高溫電潛泵注采一體化管柱自動Y工具設計

靳榮博, 孟令坤, 程文佳, 霍寒旭, 葛 垣

(中海油田服務股份有限公司 天津分公司, 天津 300459)

我國的渤海地區存在豐富的稠油資源,已探明儲量達到了200多億t,具有很高的開采價值[1]。近年,該地區已經進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及應用,并取得了一定的成果。然而,當前的熱采井仍主要采用注熱和生產2趟管柱作業,這增加了安全風險和維護成本,降低了生產效率,制約了稠油熱采的大規模應用與發展[2-3]。國內外的科研人員針對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和電潛泵注采一體化技術[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方案受限于射流泵本身性質的影響,整體的舉升效果明顯差于電潛泵注采一體化技術方案。現有的電潛泵注采一體化技術方案的工藝流程較為復雜,控制管線數量較多,這給作業安全埋下隱患。針對上述技術方案中存在的問題,本文提出了一種新型自動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鍵工具,簡化了稠油熱采的工藝流程,實現了注熱和生產通道的自動打開和關閉,降低了液控管線的數量,滿足350 ℃下電潛泵注采一體化技術方案的要求。

在帶有自動開關功能的Y工具設計方面,國內外學者已經展開了一系列的研究[8-14],具體成果如表1所示。目前,具有自動開關功能的Y工具不能同時具備鋼絲作業和止回閥功能,且整體沒有進行隔熱處理,無法滿足350 ℃熱采環境下工具的功能和隔熱要求。

注:“√”代表具有該功能。

1 自動Y工具結構設計

1.1 結構及工作原理

自動Y工具的結構如圖1所示,主要由上短節、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,當電潛泵未開啟時,單流閥在彈簧彈力作用下處于密封狀態,閥板處密封球處于直立狀態,可進行鋼絲作業。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,通過齒輪齒條機構帶動密封球轉動,閥板處密封球將密封坐落接頭處通道,自動Y工具進入生產狀態。

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

自動Y工具閥板處結構如圖2所示,整體采用浮動式密封結構。當流體流過球表面時,可以使球閥產生轉動,從而產生新的密封面,有利于延長壽命,提高可靠性。

圖2 自動Y工具閥板結構

1.2 隔熱結構設計

稠油熱采過程中,由于熱采工具與外部環境存在較大的溫差,會導致熱量大量散失,從而生成天然氣水合物,并造成產量下降,甚至會造成井口和井下裝置損壞。為了保證稠油熱采過程的順利進行,必須對稠油熱采工具進行隔熱處理[15]。圖3為自動Y工具本體的隔熱結構方案,其中的隔熱層采用新型氣凝膠材料,具有較低的熱導率和較高的孔隙率,隔熱效果良好。在隔熱層的外部采用42CrMo材料作為保護層,保證隔熱層在工具下入過程中不被損傷。

圖3 自動Y工具隔熱結構

根據SY/T 5324-2013《預應力隔熱油管》及《海上稠油熱采井套管和油管設計要求》的規定,需要重復下入油管的視導熱系數應該小于0.06 W/(m·℃)[2],計算式為:

(1)

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

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

(2)

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

通過式(2)計算,當流體溫度為350 ℃,外部環境溫度分別為20、50、80、110、150 ℃時,自動Y工具表面的理論溫度值如表2所示。

表2 不同環境溫度下自動Y工具外表面溫度值

1.3 關鍵部件強度校核

1.3.1 圓筒類零件應力分析

針對自動Y工具中圓筒類零部件壁厚較為薄弱處進行強度校核。根據第四強度理論,管件抗內壓強度的計算式為:

(3)

式中:D為管柱外徑,mm;d為管柱內徑,mm;n2為安全系數,一般取1.2;σs為材料屈服強度,MPa;p為管柱抗內壓強度的壓力,MPa。

自動Y工具本體的材料為42CrMo,熱處理后材料的力學性能要高于P110鋼級。按照350 ℃時P110鋼級的材料屈服強度680 MPa進行強度校核。選取外徑最小尺寸為84 mm,內徑尺寸為70 mm,得到其最大應力值為385 MPa,滿足強度要求。

1.3.2 密封球在工具內的受力分析

自動Y工具中密封球和球座的接觸密封在內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Y工具的流道在生產通道和注入通道自由切換。

FP=2FNsinα-2kFNcosα

(4)

根據密封球材料選定密封球和球座的摩擦因數為0.3。由式(4)可知當FP≤0時摩擦力小于支撐力,密封球和球座不會發生卡緊而無法脫離的情況,此時k-tanα≤0,即α≥16.7°。同時要考慮密封球坐落在球座上的位置影響,防止球座棱線對密封球表面產生損傷,并使得密封球出現“卡死”現象。設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,密封球坐落在球座斜面上且不會發生卡緊而無法脫離的情況。

Dacosα-da>0

(5)

2 自動Y工具仿真分析

2.1 流場分析

為了實現注入和生產通道的相互切換,自動Y工具的內部結構設計較為復雜,導致其流場分布尚不明確。本節將使用ANSYS軟件對自動Y工具在2種工況下內部流體的流動狀態進行分析。

采用ANSYS內部模塊建立自動Y工具的流體域模型,如圖5所示,并對其中的一些微小零部件進行簡化。自動Y工具內部流動屬于空間湍流流動,對于流體域的網格劃分十分重要,因此模型采用六面體網格進行劃分,具體結果如圖6所示。湍流模型選擇RNGk-ε模型,流體域介質為液態水,壓力亞松弛因子為0.3,動量亞松弛因子為0.1～0.2,在0～12 MPa內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。進行流體域仿真分析[18-19]。

1) 注入通道開啟狀態時。

流場分析結果如圖7所示。當自動Y工具處于注入通道開啟狀態時,壓力在整個流場的變化十分規律,呈現從入口到出口逐漸減小的趨勢。同時,由于管徑變小和流速增大,在注入通道下部表面產生了一定負壓。進一步對內部流體速度場進行分析可知,流體在入口處一直保持在較低的速度流動,并隨著管徑的縮小流速逐漸增大,最終在出口附近達到最大值。在流動過程中流體會沖擊零件,出現反向流動現象。在自動Y工具中心附近流體的速度很小,有流液留存此處。

圖7 注入通道開啟時工具內部流體壓力與速度分布

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

圖8 注入通道開啟時流量與壓力的關系

2) 生產通道開啟時。

流場分析結果如圖9所示。當自動Y工具處于生產通道開啟狀態時,壓力在整個流場的變化情況與注入通道開啟時類似,呈現從入口到出口處逐漸變小的趨勢。但是,由于節流效應的影響,單流閥處出現了明顯的壓降,并且在單流閥芯和單流閥球的接觸點,以及單流閥芯與管壁的縫隙處都存在較大壓力。進一步對內部流體速度場進行分析可知,生產通道內部流液運動穩定,在進入單流閥閥芯時流速較大,從而在轉角處形成負壓;在本體內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 生產通道開啟時工具內部流體壓力與速度分布

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

圖10 生產通道開啟時流量與壓力的關系

2.2 溫度場分析

由于自動Y工具表面形狀復雜,使用普通圓形管柱的溫度場數學模型進行自動Y工具的表面溫度計算可能會存在偏差,因此使用有限元法對自動Y工具的溫度場進行仿真分析。建立Y管柱自動開關工具帶隔熱層的三維簡化模型,如圖11所示,使用穩態溫度場進行分析。設定自動Y工具內壁溫度為350 ℃,環境溫度分別為20、50、80、110、150 ℃,得到自動Y工具表面溫度變化的仿真結果,如表3所示。

圖11 20 ℃環境溫度下Y工具表面溫度分布

3 試驗驗證

根據以上設計及分析的結果對自動Y工具的性能進行試驗,其中,常溫測試環境為20 ℃,高溫測試環境為350 ℃。試驗介質采用水和高溫導熱油。試驗工裝為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 常規功能性試驗

自動Y工具的常規功能性試驗包括常溫及高溫下的本體密封測試、常溫及高溫下的球落座測試、堵塞器的通過性測試及密封性測試。試驗結果如圖12和表4所示。

圖12 常溫下球落座試驗壓力曲線

表4 常規功能性試驗流程及結果

3.2 流量試驗

圖13為流量試驗裝置。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。

根據上文的仿真分析結果對自動Y工具2種工況下壓力與流量的變化情況進行試驗,試驗結果如圖14～15所示。

圖15 2種工況下Y工具的流量與壓力試驗結果

分析試驗結果可知,自動Y工具壓力與流量的關系與仿真分析結果基本一致。當生產通道開啟時,單流閥球會產生一定的限流情況,并且在超過一定流量后通道壓力顯著增大。當注入通道開啟時,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

自動Y工具的隔熱試驗采用視導熱系數測試儀和手持溫度測試儀對室溫環境(20 ℃)下的表面溫度同時進行測試,共計對6個測試點進行測量,隔熱試驗裝置如圖16所示。

圖16 隔熱試驗裝置

圖17為隔熱試驗的測試結果,室溫下自動Y工具的表面溫度為80～85 ℃,與理論計算與仿真結果相差不大,整體隔熱效果滿足SY/T 5324-2013《預應力隔熱油管》及《海上稠油熱采井套管和油管設計要求》的規定。

圖17 自動Y工具表面溫度測試結果

4 結論

1) 設計了一種用于350 ℃高溫環境下熱采井電潛泵注采一體化技術中的新型自動Y工具。通過管柱與密封球上的齒輪齒條結構可以實現注熱和生產通道的自動切換,降低了海上熱采井注采一體化工藝的復雜程度,減少了液控管線的數量,提升了整套注采一體化管柱的可靠性。

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

3) 對自動Y工具的隔熱效果進行仿真分析和試驗驗證,結果表明在自動Y工具內部溫度為350 ℃時,表面溫度為80～85 ℃,具有較好的隔熱效果。