氮气钻井多功能四通冲蚀磨损计算与预测.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 9期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACHI NERY 3 5 - - ●钻 井技 术与装备 氮气钻井多功能 四通冲蚀磨损计算与预测 张宏 1 ．西 南石 2 汪 爽 柴希军 ， 陶 一4 柴希伟 孟璋劫 油大学2 ．大港油田工程研 究院3 ．公安部 四川 消防研 究所4 ．中石 油川庆钻探 工程公 司 摘要 高产储层在采用 氮气钻井时，由于气体流量大、携岩能力强、作业时间长 ，从 井底 返 回的高压 、高速和高携岩量气固两相流极易使 多功 能四通产 生冲蚀。应用流体动力学与冲蚀磨损 模型耦合计算方法，计算 了实际放喷工况下 多功能四通的流体特征和冲蚀磨损情况 ，并将计算结 果与四通 的实际冲蚀损伤检测结果进行对比；依据 多功能 四通 的冲蚀磨损深度 与工作时间的关系 曲线，结合实际的主要冲蚀 区域分布 ，对作业过程中的多功能 四通冲蚀磨损情况进行 了提前预测 。 分析结果表 明，多功能四通 的旁通冲蚀损伤最为严重，旁通 的损伤主要是在放喷工况下造成 冲 蚀磨损计算结果与实际冲蚀检测结果 吻合 ，说 明冲蚀磨损计算能准确地揭示放喷工况下高速 、高 压 、高携岩量气固两相流对 多功能四通的磨损情况。 关键词 氮气钻井 ；多功能四通 ；气固两相流 ；冲蚀磨损；旁通；放喷 中 图分类 号 T E 9 2 1 文 献标 识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ．i s s n ．1 0014 57 8 ． 2 01 4． 0 9 ． 0 0 9 Er o s i v e W e a r Ca l c u l a t i o n a nd Pr e d i c t i o n o f M ul t i f un c t i o n a l Cr o s s J o i n t f o r Ni t r o g e n Dr i l l i n g Z h a n g H o n g w e i ， Wa n g S h u a n g C h a i X i j u n ， T a o Y u n C h a i X i w e i Me n g Z h a n g j i e 1 0 1 S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i ty ；2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g．D 。 g 口 g O i lfie l d ；3 s i c h u 8 } r e R e s e 8 n c h f n s t i t u t e o f Mi n i s t r y o f P u b l i c S e c u r i t y ；4 ． C N P C C h u a n q i n g D r i l l i n g E n g i n e e r n C o m p 0 n y 1 Abs t r a c t F o r ni t r o g e n d r i l l i n g i n hi g h y i e l d r e s e r v o i r ，t h e mu l t i f u n c t i o n a 1 c ms s i o i n t i s p mn e t 0 e r 0 s i v e w e a r d u e t o h i g h p r e s s u r e ，h i g h s p e e d a n d h i g h c u t t i n g v o l u m e t w o p h a s e g a s ． s o l i d fl o w ，a s a r e s u I t 0 f h i g h g a s flo w r a t e， g r e a t c u t t i n g c a r r y c a p a c i t y a n d l o n g o p e r a t i o n t i me ． Ba s e d o n t he c o u p l e d fl ui d d y n a mi c s a n d e r o s i o n mo d e I ． t h e fl o w f e a t u r e s a n d e r o s i v e w e a r o f m u h i f u n c t i o n a l C R O S S j o i n t i n a c t u a l b l o w o u t c o n d i t i o n a I ．e c a l e u l a t e d a n d t h e n c o mpa r e d wi t h t he i n s p e c t e d r e s u l t s ．On t h e b a s i s o f r e l a t i o n c u r v e o f e r o s i v e we a r d e p t h a nd t h e e r o s i 0 n t i me ． a n d c o mb i n i n g t h e a c t u a l d i s t r i b u t i o n o f m a j o r e r o s i o n a r e a ， t h e e r o s i v e w e a r o f m u l t i f u n c t i o n a l c r o s s j o i n t i n 0 p e r a t i 0 n i s p r e d i c t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b y p a s s o f mu l t i f u n c t i o n a l c r o s s j o i n t h a s t h e m 0 s t s e r i o u s e r o s i o n d a m a g e ． whl c h l S ma i n l y c a u s e d a t t h e b l o wo u t c o nd i t i o n s ．Th e c a l c ul a t i o n r e s u l t s ma t c h we l l wi t h t h e a c t u a l e r o s i 0 n r e s u I t s ． d e mo ns t r a t i n g t h a t e r o s i v e we a r c a l c u l a t i o n c a n a c c u r a t e l y r e v e a l t h e e r o s i o n d a ma g e c a u s e d b y h i g h p r e s s u r e ． h i g h s p e e d a n d h i g h c u t t i n g v o l u me t wo p ha s e flo w a t b l o wo u t c 0 n d i t i o n s ． K e y wo r d s n i t r o g e n d r i l l i n g ； m u l t i f u n c t i o n a l c r o s s j o i n t ； g a s s o l i d fl o w； e r o s i v e w e a r ； b y p a s s ； b l o w o u t 0 氮气钻井技术主要用于打开储层，对于低压低 渗储层 ，常规氮气钻井井 口装置基本能够满足工程 安全要求，但面对高产储层，由于气体流量大、携 岩能力强、作业时间长，从井底返回的高压、高速 和高携岩量气固两相流极易使常规氮气钻井多功能 基金项 目中石油 2 0 1 1年塔里木油 田重点项 目 “ 工艺安全 与钻完井工 程基础研究 ’ 之子课题 ‘ 井 口装置 ” T L MY T一 2 0 1 1一G C一 0 0 7 。 ， 1 1百 2 0 1 4年 第 4 2卷 第 9期 张宏伟等 氮气钻 井 多功能四通冲蚀磨损计算与预测 一 3 7一 2 右侧 旁通 内通径表 面耐磨合金 面积约剩 余 ，整个通径都有不规则的冲蚀 凹痕 ，出口断面 为不规则的圆，单边最大冲蚀量 3 mm，距离钢 圈 槽 内径厚度仅 2 1 T l i n 。 从表 1 和图4可知，左侧旁通在很短的作业时 间内产生了较大的冲蚀损伤 ，基于左侧旁通仅在放 喷和节流工况下使 用 ，且节流工况作业 时间很短 ， 同时远没有放喷工况恶劣 ，由此可以判断旁通通径 的损伤主要由放喷工况下井 内高速 、高压和高携岩 量 的气 同两相流冲蚀造成。因此 ，对氮气钻井 中的 放喷 工况进行磨损计算和冲蚀预测显得非常必要。 2 气 固两相流冲蚀磨损 计算模 型 2 ． 1 气体动力学控制方程 在多功能四通环空内的高速、高压气固两相流 中，岩屑颗粒为离散相 ，气体为连续相且为可压缩 流体 。假设多功能四通在放喷工况下环空内流动为 稳态流动，则可在 Ⅳ一 S方程的基础上运用 R N G K 一 湍流模型的连续方程 、动量方程和能量方程 。控制 方程通用形式表示如下。 连续方程 0 f 1 、 a 舡 动量方程 一 f 2 1 dxi d， c i x； 能量方程 去 [ 喂 ] _ p v1 3 a a L a J a 式 中e 气体内能 ； 气体温度 ； p 气体密度 ； K 气体导热系数 ； 牛顿流体黏性应力张量 ； 黏性耗散功。 2 ． 2 岩 屑 运动 方程 根据岩屑在多功能 四通 内的受力平衡 ，可得岩 屑颗粒在拉格朗 日坐标下的轨迹运动方程 ，即有 m 警 F R F4 式 中 颗粒阻力 ； F 浮重力 ； F 。 旋转产生的向心力和科氏力 ； F 附加质量力 ； F 压力梯度力 ； F B A B a s s e t 力 ； m 颗粒质量 ； 颗粒的速度。 2 ． 3 气固两相耦合计算方程 受多功能四通 内环空气流的作用 ，岩屑在其运 动过程中的质量 、热量和动量将会受到一定影 响。 假设整个 流动过程 中岩屑 质量恒定、温度变化 不 大 ，可不予考虑。于是混合流体对岩屑的作用主要 以动量交换为主，通过计算气体和岩屑之间的动量 变化可实现多功能气体与岩屑的耦合计算。 通过交替求解岩屑颗粒与气体的控制方程 ，即 可实现气体钻井中气体与岩屑颗粒的双向耦合仿真 计算。 2 ． 4 冲蚀磨损模型 在多相 流仿 真 中，C F D软件包含颗粒 对壁面 的冲蚀磨损计算 ，笔者选用 的计算模型主要考虑了 颗粒的碰撞角度 、碰撞速度、质量流量和形状等参 数 ，具体的模型表达式为 5 式 中 。 i 。 冲蚀速率 ； C d 岩屑粒径 函数 ； ．厂 O L 冲击角函数 ； 岩屑相对于壁 面的速度 ； b 岩屑相对速度 的函数 ； Ⅳ 。 。 总的粒子数。 氮气 钻 井 所 用 多 功 能 四 通 的 基 体 材 料 为 3 5 C r M0 ，和 中碳 钢 的材 料 特 性 相 似。因 此 ，式 5 中的几个边界函数可 以根据文献 [ 4 ] 给定 ， 其表达式如下 b 1 ． 7 3 6 C d 。 1 ． 5 5 9 B- 0 ． 5 9 F X 1 0 7 ，、 f a 1 O L b 1 O ／ O t≤ 0 ． 2 6 2 ， i I C O S 2 OLS in ，1 s in 2 0 ． 2 6 2 8 式中B 四通材料 的布氏硬度 ； 粒子 的形状系数 ，球形粒子的形状系 数为 1 ； a 、b 。 、 、Y 、Z 1 常数 ，其值 分别 为 一 3 3 ． 4 、1 7 ． 9 、1 ． 2 3 9 、 一 0 ． 1 1 9 2和 2 ． 1 6 7 。 2 ． 5 计算模型及边界条件 为计算流体在多功能四通旁通道内的流场变化 规律和冲蚀磨损情况 ，考虑放喷工况下后续管段的 影响 ，在多功能 四通原有流体域的基础上 ，将两侧 2 0 1 4年 第 4 2卷 第9期 张宏伟 等 氮气钻 井 多功能四通 冲蚀磨损计算 与预测 一 3 9一 速 率 。 再考虑 气 固两相 流的冲蚀磨损 时 间，可将式 9 进一步转化为 D Rt e r o s i o n t 1 0 式 中D 单位面积上冲蚀坑的深度 ； t 冲蚀时间。 由此 ，可以应用式 9 和式 1 0 对 图 6中 的冲蚀磨损云图进行冲蚀磨损深度量化计算。图 6 中冲蚀速率较大的区域主要分布在旁通法兰盘根附 近 ，其较大的冲蚀速率主要在 8 ． 0 01 0 ～ ～1 ． 7 6 1 0 k g ／ i n 。s 之间 ，同时依据左侧 旁通的 总作业时间 1 4 2 m i n ，可以计算 出最大冲蚀磨损深 度 D⋯ 和平 均 冲蚀磨 损深 度 D 。 。 ，其值 分别 为 1 ． 91和 1 ． 1 0 l l l m。 3 ． 3 计算结果验证 对 比仿真计算结果 与冲蚀磨损检测结果发现 ， 仿真计算 的气流分布 、颗粒运动分布及冲蚀磨损分 布情况与实际冲蚀磨损检测结果非常接近。为进一 步进行验证 ，现将多功能 四通的冲蚀磨损计算情况 与实际冲蚀磨损检测结果进行冲蚀 区域和冲蚀深度 的详细对比。 3 ． 3 ． 1 冲蚀区域对比 图 7 a为左侧旁通作业完成后实测的 冲蚀区域 效果 图，图 7 b为选取 冲蚀较明显 ，速率在 8 ． 0 0 1 0一～1 ． 7 61 0 k g ／ m s 之间的冲蚀 区域 效果图 ，对 比可以发现 ，主要冲蚀 区域的分布情况 符合 良好 。 a ． 买测 左侧 旁通 冲蚀 区域 b． 计算 所得 的主 要冲 蚀区 域 图 7 计算结果与 实测 的冲蚀 区域 对比 F i g ． 7 C o mp a r i s o n o f c a l c u l a t e d a n d me a s u r e d e r o s i o n a r e a s 3 ． 3 ． 2冲蚀 深度 对 比 对 比图4 a中左侧旁通 的冲蚀检测结果和冲蚀 磨损计算所得 的冲蚀磨损深度 最大 1 ． 9 1 mm、平 均 1 ． 1 0 mm ，可以发现 冲蚀深度也基本一致。由 此可以认为 ，冲蚀磨损计算结果与实际冲蚀检测情 况吻合 ，说明冲蚀磨损计算能很准确地揭示放喷工 况下高速 、高压 、高携岩量的气固两相流对多功能 四通 的冲蚀磨损情况 。 4 多功 能 四通 的冲蚀磨损预测 应用上文多功能四通在放喷工况下的冲蚀磨损 计算方法 ，对该多功能 四通在不同放喷工况下的冲 蚀磨损情况进行计算 ，得出冲蚀磨损缺陷深度与工 作时间的关系曲线 ，如图 8所示。 5 ． O 4 ． 5 4． O i 3 5 3 ． 0 冀 z ．s 2 0 星1 ．5 1 ． 0 0 5 0 ． O 图 8冲蚀 磨 损 深 度 随 冲蚀 时 间的 关 系 曲线 Fi g ． 8 Er o s i v e we a r d e pt h v e r s u s t h e t i me o f e r o s i o n 从 图可 以看 出，冲蚀磨损深度与冲蚀时间呈线 性关系，随着放 喷量 的增大 ，冲蚀情况更加严重。 通过该 图并结合多功能四通的实际放喷工况 ，可以 直观地看出在各工作时间下所产生的冲蚀磨损深度 值 ，然后比较冲蚀磨损深度与实际壁厚的大小 ，确 认 四通是否处于安全范围，即可实现对工作过程中 的冲蚀磨损情况进行安全性提前预判 。 5 结 论 1 通过多功能四通的实际冲蚀磨损检测，发 现旁通的冲蚀损伤最为严重 ，结合多功能四通的使 用情况可以确定旁通损伤主要是在放喷工况下造成。 2 应用流体动力学 C F D 与冲蚀磨损模 型耦合计算的方法 ，计算了实际放喷工况下多功能 四通的流体特征和冲蚀磨损情况 ，并与多功能四通 的实际冲蚀损伤检测结果进行对 比验证 ，冲蚀磨损 计算结果与实际冲蚀检测结果吻合。说明冲蚀磨损 计算能很准确地揭示放喷工况下高速、高压 、高携 岩量的气固两相流对多功能四通 的冲蚀磨损情况。 3 通过应用 冲蚀磨损计算方法 ，对多功能 四通在不同放喷工况下的冲蚀磨损情况进行计算 ， 得 出了冲蚀磨损缺陷深度 与工作时间的关 系曲线 ， 再结合冲蚀磨损计算得到的主要冲蚀区域分布 ，可 有效地掌握各放喷工况下多功能四通在作业时间点 所产生 的冲蚀磨损情况 ，从而实现对作业过程 中多 下转第 1 0 4页 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 9期 盘式膜片 曝气 器清水试 验气泡直径 为 1 ． 5～ 3 ． 5 m i l l ，产 生 的气 泡大小 随气量 的增加 而增加 ， 含聚采出液试验气泡直径为 1 ． 8 2 ． 5 m lT l ，且随高 度变化不大。 含 聚采 出液加药后 曝气可产生 明显 的处理效 果。采出液中聚合物质量浓度较低时 ，加人药的质 量分数较小 ，需要的曝气时间较少 ，且随着时间的 延长分离效率并没有成倍提高；在聚合物质量浓度 较高时 ，加入药的质量分数也较高，曝气时间也需 相应增加 ，处理难度增大。 3 结论及建议 1 盘式曝气器布气均匀 、曝气效率 高，可 用于含聚采出液的处理，且气泡最佳直径为 1 ． 8～ 2 ． 5 mm。 2 含聚采出液采用合适 的预脱水剂处理后 曝气可产生明显 的处理效果。当采出液中聚合物质 量浓度较低时 ，加入药的质量分数较小 ，曝气量及 需要的曝气时间较 少 ，在加入 药的质量分数 为 2 0 1 0 ～，曝气量为 6 、曝气时间为 3 0 m i n时 ，含油 和悬浮物的质量浓度均小 于 2 0 mg ／ L 。而在聚合物 质量浓度较高时，加入药 的质量分数也较高 ，曝气 量及曝气时间也需相应增加 ，处理难度加大 ，在加 入药的质量分数为 5 01 0 一，曝气量为 1 1 ． 1 ，曝 气时间为 5 0 m i n时 ，含油和悬浮物 的质量浓度均 小于 4 0 m g ／ L ，满足油 田现场 的工艺要求 ，达到进 入下级处理设备 的要求。以上数据可为辽河油 田现 场设备的研制及应用提供一定的理论依据。 3 通过试验 ，建议辽河油 田含 聚采 出液污 水处理工艺 为水站进水一 曝气 预留预脱 水剂 加药点一浮选机一过滤一 回注。 参考文献 韩丽华 ．曝气对聚合物驱 采出水粘度 的影响[ J ]． 油气田地面工程 ，2 0 0 2，2 1 4 5 6 ． 吴迪 ，艾广智，孟祥春，等 ．曝气对聚合物驱采出 水流变性和油水分离特性的影响 [ J ]．油田化学， 2 0 0 0 ，1 7 4 3 3 2 3 3 3 ． 张闯，陶涛，李尔，等 ．两种曝气设备的清水曝气 充氧实验研究 [ J ]．环境污染与防治，2 0 0 6 ，2 8 1 2 5 2 7 ． 汤利华 ，孟广耀 ． 曝气器的最优孔径分析 [ J ]．中 国科学技术大学学报 ，2 0 0 6 ，3 6 7 7 7 6 7 7 9 ． 杨淑霞 ，丁志强 ，曹 瑞钰 ．曝气池 中曝气器布 置方 式改进 的研究[ J ]．工业 用 水 与废 水 ，2 0 1 3 ，3 4 6 5 5 5 7 ． 第一作 者简 介 姚薇 ，高级 工 程师 ，生 于 1 9 6 8年 ， 1 9 9 1 年毕业于长江大学矿场机械专业，现从事水处理设备 研究工作。地址 4 3 4 0 0 0 湖北 省荆州市。电话 0 7 1 6 81 2 2 76 3。 E ma i l y w ma i l s i n a ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 2 本 文编辑谢守平 上接第 3 9页 功能四通 冲蚀磨损情况进行提前预测 ，以指导其现 场使用 ，确保作业安全 。 参考文献 陈浩，梁爱武，李锐钦，等 ．井 口装置的失效分析 [ J ]．天然气工业，2 0 0 4，2 4 7 6 56 7 ． 张辉，张川东，付春艳，等 ．钻井四通开裂原因分 析 [ J ]．中国测试 ，2 0 1 0 ，3 6 4 3 8 4 0 ． 马骏，林盛旺 ．采气井 口装置安全隐患的整改技术 [ J ]．钻采工艺，2 0 0 3 ，2 6 增刊 1 8 9 9 2 ． E d wa r d s J ，Mc L a u r y B，S h i r a z i S ． Mo d e l i n g s o l i d p a r t i c l e e r o s i o n i n e l b o w s a n d p l u g g e d t e e s[ J ]． J o u r n a l o f E n e r g y R e s o u r c e s T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 2 3 4 2 7 7 2 8 4． Fo r d e r A， Th e w M ， Ha r r i s o n D．A n u me r i c a l i nv e s t i g a t i o n o f s o l i d p a r t i c l e e r o s i o n e x pe r i e n c e d wi t hi n o i l fie l d c o n t r o l v a l v e s[ J ]． We a r ，1 9 9 8 ，2 1 6 2 1 8 4一 l 93 ． [ 6 ] 孟英峰 ，练章华 ，梁红，等 ．气体钻水平井的携岩 C F D数值模拟研究 [ J ]．天然气丁业，2 0 0 5 ，2 5 75 05 2 ． [ 7 ] 黄小兵 ，陈次昌，董耀文 ．气体钻井的岩屑特征及 粒度分布测试 [ J ]．天然气工业，2 0 0 8 ，2 8 1 1 838 4． 第一作者简介 张宏伟 ，工程师，生于 1 9 7 0年，2 0 1 4 年毕业 于西南石油 大学 ，获硕 士学位 ，现 从事采 油工 程研 究工作 。地 址 3 0 0 2 8 0 天 津 市 大 港 区。Em a i l z h a n g h o n g w e i d d p i ． e o m． e n 。 通信 作 者 汪 爽 ，E m a i l Wa n g s h u a n g 8 5 1 2 6 ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 0 8 本 文编辑王刚庆 ] j]● J] 』1 J 1 J 1 2 3 4 5 H 1 ] J 1 J 1 2 3 4 5 l l