隔熱材料在提升測井儀器耐高溫性能的應(yīng)用

張古森

摘 要：研究將一種全新的隔熱涂料噴涂于鉆桿內(nèi)部，通過鉆桿模擬隔熱試驗(yàn)和CFD隔熱系數(shù)模擬試驗(yàn)，檢測涂層物理化學(xué)性能及隔熱效果。分析在鉆桿油浴加熱過程中，鉆桿內(nèi)通入常溫流動(dòng)或非流動(dòng)狀態(tài)水狀態(tài)下，鉆桿內(nèi)、外壁溫度隨著時(shí)間變化情況;根據(jù)油氣田實(shí)際工況，使用CFD技術(shù)模擬仿真井底鉆桿內(nèi)部溫度場，模擬計(jì)算噴涂隔熱材料的完鉆井鉆井液溫度分布。結(jié)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(shí)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(guān)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(xiàn)標(biāo)識(shí)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(nèi)石油產(chǎn)量的主要戰(zhàn)略接替區(qū)，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(qū)的更深地層尋找油氣藏?！笆晃濉逼陂g隨著中石化集團(tuán)公司石油勘探技術(shù)的發(fā)展以及萬米鉆機(jī)的引進(jìn)，設(shè)計(jì)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(shù)要求，突出表現(xiàn)為儀器在高溫、高壓條件下的可靠性和穩(wěn)定性，這大大增加了測井施工的難度[2]。目前國內(nèi)常用的常規(guī)測井儀器的耐溫指標(biāo)一般在175℃[3]，在井溫超過200℃的深井、超深井中現(xiàn)有儀器的耐溫、耐壓、耐腐蝕方面性能難以實(shí)現(xiàn)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(shù)方法、相變儲(chǔ)能技術(shù)方法[4-5]。相變儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能方式中，化學(xué)儲(chǔ)能的效果最好;但是，由于發(fā)展的時(shí)間較短，對于細(xì)節(jié)之處的處理還不到位，還有一定的技術(shù)難關(guān)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(nèi)高壓和油基泥漿環(huán)境，也不符合鉆桿內(nèi)壁噴涂標(biāo)準(zhǔn)[8]。因此，需要開發(fā)一種全新的應(yīng)用于鉆桿內(nèi)壁的特種隔熱涂料，保證涂層在鉆桿內(nèi)壁的正常使用，從而提升鉆桿內(nèi)測井儀器的耐高溫性能。

本文在鉆桿內(nèi)部噴涂一種全新的隔熱涂料，同時(shí)采用地面循環(huán)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(yàn)和傳熱數(shù)值模擬試驗(yàn)，檢測涂層物理計(jì)算流體、化學(xué)性能及隔熱效果。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

隔熱材料以環(huán)氧樹脂為主;耐高溫材料主要為環(huán)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?zé)Y(jié)成型的固化方式，解決基礎(chǔ)有機(jī)材料在高溫環(huán)境中應(yīng)用的穩(wěn)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(dá)到98%以上，解決了涂裝過程中的環(huán)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(zhì)量涂敷的面積更大;黏度、稠度，滿足噴涂作業(yè);隔熱材料涂層脆性較低，滿足鉆桿扭曲、變形的應(yīng)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(shù)達(dá)到 μs=0.1～0.12。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 鉆桿模擬隔熱試驗(yàn)

將20 cm長鉆桿內(nèi)壁打磨為噴砂除銹至Sa2.5級或機(jī)械打磨除銹至St2后，將隔熱材料完全噴涂于鉆桿內(nèi)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(jìn)行測溫;內(nèi)壁通入常溫流動(dòng)或非流動(dòng)狀態(tài)水，內(nèi)置溫度傳感器進(jìn)行測溫。觀察隨著時(shí)間推移，鉆桿內(nèi)、外壁溫度上升變化。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2.2 隔熱系數(shù)模擬試驗(yàn)

采用CFD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，對實(shí)際工況下對鉆桿內(nèi)部溫度場進(jìn)行模擬仿真。模擬計(jì)算噴涂隔熱材料后井底鉆桿末端內(nèi)部溫度。具體如下：使用FLUENT6.0軟件進(jìn)行井底鉆桿內(nèi)部溫度場模擬，使用Design Molder根據(jù)該工況建立二維模型幾何體模型。采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，保證網(wǎng)格質(zhì)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(jīng)過底部的循環(huán)，從頂部兩側(cè)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(shè)置成第1相;water liquid設(shè)置成第2相;Energy模型，選擇層流模型。入口速度設(shè)置為0.2 m/s;第2相water的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為10%。添加溫度分布方程函數(shù)離散計(jì)算結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鉆桿模擬隔熱試驗(yàn)結(jié)果

（1）常溫油、水為介質(zhì)，無循環(huán)結(jié)果。將鉆桿油浴加熱，外壁油浴溫度加熱到200℃，在鉆桿內(nèi)通入常溫狀態(tài)水，無循環(huán)，測試鉆桿內(nèi)、外壁溫度隨著時(shí)間的變化，鉆桿內(nèi)無隔熱材料涂層的測試結(jié)果見圖2（a），噴涂隔熱材料，涂層厚度為3 mm、5 mm的測試結(jié)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(shí)47 min;當(dāng)外壁溫度為95℃時(shí)，鉆桿內(nèi)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(shí)51 min，當(dāng)外壁溫度為95℃時(shí)，鉆桿內(nèi)壁溫度42.6℃。由圖2（c）可見，5 mm涂層鉆桿當(dāng)外壁溫度為95℃時(shí)，鉆桿內(nèi)壁溫度36.1℃。結(jié)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(shí)，5 mm涂層厚度鉆桿內(nèi)壁溫度由13℃上升到45.7℃時(shí)用時(shí)43 min，3 mm涂層鉆桿內(nèi)壁溫度用時(shí)31 min，無涂層鉆桿內(nèi)壁溫度同比用時(shí)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(nèi)壁溫度隨時(shí)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(nèi)部擴(kuò)散慢，所以鉆桿外壁溫度在同樣加熱和持續(xù)時(shí)間條件下，5 mm涂層鉆桿內(nèi)壁溫度比3 mm涂層鉆桿內(nèi)壁溫度低11℃;而3 mm涂層鉆桿內(nèi)壁溫度比無涂層的鉆桿內(nèi)壁溫度低20℃。由于涂層的隔熱效果，有涂層的鉆桿內(nèi)壁溫度上升慢（觀察曲線的斜率變化）;無涂層的鉆桿內(nèi)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(huán)水為介質(zhì)，循環(huán)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(nèi)通入常溫循環(huán)水，測試鉆桿內(nèi)、外壁溫度隨著時(shí)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(huán)水后，鉆桿內(nèi)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(jié)果。從圖4（a）中可看出，鉆桿沒有噴涂隔熱材料時(shí)，鉆桿外壁溫度由20℃上升到95℃用時(shí)44 min，當(dāng)鉆桿外壁溫度為95℃時(shí)，鉆桿內(nèi)壁溫度28.4℃;持續(xù)保溫13 min（總時(shí)間57 min），鉆桿內(nèi)壁溫度39.3℃。從圖4（b）可看出，鉆桿涂層厚度為3 mm時(shí)，鉆桿外壁溫度由20℃上升到95℃用時(shí)45 min，當(dāng)鉆桿外壁溫度為95℃時(shí)，鉆桿內(nèi)壁溫度為17.9℃;當(dāng)總用時(shí)57 min情況下，鉆桿內(nèi)壁溫度上升19.7℃（此時(shí)鉆桿內(nèi)壁溫度為98.5℃），比無涂層鉆桿內(nèi)壁溫度低20℃;當(dāng)鉆桿內(nèi)壁溫度達(dá)到39.3℃時(shí)，需要增加保溫時(shí)間130 min，說明涂層具有明顯隔熱效果。從圖4（c）可看出，當(dāng)鉆桿外壁溫度從30℃升到95℃時(shí)，5 mm涂層的鉆桿內(nèi)壁溫度上升1.8℃，3 mm涂層的鉆桿內(nèi)壁溫度上升4.3℃，無涂層的鉆桿內(nèi)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(huán)水，3種鉆桿內(nèi)壁溫度隨著時(shí)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(huán)水條件下，涂層厚度影響不像無循環(huán)那么明顯。無涂層管體管內(nèi)溫度同樣時(shí)間內(nèi)上升速度更快（曲線斜率大），兩種涂層的區(qū)別不大。由于循環(huán)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(shí)間才能達(dá)到同樣溫度。這表明，噴涂隔熱材料和介質(zhì)循環(huán)降溫兩種方法配合可以更加有效的降低鉆桿內(nèi)壁溫度。在油氣田實(shí)際開采過程中，可以利用同時(shí)采用循環(huán)鉆井液和提高鉆桿隔熱兩種方式減低鉆桿內(nèi)溫度，提升測井儀器耐高溫性能。

2.2 隔熱系數(shù)模擬試驗(yàn)

根據(jù)油氣田實(shí)際工況，使用CFD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，模擬仿真井底鉆桿內(nèi)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(zhuǎn)彎半徑80 m，地面溫度25℃，地層材質(zhì)為巖石，鉆桿材質(zhì)為鋼，鉆井液分別為柴油和水，循環(huán)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(dǎo)眼，然后側(cè)鉆水平段，鉆至8 169.27 mm。井身結(jié)構(gòu)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(gè)區(qū)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(shè)置為速度入口（Velocity inlet），出口（outlet1，outlet2）邊界條件均設(shè)置為壓力出口（Pressure outlet），其余壁面均設(shè)置為Wall。采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1 mm，保證網(wǎng)格質(zhì)量均在0.9以上。

2.2.2 鉆井液傳熱數(shù)值模擬計(jì)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(jīng)過底部的循環(huán)，從頂部兩側(cè)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(shè)置成第1相，water liquid設(shè)置成第2相，層流模型;入口速度設(shè)置為0.2 m/s。第2相water的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為10%，井深7 500 m;鉆桿外徑88.9 mm，鉆桿內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)涂鉆柱導(dǎo)熱系數(shù)0.08 W/（m·K）。經(jīng)過之后添加溫度分布方程函數(shù)，并在巖石壁面處進(jìn)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(guān)井史資料，通過電測數(shù)據(jù)對井底循環(huán)溫度進(jìn)行標(biāo)定，“7 500 m完鉆井模型”最終確定的計(jì)算參數(shù)：完鉆井底地層溫度為200℃。經(jīng)過以上模擬發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(nèi)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。

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