分層注水管柱密封性失效預測方法研究

高永華， 劉華偉， 劉全剛， 劉 磊， 李孟超

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

海上油田通常利用封隔器進行分層開采或分層注水，而封隔器密封筒在井下長年運行過程中受產液腐蝕、油管作業剮蹭等因素影響易產生損傷。如何針對密封筒的破損情況進行有效預測，為更換密封筒或密封圈提供理論依據，是目前亟待解決的工程問題[1-2]。本文自主研發了插入密封檢測工具，期望通過密封筒位置處的注入水流量與壓力等數據判斷密封筒破損狀態[3-4]，這需要對密封筒復雜結構中的縫隙流體流動特征進行研究。在流體流動中，縫隙流動是一種廣泛存在機械中的流動，如柱塞與缸筒間的環狀間隙、軸與軸承間隙等[5-6]，縫隙流動因幾何形狀不同，流動規律通常不具有通用性。為了得到縫隙流動規律，前人多采用數值計算、理論分析和物理實驗等方法開展研究[7-9]。針對本文研發的新型插入密封檢測工具，綜合采用物理模擬和數值模擬相結合的方法，研究縫隙流動流量、壓降和當量直徑之間關系，建立受損狀態與漏失量之間關系函數，為密封筒受損預測提供一種方法，并為優選密封工具、實現分層開采提供理論指導。

一、插入密封檢測工具研制

為研究得到封隔器密封筒縫隙流動規律，研制了插入密封檢測工具(圖1)。圖1中紅色部分為插入密封檢測工具，藍色部分為密封筒。插入密封檢測工具與密封筒之間通過2個直徑為9 mm的孔連通。密封筒和插入密封檢測工具之間的流動形式為縫隙流動與環形空間流動。檢測工具入口模擬油管，上出口模擬密封筒上面地層，下出口模擬密封筒下面地層。為分析破損當量直徑對縫隙流動規律的影響，分別加工了3種規格(9.70 mm、10.81 mm、13.31 mm)直徑的密封筒。

圖1 密封檢測工具結構圖

二、插入密封檢測工具物理模擬

1. 模擬實驗系統

以中國科學院力學研究所多相流實驗室為平臺，搭建了插入密封檢測工具物理模擬實驗系統,如圖2所示。該系統包含循環系統、控制系統和測量系統三部分。循環系統由水箱、水泵、?50 mm透明有機玻璃管及水桶組成；控制系統由控制臺、閥組成；測量系統由電磁流量計、計量泵組成。物理模擬實驗過程中，通過控制臺控制開啟管道中的水泵和計量泵，使水相由水箱經過水泵輸送進入測試裝置中，然后從密封檢測工具(可洗井檢測裝置實驗室模型)的兩個出口流出進入中轉取樣桶中，最后由電潛泵將水泵回水箱。兩個出口的流量由秒表、量筒計量，入口的流量由電磁流量計計量，三個口均安裝有壓力傳感器測試壓力。

圖2 插入密封檢測工具物理模擬流程圖

洗井檢測時所用介質為水，因此物理模擬實驗介質同樣采用水。常溫常壓下，水相的密度為998.2 kg/m3，動力黏度為0.001 Pa·s。

2. 物理模擬結果分析

2.1 分流比影響

插入檢測工具,物理模擬實驗裝置有一個入口、兩個出口，從兩個出口流出的流量會變化，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)，且關系近似呈線性。這是由于壓降與通道內的流速有關，流速增大，壓降自然增大。

圖3 分流比對壓降的影響

圖4 入口流量對壓降的影響

2.2 入口流量影響

物理模擬實驗研究了入口流量對插入密封內流體流動壓降的影響規律。研究表明，所有破損情況下的壓降在入口流量變化時，均呈現壓降增大的現象，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，說明流量的影響也比較大。

2.3 破損當量直徑的影響

通過物理模擬實驗，研究9.70 mm、10.81 mm、13.31 mm三種破損當量直徑情況下的流動規律。當入口流量為40 m3/d，隨著破損當量直徑的增大，在所有分流比下，入口到上出口的壓降統一增大,如圖5(a)，入口到下出口的壓降整體下降,如圖5(b)。這是由于當入口流量一定時，當量直徑越大，流通面積越大，流過破損當量直徑的流速越低，流體在流動過程中的磨損越小，壓降損失也越小。

圖5 入口流量對壓降的影響

三、插入密封檢測工具流動規律數值模擬

1. 控制方程

1.1 連續性方程

(1)

1.2 動量方程

(2)

1.3 湍流模型

雷諾應力模型(簡稱RSM模型)可準確有效模擬湍流流動[10-13]。雷諾應力模型需要計算六個雷諾應力分量，其對應的偏微分輸運方程為：

(3)

式中:Pij—湍流應力產生項;DT,ij—湍流擴散項;φij—壓力應變項；εij—黏性耗散項；Fij—系統旋轉產生項。

1.4 模型驗證

對比分析不同破損情況下密封筒壓降分布的數值分析結果與物理模擬結果，如圖6，可得兩者的誤差在10%以內，從而驗證了數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值模擬與實驗對比

2. 插入密封檢測工具流動規律數值模擬

2.1 不同壓力流量測量點的影響

當入口流量為50 m3/d時，密封筒破損當量直徑為9.49 mm。通過不同壓力流量測試點的壓降數值分析可得，油管內部壓降在整個工藝流程中占比，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流程壓降的95%以上。具體觀測點壓降數據見表1。

表1 不同壓力流量測試點的影響

2.2 粗糙度對壓降的影響

當管壁粗糙度變化時，研究查閱文獻，發現鋼管的粗糙度一般低于100 μm，當入口流量為50 m3/d數值模擬表明，粗糙度對壓降的影響很小，壓降主要是由局部壓降造成的,不同管壁粗糙度對壓降的影響數據見表2。

表2 不同管壁粗糙度對壓降的影響

3. 插入密封檢測工具的壓降計算

插入密封檢測工具與密封筒之間的流動為結構特殊的縫隙流動，目前還沒有可以借鑒的成熟理論公式可以應用。本文采用無量綱參數分析法研究得到決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，則可以通過量綱分析得:

(5)

當入口小孔dhole的尺寸一定，則有入口到上出口的關系有：

(6)

通過對所有數據進行研究回歸得到式(7)，該關系式計算的結果與試驗對比相關度達到0.95。

ΔP=-1479.6+2726.77F+0.0011Re1.49

(7)

計算結果與試驗結果對比如圖7所示。

圖7 壓降經驗關系式計算結果與試驗結果對比

四、結論

(1)研究得到了插入密封檢測工具與密封筒間縫隙流動的流動規律。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；當入口流量一定時，當量直徑越大，流體在流動過程中的壓降損失越小。

(2)密封筒縫隙流動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，而粗糙度對壓降的影響很小。

(3)建立了壓降與分流比、Re之間的關系函數模型，得到了插入密封檢測工具工作原理，為封隔器密封筒破損預測與密封工具優選提供了依據。