分層注水管柱密封性失效預(yù)測(cè)方法研究

高永華， 劉華偉， 劉全剛， 劉 磊， 李孟超

(1中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 2中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

海上油田通常利用封隔器進(jìn)行分層開(kāi)采或分層注水，而封隔器密封筒在井下長(zhǎng)年運(yùn)行過(guò)程中受產(chǎn)液腐蝕、油管作業(yè)剮蹭等因素影響易產(chǎn)生損傷。如何針對(duì)密封筒的破損情況進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，為更換密封筒或密封圈提供理論依據(jù)，是目前亟待解決的工程問(wèn)題[1-2]。本文自主研發(fā)了插入密封檢測(cè)工具，期望通過(guò)密封筒位置處的注入水流量與壓力等數(shù)據(jù)判斷密封筒破損狀態(tài)[3-4]，這需要對(duì)密封筒復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的縫隙流體流動(dòng)特征進(jìn)行研究。在流體流動(dòng)中，縫隙流動(dòng)是一種廣泛存在機(jī)械中的流動(dòng)，如柱塞與缸筒間的環(huán)狀間隙、軸與軸承間隙等[5-6]，縫隙流動(dòng)因幾何形狀不同，流動(dòng)規(guī)律通常不具有通用性。為了得到縫隙流動(dòng)規(guī)律，前人多采用數(shù)值計(jì)算、理論分析和物理實(shí)驗(yàn)等方法開(kāi)展研究[7-9]。針對(duì)本文研發(fā)的新型插入密封檢測(cè)工具，綜合采用物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究縫隙流動(dòng)流量、壓降和當(dāng)量直徑之間關(guān)系，建立受損狀態(tài)與漏失量之間關(guān)系函數(shù)，為密封筒受損預(yù)測(cè)提供一種方法，并為優(yōu)選密封工具、實(shí)現(xiàn)分層開(kāi)采提供理論指導(dǎo)。

一、插入密封檢測(cè)工具研制

為研究得到封隔器密封筒縫隙流動(dòng)規(guī)律，研制了插入密封檢測(cè)工具(圖1)。圖1中紅色部分為插入密封檢測(cè)工具，藍(lán)色部分為密封筒。插入密封檢測(cè)工具與密封筒之間通過(guò)2個(gè)直徑為9 mm的孔連通。密封筒和插入密封檢測(cè)工具之間的流動(dòng)形式為縫隙流動(dòng)與環(huán)形空間流動(dòng)。檢測(cè)工具入口模擬油管，上出口模擬密封筒上面地層，下出口模擬密封筒下面地層。為分析破損當(dāng)量直徑對(duì)縫隙流動(dòng)規(guī)律的影響，分別加工了3種規(guī)格(9.70 mm、10.81 mm、13.31 mm)直徑的密封筒。

圖1 密封檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)圖

二、插入密封檢測(cè)工具物理模擬

1. 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

以中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所多相流實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，搭建了插入密封檢測(cè)工具物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖2所示。該系統(tǒng)包含循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三部分。循環(huán)系統(tǒng)由水箱、水泵、?50 mm透明有機(jī)玻璃管及水桶組成；控制系統(tǒng)由控制臺(tái)、閥組成；測(cè)量系統(tǒng)由電磁流量計(jì)、計(jì)量泵組成。物理模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)控制臺(tái)控制開(kāi)啟管道中的水泵和計(jì)量泵，使水相由水箱經(jīng)過(guò)水泵輸送進(jìn)入測(cè)試裝置中，然后從密封檢測(cè)工具(可洗井檢測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)室模型)的兩個(gè)出口流出進(jìn)入中轉(zhuǎn)取樣桶中，最后由電潛泵將水泵回水箱。兩個(gè)出口的流量由秒表、量筒計(jì)量，入口的流量由電磁流量計(jì)計(jì)量，三個(gè)口均安裝有壓力傳感器測(cè)試壓力。

圖2 插入密封檢測(cè)工具物理模擬流程圖

洗井檢測(cè)時(shí)所用介質(zhì)為水，因此物理模擬實(shí)驗(yàn)介質(zhì)同樣采用水。常溫常壓下，水相的密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.001 Pa·s。

2. 物理模擬結(jié)果分析

2.1 分流比影響

插入檢測(cè)工具,物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置有一個(gè)入口、兩個(gè)出口，從兩個(gè)出口流出的流量會(huì)變化，變化的分支流量造成入口到分支的壓降各不相同。為便于研究，將上出口(模擬井筒)流出的流量與入口流量之比定義為分流比。研究表明，入口到上出口壓降隨分流比的增大而增大,如圖3(a)，入口到下出口壓降隨分流比的增大而減小,如圖3(b)，且關(guān)系近似呈線性。這是由于壓降與通道內(nèi)的流速有關(guān)，流速增大，壓降自然增大。

圖3 分流比對(duì)壓降的影響

圖4 入口流量對(duì)壓降的影響

2.2 入口流量影響

物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了入口流量對(duì)插入密封內(nèi)流體流動(dòng)壓降的影響規(guī)律。研究表明，所有破損情況下的壓降在入口流量變化時(shí)，均呈現(xiàn)壓降增大的現(xiàn)象，入口到上出口壓降在所有分流比下都隨入口流量的增大而增大，如圖4(a)，入口到下出口壓降在所有分流比下也隨著入口流量的增大而減小，如圖4(b)，且隨流量增大，整體曲線近似向上平移，說(shuō)明流量的影響也比較大。

2.3 破損當(dāng)量直徑的影響

通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究9.70 mm、10.81 mm、13.31 mm三種破損當(dāng)量直徑情況下的流動(dòng)規(guī)律。當(dāng)入口流量為40 m3/d，隨著破損當(dāng)量直徑的增大，在所有分流比下，入口到上出口的壓降統(tǒng)一增大,如圖5(a)，入口到下出口的壓降整體下降,如圖5(b)。這是由于當(dāng)入口流量一定時(shí)，當(dāng)量直徑越大，流通面積越大，流過(guò)破損當(dāng)量直徑的流速越低，流體在流動(dòng)過(guò)程中的磨損越小，壓降損失也越小。

圖5 入口流量對(duì)壓降的影響

三、插入密封檢測(cè)工具流動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬

1. 控制方程

1.1 連續(xù)性方程

(1)

1.2 動(dòng)量方程

(2)

1.3 湍流模型

雷諾應(yīng)力模型(簡(jiǎn)稱(chēng)RSM模型)可準(zhǔn)確有效模擬湍流流動(dòng)[10-13]。雷諾應(yīng)力模型需要計(jì)算六個(gè)雷諾應(yīng)力分量，其對(duì)應(yīng)的偏微分輸運(yùn)方程為：

(3)

式中:Pij—湍流應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng);DT,ij—湍流擴(kuò)散項(xiàng);φij—壓力應(yīng)變項(xiàng)；εij—黏性耗散項(xiàng)；Fij—系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項(xiàng)。

1.4 模型驗(yàn)證

對(duì)比分析不同破損情況下密封筒壓降分布的數(shù)值分析結(jié)果與物理模擬結(jié)果，如圖6，可得兩者的誤差在10%以?xún)?nèi)，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性。

圖6 不同破損情況下密封筒壓降的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2. 插入密封檢測(cè)工具流動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 不同壓力流量測(cè)量點(diǎn)的影響

當(dāng)入口流量為50 m3/d時(shí)，密封筒破損當(dāng)量直徑為9.49 mm。通過(guò)不同壓力流量測(cè)試點(diǎn)的壓降數(shù)值分析可得，油管內(nèi)部壓降在整個(gè)工藝流程中占比，2～3段即模擬井筒和油管之間的壓降也很小，壓降主要損失在插入密封小孔與密封筒之間的縫隙之中，這段的壓降損失占整個(gè)流程壓降的95%以上。具體觀測(cè)點(diǎn)壓降數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同壓力流量測(cè)試點(diǎn)的影響

2.2 粗糙度對(duì)壓降的影響

當(dāng)管壁粗糙度變化時(shí)，研究查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)鋼管的粗糙度一般低于100 μm，當(dāng)入口流量為50 m3/d數(shù)值模擬表明，粗糙度對(duì)壓降的影響很小，壓降主要是由局部壓降造成的,不同管壁粗糙度對(duì)壓降的影響數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同管壁粗糙度對(duì)壓降的影響

3. 插入密封檢測(cè)工具的壓降計(jì)算

插入密封檢測(cè)工具與密封筒之間的流動(dòng)為結(jié)構(gòu)特殊的縫隙流動(dòng)，目前還沒(méi)有可以借鑒的成熟理論公式可以應(yīng)用。本文采用無(wú)量綱參數(shù)分析法研究得到?jīng)Q定壓降的因素主要包括：水相密度ρ，水相黏度μ，入口流量Q，當(dāng)量破損直徑D，粗糙度e，分流比F。

利用π定理可以得到：

Δp=f(ρ,μ,Q,D,e,F)

(4)

由前述研究，可以忽略e的影響。因此，取Q、ρ和D為基本量綱，則可以通過(guò)量綱分析得:

(5)

當(dāng)入口小孔dhole的尺寸一定，則有入口到上出口的關(guān)系有：

(6)

通過(guò)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行研究回歸得到式(7)，該關(guān)系式計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比相關(guān)度達(dá)到0.95。

ΔP=-1479.6+2726.77F+0.0011Re1.49

(7)

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 壓降經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

四、結(jié)論

(1)研究得到了插入密封檢測(cè)工具與密封筒間縫隙流動(dòng)的流動(dòng)規(guī)律。密封筒入口到上出口壓降隨分流比的增大而增大；入口到上出口壓降在所有分流比下都隨入口流量的增大而增大；當(dāng)入口流量一定時(shí)，當(dāng)量直徑越大，流體在流動(dòng)過(guò)程中的壓降損失越小。

(2)密封筒縫隙流動(dòng)壓降主要是由局部壓降造成的，即壓降主要損失在插入密封小孔與密封筒之間的縫隙之中，而粗糙度對(duì)壓降的影響很小。

(3)建立了壓降與分流比、Re之間的關(guān)系函數(shù)模型，得到了插入密封檢測(cè)工具工作原理，為封隔器密封筒破損預(yù)測(cè)與密封工具優(yōu)選提供了依據(jù)。