分簇射孔电缆两级注脂动密封分析研究及应用

2017-05-14杨登波陈锋唐凯任国辉代传刚李奔驰

测井技术 2017年5期

杨登波, 陈锋, 唐凯, 任国辉, 代传刚, 李奔驰

(中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司, 重庆 400021)

0 引言

分簇射孔、带压穿孔、生产测井等作业因井口带压必须对下井电缆实施可靠密封。油气井带压射孔、测井等作业采用的承荷探测电缆为铠装电缆,其外表面由旋向相反的螺旋状内外层钢丝缠绕而成,钢丝之间存在微小间隙,不具密封性[1]。采用阻流管或向阻流管与电缆间隙泵注密封脂以形成间隙高压阻止压力泄漏是实现带压井口电缆动密封的有效方法。

分簇射孔作业一级注脂动密封系统在电缆运行速度较快时不能有足够排量的密封脂实现可靠密封,往往需要2个注脂泵和双注入点同时工作,即两级注脂动密封。高压井作业中两级注脂动密封应用较为广泛,但还未见相关研究报道。为更好地指导带压井口电缆动密封作业,本文对两级注脂动密封系统的注脂压力及排量关系进行研究。

1 注脂动密封控制系统

研究对象为国产某品牌电缆防喷装置。图1为两级注脂动密封控制头结构示意图,电缆由上至下穿过防喷盒、上阻流管、下阻流管;控制头以下依次与抓卡器、防喷管、捕集器、试压注入短节、闸板防喷器、井口装置相连接。注脂液控装置中的林肯泵经注脂管线和注脂头在上、下阻流管之间以一定的排量和压力注入密封脂,在阻流管内部形成高压带平衡井口压力。最终,一部分密封脂从下阻流管与电缆间隙进入防喷管;另一部分则从上阻流管与电缆间隙经回油管排至废油桶。

图1 两级注脂动密封控制头结构示意图

以W1F46-8.0电缆为例,将电缆盘入绞车滚筒后实测平均外径为Φ8.1 mm,选用长度为370 mm、内径Φ8.2 mm的阻流管密封电缆,阻流管与电缆的间隙为0.05 mm;密封脂选用川渝地区带压井口电缆作业常用的某品牌680型密封脂为例,密封脂的极限动切应力、塑性黏度等性能参数见表1。

表1 两级注脂动密封系统已知参数及需求解参数

2 两级注脂动密封系统注脂压力及排量计算

未下井电缆的外表面不光滑,但分簇射孔常用电缆一般都经过泥浆填充处理,且使用后磨损使其变得较为光滑。为简化计算模型,可将表面不光滑电缆等效为截面积相等的表面光滑电缆(见图2)。根据截面积相等的关系,可得到等效电缆直径即电缆计算外径Dc与电缆外径DW、电缆外层钢丝数n、钢丝直径DL存在关系为

图2 电缆外径等效计算示意图

(1)

密封脂属于非牛顿流体中的宾汉流体[1-2],即塑性流体。密封脂在注入管和回油管中的流动状态均为层流,密封脂在注入管内的压降Δpi和回油管内的压降Δp0可根据宾汉流体圆管层流压降公式计算[1,3]

(2)

理想状态下,密封脂在电缆与阻流管间隙内的流动截面为圆环,但电缆在起下过程中很难保证与阻流管同心,从阻流管的磨损情况也可以判断阻流管和电缆长期处于偏心状态。密封脂在电缆与阻流管间隙中的流动可考虑为偏心圆环层流[1]。电缆偏心会增大密封脂耗量,计算时按最大偏心度即电缆紧贴着阻流管考虑,则阻流管内的压降可根据宾汉流体偏心圆环层流压降公式计算[3-5]

(3)

图3为两级注脂动密封系统在2种情况(注脂泵1注脂压力pP1大于注脂泵2注脂压力pp2和注脂泵1注脂压力pp1小于注脂泵2注脂压力pp2)下的压力分布及密封脂泵注排量关系。

对于一级注脂动密封,厂商推荐注脂压力为井口压力的1.2倍,但这一推荐作法不适用于两级注脂系统。为求解两级注脂系统的注脂压力及排量,以注入管1注入阻流管的压力p1达到某一目标压力时系统的压力及排量关系符合对应的情况,且整个动密封系统的密封脂消耗量最小。

假设带压作业井口压力为40 MPa,根据两级注脂动密封系统的相关参数求解当注入管1注入阻流管的压力p1为井口压力1.1倍(44 MPa)时的系统注脂压力及排量。相关已知参数及需求解的参数见表1。

根据图3中的压力及排量关系,按式(2)、式(3)列出系统的压降方程组。

2.1 注脂压力pp1大于注脂压力pp2的两级注脂系统

密封脂注入管1内的压降

(4)

密封脂注入管2内的压降

(5)

密封脂注入管1阻流管注入处到井口的压降

(6)

密封脂注入管1阻流管注入处到密封脂注入管2阻流管注入处的压降

(7)

密封脂注入管2阻流管注入处到回油管入口处的压降

(8)

回油管内的压降

(9)

2.2 注脂压力pp1小于注脂压力pp2的两级注脂系统

密封脂注入管1内的压降

(10)

密封脂注入管2内的压降

(11)

密封脂注入管1阻流管注入处到井口的压降

(12)

密封脂注入管2阻流管注入处到密封脂注入管1阻流管注入处的压降

(13)

密封脂注入管2阻流管注入处到回油管入口处的压降

(14)

回油管内的压降

(15)

2.3 注脂压力及排量计算

将表1中的已知参数代入式(4)～式(9)或式(10)～式(15),通过迭代求解得到:

(1) 注脂泵1注脂压力pp1大于注脂泵2注脂压力pp2时,pp1=47.96 MPa,Q1=112.20 mL/min,Q1的向上分量Q3=59.77 mL/min,Q1的向下分量Q4=52.43 mL/min,pp2=43.44 MPa,Q2=22.52 mL/min,系统总注脂排量Q1=134.72 mL/min。

(2) 注脂泵1注脂压力pp1小于注脂泵2注脂

压力pp2时,pp1=47.93 MPa,Q1=50.42 mL/min,pp2=48.69 MPa,Q2=97.74 mL/min,Q2的向下分量Q3=2 mL/min,Q2的向上分量Q4=95.74 mL/min,系统总注脂排量Q1=148.16 mL/min。

对比结果发现pp1>pp2的两级注脂比pp1

图3 2种情况下的两级注脂动密封系统压力及排量关系示意图

图4 两级注脂动密封系统各处密封脂流速对比图

3 两级注脂动密封系统数值仿真

采用ANSYS-Fluent对注脂1压力大于注脂2压力的两级注脂动密封系统进行模拟仿真[6-8],注脂泵1注脂压力47.96 MPa,注脂泵2注脂压力43.44 MPa时的仿真结果如图4所示。

由图4可以明显看出,注脂1处的密封脂分向下阻流管和向上阻流管流动2部分,注脂2处的密封脂基本向上流动,回油管处的密封脂来自注脂1向上流动部分和注脂2,流速较小,这是因为密封脂流经了很长一段阻流管(上阻流管长度是下阻流管的6倍),其大部分动能被阻流管与电缆间隙流动摩阻消耗,数值仿真与理论计算结果趋势基本一致。

4 现场应用案例

在X201-H1井进行带压分簇射孔,电缆动密封采用两级注脂。分簇射孔管串泵送过程井口压力由29 MPa逐渐升高至71 MPa,采用本文方法,以注脂泵1注入阻流管的压力达到1.1倍井口压力为目标,计算出不同阶段井口压力对应的注脂压力,参考理论计算值调节密封系统的实际注脂压力(见表2),可以很好地实现可靠动密封,证明本文所述计算方法具有实际指导意义。