控压钻井多级节流元件压降场数值模拟.pdf

２ ０ １ ５年 第４ ４卷 第７期第１ １页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ２ ０ １ ５，４ ４（７） １ １  １ ４ 文章编号 １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２（２ ０ １ ５）０ ７  ０ ０ １ １  ０ ４ 控压钻井多级节流元件压降场数值模拟 刘少胡１， 罗 衡２， 冯 定１， 石 磊３， 聂荣国４， 魏世忠１ （１．长江大学 机械工程学院， 湖北 荆州４ ３ ４ ０ ２ ３； ２．中海油发展安全环保分公司， 广东 湛江５ ２ ４ ０ ５ ７； ３．中国石油川庆钻探工程有限公司 井下作业公司， 成都６ １ ０ ０ ５ １；４．西南石油大学 机电工程学院， 成都６ １ ０ ５ ０ ０） 摘要 利用控压钻井可解决碳酸盐岩储层溢、 漏频繁发生， 硫化氢分布不均匀和存在大量裂缝等钻 井难点， 而多级节流元件是实现控压的主要部件之一。基于Ｃ Ｆ Ｄ技术建立了该多级节流元件数值 计算模型， 并分别选取１ ２． ０ ０、 １ ４． ８ ４、２ ２． ４ ２、３ ０． ７ ０Ｌ／ｓ流量进行了数值模拟计算， 同时研究了流量 变化对压降场的影响。结果表明 随着流量的增加， 该多级节流元件的压降增幅较大； 流量是影响 多级节流元件压降的主要因素之一。由此证实该元件在控压钻井中进行节流控压是可行的， 其节 流控压性能明显； 在精细控压钻井中可发挥节流控压的作用。 关键词 节流元件； 控压钻井； 压降场； 数值模型 中图分类号Ｔ Ｅ ９ ２ ７ 文献标识码Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２． ２ ０ １ ５． ０ ７． ０ ０ ３ 犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾 犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犘 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲犉 犻 犲 犾 犱犳 狅 狉犕 狌 犾 狋 犻  犛 狋 犪 犵 犲犜 犺 狉 狅 狋 狋 犾 犻 狀 犵犜 狅 狅 犾 犻 狀犕犘 犇 Ｌ Ｉ ＵＳ ｈ ａ ｏ ｈ ｕ １， Ｌ ＵＯ Ｈ ｅ ｎ ｇ ２， Ｆ Ｅ ＮＧＤ ｉ ｎ ｇ １， Ｓ Ｈ ＩＬ ｅ ｉ ３， Ｎ Ｉ ＥＲ ｏ ｎ ｇ ｇ ｕ ｏ ４， ＷＥ ＩＳ ｈ ｉ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ １ （１．犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犕 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵， 犢 犪 狀 犵 狋 狕 犲犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犑 犻 狀 犵 狕 犺 狅 狌４ ３ ４ ０ ２ ３，犆 犺 犻 狀 犪； ２．犆犖犗 犗 犆犈 狀 犲 狉 犜 犲 犮 犺  犛 犪 犳 犲 狋 狔牔 犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾犘 狉 狅 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀犆 狅．，犣 犺 犪 狀 犼 犻 犪 狀 犵５ ２ ４ ０ ５ ７，犆 犺 犻 狀 犪； ３．犆 犺 犻 狀 犪犆 犆 犇 犆犇 狅 狑 狀 犺 狅 犾 犲犔 犻 犿 犻 狋 犲 犱犆 狅 犿 狆 犪 狀 狔，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌６ １ ０ ０ ５ １，犆 犺 犻 狀 犪； ４．犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犕 犲 犮 犺 犪 狋 狉 狅 狀 犻 犮犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵，犛 狅 狌 狋 犺 狑 犲 狊 狋犘 犲 狋 狉 狅 犾 犲 狌 犿犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌６ １ ０ ５ ０ ０，犆 犺 犻 狀 犪） 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋Ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ａ ｔ ｅＲ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｉ ｒｏ ｖ ｅ ｒ ｆ ｌ ｏ ｗ ＆ｌ ｅ ａ ｋｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｔｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｒ ｉ ｎ ｇｃ ａ ｎｂ ｅｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｄｗ ｉ ｔ ｈ ＭＰ Ｄ， ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄｂ ｙｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎｓ ｕ ｌ ｆ ｉ ｄ ｅｕ ｎ ｅ ｖ ｅ ｎｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄａ ｌ ｏ ｔ ｏ ｆ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｓ ． Ａ ｎ ｄｍ ｕ ｌ ｔ ｉ  ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇｔ ｏ ｌ ｌ ｉ ｓｏ ｎ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅｍ ａ ｉ ｎｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓｔ ｏａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ． Ｔ ｈ ｅｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌｍ ｏ ｄ ｅ ｌｏ ｆａｍ ｕ ｌ ｔ ｉ  ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇｔ ｏ ｏ ｌ ｉ ｓｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎＣ Ｆ Ｄｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ． Ｔ ｈ ｅｆ ｌ ｏ ｗ１ ２Ｌ／ｓ，１ ４． ８ ４Ｌ／ｓ，２ ２． ４ ２Ｌ／ｓ ａ ｎ ｄ３ ０． ７Ｌ／ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｉ ｎ ｇ ｆ ｌ ｏ ｗｏ ｎ ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｒ ｏ ｐｆ ｉ ｅ ｌ ｄｉ ｓａ ｌ ｓ ｏｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔｓ ｈ ｏ ｗ ｓｔ ｈ ａ ｔｔ ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｄ ｒ ｏ ｐｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅｉ ｓｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｒｆ ｏ ｒｍ ｕ ｌ ｔ ｉ  ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇｔ ｏ ｏ ｌｗ ｈ ｅ ｎ ｆ ｌ ｏ ｗｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ． Ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈｍ ｕ ｌ ｔ ｉ  ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅｏ ｎ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｏ ｌ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｏ ｗｉ ｓ ｏ ｎ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅｍ ａ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｍ ｐ ａ ｃ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆｍ ｕ ｌ ｔ ｉ  ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔ ｔ ｌ ｉ ｎ ｇｔ ｏ ｏ ｌ ． Ｔ ｈ ｕ ｓｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｒ ｍ ｅ ｄｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｔ ｏ ｏ ｌ ｉ ｓｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｉ ｎｔ ｈ ｅＭＰ Ｄ，ａ ｎ ｄｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｒ ｍ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅｔ ｏ ｏ ｌ ｉ ｓｏ ｂ ｖ ｉ ｏ ｕ ｓ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｔ ｈ ｉ ｓｓ ｔ ｕ ｄ ｙｗ ｅｃ ａ ｎｓ ｅ ｅｔ ｈ ａ ｔｔ ｈ ｅ ｍ ｕ 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环空三维流动模拟采用了雷洛平均犖  犛方程， 并以Ｒ ＮＧ紊流模型使方程组闭合［ ７  ８］。 井下多级节流元件三维模型如图１所示， 所计 算模型有３处均布螺旋带， 为划分网格和计算方便， 故对模型进行了简化处理。３处螺旋带的压降可认 为是每一处压降的和， 即认为每处压降基本相等（ 由 模型的对称性可知） ， 故只计算１处螺旋带压降便可 知总压降， 图２为简化后的三维模型。 图１ 井下多级节流元件三维模型 图２ 井下多级节流元件简化三维模型 采用有限体积法对求解域（ 元件与井眼过流环 空） 进行离散， 使用全隐式多网格耦合求解技术， 可 以避免传统算法的反复迭代过程。 ２ 元件压降场数值计算 为计算钻井液排量对元件压降场的影响， 首先 分别选取流量为１ ２． ０ ０、 １ ４． ８ ４、２ ２． ４ ２、３ ０． ７ ０Ｌ／ｓ进 行数值模拟计算， 该模拟计算可定量研究钻井液流 量对元件压降场的影响。 ２． １ 流量为１ ２犔 ／狊对压降场的影响 为进一步验证流量对元件压力场的影响， 计算 了流量为１ ２Ｌ／ｓ时元件的压力场， 元件三维模型压 力场云图和压力场切片云图如图３所示。由图３可 知 螺旋带处井眼环空的压降为０． ０ ６ ２８ＭＰ ａ， 则该 多级节流元件的总压降约为０． １ ８ ８ＭＰ ａ。为了减少 网格划分所带来的错误及为了节约数值计算时间， 所计算螺旋带棱和根部均未绘制圆角， 所以计算结 果 要 稍 大 于 实 际 压 降，即 实 际 压 降 应 略 小 于０． １ ８ ８ＭＰ ａ。 ａ 压力场云图 ｂ 压力场切片云图 图３ 流量为１ ２Ｌ／ｓ时元件压降云图 ２． ２ 流量为１ ４． ８ ４犔 ／狊对压降场的影响 如图４所示为流量１ ４． ８ ４Ｌ／ｓ时元件压降场， 由图４可知 螺旋带所在环空最大压降为０． １ ７ ５ ＭＰ ａ， 根据假设可知该多级节流元件的总压降约为 ０． ５ ２ ５ＭＰ ａ。 与流量为１ ２Ｌ／ｓ压降进行对比可知 随着流量的增加， 该多级节流元件的压降增幅较大， 由此可知在小流量的情况下， 该多级节流元件压降 明显， 在控压钻井中可发挥节流控压的作用。 ２１ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ５年７月  图４ 流量为１ ４． ８ ４Ｌ／ｓ时元件压降云图 ２． ３ 流量为２ ２． ４ ２犔 ／狊对压降场的影响 图５为排量２ ２． ４ ２Ｌ／ｓ时的元件压降云图， 由 图５可知 一级节流元件螺旋带处井眼环空压降为 ０． ３ ６ ６７ＭＰ ａ， 则该三级节流元件的总压降约为１． １ ＭＰ ａ， 实际压降应小于１． １ＭＰ ａ。与流量为１ ２Ｌ／ｓ 时压降进行对比， 可知流量增加了１ ０． ４ ２Ｌ／ｓ， 而压 降增加了约６倍。 图５ 流量为２ ２． ４ ２Ｌ／ｓ时元件压降云图 ２． ４ 流量为３ ０． ７犔 ／狊时对压降场的影响 图６为排量３ ０． ７Ｌ／ｓ时多级节流元件压降云 图， 由计算结果可知 该一级节流元件的压降约为 ０． ７ ２ＭＰ ａ， 则该三级节流元件的总压降约为２． １ ７ ＭＰ ａ， 即整个节流装置的压降为２． １ ７ＭＰ ａ。综合对 比前面的计算结果可知 不但小流量对压降的影响 较大， 而且大流量对该多级节流元件的压降尤为敏 感， 由此可以得出该元件也可在精细控压钻井中 应用。 图６ 流量为３ ０． ７Ｌ／ｓ时元件压降云图 ２． ５ 流量变化对压降场的影响 图７为流量变化对压降场的影响曲线， 由图７ 可知 随着流量的增加， 一级节流元件（ 一级压降） 和 三级节流元件（ 三级压降） 的压降值也在逐渐增加。 由此可以看出， 流量是影响多级节流元件压降的主 要因素之一， 同时反应出多级节流元件的节流控压 性能比较明显。 图７ 流量变化对压降场的影响曲线 ３ 结论 １） 通过数值模拟研究了流量分别为１ ２． ０ ０、 １ ４． ８ ４、２ ２． ４ ２、３ ０． ７ ０Ｌ／ｓ时对元件压降场的影响。 随着流量的增加， 该多级节流元件的压降增幅较大， 由此证实该元件在控压钻井中进行节流控压是可 行的。 ２） 通过定性研究流量变化对多级节流元件压 降场的影响可知， 流量是影响多级节流元件压降的 主要因素之一， 同时证实该多级节流元件的节流控 压性能明显。基于此可知， 该多级节流元件在精细 控压钻井中可发挥节流控压的作用。 ３１ 第４ ４卷 第７期 刘少胡， 等 控压钻井多级节流元件压降场数值模拟  ２ ０ １ ５年 第４ ４卷 第７期第１ ４页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ２ ０ １ ５，４ ４（７） １ ４  ２ ０ 文章编号 １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２（２ ０ １ ５）０ ７  ０ ０ １ ４  ０ ７ 套管失效案例及控制技术研究 李 超１， 陈长青１， 刘文红２， 李德伟３ （１．渤海石油装备第一机械厂， 河北 青县０ ６ ２ ６ ５ ８； ２．中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管工程重点实验室， 西安７ １ ０ ０ ７ ７； ３．华油一机抽油机有限公司， 河北 青县０ ６ ２ ６ ５ ８） 摘要 通过对近年来典型套管失效的统计分析， 阐述了套管失效的现状、 模式、 原因和失效机理， 指 出套管失效以断裂和脱扣为主要模式， 同时表明近年来由于套管的质量问题导致的失效事故显著 增加。据此提出了从具体失效分析、 对存在疑似缺陷的套管进行适用性评价、 开展套管质量控制及 其应用技术研究、 套管及其管柱的完整性管理等几个方面入手， 开展套管失效控制技术研究， 不但 可对套管的质量是否满足相关标准要求进行判断， 还可对不符合标准要求套管的使用范围进行规 范， 从而保证油田选好用好套管， 减少套管的失效。 关键词 套管； 失效模式； 失效分析； 失效控制； 适用性评价； 完整性管理 中图分类号Ｔ Ｅ ９ ３ １． ２ 文献标识码Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２． ２ ０ １ ５． ０ ７． ０ ０ ４ 犆 犪 狊 犲 狊狅 犳犆 犪 狊 犻 狀 犵犉 犪 犻 犾 狌 狉 犲犪 狀 犱犆 犪 狊 犻 狀 犵犉 犪 犻 犾 狌 狉 犲犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 Ｌ ＩＣ ｈ ａ ｏ １， ＣＨＥ ＮＣ ｈ ａ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ １， Ｌ Ｉ Ｕ Ｗ ｅ ｎ ｈ ｏ ｎ ｇ ２， Ｌ ＩＤ ｅ ｗ ｅ ｉ ３ （１．犅 狅 犺 犪 犻犘 犲 狋 狉 狅 犾 犲 狌 犿犈 狇 狌 犻 狆 犿 犲 狀 狋１狊 狋犕 犪 犮 犺 犻 狀 犲 狉 狔，犙 犻 狀 犵 狓 犻 犪 狀０ ６ ２ ６ ５ ８，犆 犺 犻 狀 犪； ２．犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犗 犻 犾犜 狌 犫 狌 犾 犪 狉犌 狅 狅 犱 狊犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵，犜 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ｍ ａ ｉ ｌｌ ｉ ｃ ｈ ａ ｏ＠ｃ ｎ ｐ ｃ  ｈ ｇ ． ｃ ｏ ｍ。