帶孔插入密封檢測工具縫隙流動規(guī)律研究1)

高永華 劉華偉 史仕熒 劉全剛 李 華 劉 磊 李孟超(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津300459)

?(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津300452)

**(中國科學院力學研究所，北京100190)

在油田開發(fā)中，封隔器是實施分層注水等工藝的關鍵部件[1]，封隔器的密封性能決定上述工藝是否能夠實現，封隔器的密封性能與其關鍵部件--密封筒的完好程度密切相關，密封筒在井下長年運行，產液腐蝕、下油管作業(yè)時剮蹭等因素都會使密封筒產生損傷[2]。密封筒破損貫通后，在破損處就會形成縫隙流動，在井下因縫隙流動造成的漏失會形成無效注水等后果，進而影響生產效率。為此，對于實施分層注水工藝的井，需要對封隔器的密封筒進行驗封作業(yè)[3]。

目前，驗封作業(yè)大部分都是定性的判斷封隔器是否完好。如海上油田利用帶孔插入密封的管插入到隔離密封段，然后向管內泵入流體并觀察井口壓力，若壓力不能夠穩(wěn)住，則封隔器有破損，否則封隔器沒有破損[4]。張磊等[5]提出利用脈沖中子氧活化測井探測油管、套管、油套環(huán)形空間等地層內水的流動速度和方向，從而推斷封隔器是否失效，但這種方法成本高、不實用。趙勇等[6]通過研制出可以檢驗封隔器座封可靠性的新型管柱，即增添沉砂進液器，通過停泵觀察井口壓力是否穩(wěn)定不降來判斷封隔器的密封性能。朱華[7]在傳統的驗封工藝上增設洗井機構，使得驗封和洗井一體化。從上述調研可以看出，目前對于井筒中驗封一般都是定性的，而且大部分是關于封隔器整體的驗封，很少有關于密封筒的驗封，而封隔器的失效絕大部分是由其部件密封筒破損造成的[6]。

在上述背景下，通過在自主研發(fā)的帶孔插入密封檢測工具的壓力采集裝置，可以實現對生產管柱密封段與井下密封筒構成的隔離密封總成的密封缺陷判斷，從而實現密封筒的驗封[8]。而為了得到密封筒破損的定量信息，需要研究壓力、流量和破損當量直徑之間的關系[9-10]，即針對自主研發(fā)的帶孔插入密封檢測工具驗封時的縫隙流動開展研究。縫隙流動是一種廣泛存在于機械結構中的流動，如柱塞與缸筒間相對均勻的環(huán)狀間隙、軸與軸承間的不均勻間隙等[11]。縫隙流動只有在流道幾何形狀比較簡單的情況下才能得到解析解，而機械結構中的縫隙流道幾何形狀往往比較復雜且各不相同，很難統一解，前人針對具體流道得到經驗關系式，但這些關系式往往在應用上并不具備普適性[12]。故本文針對帶孔插入密封檢測工具與密封筒之間縫隙流動中壓降隨流量和破損當量直徑變化的規(guī)律進行了研究，從而為密封筒的定量驗封奠定基礎。

1 試驗研究

1.1 試驗對象

圖1 插入式密封檢測工具、密封筒模型圖和實物圖

為了對帶孔插入密封檢測工具在井下進行定量驗封時的縫隙流動規(guī)律進行研究，加工了比例為1:1的帶孔插入密封檢測工具和破損密封筒的有機玻璃模型，如圖1所示，在結構示意圖中，紅色部分為插入式密封檢測工具，藍色部分中間內徑120 mm的部分為模擬密封筒，管徑為170 mm的藍色部分為模擬井筒。分層注水操作時，水從左端紅色入口進入插入密封檢測工具的內部，在插入式密封檢測工具中段靠右的管壁上有2個直徑為9 mm的小孔，水從這兩個小孔流出檢測工具，進入檢測工具外表面與模擬密封筒破損內表面形成的流道內。密封筒和插入式密封檢測工具之間的流動既包括前者內徑和后者外徑差異所造成的環(huán)狀縫隙流動，也包括前者內徑和后者外徑一致時密封筒管壁上破損處的縫隙流動，最終水從密封筒上的上出口和下出口流出。入口模擬實際驗封操作時的油管，上出口模擬密封筒上面的地層，下出口模擬密封筒下面的地層。為了進行密封筒不同破損情況的試驗研究，總共加工了3個具有不同密封筒破損當量直徑(4倍破損面積與破損周長之比)的密封筒模型，當量直徑分別為9.7，10.81，13.31 mm。

1.2 試驗系統

組裝完成后的插入式密封檢測工具和模擬密封筒模型安裝在中國科學院力學研究所多相流實驗室的多相流綜合試驗平臺上，形成縫隙流動循環(huán)試驗管路(圖2)。該試驗系統由動力循環(huán)系統、控制系統和測量系統組成。動力循環(huán)系統包括入口水箱、主水泵、φ50 mm透明有機玻璃管路等；控制系統包括控制臺、電磁閥、變頻器等；測量系統包括電磁流量計、壓力傳感器及數據采集系統等。試驗時，通過控制臺控制開啟水泵和電磁閥，使水相由水箱經過水泵輸送至安裝有插入密封檢測工具的循環(huán)管路中，水流過后，從插入式密封檢測工具和模擬密封筒模型的兩個出口流入中轉取樣桶中。兩個出口的流量由于測試工況變化范圍較大，會出現很小的流量值，所以采用體積取樣法計量，入口的流量由電磁流量計計量，入口和兩個出口均安裝有壓力傳感器測試壓力變化。

圖2 縫隙流動試驗管路示意圖

1.3 試驗方法

試驗所用介質與實際井下分層驗封時所用介質一致，均為水。試驗時，環(huán)境溫度約為20°C，壓力為常壓，所用自來水的密度ρw=998.2 kg/m3，動力黏度μw=0.001 Pa·s。

試驗工況按總入口流量分為7種，分別為2，5，8，10，20，30，40 m3/d。在每種入口流量下，控制兩個出口的分流比變化，共5種工況。每一個密封筒模型均重復上述試驗工況。

本試驗所設置的入口流量范圍與現場實際作業(yè)流量工況一致，主要的條件差異在于現場地層壓力可高達10 MPa，而室內試驗的壓力范圍在幾個大氣壓以內。但該方面差異帶來的影響并不大，首先，在N-S方程中，兩者僅相差一個靜壓值，計算時可通過引入廣義壓強消除；其次，水的黏度、密度隨壓力變化并不劇烈，其相對變化很小，研究時為簡單計算可不予考慮。

2 試驗結果

2.1 分流比影響

井下分層驗封試驗裝置有一個入口、兩個出口，屬于變質量流動。為模擬兩地層壓力差異造成的兩出口流出流量的變化，在試驗中通過調節(jié)兩分支出口管路上的閥門來實現。顯然，入口到兩出口的壓降也各不相同，需要分別測量。為便于研究，將從上出口流出的流量與入口流量之比定義為分流比。分流比對入口到出口壓降的影響規(guī)律如圖3所示，結果表明，當密封筒破損當量直徑為10.81 mm，入口流量為40 m3/d，隨分流比增大，入口到上出口壓降隨分流比的增大而增大，入口到下出口壓降隨分流比的增大而減小，且近似呈線性關系。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 分流比對入口到出口壓降的影響規(guī)律

圖3 分流比對入口到出口壓降的影響規(guī)律(續(xù))

2.2 入口流量影響

圖4 顯示了當模擬密封筒的破損當量直徑為10.81 mm，變化入口流量對模型內縫隙流動壓降的影響規(guī)律。由圖可見，當分流比增大時，入口到上出口的壓降在所有分流比下都隨入口流量的增大而增大，相應的，入口到下出口的壓降在所有分流比下都隨著入口流量的增大而減小。且隨流量增大，曲線整體向上平移，從平移幅度可以看出流量的影響是比較顯著的。這是由于壓降與流速有關，當入口流量增大，相同分流比下，縫隙中的流速必然增大，從而摩擦壓降、局部壓降等必然增加，故壓降增大。

2.3 破損當量直徑的影響

(a) 入口到上出口壓降隨入口流量變化規(guī)律

圖4 入口流量對壓降的影響

(a) 入口到上出口壓降隨破損當量直徑的變化規(guī)律

圖5 破損當量直徑對壓降的影響

本研究中加工的3個帶有不同破損的密封筒，都根據破損的實際情況和流道的實際形狀對當量直徑進行了計算，具體數值顯示在圖5中。試驗結果表明，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均增大，而入口到下出口的壓降整體下降。圖5中顯示的是入口流量為40 m3/d時壓降的變化情況，其他入口流量時壓降的變化趨勢都是相似的。這是由于當入口流量一定時，當量直徑越大，則流通面積越大，流過破損處的流速越低，流體在流動過程中的摩阻壓降越小，破損處前后的局部損失也越小，因而總體壓降損失也越小。

3 試驗結果分析

3.1 量綱分析

由于插入式密封檢測工具與密封筒之間的縫隙流道結構復雜，這種縫隙流動既沒有解析解，目前也沒有可以直接應用的經驗關系式。本研究試圖通過將試驗獲取的實際測試數據與數值模擬結果相結合，得到便于在工程上直接應用的壓降計算關系式。為此，先通過量綱分析方法確定對壓降有關鍵影響的參數是十分必要的。決定壓降的因素主要有：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

式中，ρ為水相密度，kg/m3;ΔP為壓降，Pa；μ為黏度，Pa·s；Q為總入口流量，m3/s；D為當量破損直徑，m；e為粗糙度，m；F為分流比。

對于因密封筒破損造成的縫隙流動，粗糙度e的影響可以合并到當量破損直徑D中。因此，取Q，ρ和D為基本量綱，則可以通過量綱分析得

式中，V為入口平均速度，m/s；dhole為小孔直徑，m。

3.2 經驗公式

為了得到量綱分析后的經驗關系式，需要對所有不同破損當量直徑的密封筒實驗數據進行處理，處理結果如圖6所示，可以看出，當密封筒破損當量直徑不同時，所有的實驗數據均呈現相同的變化規(guī)律，即隨著Re的增大，Eu隨分流比F的整體分布向下移動；在相同的Re時，Eu與分流比F的關系均近似呈現線性變化規(guī)律。

圖6 無量綱化的參數關系規(guī)律圖

通過上述分析，回歸得到關于入口到上出口的壓降Eu，F和Re之間的關系為式(3)，其中數據的相關度達到0.97。

式中，0＜F＜1，0＜Re＜150 000。式(3)反算后的數據和實驗數據對比結果如圖7所示，可以看出，誤差在±20%以內，可以用于指導插入密封檢測工具的工程應用。

圖7 經驗公式與實驗數據對比

4 結論

(1)當密封筒破損當量直徑、入口流量一致時，插入密封檢測工具與破損密封筒之間的縫隙流動壓降與分支流量有關，即入口到出口的壓降與分流比有關，研究發(fā)現，隨著分流比增大，入口到上出口壓降增大、入口到下出口壓降減小。

(2)當密封筒破損當量直徑不變時，隨著入口流量的增大，縫隙流動的壓降在同一入口流量下隨分流比的變化規(guī)律不變，但在所有分流比下，隨著入口流量的增大，入口到上出口的壓降隨分流比增大整體增大，入口到下出口的壓降隨分流比的增大整體增大。

(3)當入口流量、分流比一致時，隨模擬密封筒的當量直徑增大，入口到上出口壓降和入口到下出口的壓降均整體減小；當入口流量一致時，所有破損當量直徑下的壓降變化規(guī)律隨分流比的變化趨勢一致。

(4)通過無量綱分析方法，獲得了插入密封檢測工具中縫隙流動的關鍵無量綱參數，并基于室內試驗數據得到了經驗關系式，該研究為其未來定量驗封奠定了基礎。