油管的生产封隔器腐蚀穿孔模拟分析

姚　超，王益轩，孙　蕊，刘　育

(1.西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048;2. 西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065)



油管的生产封隔器腐蚀穿孔模拟分析

姚超1，王益轩1，孙蕊2，刘育1

(1.西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048;2. 西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065)

摘要：油管的生产封隔器是油田采油工艺中重要的井下工具之一，广泛地应用于注水、采油、压裂及酸化等工艺措施之中。然而近几年，油管的封隔器失效事故频发，为了了解其失效的原因，利用ANSYS/Fluent软件对生产封隔器腐蚀穿孔情况进行建模仿真分析，由仿真结果可知，封隔器管壁旋合处无错扣时油管壁和封隔器管壁均没有产生冲蚀现象，然而在旋合处错扣现象发生时，偏低和偏高的两端均出现了回流现象，封隔器受到反复冲蚀，以至于造成腐蚀穿孔失效。这与实际生产情况一致。该方法为油管的封隔器失效机理诊断提供了有效的途径。

关键词:封隔器腐蚀穿孔建模模拟分析ANSYS/fluent

油管是油气田开发时下入到油井套管内的管柱钢管，是原油从地下输送到地面的通道，井下封隔器是保护套管的井下重要工具。在石油开采过程中，油管是石油专用管材中使用量仅次于套管的第二类石油管材[1]。目前，我国许多油田已进入中后期开采阶段，油管失效事故的频繁发生，油管报废数量逐年增大，给经济效益造成很大损失[2]。因而，对油管的失效情况进行分析，给出可以指导油田生产现场正确使用油管的相关信息，对防止由于油管失效而造成的各种事故的发生有着十分重要的意义，也是我国各大油田急需解决的现实问题。

图1　生产封隔器本体发生腐蚀穿孔

某油井作业过程中发现，油管(φ136.55×2.5 mm)的生产封隔器本体上部变径位置发现腐蚀穿孔，生产封隔器其它部位完好，油管有腐蚀但未穿孔。腐蚀是由上至下逐渐加重，在漏点腐蚀穿孔以下未发现腐蚀，如图1所示。根据现场管接头螺纹出现粘扣和拉痕的现象，可能是由于生产封隔器错扣才引起了冲蚀穿孔。本文将利用有限元软件对该油管的生产封隔器腐蚀穿孔情况进一步分析，以便准确掌握工具腐蚀情况。

1物理模型

在气体钻井中，从井底高压反排出到井口低压处，发生气体膨胀而产生高速气流，此高速气流在油管内将产生严重的紊流，因此其流动控制方程必须用流体紊流控制方程[3-5]。根据流体动力学理论，RNGk-ε紊流模型对具有分离和二次流的紊流流动具有较好的模拟性，既适应高雷诺数的紊流流动也适应于低雷诺数的紊流流动，模型常数是利用RNG方法精确推导出来的，适合本文所研究的生产封隔器本体模型。气固两相流动中两相流之间相互作用力，固体粒子受重力沉降，此外还有浮力，萨夫曼升力等，气固两相流在管道中运动规律是复杂的过程，具体控制方程见文献[6]。本文主要介绍利用ANSYS/Fluent软件进行封隔器有限元建模和数值模拟分析的方法。

2有限元模型

2.1建立气固两相流流体域三维几何模型

图2　二维剖视图

利用计算流体动力学(CFD)软件建立管体三维模型，并抽取气固两相流的流体域。二维几何图如图2所示，直管的内径为98.5 mm；变径管细端内径为98.5 mm；粗管内径为直管，外径125.5 mm。

2.2网格划分

首先，建立流体域三维模型，利用ANSYS/fluent抽取内部流体域，如图3所示。用四面体对流体域进行网格划分，在气体钻井中，由于粘性作用对壁面气体的流动影响较大，并且壁面附近气体的流动情况变化也很大，为了更准确地研究环空气体的流动状况，本文将对壁面附近的网格进行局部加密，如图4所示。

2.3边界条件

边界条件如下：入口气体30 m/s，气体密度为：1.225 kg/m3；岩屑速度12 m/s，岩屑密度3 900 kg/m3，岩屑粒径1 mm，入口岩屑流量0.1 kg/s。取出口为压力边界条件，其值为1个标准大气压；壁面为无滑移边界条件，湍流脉动为0。

基本假设：1)固体岩屑颗粒为不可压缩具有均一尺寸的球形颗粒，岩屑的比热为常数且颗粒内部温度一致；2)环空中岩屑为稀疏悬浮流；3)忽略岩屑之间的相互碰撞[7]；4)岩屑在气体流场中非常稀薄，因此，该模型中气体为连续相，岩屑颗粒为离散相，气体对岩屑颗粒有作用力，岩屑颗粒之间没有作用力，也不对气体流场产生影响。

3仿真计算及结果分析

3.1封隔器无错扣

当封隔器无错扣时，对其进行模拟分析，模拟结果如图5、6所示。从图5速度矢量图可以看出，气体携岩屑在管道中自下而上运动，速度逐渐变大；在油管壁附近，气体携带岩屑的流速均比较低，接近于零。气体和岩屑在生产封隔器两端，也没有形成漩涡，只有个别岩屑对封隔器进行冲蚀，不足以使生产封隔器穿孔。从图6岩屑冲蚀速率云图可以看出，油管及其封隔器均未发生冲蚀现象，可见，在封隔器无错扣时，气体携带的岩屑对生产封隔器是无冲蚀作用。

3.2封隔器错扣

管螺纹螺距旋合安装不当或外力情况下，发生错位的现象时，建立的流体域三维模型，用四面体对流体域进行网格划分，并将壁面附近的网格进行局部加密，如图7、8所示。

管螺纹旋合偏心1 mm时，错扣生产封隔器进行有限元分析模拟结果如图9、10所示。从图9气体携带岩屑的速度矢量图中可以看出，气体携岩屑在管道中自下而上运动，速度逐渐变大；在油管壁附近，气体携带岩屑速度几乎为零，所以，岩屑对油管没有发生冲蚀。在错扣生产封隔器管壁旋合处，偏低和偏高的两端均出现了回流现象，反复冲蚀会使封隔器穿孔；而在封隔器其它部位也存在回流现象，但岩屑冲蚀速度均比较小，几乎为零，不足以使封隔器产生冲蚀现象。从图10气固两相流冲蚀速率云图可以看出，油管壁面冲蚀速率为0 kg/(m2·s)，在封隔器管壁旋合处偏高的一端出现了严重的冲蚀现象，冲蚀速率为6.61 kg/(m2·s)。这与图9所模拟的结果一致。

4分析及讨论

当生产封隔器管壁旋合处无错扣现象发生时，油管壁和封隔器管壁均没有产生冲蚀现象，然而在旋合处错扣现象发生时，偏低和偏高的两端均出现了回流现象，封隔器受到反复冲蚀，其偏高的一端将产生严重的冲蚀，而在封隔器其它部位也存在回流现象，但是岩屑冲蚀速度均比较小，不足以使封隔器产生冲蚀。从岩屑冲蚀速率云图可知，在封隔器管壁旋合处偏高的一端出现了严重的冲蚀现象，这和气体携带岩屑的速度矢量图所模拟的结果一致。可见，生产封隔器本体发现腐蚀穿孔，是由于生产封隔器的管壁旋合处存在错扣现象。

5结论及建议

1)该油管失效的原因是：生产封隔器内外螺纹在上扣时不当，造成一端高一端低的现象，高的那端出现了回流现象，反复冲蚀，致使生产封隔器偏高的一端冲蚀比较严重。

2)建议将油管下入井里之前，工作人员应对封隔器进行检测，防止有错扣的生产封隔器入井，导致不必要的损失。

参考文献

[1]周思柱,何迪,吕志鹏. 用有限元方法研究含缺陷油管失效判据[J].石油矿场机械,2006,35(6)：19-22.

[2]孙蕊,张钧,王温栋. N80油管断裂分析[J]. 理化检验-物理分册,2014,50(11)：860-862.

[3]钱东良,纪苏丹,刘刚,等.含砂输气管线三通部位的冲蚀仿真模拟[[J].石油机械,2014,42(10)：111-116.

[4]练章华,陈新海,林铁军,等. 排砂管线弯接头的冲蚀机理研究[J].西南石油大学学报: 自然科学版,2014,36(1)：150 -156.

[5]程嘉瑞,杨向同,李臻,等.API油管接箍液固两相流体冲蚀数值模拟[J].腐蚀与防护,2013，34(12)：1067-1071.

[6]费祥麟,胡庆康,景思睿. 高等流体力学[M].西安：西安交通大学出版社,1989：534-540.

[7]韩春雨,龙刚,纪海鹏.气体钻井岩屑颗粒动力学分析[J].重庆科技学院学报,2008,10(6)：31-33.

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)03-0074-03

作者简介：姚超(1989-)，男，西安工程大学硕士研究生，研究方向为机械工程(机械CAD/CAE/CAM研究应用)。

收稿日期：2015-11-17

Simulation analysis of the corrosion and perforation of the tubing packer

YAO Chao, WANG Yixuan, SUN Rui, LIU Yu

Abstract:The tubing packer is one of the most important tools for underground operation in oil fields, and is widely used in the processes of water flooding, oil extraction, fracturing and acidification. In recent years, however, packer failures have happened frequently. In order to understand the causes of packer failure, we simulated the corrosion and perforation of the packer using ANSYS/Fluent. The results showed that, there was no corrosion or perforation in the wall of the tubing or the packer without cross threading. However, when cross threading happened, backflow appeared at both the lower and higher ends of the tubing, and the packer underwent repeated erosion, which eventually led to packer failure. The simulation results were in line with the actual situation. Our method has provided an effective way to diagnose the mechanism of the packer failure.

Keywords:packer; modeling of corrosion and perforation; simulation analysis; ANSYS/Fluent