靳榮博, 孟令坤, 程文佳, 霍寒旭, 葛 垣

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津分公司, 天津 300459)

我國的渤海地區(qū)存在豐富的稠油資源,已探明儲(chǔ)量達(dá)到了200多億t,具有很高的開采價(jià)值[1]。近年,該地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了多輪次的多元熱流體吞吐與蒸汽吞吐等稠油熱采工藝的試驗(yàn)及應(yīng)用,并取得了一定的成果。然而,當(dāng)前的熱采井仍主要采用注熱和生產(chǎn)2趟管柱作業(yè),這增加了安全風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本,降低了生產(chǎn)效率,制約了稠油熱采的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展[2-3]。國內(nèi)外的科研人員針對(duì)海上油田的稠油熱采問題相繼提出了同心管射流泵注采一體化技術(shù)和電潛泵注采一體化技術(shù)[4-7],這2種方案均存在一定的局限性。其中,同心管射流泵注采一體化技術(shù)方案受限于射流泵本身性質(zhì)的影響,整體的舉升效果明顯差于電潛泵注采一體化技術(shù)方案?，F(xiàn)有的電潛泵注采一體化技術(shù)方案的工藝流程較為復(fù)雜,控制管線數(shù)量較多,這給作業(yè)安全埋下隱患。針對(duì)上述技術(shù)方案中存在的問題,本文提出了一種新型自動(dòng)Y工具,配合熱采安全閥、高溫封隔器、一控二工具及高溫排氣閥等關(guān)鍵工具,簡(jiǎn)化了稠油熱采的工藝流程,實(shí)現(xiàn)了注熱和生產(chǎn)通道的自動(dòng)打開和關(guān)閉,降低了液控管線的數(shù)量,滿足350 ℃下電潛泵注采一體化技術(shù)方案的要求。

在帶有自動(dòng)開關(guān)功能的Y工具設(shè)計(jì)方面,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了一系列的研究[8-14],具體成果如表1所示。目前,具有自動(dòng)開關(guān)功能的Y工具不能同時(shí)具備鋼絲作業(yè)和止回閥功能,且整體沒有進(jìn)行隔熱處理,無法滿足350 ℃熱采環(huán)境下工具的功能和隔熱要求。

注:“√”代表具有該功能。

1 自動(dòng)Y工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)Y工具的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由上短節(jié)、本體、限位筒、齒輪齒條、單流閥組和坐落接頭等組成。密封球通過齒輪齒條與密封筒相連,當(dāng)電潛泵未開啟時(shí),單流閥在彈簧彈力作用下處于密封狀態(tài),閥板處密封球處于直立狀態(tài),可進(jìn)行鋼絲作業(yè)。電潛泵開啟后,單流閥在流體作用下,克服彈簧彈力向上移動(dòng),通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)密封球轉(zhuǎn)動(dòng),閥板處密封球?qū)⒚芊庾浣宇^處通道,自動(dòng)Y工具進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)。

1-上短節(jié);2-限位筒;3-坐落接頭;4-單流閥組;5-齒輪齒條;6-本體。

自動(dòng)Y工具閥板處結(jié)構(gòu)如圖2所示,整體采用浮動(dòng)式密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)流體流過球表面時(shí),可以使球閥產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),從而產(chǎn)生新的密封面,有利于延長壽命,提高可靠性。

圖2 自動(dòng)Y工具閥板結(jié)構(gòu)

1.2 隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

稠油熱采過程中,由于熱采工具與外部環(huán)境存在較大的溫差,會(huì)導(dǎo)致熱量大量散失,從而生成天然氣水合物,并造成產(chǎn)量下降,甚至?xí)斐删诤途卵b置損壞。為了保證稠油熱采過程的順利進(jìn)行,必須對(duì)稠油熱采工具進(jìn)行隔熱處理[15]。圖3為自動(dòng)Y工具本體的隔熱結(jié)構(gòu)方案,其中的隔熱層采用新型氣凝膠材料,具有較低的熱導(dǎo)率和較高的孔隙率,隔熱效果良好。在隔熱層的外部采用42CrMo材料作為保護(hù)層,保證隔熱層在工具下入過程中不被損傷。

圖3 自動(dòng)Y工具隔熱結(jié)構(gòu)

根據(jù)SY/T 5324-2013《預(yù)應(yīng)力隔熱油管》及《海上稠油熱采井套管和油管設(shè)計(jì)要求》的規(guī)定,需要重復(fù)下入油管的視導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該小于0.06 W/(m·℃)[2],計(jì)算式為:

(1)

式中:λ為視導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);Q為試驗(yàn)段有效加熱功率,W;D3為保溫層外側(cè)直徑,mm;D2為保溫層內(nèi)側(cè)直徑,mm;L為試驗(yàn)段有效加熱長度,mm;t為自動(dòng)Y工具內(nèi)部溫度,℃;ts為自動(dòng)Y工具外表面溫度,℃。

根據(jù)傳熱學(xué)的基本原理[16],Y工具表面的溫度可近似通過隔熱管柱的表面溫度計(jì)算式進(jìn)行求解,如式(2)。

(2)

式中:ta為環(huán)境溫度,℃;q為單位長度的散熱量,W/m;a為對(duì)流散熱系數(shù),W/(m2·℃)。

通過式(2)計(jì)算,當(dāng)流體溫度為350 ℃,外部環(huán)境溫度分別為20、50、80、110、150 ℃時(shí),自動(dòng)Y工具表面的理論溫度值如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度下自動(dòng)Y工具外表面溫度值

1.3 關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核

1.3.1 圓筒類零件應(yīng)力分析

針對(duì)自動(dòng)Y工具中圓筒類零部件壁厚較為薄弱處進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)第四強(qiáng)度理論,管件抗內(nèi)壓強(qiáng)度的計(jì)算式為:

(3)

式中:D為管柱外徑,mm;d為管柱內(nèi)徑,mm;n2為安全系數(shù),一般取1.2;σs為材料屈服強(qiáng)度,MPa;p為管柱抗內(nèi)壓強(qiáng)度的壓力,MPa。

自動(dòng)Y工具本體的材料為42CrMo,熱處理后材料的力學(xué)性能要高于P110鋼級(jí)。按照350 ℃時(shí)P110鋼級(jí)的材料屈服強(qiáng)度680 MPa進(jìn)行強(qiáng)度校核。選取外徑最小尺寸為84 mm,內(nèi)徑尺寸為70 mm,得到其最大應(yīng)力值為385 MPa,滿足強(qiáng)度要求。

1.3.2 密封球在工具內(nèi)的受力分析

自動(dòng)Y工具中密封球和球座的接觸密封在內(nèi)部流道的變換中起著重要的作用,如圖1所示,通過2處密封球和球座間的啟閉配合,使得自動(dòng)Y工具的流道在生產(chǎn)通道和注入通道自由切換。

FP=2FNsinα-2kFNcosα

(4)

根據(jù)密封球材料選定密封球和球座的摩擦因數(shù)為0.3。由式(4)可知當(dāng)FP≤0時(shí)摩擦力小于支撐力,密封球和球座不會(huì)發(fā)生卡緊而無法脫離的情況,此時(shí)k-tanα≤0,即α≥16.7°。同時(shí)要考慮密封球坐落在球座上的位置影響,防止球座棱線對(duì)密封球表面產(chǎn)生損傷,并使得密封球出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。設(shè)密封球下部通道直徑為da,密封球直徑為Da,得出如式(5)所示密封球坐落在球座斜面上的條件,可知當(dāng)密封球直徑為60 mm,球座孔直徑為55 mm,球座密封面夾角為18°時(shí),密封球坐落在球座斜面上且不會(huì)發(fā)生卡緊而無法脫離的情況。

Dacosα-da>0

(5)

2 自動(dòng)Y工具仿真分析

2.1 流場(chǎng)分析

為了實(shí)現(xiàn)注入和生產(chǎn)通道的相互切換,自動(dòng)Y工具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,導(dǎo)致其流場(chǎng)分布尚不明確。本節(jié)將使用ANSYS軟件對(duì)自動(dòng)Y工具在2種工況下內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。

采用ANSYS內(nèi)部模塊建立自動(dòng)Y工具的流體域模型,如圖5所示,并對(duì)其中的一些微小零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。自動(dòng)Y工具內(nèi)部流動(dòng)屬于空間湍流流動(dòng),對(duì)于流體域的網(wǎng)格劃分十分重要,因此模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,具體結(jié)果如圖6所示。湍流模型選擇RNGk-ε模型,流體域介質(zhì)為液態(tài)水,壓力亞松弛因子為0.3,動(dòng)量亞松弛因子為0.1～0.2,在0～12 MPa內(nèi)取系列值作為入口壓力(定義為inlet),出口壓力(定義為outlet)為大氣壓。進(jìn)行流體域仿真分析[18-19]。

1) 注入通道開啟狀態(tài)時(shí)。

流場(chǎng)分析結(jié)果如圖7所示。當(dāng)自動(dòng)Y工具處于注入通道開啟狀態(tài)時(shí),壓力在整個(gè)流場(chǎng)的變化十分規(guī)律,呈現(xiàn)從入口到出口逐漸減小的趨勢(shì)。同時(shí),由于管徑變小和流速增大,在注入通道下部表面產(chǎn)生了一定負(fù)壓。進(jìn)一步對(duì)內(nèi)部流體速度場(chǎng)進(jìn)行分析可知,流體在入口處一直保持在較低的速度流動(dòng),并隨著管徑的縮小流速逐漸增大,最終在出口附近達(dá)到最大值。在流動(dòng)過程中流體會(huì)沖擊零件,出現(xiàn)反向流動(dòng)現(xiàn)象。在自動(dòng)Y工具中心附近流體的速度很小,有流液留存此處。

圖7 注入通道開啟時(shí)工具內(nèi)部流體壓力與速度分布

設(shè)定入口壓力從0～10 MPa逐步增加,得到注入通道開啟時(shí)壓力和流量的曲線,如圖8所示。當(dāng)壓力較小時(shí),流量隨壓力變化快,隨著壓力逐漸增加,曲線逐漸平緩。

圖8 注入通道開啟時(shí)流量與壓力的關(guān)系

2) 生產(chǎn)通道開啟時(shí)。

流場(chǎng)分析結(jié)果如圖9所示。當(dāng)自動(dòng)Y工具處于生產(chǎn)通道開啟狀態(tài)時(shí),壓力在整個(gè)流場(chǎng)的變化情況與注入通道開啟時(shí)類似,呈現(xiàn)從入口到出口處逐漸變小的趨勢(shì)。但是,由于節(jié)流效應(yīng)的影響,單流閥處出現(xiàn)了明顯的壓降,并且在單流閥芯和單流閥球的接觸點(diǎn),以及單流閥芯與管壁的縫隙處都存在較大壓力。進(jìn)一步對(duì)內(nèi)部流體速度場(chǎng)進(jìn)行分析可知,生產(chǎn)通道內(nèi)部流液運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定,在進(jìn)入單流閥閥芯時(shí)流速較大,從而在轉(zhuǎn)角處形成負(fù)壓;在本體內(nèi)靠近壁面和注入通道密封處流速較小,趨近于0,表明在該位置有流體滯留。

圖9 生產(chǎn)通道開啟時(shí)工具內(nèi)部流體壓力與速度分布

設(shè)定入口壓力從0～12 MPa逐步增加,得到壓力和流量的曲線,如圖10所示。當(dāng)壓力較小時(shí),流量變化快。隨著壓力增大,曲線逐漸平緩。

圖10 生產(chǎn)通道開啟時(shí)流量與壓力的關(guān)系

2.2 溫度場(chǎng)分析

由于自動(dòng)Y工具表面形狀復(fù)雜,使用普通圓形管柱的溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行自動(dòng)Y工具的表面溫度計(jì)算可能會(huì)存在偏差,因此使用有限元法對(duì)自動(dòng)Y工具的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。建立Y管柱自動(dòng)開關(guān)工具帶隔熱層的三維簡(jiǎn)化模型,如圖11所示,使用穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。設(shè)定自動(dòng)Y工具內(nèi)壁溫度為350 ℃,環(huán)境溫度分別為20、50、80、110、150 ℃,得到自動(dòng)Y工具表面溫度變化的仿真結(jié)果,如表3所示。

圖11 20 ℃環(huán)境溫度下Y工具表面溫度分布

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)及分析的結(jié)果對(duì)自動(dòng)Y工具的性能進(jìn)行試驗(yàn),其中,常溫測(cè)試環(huán)境為20 ℃,高溫測(cè)試環(huán)境為350 ℃。試驗(yàn)介質(zhì)采用水和高溫導(dǎo)熱油。試驗(yàn)工裝為3" 9.2# NU型加壓堵頭、2" 4.6# NU型加壓堵頭,以及1.875 X型堵塞器。

3.1 常規(guī)功能性試驗(yàn)

自動(dòng)Y工具的常規(guī)功能性試驗(yàn)包括常溫及高溫下的本體密封測(cè)試、常溫及高溫下的球落座測(cè)試、堵塞器的通過性測(cè)試及密封性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖12和表4所示。

圖12 常溫下球落座試驗(yàn)壓力曲線

表4 常規(guī)功能性試驗(yàn)流程及結(jié)果

3.2 流量試驗(yàn)

圖13為流量試驗(yàn)裝置。其中采用防砂泵,最大輸出功率為1 677.82 kW,最大排量為1.87 m3/min,最大壓力為97.6 MPa。

根據(jù)上文的仿真分析結(jié)果對(duì)自動(dòng)Y工具2種工況下壓力與流量的變化情況進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖14～15所示。

圖15 2種工況下Y工具的流量與壓力試驗(yàn)結(jié)果

分析試驗(yàn)結(jié)果可知,自動(dòng)Y工具壓力與流量的關(guān)系與仿真分析結(jié)果基本一致。當(dāng)生產(chǎn)通道開啟時(shí),單流閥球會(huì)產(chǎn)生一定的限流情況,并且在超過一定流量后通道壓力顯著增大。當(dāng)注入通道開啟時(shí),由于沒有限流情況的影響,通道壓力整體變化不大。

3.3 隔熱試驗(yàn)

自動(dòng)Y工具的隔熱試驗(yàn)采用視導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀和手持溫度測(cè)試儀對(duì)室溫環(huán)境(20 ℃)下的表面溫度同時(shí)進(jìn)行測(cè)試,共計(jì)對(duì)6個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,隔熱試驗(yàn)裝置如圖16所示。

圖16 隔熱試驗(yàn)裝置

圖17為隔熱試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,室溫下自動(dòng)Y工具的表面溫度為80～85 ℃,與理論計(jì)算與仿真結(jié)果相差不大,整體隔熱效果滿足SY/T 5324-2013《預(yù)應(yīng)力隔熱油管》及《海上稠油熱采井套管和油管設(shè)計(jì)要求》的規(guī)定。

圖17 自動(dòng)Y工具表面溫度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種用于350 ℃高溫環(huán)境下熱采井電潛泵注采一體化技術(shù)中的新型自動(dòng)Y工具。通過管柱與密封球上的齒輪齒條結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)注熱和生產(chǎn)通道的自動(dòng)切換,降低了海上熱采井注采一體化工藝的復(fù)雜程度,減少了液控管線的數(shù)量,提升了整套注采一體化管柱的可靠性。

2) ANSYS仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,自動(dòng)Y工具能夠滿足0.047 7 m3/s(18 bbl/min)最大流量的要求。同時(shí),隨著壓力的逐漸增大,流量的增長速度呈現(xiàn)逐漸變緩的趨勢(shì)。

3) 對(duì)自動(dòng)Y工具的隔熱效果進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明在自動(dòng)Y工具內(nèi)部溫度為350 ℃時(shí),表面溫度為80～85 ℃,具有較好的隔熱效果。