隔熱材料在提升測井儀器耐高溫性能的應用

張古森

摘 要：研究將一種全新的隔熱涂料噴涂于鉆桿內部，通過鉆桿模擬隔熱試驗和CFD隔熱系數模擬試驗，檢測涂層物理化學性能及隔熱效果。分析在鉆桿油浴加熱過程中，鉆桿內通入常溫流動或非流動狀態水狀態下，鉆桿內、外壁溫度隨著時間變化情況;根據油氣田實際工況，使用CFD技術模擬仿真井底鉆桿內部溫度場，模擬計算噴涂隔熱材料的完鉆井鉆井液溫度分布。結果表明，新型隔熱材料涂層對鉆桿有明顯的隔熱效果，涂層越厚隔熱效果越好，實際工況條件下能夠降低底層溫度50℃以上，可以有效提升測井儀器耐高溫性能。

關鍵詞：隔熱材料;鉆桿;測井儀器;油氣田;深井及超深井開采;CFD

中圖分類號：TU55+1;P631.8+3 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）12-0052-05

Application of Insulation Material in Improving High Temperature Resistance of Logging Tool

Zhang Gusen

（Pipe and Tool Company of Sinopec Zhongyuan Petroleum Nngineering. Ltd.， Puyang 457331， China）

Abstract：A new insulation coating is sprayed on the inner of drill pipe. Drill pipe simulated insulation test and CFD insulation coefficient simulation test are adopted to test the physical and chemical properties and insulation effect. In the pre-heating process of drill pipe oil， filling normal temperature flowing water or non-flowing water in the inner of drill pipe， the inner and outer wall temperatures of drill pipe change with time. According to the actual working conditions of oil and gas fields， CFD technology is used to simulate the inner temperature field of bottom hole drill pipe， so as to simulating calculate the temperature distribution of drilling fluid in drill pipe sprayed with insulation material. The results show that the new coating has obvious insulation effect on drill pipe. And the thicker the coating is， the better the insulation effect is. In actual working conditions， the bottom temperature can be reduced by more than 50℃， which can effectively improve the high temperature resistance of logging tool.

Key words：Insulation materials; Logging tool; Drill pipes; Oil and gas fields; Deep and ultra-deep wells mining; CFD

0 引言

我國西部油田是國內石油產量的主要戰略接替區，但其近70%油氣資源埋藏在深部地層[1]。隨著我國對石油、天然氣資源的需求量的大幅增加，促使石油天然氣勘探趨向于在西部地區的更深地層尋找油氣藏。“十一五”期間隨著中石化集團公司石油勘探技術的發展以及萬米鉆機的引進，設計井深7 000 m以上的深井和超深井越來越多。深層油氣藏勘探對測井井下儀器的技術要求，突出表現為儀器在高溫、高壓條件下的可靠性和穩定性，這大大增加了測井施工的難度[2]。目前國內常用的常規測井儀器的耐溫指標一般在175℃[3]，在井溫超過200℃的深井、超深井中現有儀器的耐溫、耐壓、耐腐蝕方面性能難以實現開采需求。

提升測井儀器耐高溫性能的方法主要有障涂層技術方法、相變儲能技術方法[4-5]。相變儲能技術的儲能方式中，化學儲能的效果最好;但是，由于發展的時間較短，對于細節之處的處理還不到位，還有一定的技術難關沒有攻破，其還處于研究階段[6]。熱障涂層方法就是將隔熱、耐腐蝕材料通過涂抹或噴涂的方式，在管道表面形成一層隔熱膜，作用就是起到隔熱保溫作用[7]。但是對于油氣田開采過程，一般涂料并不適用于鉆桿內高壓和油基泥漿環境，也不符合鉆桿內壁噴涂標準[8]。因此，需要開發一種全新的應用于鉆桿內壁的特種隔熱涂料，保證涂層在鉆桿內壁的正常使用，從而提升鉆桿內測井儀器的耐高溫性能。

本文在鉆桿內部噴涂一種全新的隔熱涂料，同時采用地面循環冷卻降溫鉆井液方法提升測井儀器耐高溫性能。通過鉆桿模擬隔熱試驗和傳熱數值模擬試驗，檢測涂層物理計算流體、化學性能及隔熱效果。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

隔熱材料以環氧樹脂為主;耐高溫材料主要為環氧改性氟硅樹脂;隔熱材料是閉孔空心氧化鋯、三氧化二鋁。

采取了高固含、雙組分、分段式固化。采用常溫定型、高溫燒結成型的固化方式，解決基礎有機材料在高溫環境中應用的穩定性;不含任何溶劑、稀釋劑，無任何刺激氣味，其固化成膜率達到98%以上，解決了涂裝過程中的環境污染問題，且材料的混合密度約為0.75 g/cm3，密度小，單位質量涂敷的面積更大;黏度、稠度，滿足噴涂作業;隔熱材料涂層脆性較低，滿足鉆桿扭曲、變形的應力變化要求;噴涂后材料表面光滑、致密且耐磨，涂層與鉆井液摩擦系數達到 μs=0.1～0.12。

1.2 試驗方法

1.2.1 鉆桿模擬隔熱試驗

將20 cm長鉆桿內壁打磨為噴砂除銹至Sa2.5級或機械打磨除銹至St2后，將隔熱材料完全噴涂于鉆桿內壁，涂層厚度為3～5 mm。鉆桿油浴加熱，溫度加熱到200℃，鉆桿外壁安裝溫度傳感器進行測溫;內壁通入常溫流動或非流動狀態水，內置溫度傳感器進行測溫。觀察隨著時間推移，鉆桿內、外壁溫度上升變化。試驗裝置如圖1所示。

1.2.2 隔熱系數模擬試驗

采用CFD計算機輔助設計技術，對實際工況下對鉆桿內部溫度場進行模擬仿真。模擬計算噴涂隔熱材料后井底鉆桿末端內部溫度。具體如下：使用FLUENT6.0軟件進行井底鉆桿內部溫度場模擬，使用Design Molder根據該工況建立二維模型幾何體模型。采用ICEM進行網格劃分，劃分為結構性網格，保證網格質量均在0.9以上。模擬采用雙流體模型，模擬過程中，鉆井液從頂部中間入口處注入，經過底部的循環，從頂部兩側的出口流出。雙流體模型中，壁面邊界條件均為無滑移壁面（No Slip），采用的鉆井液為水和柴油按1∶9的比例混合而成。多相流模型選擇Mixture，將diesel liquid設置成第1相;water liquid設置成第2相;Energy模型，選擇層流模型。入口速度設置為0.2 m/s;第2相water的體積分數設置為10%。添加溫度分布方程函數離散計算結果。

2 試驗結果與討論

2.1 鉆桿模擬隔熱試驗結果

（1）常溫油、水為介質，無循環結果。將鉆桿油浴加熱，外壁油浴溫度加熱到200℃，在鉆桿內通入常溫狀態水，無循環，測試鉆桿內、外壁溫度隨著時間的變化，鉆桿內無隔熱材料涂層的測試結果見圖2（a），噴涂隔熱材料，涂層厚度為3 mm、5 mm的測試結果分別見圖2（b）和圖2（c）。由圖2（a）可見，外壁溫度由15℃上升到95℃用時47 min;當外壁溫度為95℃時，鉆桿內壁溫度76.5℃。由圖2（b）可見，3 mm涂層鉆桿：外壁溫度由15℃上升到95℃用時51 min，當外壁溫度為95℃時，鉆桿內壁溫度42.6℃。由圖2（c）可見，5 mm涂層鉆桿當外壁溫度為95℃時，鉆桿內壁溫度36.1℃。結果表明，隔熱材料涂層具有隔熱效果，外壁溫度上升到同樣溫度時，5 mm涂層厚度鉆桿內壁溫度由13℃上升到45.7℃時用時43 min，3 mm涂層鉆桿內壁溫度用時31 min，無涂層鉆桿內壁溫度同比用時21 min。說明涂層有明顯的隔熱效果，且涂層越厚隔熱效果越好。

3種鉆桿內壁溫度隨時間變化趨勢如圖3所示。由于涂層的隔熱效果，鉆桿外壁溫度向內部擴散慢，所以鉆桿外壁溫度在同樣加熱和持續時間條件下，5 mm涂層鉆桿內壁溫度比3 mm涂層鉆桿內壁溫度低11℃;而3 mm涂層鉆桿內壁溫度比無涂層的鉆桿內壁溫度低20℃。由于涂層的隔熱效果，有涂層的鉆桿內壁溫度上升慢（觀察曲線的斜率變化）;無涂層的鉆桿內壁溫度上升快。兩種不同厚度涂層的之間對比不明顯。

（2）常溫循環水為介質，循環流量（1.5 m3/h）。同樣將鉆桿油浴加熱，外壁油浴溫度加熱到200℃，在鉆桿內通入常溫循環水，測試鉆桿內、外壁溫度隨著時間的變化情況。圖4（a）、圖4（b）和圖4（c）分別顯示了通入循環水后，鉆桿內無隔熱材料涂層，以及隔熱材料涂層厚度分別為3、5 mm的測試結果。從圖4（a）中可看出，鉆桿沒有噴涂隔熱材料時，鉆桿外壁溫度由20℃上升到95℃用時44 min，當鉆桿外壁溫度為95℃時，鉆桿內壁溫度28.4℃;持續保溫13 min（總時間57 min），鉆桿內壁溫度39.3℃。從圖4（b）可看出，鉆桿涂層厚度為3 mm時，鉆桿外壁溫度由20℃上升到95℃用時45 min，當鉆桿外壁溫度為95℃時，鉆桿內壁溫度為17.9℃;當總用時57 min情況下，鉆桿內壁溫度上升19.7℃（此時鉆桿內壁溫度為98.5℃），比無涂層鉆桿內壁溫度低20℃;當鉆桿內壁溫度達到39.3℃時，需要增加保溫時間130 min，說明涂層具有明顯隔熱效果。從圖4（c）可看出，當鉆桿外壁溫度從30℃升到95℃時，5 mm涂層的鉆桿內壁溫度上升1.8℃，3 mm涂層的鉆桿內壁溫度上升4.3℃，無涂層的鉆桿內壁溫度上升11.7℃。這也說明涂層具有明顯隔熱效果。

圖5是通入循環水，3種鉆桿內壁溫度隨著時間的變化圖，對比3種鉆桿溫度變化，涂層具有隔熱效果，并且涂層越厚效果越好。在通入循環水條件下，涂層厚度影響不像無循環那么明顯。無涂層管體管內溫度同樣時間內上升速度更快（曲線斜率大），兩種涂層的區別不大。由于循環過程帶走熱量，有涂層鉆桿與無涂層鉆桿相比，需要更多的時間才能達到同樣溫度。這表明，噴涂隔熱材料和介質循環降溫兩種方法配合可以更加有效的降低鉆桿內壁溫度。在油氣田實際開采過程中，可以利用同時采用循環鉆井液和提高鉆桿隔熱兩種方式減低鉆桿內溫度，提升測井儀器耐高溫性能。

2.2 隔熱系數模擬試驗

根據油氣田實際工況，使用CFD計算機輔助設計技術，模擬仿真井底鉆桿內部溫度場，具體工況條件：井深7 500 m，水平段長度（純水平段）約為600 m，轉彎半徑80 m，地面溫度25℃，地層材質為巖石，鉆桿材質為鋼，鉆井液分別為柴油和水，循環排量11 L /s。具體“7 500 m完鉆井模型”一開采用17?”鉆頭鉆至1 500 m，133/8”套管下至1 499.22 m;二開采用12?”鉆頭鉆至5 108 m，97/8”+95/8套管下至5 106.41 m;三開采用8?”鉆頭鉆至7 350 m，7套管下至7 348.6 m;四開先采用Φ149.2 mm的鉆頭鉆直導眼，然后側鉆水平段，鉆至8 169.27 mm。井身結構如圖6所示。

2.2.1 建立井下鉆井液傳熱二維模型

使用Design Molder建立二維幾何體模型，如圖7所示。圖7中將幾何體劃分成4個區域，其中1、2為固體域（命名為Solid），3、4為流體域（命名為Fluid）。將幾何體入口（inlet）邊界條件設置為速度入口（Velocity inlet），出口（outlet1，outlet2）邊界條件均設置為壓力出口（Pressure outlet），其余壁面均設置為Wall。采用ICEM進行網格劃分，劃分為結構性網格，網格尺寸為1 mm，保證網格質量均在0.9以上。

2.2.2 鉆井液傳熱數值模擬計算

本模擬采用雙流體模型，模擬過程中，鉆井液從頂部中間入口處注入，經過底部的循環，從頂部兩側的出口流出。雙流體模型中，壁面邊界條件均為無滑移壁面（No Slip），采用的鉆井液為水和柴油按1∶9的比例混合而成。多相流模型選擇Mixture，將diesel liquid設置成第1相，water liquid設置成第2相，層流模型;入口速度設置為0.2 m/s。第2相water的體積分數設置為10%，井深7 500 m;鉆桿外徑88.9 mm，鉆桿內徑70.2 mm;地表溫度25oC，地溫梯度0.025℃/m;鉆井液的密度1 300 kg/m3，比熱容3 900 J/（kg·K），導熱系數1.73 W/（m·K），鉆井液入口溫度25℃，鉆桿隔熱材料涂層厚度3 mm，內涂鉆柱導熱系數0.08 W/（m·K）。經過之后添加溫度分布方程函數，并在巖石壁面處進行加載，模擬溫度分布如圖8所示。

由圖8可知，鉆井液最高溫度在鉆井水平段終端，溫度約為150℃。對比相關井史資料，通過電測數據對井底循環溫度進行標定，“7 500 m完鉆井模型”最終確定的計算參數：完鉆井底地層溫度為200℃。經過以上模擬發現，鉆桿涂層在同樣工況條件下能夠降低底層溫度50℃以上。

3 結語

（1）新型隔熱材料涂層對鉆桿有明顯的隔熱效果，且涂層越厚隔熱效果越好。

（2）使用CFD模擬仿真7 500 m完鉆井模型內部溫度場，鉆桿涂層在同樣工況條件下能夠降低底層溫度50℃以上，可以有效提升測井儀器耐高溫性能。

參考文獻

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