩級(jí)注脂動(dòng)密封控制頭結(jié)構(gòu)示意圖,電纜由上至下穿過防噴盒、上阻流管、下阻流管;控制頭以下依次與抓卡器、防噴管、捕集器、試壓注入短節(jié)、閘板防噴器、井口裝置相連接。注脂液控裝置中的林肯泵經(jīng)注脂管線和注脂頭在上、下阻流管之間以一定的排量和壓力注入密封脂,在阻流管內(nèi)部形成高壓帶平衡井口壓力。最終,一部分密封脂從下阻流管與電纜間隙進(jìn)入防噴管;另一部分則從上阻流管與電纜間隙經(jīng)回油管排至廢油桶。

圖1 兩級(jí)注脂動(dòng)密封控制頭結(jié)構(gòu)示意圖

以W1F46-8.0電纜為例,將電纜盤入絞車滾筒后實(shí)測(cè)平均外徑為Φ8.1 mm,選用長(zhǎng)度為370 mm、內(nèi)徑Φ8.2 mm的阻流管密封電纜,阻流管與電纜的間隙為0.05 mm;密封脂選用川渝地區(qū)帶壓井口電纜作業(yè)常用的某品牌680型密封脂為例,密封脂的極限動(dòng)切應(yīng)力、塑性黏度等性能參數(shù)見表1。

表1 兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)已知參數(shù)及需求解參數(shù)

2 兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)注脂壓力及排量計(jì)算

未下井電纜的外表面不光滑,但分簇射孔常用電纜一般都經(jīng)過泥漿填充處理,且使用后磨損使其變得較為光滑。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型,可將表面不光滑電纜等效為截面積相等的表面光滑電纜(見圖2)。根據(jù)截面積相等的關(guān)系,可得到等效電纜直徑即電纜計(jì)算外徑Dc與電纜外徑DW、電纜外層鋼絲數(shù)n、鋼絲直徑DL存在關(guān)系為

圖2 電纜外徑等效計(jì)算示意圖

(1)

密封脂屬于非牛頓流體中的賓漢流體[1-2],即塑性流體。密封脂在注入管和回油管中的流動(dòng)狀態(tài)均為層流,密封脂在注入管內(nèi)的壓降Δpi和回油管內(nèi)的壓降Δp0可根據(jù)賓漢流體圓管層流壓降公式計(jì)算[1,3]

(2)

理想狀態(tài)下,密封脂在電纜與阻流管間隙內(nèi)的流動(dòng)截面為圓環(huán),但電纜在起下過程中很難保證與阻流管同心,從阻流管的磨損情況也可以判斷阻流管和電纜長(zhǎng)期處于偏心狀態(tài)。密封脂在電纜與阻流管間隙中的流動(dòng)可考慮為偏心圓環(huán)層流[1]。電纜偏心會(huì)增大密封脂耗量,計(jì)算時(shí)按最大偏心度即電纜緊貼著阻流管考慮,則阻流管內(nèi)的壓降可根據(jù)賓漢流體偏心圓環(huán)層流壓降公式計(jì)算[3-5]

(3)

圖3為兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)在2種情況(注脂泵1注脂壓力pP1大于注脂泵2注脂壓力pp2和注脂泵1注脂壓力pp1小于注脂泵2注脂壓力pp2)下的壓力分布及密封脂泵注排量關(guān)系。

對(duì)于一級(jí)注脂動(dòng)密封,廠商推薦注脂壓力為井口壓力的1.2倍,但這一推薦作法不適用于兩級(jí)注脂系統(tǒng)。為求解兩級(jí)注脂系統(tǒng)的注脂壓力及排量,以注入管1注入阻流管的壓力p1達(dá)到某一目標(biāo)壓力時(shí)系統(tǒng)的壓力及排量關(guān)系符合對(duì)應(yīng)的情況,且整個(gè)動(dòng)密封系統(tǒng)的密封脂消耗量最小。

假設(shè)帶壓作業(yè)井口壓力為40 MPa,根據(jù)兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)求解當(dāng)注入管1注入阻流管的壓力p1為井口壓力1.1倍(44 MPa)時(shí)的系統(tǒng)注脂壓力及排量。相關(guān)已知參數(shù)及需求解的參數(shù)見表1。

根據(jù)圖3中的壓力及排量關(guān)系,按式(2)、式(3)列出系統(tǒng)的壓降方程組。

2.1 注脂壓力pp1大于注脂壓力pp2的兩級(jí)注脂系統(tǒng)

密封脂注入管1內(nèi)的壓降

(4)

密封脂注入管2內(nèi)的壓降

(5)

密封脂注入管1阻流管注入處到井口的壓降

(6)

密封脂注入管1阻流管注入處到密封脂注入管2阻流管注入處的壓降

(7)

密封脂注入管2阻流管注入處到回油管入口處的壓降

(8)

回油管內(nèi)的壓降

(9)

2.2 注脂壓力pp1小于注脂壓力pp2的兩級(jí)注脂系統(tǒng)

密封脂注入管1內(nèi)的壓降

(10)

密封脂注入管2內(nèi)的壓降

(11)

密封脂注入管1阻流管注入處到井口的壓降

(12)

密封脂注入管2阻流管注入處到密封脂注入管1阻流管注入處的壓降

(13)

密封脂注入管2阻流管注入處到回油管入口處的壓降

(14)

回油管內(nèi)的壓降

(15)

2.3 注脂壓力及排量計(jì)算

將表1中的已知參數(shù)代入式(4)～式(9)或式(10)～式(15),通過迭代求解得到:

(1) 注脂泵1注脂壓力pp1大于注脂泵2注脂壓力pp2時(shí),pp1=47.96 MPa,Q1=112.20 mL/min,Q1的向上分量Q3=59.77 mL/min,Q1的向下分量Q4=52.43 mL/min,pp2=43.44 MPa,Q2=22.52 mL/min,系統(tǒng)總注脂排量Q1=134.72 mL/min。

(2) 注脂泵1注脂壓力pp1小于注脂泵2注脂

壓力pp2時(shí),pp1=47.93 MPa,Q1=50.42 mL/min,pp2=48.69 MPa,Q2=97.74 mL/min,Q2的向下分量Q3=2 mL/min,Q2的向上分量Q4=95.74 mL/min,系統(tǒng)總注脂排量Q1=148.16 mL/min。

對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)pp1>pp2的兩級(jí)注脂比pp1

圖3 2種情況下的兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)壓力及排量關(guān)系示意圖

圖4 兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)各處密封脂流速對(duì)比圖

3 兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)數(shù)值仿真

采用ANSYS-Fluent對(duì)注脂1壓力大于注脂2壓力的兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真[6-8],注脂泵1注脂壓力47.96 MPa,注脂泵2注脂壓力43.44 MPa時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以明顯看出,注脂1處的密封脂分向下阻流管和向上阻流管流動(dòng)2部分,注脂2處的密封脂基本向上流動(dòng),回油管處的密封脂來自注脂1向上流動(dòng)部分和注脂2,流速較小,這是因?yàn)槊芊庵鹘?jīng)了很長(zhǎng)一段阻流管(上阻流管長(zhǎng)度是下阻流管的6倍),其大部分動(dòng)能被阻流管與電纜間隙流動(dòng)摩阻消耗,數(shù)值仿真與理論計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)基本一致。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例

在X201-H1井進(jìn)行帶壓分簇射孔,電纜動(dòng)密封采用兩級(jí)注脂。分簇射孔管串泵送過程井口壓力由29 MPa逐漸升高至71 MPa,采用本文方法,以注脂泵1注入阻流管的壓力達(dá)到1.1倍井口壓力為目標(biāo),計(jì)算出不同階段井口壓力對(duì)應(yīng)的注脂壓力,參考理論計(jì)算值調(diào)節(jié)密封系統(tǒng)的實(shí)際注脂壓力(見表2),可以很好地實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)密封,證明本文所述計(jì)算方法具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

表2 X201-H1井兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)注脂壓力理論計(jì)算值與實(shí)際設(shè)置值對(duì)比

由表2可知,注脂泵注脂壓力實(shí)際設(shè)置值較理論計(jì)算值普遍偏高,這是因?yàn)槔碚撚?jì)算未考慮起下電纜會(huì)加速阻流管內(nèi)密封脂的流動(dòng)而增大密封脂消耗量,但現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)必須將注脂壓力增大5%～10%保障密封效果。

5 結(jié)論及建議

(1) 應(yīng)用圓管層流及偏心圓環(huán)層流理論,建立了電纜兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)的注脂壓力及排量關(guān)系式,通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),pp1>pp2的兩級(jí)注脂比pp1pp2的兩級(jí)注脂系統(tǒng)。

(2) ANSYS-Fluent有限元仿真結(jié)果驗(yàn)證了兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)注脂壓力及排量理論計(jì)算值的正確性。

(3) 根據(jù)注脂泵1注入阻流管的壓力p1達(dá)到1.1倍井口壓力計(jì)算兩級(jí)注脂動(dòng)密封系統(tǒng)的注脂壓力,并考慮起下電纜對(duì)增大密封脂消耗的影響,在理論計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上上調(diào)5%～10%設(shè)置實(shí)際注脂壓力,可以很好地實(shí)現(xiàn)帶壓井口電纜動(dòng)密封。

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