氣井作業鋼絲下行阻力研究

陳　達

（東北石油大學 石油工程學院， 黑龍江 大慶 163000）

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氣井作業鋼絲下行阻力研究

陳達

（東北石油大學 石油工程學院， 黑龍江 大慶 163000）

鋼絲作業多應用于氣井作業中，井內氣體壓力過大會導致鋼絲工具下行時被氣流倒托至井口防噴盒，給鋼絲作業帶來困難。結合鋼絲作業操作過程，研究氣體動力學及阻力分析，模擬鋼絲工具在井內下行過程，得到儀器周圍環空速度、壓力分布情況，分析不同井口壓力下鋼絲工具受到的氣體阻力，進而擬合出壓力與儀器下行阻力數學關系式，在解決儀器下行問題方面起到重要作用，節約人力物力，最大程度的利于現場作業。

鋼絲作業；井內下行；數值模擬

儀器在防噴管內下井困難，鋼絲工具無法準確依靠重力實現達到指定深度，主要由于井下氣壓過大，同時鋼絲工具在下行過程也受到套管壁阻力影響［1］。如今，傾斜井水平井更多的投入生產，使得單純依靠儀器重力作為下行動力源更難實現。有必要對儀器在防噴管內下行過程中主要動壓差阻力以及儀器壁面摩擦阻力進行分析［2］，得到不同井口壓力與下行阻力關系，才能科學合理的找到解決方案。

1　儀器簡介及建立模型

鋼絲作業具有質量輕便容易操作，且其設備簡單又經濟易于下井的特點，因此廣泛應用于氣井作業中，通過在地面纏有鋼絲的絞車對井下作業設備上下提放及控制，進而實現了操作井下儀器的目的。

1.1鋼絲作業井下儀器

鋼絲作業基本作業設備包括地面井口設備和井下工具［3］。在井下工具中有一最基本工具串包括鋼絲繩帽、加重桿、震擊器和萬向節。在基本工具串下方連接投撈工具，存在較大壓力下，仍可作業。我們將基本工具串及下接的投撈工具統稱為井下儀器。

1.2儀器三維模型建立及網格劃分

儀器分為基本工具串和投撈工具，模型上部分為工具串，下部分為投撈工具，整體分析，對總長為2.191 m（前端0.021 m，主體2.12 m，尾端0.05 m），主體直徑為0.042 m、前端和尾端直徑分別為0.042 m和0.015 m的儀器進行建模及對流場網格劃分［4］，如圖1。

圖1　井筒內部流域網格劃分Fig.1 Wellbore internal meshing

2　儀器在防噴管內阻力理論分析

儀器在防噴管內靜止主要受到靜壓差阻力，當儀器在防噴管內克服靜壓阻力、盤根對鋼絲的摩擦阻力啟動時，不僅要受到上下兩端的動壓差的阻力，同時儀器各部位要受到一定的摩擦阻力作用［5］。

2.1靜壓差阻力

當儀器在防噴管內啟動所需要克服的靜壓差阻力包括兩部分：（1）儀器前端氣體的阻力；（2）器尾部表面的壓力，這部分壓力是由于井口壓力引起的。

式中：fΔp—儀器上下靜止壓力差引起的阻力，N；

Dy—儀器直徑，m；

p1—儀器前端壓力，MPa；

p0—井口壓力，MPa。

2.2運動阻力分析

儀器下行啟動時，主要克服的阻力仍為動壓差阻力，但同時各部位運動受到一定的摩擦阻力［6］。阻力分析如下：

（1）儀器上下壓力差引起的阻力

（2）儀器主體的摩擦阻力

（3）儀器尾部的摩擦阻力

（4）儀器前端的摩擦阻力

式中：Pqd—儀器前端壓力平均值，Pa；

Pwd—儀器尾端壓力平均值，Pa；

Fi—儀器主體的摩擦阻力，N；

fw—儀器尾部的摩擦阻力，N；

fq—儀器前端的摩擦阻力N；

Lyz—儀器主體長度，m；

Lyw—儀器尾部長度，m；

τz—儀器主體剪應力，Pa；

τw—儀器尾部剪切應力，Pa；

τq—儀器前端剪切應力，Pa；

Dy—儀器直徑，m；

Dyw—儀器尾端直徑，m；

Dyq—儀器前端直徑，m。

其中Pqd，Pwd，τz，τw，τq數據通過fluent數值模擬分析得到。

3　模擬計算結果分析

下行速度1 000 m/10 min即1.7 m/s時，分別模擬井口壓力為 8、10、12、14、16、18、20、22、24 MPa情況下的儀器下行阻力。模擬分析防噴管內儀器下行的速度、壓力、剪切應力場，同時給出壓力和剪切應力分布圖。

以下均取井口壓力為8 MPa，儀器下行速度為1.7 m/s時的工況進行分析。

3.1速度分布

由圖2可知，儀器勻速下行時，過環空狹縫處速度明顯增大，儀器前端氣體流速平緩增大，尾端儀器變細，環形空間逐漸縮小，氣流流速變緩。儀器尾端存在擾流。

圖2　儀器前端尾端環空速度分布云圖Fig.2 Annulus velocity distribution map in front and end of the instrument

3.2壓力分布

由圖3可知，前端區域壓力明顯較尾端大，通過X-Y散點圖可得到壓力平局值，經計算儀器前端區域壓力的平均值Pqd：8.083×106Pa，儀器尾部區域壓力的平均值Pwd：8.00×106 Pa。

圖3　儀器前端、尾端區域壓力分布Fig.3 Pressure distribution map in front and end of the instrument

3.3剪切應力分布

儀器下行過程中，所受的摩擦阻力主要由3部分構成：儀器主體壁面剪切應力；儀器前端錐體部分剪切應力；尾部剪切應力。

圖4　儀器主體、前端、尾部剪切應力分布Fig.4 Shear stress distribution map in front and subject and end

由圖4可知，儀器主體部分剪切應力最大，經計算儀器主體部分剪切應力τz平均值為64.10 Pa，儀器前端剪切應力τq平均值為45.98 Pa，儀器尾部剪切應力τw平均值為37.17 Pa。

4　儀器下行阻力分析

數值模擬得到各部位平均壓力及剪切應力值，結合模型尺寸，通過上述分析計算，得出儀器下行總阻力。

4.1井口壓力的影響

在井口壓力為 8 MPa，儀器下行速度為1.67 m/s時的動壓差阻力為114.32 N，儀器主體摩擦阻力17.92 N，尾部摩擦阻力0.09 N，前端摩擦阻力0.09 N，求和得知總阻力為132.42 N。

同樣過程，得到其他井口壓力下的儀器下行阻力如圖5。

圖5　儀器下行阻力與井口壓力關系曲線Fig.5 The curve between instrument downward resistance and wellhead pressure

4.2其他因素對下行阻力影響

分別研究了前端錐度和速度對下行阻力影響，如表1、表2。

通過計算結果可見，儀器下行速度低時，氣體壓力小，阻力小。儀器前端錐度對下行阻力也存在一定影響，當錐度由45°降低為30°時，阻力降低為原阻力的96.4%。

5　配重計算

合理科學設置儀器配重，是解決儀器下行問題根本途徑［7］。通過準確計算得到的下行阻力，根據儀器自重科學配重。

表1　改變前端錐度其阻力計算結果Table 1 The resistance calculation result of changing front taper

表2　改變下行速度其阻力計算結果Table 2 The resistance calculation result of changing down speed

（1）儀器重量

主要有儀器和鋼絲重量

（2）阻力

由上述數值模擬和擬合得到儀器下行阻力

（3）啟動條件

式中：F—儀器下行阻力，N；

p0—井口壓力，MPa。

所需配重由啟動條件即可確定［8］。

6　結 論

（1）儀器下行困難的重要原因是受到較大的靜壓差阻力，由兩部分組成，儀器自身浮力和井口壓力作用于鋼絲斷面上的靜壓力，后者阻力所占比重較大，因此，可知下行啟動時，阻力的主要來源是井口壓力和鋼絲重量。

（2）通過計算結果可見，其他因素引起的阻力非常小，根據模型及理論分析，準確計算下行阻力大小，合理配置儀器重量是解決問題根本途徑。

［1］ 王毅忠，劉慶文. 計算氣井最小攜液臨界流量新方法［J］. 大慶石油地質與開發，2007，26（6）：82-85.

［2］ 王怒濤，黃炳光，陳軍. 壓力恢復法與壓差曲線法結合計算氣井動態儲量［J］. 大慶石油地質與開發，2008，27（6）：43-45.

［3］ 徐桃園，管強，胡霞，等.井口防噴閥有限元分析與結構優化［J］.閥門，2010（1）：35-36.

［4］ 王福軍. 計算流體動力學分析［M］. 北京：清華大學出版社，2004：188-190.

［5］ 張博，楊健，戈楠，等. 影響錄井鋼絲使用壽命因素分析［J］. 價值工程，2011，30（13）：48-49.

［6］ 郭新江. 天然氣工程勘探［M］. 北京：中國石化出版社，2012：178-179.

［7］ 呂英臣，郭合理，等. 錄井鋼絲的失效分析［J］. 金屬制品，2010 （3）：72-78.

［8］ Richimyer R D.Morton K W. Difference methods for initialproblems ［M］. NewYork： Interscience Publishers，1967-0 2：29-45.

Analysis on Down Resistance of Wire Instrument in Gas Wells

CHEN Da
（College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000， China）

Steel line is often used in gas wells， higher gas pressure can cause wire tools to be poured to well blowout box， which will bring many difficulties for wire operation. Based on the process of wire line operation， its gas dynamics was studied and the resistance was analyzed. Through simulating the descending process of steel wire tools by computational fluid dynamics software， cloud drawings of velocity and pressure around the instrument were obtained. Gas resistance of steel wire tools under different head pressure was analyzed. Then mathematical relationship between the wellhead pressure and instrument downward resistance was fitted.

wire operation； well downward； numerical simulation

陳達（1991-），男，黑龍江省大慶市，碩士，主要研究復雜流體力學。E-mail：944084460@qq.com。

TE 931.2

A

1671-0460（2016）05-1058-04

2016-03-25