高溫電潛泵注采一體化管柱自動Y工具設(shè)計

靳榮博, 孟令坤, 程文佳, 霍寒旭, 葛 垣

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津分公司, 天津 300459)

我國的渤海地區(qū)存在豐富的稠油資源,已探明儲量達(dá)到了200多億t,具有很高的開采價值[1]。近年,該地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了多輪次的多元熱流體吞吐與蒸汽吞吐等稠油熱采工藝的試驗(yàn)及應(yīng)用,并取得了一定的成果。然而,當(dāng)前的熱采井仍主要采用注熱和生產(chǎn)2趟管柱作業(yè),這增加了安全風(fēng)險和維護(hù)成本,降低了生產(chǎn)效率,制約了稠油熱采的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展[2-3]。國內(nèi)外的科研人員針對海上油田的稠油熱采問題相繼提出了同心管射流泵注采一體化技術(shù)和電潛泵注采一體化技術(shù)[4-7],這2種方案均存在一定的局限性。其中,同心管射流泵注采一體化技術(shù)方案受限于射流泵本身性質(zhì)的影響,整體的舉升效果明顯差于電潛泵注采一體化技術(shù)方案?，F(xiàn)有的電潛泵注采一體化技術(shù)方案的工藝流程較為復(fù)雜,控制管線數(shù)量較多,這給作業(yè)安全埋下隱患。針對上述技術(shù)方案中存在的問題,本文提出了一種新型自動Y工具,配合熱采安全閥、高溫封隔器、一控二工具及高溫排氣閥等關(guān)鍵工具,簡化了稠油熱采的工藝流程,實(shí)現(xiàn)了注熱和生產(chǎn)通道的自動打開和關(guān)閉,降低了液控管線的數(shù)量,滿足350 ℃下電潛泵注采一體化技術(shù)方案的要求。

在帶有自動開關(guān)功能的Y工具設(shè)計方面,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了一系列的研究[8-14],具體成果如表1所示。目前,具有自動開關(guān)功能的Y工具不能同時具備鋼絲作業(yè)和止回閥功能,且整體沒有進(jìn)行隔熱處理,無法滿足350 ℃熱采環(huán)境下工具的功能和隔熱要求。

注:“√”代表具有該功能。

1 自動Y工具結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

自動Y工具的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由上短節(jié)、本體、限位筒、齒輪齒條、單流閥組和坐落接頭等組成。密封球通過齒輪齒條與密封筒相連,當(dāng)電潛泵未開啟時,單流閥在彈簧彈力作用下處于密封狀態(tài),閥板處密封球處于直立狀態(tài),可進(jìn)行鋼絲作業(yè)。電潛泵開啟后,單流閥在流體作用下,克服彈簧彈力向上移動,通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動密封球轉(zhuǎn)動,閥板處密封球?qū)⒚芊庾浣宇^處通道,自動Y工具進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)。

1-上短節(jié);2-限位筒;3-坐落接頭;4-單流閥組;5-齒輪齒條;6-本體。

自動Y工具閥板處結(jié)構(gòu)如圖2所示,整體采用浮動式密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)流體流過球表面時,可以使球閥產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,從而產(chǎn)生新的密封面,有利于延長壽命,提高可靠性。

圖2 自動Y工具閥板結(jié)構(gòu)

1.2 隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

稠油熱采過程中,由于熱采工具與外部環(huán)境存在較大的溫差,會導(dǎo)致熱量大量散失,從而生成天然氣水合物,并造成產(chǎn)量下降,甚至?xí)斐删诤途卵b置損壞。為了保證稠油熱采過程的順利進(jìn)行,必須對稠油熱采工具進(jìn)行隔熱處理[15]。圖3為自動Y工具本體的隔熱結(jié)構(gòu)方案,其中的隔熱層采用新型氣凝膠材料,具有較低的熱導(dǎo)率和較高的孔隙率,隔熱效果良好。在隔熱層的外部采用42CrMo材料作為保護(hù)層,保證隔熱層在工具下入過程中不被損傷。

圖3 自動Y工具隔熱結(jié)構(gòu)

根據(jù)SY/T 5324-2013《預(yù)應(yīng)力隔熱油管》及《海上稠油熱采井套管和油管設(shè)計要求》的規(guī)定,需要重復(fù)下入油管的視導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該小于0.06 W/(m·℃)[2],計算式為:

(1)

式中:λ為視導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);Q為試驗(yàn)段有效加熱功率,W;D3為保溫層外側(cè)直徑,mm;D2為保溫層內(nèi)側(cè)直徑,mm;L為試驗(yàn)段有效加熱長度,mm;t為自動Y工具內(nèi)部溫度,℃;ts為自動Y工具外表面溫度,℃。

根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理[16],Y工具表面的溫度可近似通過隔熱管柱的表面溫度計算式進(jìn)行求解,如式(2)。

(2)

式中:ta為環(huán)境溫度,℃;q為單位長度的散熱量,W/m;a為對流散熱系數(shù),W/(m2·℃)。

通過式(2)計算,當(dāng)流體溫度為350 ℃,外部環(huán)境溫度分別為20、50、80、110、150 ℃時,自動Y工具表面的理論溫度值如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度下自動Y工具外表面溫度值

1.3 關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核

1.3.1 圓筒類零件應(yīng)力分析

針對自動Y工具中圓筒類零部件壁厚較為薄弱處進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)第四強(qiáng)度理論,管件抗內(nèi)壓強(qiáng)度的計算式為:

(3)

式中:D為管柱外徑,mm;d為管柱內(nèi)徑,mm;n2為安全系數(shù),一般取1.2;σs為材料屈服強(qiáng)度,MPa;p為管柱抗內(nèi)壓強(qiáng)度的壓力,MPa。

自動Y工具本體的材料為42CrMo,熱處理后材料的力學(xué)性能要高于P110鋼級。按照350 ℃時P110鋼級的材料屈服強(qiáng)度680 MPa進(jìn)行強(qiáng)度校核。選取外徑最小尺寸為84 mm,內(nèi)徑尺寸為70 mm,得到其最大應(yīng)力值為385 MPa,滿足強(qiáng)度要求。

1.3.2 密封球在工具內(nèi)的受力分析

自動Y工具中密封球和球座的接觸密封在內(nèi)部流道的變換中起著重要的作用,如圖1所示,通過2處密封球和球座間的啟閉配合,使得自動Y工具的流道在生產(chǎn)通道和注入通道自由切換。

FP=2FNsinα-2kFNcosα

(4)

根據(jù)密封球材料選定密封球和球座的摩擦因數(shù)為0.3。由式(4)可知當(dāng)FP≤0時摩擦力小于支撐力,密封球和球座不會發(fā)生卡緊而無法脫離的情況,此時k-tanα≤0,即α≥16.7°。同時要考慮密封球坐落在球座上的位置影響,防止球座棱線對密封球表面產(chǎn)生損傷,并使得密封球出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。設(shè)密封球下部通道直徑為da,密封球直徑為Da,得出如式(5)所示密封球坐落在球座斜面上的條件,可知當(dāng)密封球直徑為60 mm,球座孔直徑為55 mm,球座密封面夾角為18°時,密封球坐落在球座斜面上且不會發(fā)生卡緊而無法脫離的情況。

Dacosα-da>0

(5)

2 自動Y工具仿真分析

2.1 流場分析

為了實(shí)現(xiàn)注入和生產(chǎn)通道的相互切換,自動Y工具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜,導(dǎo)致其流場分布尚不明確。本節(jié)將使用ANSYS軟件對自動Y工具在2種工況下內(nèi)部流體的流動狀態(tài)進(jìn)行分析。

采用ANSYS內(nèi)部模塊建立自動Y工具的流體域模型,如圖5所示,并對其中的一些微小零部件進(jìn)行簡化。自動Y工具內(nèi)部流動屬于空間湍流流動,對于流體域的網(wǎng)格劃分十分重要,因此模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,具體結(jié)果如圖6所示。湍流模型選擇RNGk-ε模型,流體域介質(zhì)為液態(tài)水,壓力亞松弛因子為0.3,動量亞松弛因子為0.1～0.2,在0～12 MPa內(nèi)取系列值作為入口壓力(定義為inlet),出口壓力(定義為outlet)為大氣壓。進(jìn)行流體域仿真分析[18-19]。

1) 注入通道開啟狀態(tài)時。

流場分析結(jié)果如圖7所示。當(dāng)自動Y工具處于注入通道開啟狀態(tài)時,壓力在整個流場的變化十分規(guī)律,呈現(xiàn)從入口到出口逐漸減小的趨勢。同時,由于管徑變小和流速增大,在注入通道下部表面產(chǎn)生了一定負(fù)壓。進(jìn)一步對內(nèi)部流體速度場進(jìn)行分析可知,流體在入口處一直保持在較低的速度流動,并隨著管徑的縮小流速逐漸增大,最終在出口附近達(dá)到最大值。在流動過程中流體會沖擊零件,出現(xiàn)反向流動現(xiàn)象。在自動Y工具中心附近流體的速度很小,有流液留存此處。

圖7 注入通道開啟時工具內(nèi)部流體壓力與速度分布

設(shè)定入口壓力從0～10 MPa逐步增加,得到注入通道開啟時壓力和流量的曲線,如圖8所示。當(dāng)壓力較小時,流量隨壓力變化快,隨著壓力逐漸增加,曲線逐漸平緩。

圖8 注入通道開啟時流量與壓力的關(guān)系

2) 生產(chǎn)通道開啟時。

流場分析結(jié)果如圖9所示。當(dāng)自動Y工具處于生產(chǎn)通道開啟狀態(tài)時,壓力在整個流場的變化情況與注入通道開啟時類似,呈現(xiàn)從入口到出口處逐漸變小的趨勢。但是,由于節(jié)流效應(yīng)的影響,單流閥處出現(xiàn)了明顯的壓降,并且在單流閥芯和單流閥球的接觸點(diǎn),以及單流閥芯與管壁的縫隙處都存在較大壓力。進(jìn)一步對內(nèi)部流體速度場進(jìn)行分析可知,生產(chǎn)通道內(nèi)部流液運(yùn)動穩(wěn)定,在進(jìn)入單流閥閥芯時流速較大,從而在轉(zhuǎn)角處形成負(fù)壓;在本體內(nèi)靠近壁面和注入通道密封處流速較小,趨近于0,表明在該位置有流體滯留。

圖9 生產(chǎn)通道開啟時工具內(nèi)部流體壓力與速度分布

設(shè)定入口壓力從0～12 MPa逐步增加,得到壓力和流量的曲線,如圖10所示。當(dāng)壓力較小時,流量變化快。隨著壓力增大,曲線逐漸平緩。

圖10 生產(chǎn)通道開啟時流量與壓力的關(guān)系

2.2 溫度場分析

由于自動Y工具表面形狀復(fù)雜,使用普通圓形管柱的溫度場數(shù)學(xué)模型進(jìn)行自動Y工具的表面溫度計算可能會存在偏差,因此使用有限元法對自動Y工具的溫度場進(jìn)行仿真分析。建立Y管柱自動開關(guān)工具帶隔熱層的三維簡化模型,如圖11所示,使用穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行分析。設(shè)定自動Y工具內(nèi)壁溫度為350 ℃,環(huán)境溫度分別為20、50、80、110、150 ℃,得到自動Y工具表面溫度變化的仿真結(jié)果,如表3所示。

圖11 20 ℃環(huán)境溫度下Y工具表面溫度分布

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計及分析的結(jié)果對自動Y工具的性能進(jìn)行試驗(yàn),其中,常溫測試環(huán)境為20 ℃,高溫測試環(huán)境為350 ℃。試驗(yàn)介質(zhì)采用水和高溫導(dǎo)熱油。試驗(yàn)工裝為3" 9.2# NU型加壓堵頭、2" 4.6# NU型加壓堵頭,以及1.875 X型堵塞器。

3.1 常規(guī)功能性試驗(yàn)

自動Y工具的常規(guī)功能性試驗(yàn)包括常溫及高溫下的本體密封測試、常溫及高溫下的球落座測試、堵塞器的通過性測試及密封性測試。試驗(yàn)結(jié)果如圖12和表4所示。

圖12 常溫下球落座試驗(yàn)壓力曲線

表4 常規(guī)功能性試驗(yàn)流程及結(jié)果

3.2 流量試驗(yàn)

圖13為流量試驗(yàn)裝置。其中采用防砂泵,最大輸出功率為1 677.82 kW,最大排量為1.87 m3/min,最大壓力為97.6 MPa。

根據(jù)上文的仿真分析結(jié)果對自動Y工具2種工況下壓力與流量的變化情況進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖14～15所示。

圖15 2種工況下Y工具的流量與壓力試驗(yàn)結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果可知,自動Y工具壓力與流量的關(guān)系與仿真分析結(jié)果基本一致。當(dāng)生產(chǎn)通道開啟時,單流閥球會產(chǎn)生一定的限流情況,并且在超過一定流量后通道壓力顯著增大。當(dāng)注入通道開啟時,由于沒有限流情況的影響,通道壓力整體變化不大。

3.3 隔熱試驗(yàn)

自動Y工具的隔熱試驗(yàn)采用視導(dǎo)熱系數(shù)測試儀和手持溫度測試儀對室溫環(huán)境(20 ℃)下的表面溫度同時進(jìn)行測試,共計對6個測試點(diǎn)進(jìn)行測量,隔熱試驗(yàn)裝置如圖16所示。

圖16 隔熱試驗(yàn)裝置

圖17為隔熱試驗(yàn)的測試結(jié)果,室溫下自動Y工具的表面溫度為80～85 ℃,與理論計算與仿真結(jié)果相差不大,整體隔熱效果滿足SY/T 5324-2013《預(yù)應(yīng)力隔熱油管》及《海上稠油熱采井套管和油管設(shè)計要求》的規(guī)定。

圖17 自動Y工具表面溫度測試結(jié)果

4 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種用于350 ℃高溫環(huán)境下熱采井電潛泵注采一體化技術(shù)中的新型自動Y工具。通過管柱與密封球上的齒輪齒條結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)注熱和生產(chǎn)通道的自動切換,降低了海上熱采井注采一體化工藝的復(fù)雜程度,減少了液控管線的數(shù)量,提升了整套注采一體化管柱的可靠性。

2) ANSYS仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)表明,自動Y工具能夠滿足0.047 7 m3/s(18 bbl/min)最大流量的要求。同時,隨著壓力的逐漸增大,流量的增長速度呈現(xiàn)逐漸變緩的趨勢。

3) 對自動Y工具的隔熱效果進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明在自動Y工具內(nèi)部溫度為350 ℃時,表面溫度為80～85 ℃,具有較好的隔熱效果。