隨鉆用流道轉(zhuǎn)換接頭損傷規(guī)律研究及改進(jìn)方法

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( 中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)事業(yè)部，河北 燕郊 065201)①

20世紀(jì)80年代末，隨著大斜度井、水平井鉆井作業(yè)活躍，特殊地質(zhì)環(huán)境(膨脹粘土或高壓地層)鉆井開發(fā)，傳統(tǒng)的電纜測井困難、風(fēng)險(xiǎn)大，以致不能進(jìn)行測井作業(yè)，隨鉆測井技術(shù)順勢得到迅速發(fā)展[1]。21世紀(jì)初，國外隨鉆測井技術(shù)發(fā)展已比較成熟，并大規(guī)模得到應(yīng)用；國內(nèi)則處于起步階段，面臨著各種未知的挑戰(zhàn)[2]。

隨鉆測井就是隨鉆測井儀器連接鉆具，進(jìn)行邊鉆邊測。隨鉆測井儀器的機(jī)械部件主要包括鉆鋌外殼、電路骨架以及流道轉(zhuǎn)換接頭。流道轉(zhuǎn)換接頭的主要作用是連接鉆鋌內(nèi)部各電路骨架，實(shí)現(xiàn)儀器電路的信號接收發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸。主要特點(diǎn)是鉆井液流經(jīng)流道轉(zhuǎn)換接頭時(shí)，流體通道截面會發(fā)生變換。正因如此，會造成鉆井液對轉(zhuǎn)換接頭的沖蝕損壞，更嚴(yán)重的情況是轉(zhuǎn)換接頭發(fā)生斷裂，造成測井作業(yè)失敗，浪費(fèi)了大量人力財(cái)力。因此，筆者以某類型隨鉆儀器的流道轉(zhuǎn)換接頭為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)的損傷情況，應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)，研究鉆井過程中鉆井液對流道轉(zhuǎn)換接頭的損傷規(guī)律和原因，并以此提出可靠有效的改進(jìn)方法。

1 損傷檢測

2013-10，該隨鉆儀器在新疆KY-12井進(jìn)行測井試驗(yàn)。鉆井液為KCI聚合物體系。鉆井工程參數(shù)中的泵排量為1 800～2 000 L/min，空氣包壓力初選值為3.5 MPa(立管壓力的31%～42%)，實(shí)際立管工作壓力為3～15 MPa。隨鉆儀器泥漿循環(huán)累積時(shí)間約為50 h。隨鉆測井作業(yè)完成后，對流道轉(zhuǎn)換接頭進(jìn)行損傷檢測。通過對接頭損傷情況的觀測和測量，發(fā)現(xiàn)流道轉(zhuǎn)換接頭的破壞現(xiàn)象和主要位置。

1) 接頭轉(zhuǎn)換背面的金屬臺階損傷現(xiàn)象嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為凹坑，損傷面積大，呈現(xiàn)弧形狀，如圖1。

圖1 損傷形狀

2) 整個金屬臺階損傷最為嚴(yán)重位置在接頭轉(zhuǎn)換背面的金屬臺階的中間處，損傷區(qū)域的長度45 mm，寬度5 mm，最大凹坑深度為3 mm，如圖2。

從檢測結(jié)果可以看出，流道轉(zhuǎn)換接頭的損傷情況異常嚴(yán)重，對后續(xù)的測井使用帶來巨大的安全隱患。因此，研究流道轉(zhuǎn)換接頭的損傷規(guī)律和改進(jìn)方法刻不容緩。

圖2 損傷位置

初步分析隨鉆儀器的工作環(huán)境可知，在鉆井工況下，鉆井液高速連續(xù)的經(jīng)過流道轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)的流體通道，此時(shí)鉆井液的流向如圖3所示。由于流體域的變化，導(dǎo)致流體急劇收縮和擴(kuò)散，造成鉆井液對轉(zhuǎn)換接頭高頻次激烈沖刷碰撞，增加了壁面的沖刷強(qiáng)度和磨損概率，這是轉(zhuǎn)換接頭損傷的主要作用形式。

1—鉆鋌外殼；2—流道轉(zhuǎn)換接頭。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 控制方程

在隨鉆測井過程中，鉆井液在流道轉(zhuǎn)換處的流體流動屬于湍流運(yùn)動，且滿足流體運(yùn)動的質(zhì)量守恒。假設(shè)鉆井液不可壓縮且穩(wěn)態(tài)流動，則可在N-S方程基礎(chǔ)上，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，計(jì)算流體的連續(xù)性方程和動量守恒方程[3-5]。

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的表現(xiàn)形式，在直角坐標(biāo)系下表示如下：

(1)

式中：Vx，Vy，Vz是速度矢量V在x、y和z軸方向的分量，t是時(shí)間，ρ是密度。

常用的湍流求解模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[6-7]。該模型需要求解湍動能κ方程和耗散率ε方程，具體方程如下：

湍動能κ方程：

(2)

耗散率ε方程：

(3)

2.2 流體域及網(wǎng)格模型

流體域即為流體經(jīng)過的空間域，如圖3所示，流道轉(zhuǎn)換接頭與鉆鋌共同組成鉆井液在此處的流體域。根據(jù)相關(guān)部件的現(xiàn)有尺寸，建立鉆井液的流體域模型；利用網(wǎng)格劃分軟件，對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，增加流體域邊界層網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

2.3 邊界條件

本文采用的鉆井液密度為1 080 kg/m3，與時(shí)間無關(guān)的純粘性非牛頓流體，剪切速率為100～10 000 s-1的中高速梯度的賓漢流變模式作為模擬鉆井液流體的本構(gòu)方程。選定τ0=3 Pa，η=0.012 Pa·s作為賓漢流變模式的極限動切應(yīng)力和塑性黏度[8-9]。進(jìn)口邊界采用質(zhì)量流量入口，鉆井液的質(zhì)量流量為40 kg/s；出口邊界采用壓力出口，設(shè)定壓力為30 MPa；壁面條件為采用光滑，無滑移的壁面邊界；流體域的重力加速度方向設(shè)定為流體的運(yùn)動方向，加速度大小為9.8 m/s2。

圖4 流體網(wǎng)格模型

3 數(shù)值模擬

3.1 沖蝕分析

圖5為流道轉(zhuǎn)換接頭處內(nèi)部鉆井液在不同視角的速度流線圖。由圖5可知，鉆井液的最大沖蝕速度為26.6 m/s，最易沖蝕區(qū)域集中在流道截面變化處與流道內(nèi)表面，沖蝕區(qū)域I的沖蝕程度比沖蝕區(qū)域II嚴(yán)重，沖蝕區(qū)域如圖6所示。從速度流線的軌跡來看，在流道截面變化處(沖蝕區(qū)域I與II交界處)產(chǎn)生速度回流區(qū)，增強(qiáng)對該區(qū)域的沖蝕效果。

圖5 鉆井液正面、側(cè)面與背面流線

圖6 沖蝕區(qū)域

3.2 腐蝕分析

新疆KY-12井試驗(yàn)所采用的鉆井液體系為KCI聚合物體系，鉆井液含有鹽或復(fù)鹽、處理劑等微量元素，鉆井液pH值為8～9，同時(shí)考慮地層溫度與壓力的影響。因此，現(xiàn)場試驗(yàn)中鉆井液對鉆具的腐蝕是普遍存在現(xiàn)象[10-11]。

圖7為鉆井液在離臺階面上不同距離水平面內(nèi)的速度云圖與矢量圖。由圖可知，因結(jié)構(gòu)對稱，鉆井液速度分布呈對稱分布；在不同水平面上，鉆井液最大速度為25.8 m/s，出現(xiàn)在流道截面變化處；并且離臺階面越近，截面變化處出現(xiàn)流體低速渦流現(xiàn)象；在前端臺階中間區(qū)域，鉆井液速度接近于0 m/s，并由中間向兩側(cè)低速流動。

圖7 鉆井液水平面內(nèi)速度云圖與矢量圖

圖8是鉆井液壁面處的速度變化曲線，其中壁面是指從入口到前端臺階中間處的壁面。在靠近前端臺階，鉆井液在離壁面1、2、3 mm處的速度均為0～2 m/s，此速度在z方向上分布65～86 mm處，此處為前端臺階中間區(qū)域。

圖8 鉆井液壁面速度

由此可見，鉆井液在前端臺階中間區(qū)域的流動性弱，出現(xiàn)鉆井液長時(shí)間在此區(qū)域聚集不流動的情況。同時(shí)，因鉆井液的電化學(xué)腐蝕作用[12]，造成前端臺階中間出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域如圖9所示，與現(xiàn)場檢測結(jié)果一致。

圖9 腐蝕區(qū)域

4 改進(jìn)方法

本文以保證鉆井與測井安全為首要目的，根據(jù)上述對流道轉(zhuǎn)換接頭沖蝕規(guī)律與腐蝕原因的分析，選用合適的加工原材料，改進(jìn)流道轉(zhuǎn)換接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工工藝，延長其使用壽命，具體采用如下方法：

1) 流道轉(zhuǎn)換接頭應(yīng)選用在高溫情況下(700 ℃)具有高抗拉、疲勞、抗蠕變和斷裂強(qiáng)度的合金鋼(INCONLE 718)，同時(shí)在高低溫環(huán)境下具有極好的耐應(yīng)力腐蝕開裂和點(diǎn)蝕特性，并且易于加工。

2) 流道轉(zhuǎn)換接頭的內(nèi)部流道采用線切割工藝加工，嚴(yán)禁整體鑄造成型。

3) 流道轉(zhuǎn)換接頭易沖蝕和腐蝕的區(qū)域，采用噴丸工藝處理，如圖10所示，減小金屬表面加工裂紋，并且金屬表面增加防腐工藝處理。

4) 改進(jìn)流道轉(zhuǎn)換接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加流體通道數(shù)量，減少鉆井液在轉(zhuǎn)接處的聚集范圍，增強(qiáng)鉆井液在聚集區(qū)域的流動性，新結(jié)構(gòu)如圖11所示。

5) 流道轉(zhuǎn)換接頭是測井儀器中的易損件，作業(yè)完成后，需及時(shí)保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)問題需及時(shí)更換，保證后續(xù)作業(yè)正常。

圖10 流道轉(zhuǎn)換接頭噴丸處理

圖11 流道轉(zhuǎn)換接頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

5 結(jié)論

1) 對新疆某油田隨鉆測井試驗(yàn)后的流道轉(zhuǎn)換接頭進(jìn)行損傷檢測，發(fā)現(xiàn)其背面金屬臺階的中間位置存在嚴(yán)重的破壞，對隨鉆測井構(gòu)成巨大安全隱患，急需對其進(jìn)行改進(jìn)，確保作業(yè)安全。

2) 應(yīng)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，研究流體轉(zhuǎn)換接頭的沖蝕規(guī)律與腐蝕原因。發(fā)現(xiàn)流道轉(zhuǎn)換接頭的截面變化處與流道內(nèi)表面最容易被沖蝕，背面金屬臺階的中間位置腐蝕現(xiàn)象最為嚴(yán)重，與損傷檢測結(jié)果一致。

3) 選用合適的加工原材料與制造工藝，采用噴丸處理，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以后，流道轉(zhuǎn)換接頭無明顯損傷現(xiàn)象，滿足現(xiàn)場使用要求。

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