帶孔插入密封檢測(cè)工具縫隙流動(dòng)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(guó))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(shù)分公司，天津300452)

**(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190)

在油田開(kāi)發(fā)中，封隔器是實(shí)施分層注水等工藝的關(guān)鍵部件[1]，封隔器的密封性能決定上述工藝是否能夠?qū)崿F(xiàn)，封隔器的密封性能與其關(guān)鍵部件--密封筒的完好程度密切相關(guān)，密封筒在井下長(zhǎng)年運(yùn)行，產(chǎn)液腐蝕、下油管作業(yè)時(shí)剮蹭等因素都會(huì)使密封筒產(chǎn)生損傷[2]。密封筒破損貫通后，在破損處就會(huì)形成縫隙流動(dòng)，在井下因縫隙流動(dòng)造成的漏失會(huì)形成無(wú)效注水等后果，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率。為此，對(duì)于實(shí)施分層注水工藝的井，需要對(duì)封隔器的密封筒進(jìn)行驗(yàn)封作業(yè)[3]。

目前，驗(yàn)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(nèi)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(méi)有破損[4]。張磊等[5]提出利用脈沖中子氧活化測(cè)井探測(cè)油管、套管、油套環(huán)形空間等地層內(nèi)水的流動(dòng)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(shí)用。趙勇等[6]通過(guò)研制出可以檢驗(yàn)封隔器座封可靠性的新型管柱，即增添沉砂進(jìn)液器，通過(guò)停泵觀察井口壓力是否穩(wěn)定不降來(lái)判斷封隔器的密封性能。朱華[7]在傳統(tǒng)的驗(yàn)封工藝上增設(shè)洗井機(jī)構(gòu)，使得驗(yàn)封和洗井一體化。從上述調(diào)研可以看出，目前對(duì)于井筒中驗(yàn)封一般都是定性的，而且大部分是關(guān)于封隔器整體的驗(yàn)封，很少有關(guān)于密封筒的驗(yàn)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(guò)在自主研發(fā)的帶孔插入密封檢測(cè)工具的壓力采集裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)管柱密封段與井下密封筒構(gòu)成的隔離密封總成的密封缺陷判斷，從而實(shí)現(xiàn)密封筒的驗(yàn)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(dāng)量直徑之間的關(guān)系[9-10]，即針對(duì)自主研發(fā)的帶孔插入密封檢測(cè)工具驗(yàn)封時(shí)的縫隙流動(dòng)開(kāi)展研究?？p隙流動(dòng)是一種廣泛存在于機(jī)械結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)，如柱塞與缸筒間相對(duì)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(dòng)只有在流道幾何形狀比較簡(jiǎn)單的情況下才能得到解析解，而機(jī)械結(jié)構(gòu)中的縫隙流道幾何形狀往往比較復(fù)雜且各不相同，很難統(tǒng)一解，前人針對(duì)具體流道得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，但這些關(guān)系式往往在應(yīng)用上并不具備普適性[12]。故本文針對(duì)帶孔插入密封檢測(cè)工具與密封筒之間縫隙流動(dòng)中壓降隨流量和破損當(dāng)量直徑變化的規(guī)律進(jìn)行了研究，從而為密封筒的定量驗(yàn)封奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

圖1 插入式密封檢測(cè)工具、密封筒模型圖和實(shí)物圖

為了對(duì)帶孔插入密封檢測(cè)工具在井下進(jìn)行定量驗(yàn)封時(shí)的縫隙流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，加工了比例為1:1的帶孔插入密封檢測(cè)工具和破損密封筒的有機(jī)玻璃模型，如圖1所示，在結(jié)構(gòu)示意圖中，紅色部分為插入式密封檢測(cè)工具，藍(lán)色部分中間內(nèi)徑120 mm的部分為模擬密封筒，管徑為170 mm的藍(lán)色部分為模擬井筒。分層注水操作時(shí)，水從左端紅色入口進(jìn)入插入密封檢測(cè)工具的內(nèi)部，在插入式密封檢測(cè)工具中段靠右的管壁上有2個(gè)直徑為9 mm的小孔，水從這兩個(gè)小孔流出檢測(cè)工具，進(jìn)入檢測(cè)工具外表面與模擬密封筒破損內(nèi)表面形成的流道內(nèi)。密封筒和插入式密封檢測(cè)工具之間的流動(dòng)既包括前者內(nèi)徑和后者外徑差異所造成的環(huán)狀縫隙流動(dòng)，也包括前者內(nèi)徑和后者外徑一致時(shí)密封筒管壁上破損處的縫隙流動(dòng)，最終水從密封筒上的上出口和下出口流出。入口模擬實(shí)際驗(yàn)封操作時(shí)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(jìn)行密封筒不同破損情況的試驗(yàn)研究，總共加工了3個(gè)具有不同密封筒破損當(dāng)量直徑(4倍破損面積與破損周長(zhǎng)之比)的密封筒模型，當(dāng)量直徑分別為9.7，10.81，13.31 mm。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

組裝完成后的插入式密封檢測(cè)工具和模擬密封筒模型安裝在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所多相流實(shí)驗(yàn)室的多相流綜合試驗(yàn)平臺(tái)上，形成縫隙流動(dòng)循環(huán)試驗(yàn)管路(圖2)。該試驗(yàn)系統(tǒng)由動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)包括入口水箱、主水泵、φ50 mm透明有機(jī)玻璃管路等；控制系統(tǒng)包括控制臺(tái)、電磁閥、變頻器等；測(cè)量系統(tǒng)包括電磁流量計(jì)、壓力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)控制臺(tái)控制開(kāi)啟水泵和電磁閥，使水相由水箱經(jīng)過(guò)水泵輸送至安裝有插入密封檢測(cè)工具的循環(huán)管路中，水流過(guò)后，從插入式密封檢測(cè)工具和模擬密封筒模型的兩個(gè)出口流入中轉(zhuǎn)取樣桶中。兩個(gè)出口的流量由于測(cè)試工況變化范圍較大，會(huì)出現(xiàn)很小的流量值，所以采用體積取樣法計(jì)量，入口的流量由電磁流量計(jì)計(jì)量，入口和兩個(gè)出口均安裝有壓力傳感器測(cè)試壓力變化。

圖2 縫隙流動(dòng)試驗(yàn)管路示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用介質(zhì)與實(shí)際井下分層驗(yàn)封時(shí)所用介質(zhì)一致，均為水。試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度約為20°C，壓力為常壓，所用自來(lái)水的密度ρw=998.2 kg/m3，動(dòng)力黏度μw=0.001 Pa·s。

試驗(yàn)工況按總?cè)肟诹髁糠譃?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(gè)出口的分流比變化，共5種工況。每一個(gè)密封筒模型均重復(fù)上述試驗(yàn)工況。

本試驗(yàn)所設(shè)置的入口流量范圍與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)流量工況一致，主要的條件差異在于現(xiàn)場(chǎng)地層壓力可高達(dá)10 MPa，而室內(nèi)試驗(yàn)的壓力范圍在幾個(gè)大氣壓以?xún)?nèi)。但該方面差異帶來(lái)的影響并不大，首先，在N-S方程中，兩者僅相差一個(gè)靜壓值，計(jì)算時(shí)可通過(guò)引入廣義壓強(qiáng)消除；其次，水的黏度、密度隨壓力變化并不劇烈，其相對(duì)變化很小，研究時(shí)為簡(jiǎn)單計(jì)算可不予考慮。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 分流比影響

井下分層驗(yàn)封試驗(yàn)裝置有一個(gè)入口、兩個(gè)出口，屬于變質(zhì)量流動(dòng)。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(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)兩分支出口管路上的閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯然，入口到兩出口的壓降也各不相同，需要分別測(cè)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(duì)入口到出口壓降的影響規(guī)律如圖3所示，結(jié)果表明，當(dāng)密封筒破損當(dāng)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(xiàn)性關(guān)系。這是由于壓降與通道內(nèi)的流速有關(guān)，流速增大，壓降自然增大。

圖3 分流比對(duì)入口到出口壓降的影響規(guī)律

圖3 分流比對(duì)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(dāng)模擬密封筒的破損當(dāng)量直徑為10.81 mm，變化入口流量對(duì)模型內(nèi)縫隙流動(dòng)壓降的影響規(guī)律。由圖可見(jiàn)，當(dāng)分流比增大時(shí)，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(yīng)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(xiàn)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(guān)，當(dāng)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(dāng)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(duì)壓降的影響

(a) 入口到上出口壓降隨破損當(dāng)量直徑的變化規(guī)律

圖5 破損當(dāng)量直徑對(duì)壓降的影響

本研究中加工的3個(gè)帶有不同破損的密封筒，都根據(jù)破損的實(shí)際情況和流道的實(shí)際形狀對(duì)當(dāng)量直徑進(jìn)行了計(jì)算，具體數(shù)值顯示在圖5中。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著破損當(dāng)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(shí)壓降的變化情況，其他入口流量時(shí)壓降的變化趨勢(shì)都是相似的。這是由于當(dāng)入口流量一定時(shí)，當(dāng)量直徑越大，則流通面積越大，流過(guò)破損處的流速越低，流體在流動(dòng)過(guò)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(yàn)結(jié)果分析

3.1 量綱分析

由于插入式密封檢測(cè)工具與密封筒之間的縫隙流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這種縫隙流動(dòng)既沒(méi)有解析解，目前也沒(méi)有可以直接應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。本研究試圖通過(guò)將試驗(yàn)獲取的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合，得到便于在工程上直接應(yīng)用的壓降計(jì)算關(guān)系式。為此，先通過(guò)量綱分析方法確定對(duì)壓降有關(guān)鍵影響的參數(shù)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(dāng)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?cè)肟诹髁浚琺3/s；D為當(dāng)量破損直徑，m；e為粗糙度，m；F為分流比。

對(duì)于因密封筒破損造成的縫隙流動(dòng)，粗糙度e的影響可以合并到當(dāng)量破損直徑D中。因此，取Q，ρ和D為基本量綱，則可以通過(guò)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(jīng)驗(yàn)公式

為了得到量綱分析后的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，需要對(duì)所有不同破損當(dāng)量直徑的密封筒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖6所示，可以看出，當(dāng)密封筒破損當(dāng)量直徑不同時(shí)，所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)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(dòng)；在相同的Re時(shí)，Eu與分流比F的關(guān)系均近似呈現(xiàn)線(xiàn)性變化規(guī)律。

圖6 無(wú)量綱化的參數(shù)關(guān)系規(guī)律圖

通過(guò)上述分析，回歸得到關(guān)于入口到上出口的壓降Eu，F(xiàn)和Re之間的關(guān)系為式(3)，其中數(shù)據(jù)的相關(guān)度達(dá)到0.97。

式中，0＜F＜1，0＜Re＜150 000。式(3)反算后的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖7所示，可以看出，誤差在±20%以?xún)?nèi)，可以用于指導(dǎo)插入密封檢測(cè)工具的工程應(yīng)用。

圖7 經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

(1)當(dāng)密封筒破損當(dāng)量直徑、入口流量一致時(shí)，插入密封檢測(cè)工具與破損密封筒之間的縫隙流動(dòng)壓降與分支流量有關(guān)，即入口到出口的壓降與分流比有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，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(dāng)密封筒破損當(dāng)量直徑不變時(shí)，隨著入口流量的增大，縫隙流動(dòng)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(dāng)入口流量、分流比一致時(shí)，隨模擬密封筒的當(dāng)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??；當(dāng)入口流量一致時(shí)，所有破損當(dāng)量直徑下的壓降變化規(guī)律隨分流比的變化趨勢(shì)一致。

(4)通過(guò)無(wú)量綱分析方法，獲得了插入密封檢測(cè)工具中縫隙流動(dòng)的關(guān)鍵無(wú)量綱參數(shù)，并基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，該研究為其未來(lái)定量驗(yàn)封奠定了基礎(chǔ)。