陳　達(dá)

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163000）

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氣井作業(yè)鋼絲下行阻力研究

陳達(dá)

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163000）

鋼絲作業(yè)多應(yīng)用于氣井作業(yè)中，井內(nèi)氣體壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鋼絲工具下行時(shí)被氣流倒托至井口防噴盒，給鋼絲作業(yè)帶來(lái)困難。結(jié)合鋼絲作業(yè)操作過(guò)程，研究氣體動(dòng)力學(xué)及阻力分析，模擬鋼絲工具在井內(nèi)下行過(guò)程，得到儀器周?chē)h(huán)空速度、壓力分布情況，分析不同井口壓力下鋼絲工具受到的氣體阻力，進(jìn)而擬合出壓力與儀器下行阻力數(shù)學(xué)關(guān)系式，在解決儀器下行問(wèn)題方面起到重要作用，節(jié)約人力物力，最大程度的利于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

鋼絲作業(yè)；井內(nèi)下行；數(shù)值模擬

儀器在防噴管內(nèi)下井困難，鋼絲工具無(wú)法準(zhǔn)確依靠重力實(shí)現(xiàn)達(dá)到指定深度，主要由于井下氣壓過(guò)大，同時(shí)鋼絲工具在下行過(guò)程也受到套管壁阻力影響［1］。如今，傾斜井水平井更多的投入生產(chǎn)，使得單純依靠?jī)x器重力作為下行動(dòng)力源更難實(shí)現(xiàn)。有必要對(duì)儀器在防噴管內(nèi)下行過(guò)程中主要?jiǎng)訅翰钭枇σ约皟x器壁面摩擦阻力進(jìn)行分析［2］，得到不同井口壓力與下行阻力關(guān)系，才能科學(xué)合理的找到解決方案。

1　儀器簡(jiǎn)介及建立模型

鋼絲作業(yè)具有質(zhì)量輕便容易操作，且其設(shè)備簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)易于下井的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于氣井作業(yè)中，通過(guò)在地面纏有鋼絲的絞車(chē)對(duì)井下作業(yè)設(shè)備上下提放及控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了操作井下儀器的目的。

1.1鋼絲作業(yè)井下儀器

鋼絲作業(yè)基本作業(yè)設(shè)備包括地面井口設(shè)備和井下工具［3］。在井下工具中有一最基本工具串包括鋼絲繩帽、加重桿、震擊器和萬(wàn)向節(jié)。在基本工具串下方連接投撈工具，存在較大壓力下，仍可作業(yè)。我們將基本工具串及下接的投撈工具統(tǒng)稱(chēng)為井下儀器。

1.2儀器三維模型建立及網(wǎng)格劃分

儀器分為基本工具串和投撈工具，模型上部分為工具串，下部分為投撈工具，整體分析，對(duì)總長(zhǎng)為2.191 m（前端0.021 m，主體2.12 m，尾端0.05 m），主體直徑為0.042 m、前端和尾端直徑分別為0.042 m和0.015 m的儀器進(jìn)行建模及對(duì)流場(chǎng)網(wǎng)格劃分［4］，如圖1。

圖1　井筒內(nèi)部流域網(wǎng)格劃分Fig.1 Wellbore internal meshing

2　儀器在防噴管內(nèi)阻力理論分析

儀器在防噴管內(nèi)靜止主要受到靜壓差阻力，當(dāng)儀器在防噴管內(nèi)克服靜壓阻力、盤(pán)根對(duì)鋼絲的摩擦阻力啟動(dòng)時(shí)，不僅要受到上下兩端的動(dòng)壓差的阻力，同時(shí)儀器各部位要受到一定的摩擦阻力作用［5］。

2.1靜壓差阻力

當(dāng)儀器在防噴管內(nèi)啟動(dòng)所需要克服的靜壓差阻力包括兩部分：（1）儀器前端氣體的阻力；（2）器尾部表面的壓力，這部分壓力是由于井口壓力引起的。

式中：fΔp—儀器上下靜止壓力差引起的阻力，N；

Dy—儀器直徑，m；

p1—儀器前端壓力，MPa；

p0—井口壓力，MPa。

2.2運(yùn)動(dòng)阻力分析

儀器下行啟動(dòng)時(shí)，主要克服的阻力仍為動(dòng)壓差阻力，但同時(shí)各部位運(yùn)動(dòng)受到一定的摩擦阻力［6］。阻力分析如下：

（1）儀器上下壓力差引起的阻力

（2）儀器主體的摩擦阻力

（3）儀器尾部的摩擦阻力

（4）儀器前端的摩擦阻力

式中：Pqd—儀器前端壓力平均值，Pa；

Pwd—儀器尾端壓力平均值，Pa；

Fi—儀器主體的摩擦阻力，N；

fw—儀器尾部的摩擦阻力，N；

fq—儀器前端的摩擦阻力N；

Lyz—儀器主體長(zhǎng)度，m；

Lyw—儀器尾部長(zhǎng)度，m；

τz—儀器主體剪應(yīng)力，Pa；

τw—儀器尾部剪切應(yīng)力，Pa；

τq—儀器前端剪切應(yīng)力，Pa；

Dy—儀器直徑，m；

Dyw—儀器尾端直徑，m；

Dyq—儀器前端直徑，m。

其中Pqd，Pwd，τz，τw，τq數(shù)據(jù)通過(guò)fluent數(shù)值模擬分析得到。

3　模擬計(jì)算結(jié)果分析

下行速度1 000 m/10 min即1.7 m/s時(shí)，分別模擬井口壓力為 8、10、12、14、16、18、20、22、24 MPa情況下的儀器下行阻力。模擬分析防噴管內(nèi)儀器下行的速度、壓力、剪切應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)給出壓力和剪切應(yīng)力分布圖。

以下均取井口壓力為8 MPa，儀器下行速度為1.7 m/s時(shí)的工況進(jìn)行分析。

3.1速度分布

由圖2可知，儀器勻速下行時(shí)，過(guò)環(huán)空狹縫處速度明顯增大，儀器前端氣體流速平緩增大，尾端儀器變細(xì)，環(huán)形空間逐漸縮小，氣流流速變緩。儀器尾端存在擾流。

圖2　儀器前端尾端環(huán)空速度分布云圖Fig.2 Annulus velocity distribution map in front and end of the instrument

3.2壓力分布

由圖3可知，前端區(qū)域壓力明顯較尾端大，通過(guò)X-Y散點(diǎn)圖可得到壓力平局值，經(jīng)計(jì)算儀器前端區(qū)域壓力的平均值Pqd：8.083×106Pa，儀器尾部區(qū)域壓力的平均值Pwd：8.00×106 Pa。

圖3　儀器前端、尾端區(qū)域壓力分布Fig.3 Pressure distribution map in front and end of the instrument

3.3剪切應(yīng)力分布

儀器下行過(guò)程中，所受的摩擦阻力主要由3部分構(gòu)成：儀器主體壁面剪切應(yīng)力；儀器前端錐體部分剪切應(yīng)力；尾部剪切應(yīng)力。

圖4　儀器主體、前端、尾部剪切應(yīng)力分布Fig.4 Shear stress distribution map in front and subject and end

由圖4可知，儀器主體部分剪切應(yīng)力最大，經(jīng)計(jì)算儀器主體部分剪切應(yīng)力τz平均值為64.10 Pa，儀器前端剪切應(yīng)力τq平均值為45.98 Pa，儀器尾部剪切應(yīng)力τw平均值為37.17 Pa。

4　儀器下行阻力分析

數(shù)值模擬得到各部位平均壓力及剪切應(yīng)力值，結(jié)合模型尺寸，通過(guò)上述分析計(jì)算，得出儀器下行總阻力。

4.1井口壓力的影響

在井口壓力為 8 MPa，儀器下行速度為1.67 m/s時(shí)的動(dòng)壓差阻力為114.32 N，儀器主體摩擦阻力17.92 N，尾部摩擦阻力0.09 N，前端摩擦阻力0.09 N，求和得知總阻力為132.42 N。

同樣過(guò)程，得到其他井口壓力下的儀器下行阻力如圖5。

圖5　儀器下行阻力與井口壓力關(guān)系曲線Fig.5 The curve between instrument downward resistance and wellhead pressure

4.2其他因素對(duì)下行阻力影響

分別研究了前端錐度和速度對(duì)下行阻力影響，如表1、表2。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，儀器下行速度低時(shí)，氣體壓力小，阻力小。儀器前端錐度對(duì)下行阻力也存在一定影響，當(dāng)錐度由45°降低為30°時(shí)，阻力降低為原阻力的96.4%。

5　配重計(jì)算

合理科學(xué)設(shè)置儀器配重，是解決儀器下行問(wèn)題根本途徑［7］。通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算得到的下行阻力，根據(jù)儀器自重科學(xué)配重。

表1　改變前端錐度其阻力計(jì)算結(jié)果Table 1 The resistance calculation result of changing front taper

表2　改變下行速度其阻力計(jì)算結(jié)果Table 2 The resistance calculation result of changing down speed

（1）儀器重量

主要有儀器和鋼絲重量

（2）阻力

由上述數(shù)值模擬和擬合得到儀器下行阻力

（3）啟動(dòng)條件

式中：F—儀器下行阻力，N；

p0—井口壓力，MPa。

所需配重由啟動(dòng)條件即可確定［8］。

6　結(jié) 論

（1）儀器下行困難的重要原因是受到較大的靜壓差阻力，由兩部分組成，儀器自身浮力和井口壓力作用于鋼絲斷面上的靜壓力，后者阻力所占比重較大，因此，可知下行啟動(dòng)時(shí)，阻力的主要來(lái)源是井口壓力和鋼絲重量。

（2）通過(guò)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，其他因素引起的阻力非常小，根據(jù)模型及理論分析，準(zhǔn)確計(jì)算下行阻力大小，合理配置儀器重量是解決問(wèn)題根本途徑。

［1］ 王毅忠，劉慶文. 計(jì)算氣井最小攜液臨界流量新方法［J］. 大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2007，26（6）：82-85.

［2］ 王怒濤，黃炳光，陳軍. 壓力恢復(fù)法與壓差曲線法結(jié)合計(jì)算氣井動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量［J］. 大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2008，27（6）：43-45.

［3］ 徐桃園，管強(qiáng)，胡霞，等.井口防噴閥有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.閥門(mén)，2010（1）：35-36.

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［6］ 郭新江. 天然氣工程勘探［M］. 北京：中國(guó)石化出版社，2012：178-179.

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［8］ Richimyer R D.Morton K W. Difference methods for initialproblems ［M］. NewYork： Interscience Publishers，1967-0 2：29-45.

Analysis on Down Resistance of Wire Instrument in Gas Wells

CHEN Da
（College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000， China）

Steel line is often used in gas wells， higher gas pressure can cause wire tools to be poured to well blowout box， which will bring many difficulties for wire operation. Based on the process of wire line operation， its gas dynamics was studied and the resistance was analyzed. Through simulating the descending process of steel wire tools by computational fluid dynamics software， cloud drawings of velocity and pressure around the instrument were obtained. Gas resistance of steel wire tools under different head pressure was analyzed. Then mathematical relationship between the wellhead pressure and instrument downward resistance was fitted.

wire operation； well downward； numerical simulation

陳達(dá)（1991-），男，黑龍江省大慶市，碩士，主要研究復(fù)雜流體力學(xué)。E-mail：944084460@qq.com。

TE 931.2

A

1671-0460（2016）05-1058-04

2016-03-25