MGD無源磁導(dǎo)向工具隔熱保護(hù)艙優(yōu)化設(shè)計
2024-12-31 00:00:00張吉喆喬磊張宇昊任憲可車陽吳昌亮金玲
石油機(jī)械 2024年9期
基金項(xiàng)目：中國石油天然氣集團(tuán)有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“無源磁導(dǎo)向救援井關(guān)鍵技術(shù)及配套工具研制”（2021DJ6506）。
目前測井儀器在175 ℃及以上高溫環(huán)境下正常工作解決方案更注重隔熱，通常使用真空保溫瓶和多層隔熱材料隔絕外部熱量的進(jìn)入，各學(xué)者主要通過理論公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)設(shè)計保溫瓶，對保溫瓶溫度場數(shù)值模擬研究較少。為此，根據(jù)磁性探管的結(jié)構(gòu)和保溫瓶參數(shù)，結(jié)合溫度場耦合分析了MGD無源磁導(dǎo)向工具溫度場隨時間變化的分布情況。分析結(jié)果表明：探管傳感器在175 ℃左右的地層環(huán)境中需要工作8～10 h，此時上、下隔熱體長度應(yīng)為150、50 mm，上、下吸熱體長度均為150 mm；增加吸熱體體積可延長極限工作時間，應(yīng)綜合考慮工作時間、傳感器適宜工作溫度和隔熱保護(hù)艙外形尺寸等因素合理確定吸熱體體積。所得結(jié)論可為無源磁導(dǎo)向工具隔熱保護(hù)艙的設(shè)計提供理論依據(jù)。
測井儀器；無源磁導(dǎo)向工具；隔熱保護(hù)艙；保溫瓶；溫度場；數(shù)值模擬
TE927
A
006
Optimized Design of Insulation Protection Cabin for MGD
Passive Magnetic Steering Tool
Zhang Jizhe1，2，3 Qiao Lei1，3 Zhang Yuhao4 Ren Xianke1，3 Che Yang1，3 Wu Changliang2，3 Jin Ling2，3
（1.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited；2.Kembl Petroleum Technology Co.，Ltd.，Beijing；3.National Engineering Research Center of Oil amp; Gas Drilling and Completion Technology；4.Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery of Educational Ministry，Northeast Petroleum University）
The solutions for normal operation of logging tools at high temperature of 175 ℃ and above focus more on insulation.Vacuum flasks and multilayer insulation materials are usually used to isolate the entry of external heat.Scholars design vacuum flasks mainly based on theoretical formulas and empirical coefficients，and there is rare study on the temperature field of vacuum flasks by numerical simulation.In this paper，based on the structure of the magnetic probe and the parameters of the vacuum flask，together with temperature field coupling，the variation of the temperature field of magnetic steering tool over time were analyzed.The results show that the probe sensor needs to work for 8-10 hours underground at around 175 ℃，where the lengths of the upper and lower heat insulators should be 150 mm and 50 mm respectively，and the lengths of the upper and lower heat carriers should be 150 mm simultaneously.The increase of the heat carrier volume can extend the maximum working time，and the heat carrier volume should be reasonably determined by considering the factors such as working time，suitable working temperature of the sensor and external dimension of the insulation protection cabin.The research conclusions provide a theoretical basis for the design of insulation protection cabin for magnetic steering tool.
logging tool;passive magnetic steering；insulation protection cabin；vacuum flask；temperature field；numerical simulation
0 引 言
MGD無源磁導(dǎo)向技術(shù)通過對在救援井中探測目標(biāo)井發(fā)出的磁信號進(jìn)行軟件處理、控制，實(shí)現(xiàn)對兩井井眼空間位置的高精度定位與導(dǎo)航，進(jìn)而引導(dǎo)救援井與目標(biāo)井的厘米級連通［1-2］。C.L.WEST等［3-4］研發(fā)了磁測距工具，成功地實(shí)現(xiàn)井噴失控井救援。高德利等［5］應(yīng)用磁導(dǎo)向技術(shù)實(shí)現(xiàn)稠油SAGD雙水平井的注入井水平段井眼軌跡精細(xì)控制。車陽等［6］應(yīng)用研制的磁導(dǎo)向工具實(shí)現(xiàn)了老井眼重入，完成封井作業(yè)。在MGD無源磁導(dǎo)向技術(shù)中增加隔熱保護(hù)艙的設(shè)計，可解決油氣領(lǐng)域救援井封堵、報廢、防碰等工程應(yīng)用中的軌跡測控難題，為井噴失控井救援、SAGD水平井眼軌跡控制、儲氣庫復(fù)雜老井封堵、老油區(qū)套返棄井報廢等不同類型復(fù)雜井提供解決方案［7-9］。
目前，測井儀器在175 ℃及以上高溫環(huán)境下正常工作解決方案更注重隔熱，通常使用真空保溫瓶和多層隔熱材料隔絕外部熱量的進(jìn)入［10-12］，并通過增加系統(tǒng)的總熱容延長測井儀器在井下的工作時間［13-14］。各學(xué)者主要通過理論公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)設(shè)計保溫瓶［15-19］，對保溫瓶溫度場數(shù)值模擬研究較少。本文根據(jù)磁性探管的結(jié)構(gòu)和保溫瓶參數(shù)，結(jié)合溫度場耦合分析了MGD無源磁導(dǎo)向工具溫度場隨時間變化的分布情況。研究結(jié)果可為無源磁導(dǎo)向工具隔熱保護(hù)艙的設(shè)計提供依據(jù)。
1 無源磁導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)及隔熱保護(hù)艙材料熱物理性能
1.1 無源磁導(dǎo)向工具
無源磁導(dǎo)向工具主要由馬籠頭、遙傳短節(jié)、過渡接頭、陀螺上接頭、陀螺艙體、陀螺下接頭、磁導(dǎo)向探管艙體與堵頭組成。無源磁導(dǎo)向工具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。磁導(dǎo)向探管隔熱保護(hù)艙主要包括由外管、內(nèi)管以及其內(nèi)填充的多層材料組成的探管隔熱保護(hù)艙體，上吸熱體、下吸熱體，上隔熱體、下隔熱體與探管傳感器。探管隔熱保護(hù)艙上、下吸熱體緊鄰探管傳感器布置，用于吸收內(nèi)部熱量和外部漏熱，上、下隔熱體用于隔絕上、下連接接頭處漏熱。
1.2 材料屬性
由于無源磁導(dǎo)向工具的特點(diǎn)，隔熱保護(hù)艙的設(shè)計除考慮絕熱和支撐作用外，還要求介質(zhì)為無磁，空氣域的材料為空氣。隔熱保護(hù)艙體材料導(dǎo)熱系數(shù)、密度、質(zhì)量定壓熱容如表1所示。
2 隔熱保護(hù)艙熱量計算
核心隔熱保護(hù)艙漏熱熱量（指外部高溫環(huán)境傳入其中的熱量）傳遞方式涉及導(dǎo)熱、對流和熱輻射，主要體現(xiàn)在隔熱保護(hù)艙開口處的軸向固體導(dǎo)熱，隔熱保護(hù)艙體內(nèi)外管之間的輻射熱量傳遞、真空層殘余氣體漏熱以及真空層之間的多層固體材料導(dǎo)熱。其中隔熱保護(hù)艙瓶開口處的軸向固體導(dǎo)熱包括隔熱保護(hù)艙內(nèi)管壁導(dǎo)熱、引線管導(dǎo)熱以及引線管內(nèi)隔熱塞體導(dǎo)熱。另外，還有一個重要方面是隔熱保護(hù)艙體內(nèi)核心電路板自身產(chǎn)生的熱量。故產(chǎn)生的總熱量Q計算式為：
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7（1）
式中：Q1為開口處傳導(dǎo)熱量，Q2為引線管傳導(dǎo)熱量，Q3為隔熱塞體傳導(dǎo)熱量，Q4為多層固體材料傳導(dǎo)熱量，Q5為輻射漏熱，Q6為殘余氣體傳導(dǎo)熱量，Q7為儀器工作發(fā)熱熱量，單位均為W。
隔熱保護(hù)艙內(nèi)磁導(dǎo)向探管傳感器直徑89 mm，長度290 mm，內(nèi)管壁內(nèi)徑91 mm，內(nèi)壁厚度δ=1 mm，外管壁外徑102 mm，外壁厚度δ=1 mm，多層材料厚度為3.5 mm，引線管初始設(shè)計內(nèi)徑6 mm，環(huán)境溫度175 ℃，室溫為20 ℃。
2.1 主要漏熱量計算
隔熱保護(hù)艙開口處漏熱計算式為：
Q1=A1L1λ1ΔT（2）
式中：A1為內(nèi)管壁截面積，m2；λ1為隔熱保護(hù)艙材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；L1為隔熱保護(hù)艙內(nèi)管長度，m；ΔT為隔熱保護(hù)艙內(nèi)外溫度差，K。
引線管漏熱計算式為：
Q2=A2L2λ2ΔT（3）
式中：A2為引線管截面積，m2；λ2為引線管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；L2為引線管長度，m，以隔熱體長度進(jìn)行計算。
隔熱塞體漏熱計算式為：
Q3=A3L3λ3ΔT（4）
式中：A3為隔熱塞體截面積，m2；λ3為隔熱塞體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K），由于線管直徑較小，可按空管（填充材料為空氣）進(jìn)行計算；L3為隔熱塞體長度，m，以隔熱體長度進(jìn)行計算。
多層固體材料導(dǎo)熱計算式為：
Q4=2πL1KΔT/lnd2d1（5）
式中：K為多層固體材料導(dǎo)熱系數(shù)，是多層絕熱材料和反射材料集合在一起的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；d2為多層材料外徑，m；d1為多層材料內(nèi)徑，m。
輻射漏熱計算式為：
Q5=A5σT41-T4211ε1+1ε2-1·1n+1（6）
式中：A5為輻射面積，m2，以內(nèi)管圓柱體的表面積進(jìn)行計算；σ為斯特藩常數(shù)，σ=5.67×10-8 W/（m2·K4）；T1 為環(huán)境溫度，K；T2 為內(nèi)部初始溫度，K；ε1、ε2為鈦合金內(nèi)外管表面發(fā)射率，ε1=ε2=0.048；n為多層隔熱體的層數(shù)。
殘余氣體導(dǎo)熱計算式為：
Q6=γ+1γ-1 R/8πMTpαT1-T2（7）
式中：γ為空氣定壓熱容與定容熱容的比值，γ=1.4；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K），R=8.314；M為氣體摩爾質(zhì)量，M=29 g/mol；T為相鄰兩層間的平均溫度，K；p為相鄰兩層間的氣體壓力，隔熱保護(hù)艙的真空度可以達(dá)到133×10-4 Pa；α為空氣熱適應(yīng)系數(shù)，α=0.8；T1為環(huán)境溫度，K；T2為內(nèi)部初始溫度，K。
儀器工作發(fā)熱計算式為：
Q7=CW（8）
式中：W為磁導(dǎo)向工具探管傳感器發(fā)熱功率，W；C為非純電阻電路的系數(shù)，C=0.24。
2.2 吸收熱量計算
隔熱保護(hù)艙可吸收的熱量取決于吸熱材料的體積，隔熱保護(hù)艙應(yīng)用的吸熱材料為石蠟，其物理特性參數(shù)見表2。
材料相變溫度/℃相變潛熱/（kJ·kg-1）密度/（kg·m-3）比熱容/（J·kg-1·K-1）導(dǎo)熱系數(shù)/（W·m-1·K-1）
石蠟442408602 0000.2
根據(jù)吸熱材料的體積和密度計算吸熱材料的質(zhì)量，進(jìn)而通過相變潛熱來計算吸熱材料在許可溫度內(nèi)的總蓄熱量。
相變材料石蠟的質(zhì)量m計算式為：
m=π4d2lρ（9）
式中：d為吸熱圓柱體直徑，m；l為吸熱圓柱體長度，m；ρ為吸熱材料的密度，kg/m3。
總蓄熱量計算式為：
Q′=m1L（10）
式中：Q′為吸熱體的總蓄熱量，kJ；m1為吸熱體質(zhì)量，kg；L為相變潛熱，kJ/kg。
3 隔熱保護(hù)艙熱量計算結(jié)果與分析
3.1 隔熱保護(hù)艙熱量計算結(jié)果
為滿足磁導(dǎo)向工具在深井、復(fù)雜井的應(yīng)用和起下作業(yè)，需優(yōu)化隔熱保護(hù)艙的尺寸。在探管傳感器尺寸和多層隔熱材料厚度相對固定的條件下，需優(yōu)化隔熱保護(hù)艙的長度，也就是需要滿足探管在高溫環(huán)境下使用時間的條件下優(yōu)化隔熱體與吸熱體的長度。該長度影響著隔熱保護(hù)艙內(nèi)部溫升速度，決定其在高溫環(huán)境下的工作能力。
對稱分布在探管傳感器兩側(cè)的上、下吸熱體長度一致，選擇100、150、200 mm這3種長度進(jìn)行分析。由于探管布置在磁導(dǎo)向工具串最下部，其隔熱保護(hù)艙為單端開口設(shè)計，下部漏熱相對較少，下部隔熱體的長度為50 mm，上部隔熱體選擇50、100、150和200 mm這4種長度。
隔熱保護(hù)艙上、下隔熱體長度50 mm，上、下吸熱體長度150 mm，探管傳感器長度290 mm。單端開口總漏熱量計算結(jié)果見表3。根據(jù)式（9）和式（10），經(jīng)計算得Q′=393.81 kJ。
儀器工作時間為吸熱體持續(xù)吸收所有漏熱直至相變轉(zhuǎn)換全部完成所需要的時間，經(jīng)計算得，單端工作時間為7.6 h。不同隔熱體、吸熱體長度下的隔熱保護(hù)艙漏熱量與工作時間計算結(jié)果如表4所示。
3.2 隔熱保護(hù)艙熱量計算結(jié)果分析
隔熱保護(hù)艙在吸熱體長度150 mm，不同隔熱體長度下的漏熱量和工作時間計算結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，隨著隔熱體長度由50 mm增加到150 mm，隔熱保護(hù)艙漏熱量顯著減少，探管傳感器的工作時間也從7.6 h增加至11.3 h。繼續(xù)增加到200 mm時，隔熱保護(hù)艙漏熱量變化量較少，探管傳感器的工作時間變化不大。隔熱體長度在增至一定程度后，由此導(dǎo)致的瓶口漏熱、引線管漏熱和塞體漏熱的減少量，與多層導(dǎo)熱、輻射漏熱與殘余氣體導(dǎo)熱漏熱量的增加量相當(dāng)。隔熱體長度選擇100和150 mm長度時帶來的探管工作時間的增益較好。
隔熱保護(hù)艙在隔熱體長度150 mm時，不同吸熱體長度水平下的漏熱量和工作時間計算結(jié)果如圖4和圖5所示。
從圖4和圖5可以看出，隨著吸熱體長度由100 mm增加到200 mm，隔熱保護(hù)艙漏熱量呈緩慢增加的趨勢。雖然隨著吸熱體長度的增加多層導(dǎo)熱、輻射漏熱與殘余氣體導(dǎo)熱漏熱量逐漸增加，但由于吸熱體體積的增大，蓄熱量增加，探管工作時間從8.0 h顯著增加至14.2 h。
4 隔熱保護(hù)艙溫度場數(shù)值模擬
4.1 隔熱保護(hù)艙模型
磁導(dǎo)向工具設(shè)計過程中將隔熱保護(hù)艙與承壓外殼分開，隔熱保護(hù)艙只考慮隔絕溫度的作用，不具備承壓能力。另外，進(jìn)行探管隔熱保護(hù)艙建模時忽略了隔熱體、吸熱體以及探管傳感器之間的相互聯(lián)接的影響，探管傳感器也簡化為均勻散熱的電路板。以SolidWorks軟件建立探管隔熱保護(hù)艙三維模型，如圖6所示。多層隔熱導(dǎo)熱系數(shù)指的是多層絕熱材料和反射材料集合在一起的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，采用的材料和層密度不同，導(dǎo)熱系數(shù)有差異，在此多層導(dǎo)熱系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行模擬計算。
4.2 探管隔熱保護(hù)艙溫度場模擬結(jié)果與分析
在環(huán)境溫度175 ℃，傳感器發(fā)熱功率0.72 W，隔熱保護(hù)艙吸熱體長度選擇100、150和200 mm這3種長度，上部隔熱體長度選擇50、100、150和200 mm這4種長度，下部隔熱體長度為50 mm條件下，對探管隔熱保護(hù)艙內(nèi)部溫度場進(jìn)行模擬。探管隔熱保護(hù)艙工作10 h后內(nèi)部溫度場模擬結(jié)果云圖如圖7所示。從圖7可以看出，隔熱體溫度自外向內(nèi)呈逐步降低的趨勢，遠(yuǎn)離端口方向處其溫度與吸熱體基本一致，溫度較低，隔熱體的隔熱效果較好。探管傳感器其自身產(chǎn)生的熱量未被吸熱體完全吸收，溫度相對較高，已接近其耐溫極限，這與前述計算在該條件下探管工作時間9.2 h的結(jié)果基本一致。
在吸熱體長度150 mm、下隔熱體長度50 mm條件下，不同上隔熱體長度探管傳感器的溫度隨時間的變化模擬結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，傳感器溫度隨著工作時間初始的變化較慢，一定時間后其變化呈線性增加的趨勢，在隔熱體長度50 mm條件下探管傳感器溫升較快，工作10 h后其溫度達(dá)到了探管傳感器最佳工作溫度極限。在隔熱體長度100和150 mm條件下探管傳感器溫升基本一致且相對較小，極限工作時間略有增加。在滿足工作時間的條件下，可合理減少隔熱體長度，從而優(yōu)化整體長度。
在上隔熱體長度150 mm、下隔熱體長度50 mm條件下，不同長度吸熱體探管傳感器的溫度隨時間變化如圖9所示。從圖9可以看出，在不同吸熱體長度條件下在探管傳感器適宜溫度范圍內(nèi)的溫升速度基本一致，其變化趨勢與隔熱體長度變化一致。
根據(jù)深井無源磁導(dǎo)向工具施工作業(yè)的需求，探管傳感器在175 ℃左右的地層環(huán)境中需要工作8～10 h，同時應(yīng)盡量減小其隔熱保護(hù)艙的長度，以實(shí)現(xiàn)工具的順利起下作業(yè)。從模擬結(jié)果可以看出：在8～10 h范圍內(nèi)，上隔熱體長度為100和150 mm時，溫升速度基本一致，均可滿足8～10 h工作需求，但當(dāng)上隔熱體長度為100 mm時，探管傳感器工作時間不足10 h，綜合考慮上隔熱體長度選擇150 mm；另外，當(dāng)吸熱體長度為100、150和200 mm時，其內(nèi)部傳感器溫升基本一致，在工作10 h后均低于90 ℃，但在上、下吸熱體長度為100 mm時，內(nèi)部傳感器工作時間剛好滿足8 h設(shè)計指標(biāo)，此時傳感器實(shí)際內(nèi)部發(fā)熱并不均勻，局部溫度可能稍高，綜合考慮，選擇上、下吸熱體長度均為150 mm。
5 結(jié)論與建議
（1）本文理論計算與模擬分析結(jié)果基本一致，可用于隔熱保護(hù)艙的設(shè)計。實(shí)際應(yīng)用中探管傳感器的散熱并不均勻，局部溫度可能過高，對各連接部分的傳熱也有一定的影響，為保護(hù)儀器需考慮一定的安全余量。
（2）隨著隔熱體長度的增加，探管傳感器的工作時間有所延長，理論計算和模擬結(jié)果表明隔熱體長度增加至一定程度后工作時間增幅不顯著。
（3）增加吸熱體體積可延長極限工作時間，不同吸熱體長度條件下的探管傳感器溫升速度基本一致，應(yīng)綜合考慮工作時間、傳感器適宜工作溫度和隔熱保護(hù)艙外形尺寸等因素合理確定吸熱體體積。
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第一張吉喆，高級工程師，生于1983年，2014年畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事井下工具、井筒隔熱/保溫技術(shù)研究工作。地址：（102206）北京市昌平區(qū)。電話：（010）80162053。email：zhangjizhedri@cnpc.com.cn。2024-03-28楊曉峰
