井下應急封堵裝置坐封過程的流固耦合效應

井下應急封堵裝置是為應對海洋鉆井過程中突發溢流和井涌事故而研發的應急設備。當井下出現溢流后，流體壓力高、流速快，封堵裝置在坐封鉆套環空的過程中必定受到環空壓力和流體流動的影響。為正確評估井下應急封堵裝置的坐封效果，基于流固耦合方法，構建了井下應急封堵裝置坐封的有限元分析模型，分析了流體流動和壓力對坐封過程和坐封效果的影響。研究結果表明，坐封過程中，膠筒變形使膠筒與套管內壁環空通道變窄，導致流體流速與壓力增大，增加了坐封難度。由于流體流動的影響，膠筒接觸寬度減小，接觸應力下降，坐封效果減弱。因此，在現場應用時，必須考慮井下高壓流體的流動影響，優化井下應急封堵裝置的坐封壓力，以實現預定的坐封效果。研究結果可為油井現場應對突發事故提供參考解決方案。

井下應急封堵裝置；流固耦合；坐封效果；接觸應力

TE951

A

202401098

Fluid-Structure Coupling Effect During the Setting

of Downhole Emergency Packer

Li Jinsong¹"Wang Lei¹"Lei Lei¹"Yin Zhiming²"Li Zhong²"Huang Xiaoguang³

（1.Shanghai Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.; 2.CNOOC Research Institute Co.， Ltd.; 3.College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum （East China））

The downhole emergency packer is an emergency device developed in response to any overflow or well kick accident in offshore drilling. When an overflow occurs in the wellbore， the fluid pressure and flow velocity in the drill pipe–casing annulus is very high， so the setting of the emergency packer is inevitably subjected to the annulus pressure and fluid flow. A finite element model was established based on the fluid-structure coupling method to analyze how the fluid flow and pressure affect the setting process and effect of the downhole emergency packer. The results indicate that， during the setting operation， the deformation of the rubber cylinder narrows the annular channel between the rubber cylinder and the inner wall of the casing， leading to an increase in fluid flow velocity and pressure， and thus further challenging the setting process. Due to the fluid flow， the contact width and stress of the rubber cylinder both decrease， resulting in a lower setting effect. Therefore， in field application， it is necessary to consider the impact of downhole high-pressure fluid flow and optimize the setting pressure of the downhole emergency packer， thus achieving the desired setting effect. The research results provide a referential solution to any emergency accident at well site.

downhole emergency packer; fluid-structure coupling; setting effect; contact stress

0"引"言

在海洋鉆井過程中，溢流和井涌是井噴事故的預警。為應對井底突發井涌或高壓溢流，首先會關閉井口防噴器，但由于溢流蔓延速度快，環空壓力高，造成后續壓井作業難度增加，井控風險加大。井下應急封堵裝置是一種應用在井下、防止井涌或高壓溢流上躥至井口的井控工具，其工作原理是通過坐封壓力使膠筒徑向膨脹，與套管內壁接觸形成密封，從而實現封閉鉆桿-生產套管環空的目的。因此，膠筒的密封能力是決定井下應急封堵裝置密封性能的關鍵。而在應急封堵過程中，下部井筒高壓流體會對應急封堵裝置坐封以及坐封后膠筒的密封性能造成考驗^"［1］。所以開展井下應急封堵裝置坐封過程的流固耦合分析對確定坐封壓力、保障坐封性能非常必要。同時，分析不同井下環境的坐封流固耦合過程，有助于評估坐封后氣液滑脫以及保障坐封的長期有效性。

目前井下封堵裝置在實際工作環境的坐封研究主要集中在密封泄漏問題^［2-3］。張朝賀^［4］和李鑫^［5］認為密封接觸面存在泄通漏道，高壓端流體通過泄漏通道進入低壓端，并推導了泄漏量計算方程。由于膠筒與井壁表面凹凸不平，封堵裝置成功坐封后接觸面存在微小泄漏間隙，而原油、天然氣、鉆井液等介質在足夠大的壓差下，會通過擠壓密封面端面間隙、擴張端面間隙使間隙進一步擴大形成泄漏，造成封堵裝置坐封失效^［6-7］。但上述研究忽略了流體與膠筒變形的互相影響，坐封時膠筒在流體載荷作用下產生變形，而膠筒變形又會造成流體載荷大小與分布的變化。由于膠筒密封間隙一般為微米量級，密封環端面在流體膜壓力和其他流體載荷作用下產生的任何微小變形都可能導致密封間隙形狀的明顯變化，從而使間隙內的流體壓力分布發生變化，而壓力分布的變化反過來影響密封端面的變形。因此，密封間隙內流場和密封膠筒變形間存在耦合關系，對封堵裝置進行密封效果的準確評估要充分考慮這種流、固兩相的耦合效應^［8］。

在應對鉆井過程中所遇到井下高壓溢流或井涌時，膠筒作為井下應急封堵裝置的主要元件，其密封性能直接影響其坐封效果。為真實反映封堵裝置的坐封過程，本文建立了膠筒坐封過程的流固耦合模型，分析了不同坐封壓力下膠筒與井下高壓流體的交互作用。利用完全坐封后膠筒的接觸應力和接觸面積來評價其密封性能，計算高壓流體對坐封壓力與坐封效果的定量影響，以期為井下應急封堵裝置結構與坐封壓力設計提供參考。

1"結構與工作原理

1.1"結構組成

井下應急封堵裝置結構如圖1所示，包括密封機構、坐封機構、錨定機構、解封機構和鎖緊機構。錨定機構包括卡瓦罩、卡瓦、上下錐體，主要用于錨定封堵裝置，承受封堵裝置以下管柱重力和封隔元件以上壓力對封堵裝置產生的載荷，保證封堵裝置不上下移動。坐封機構主要由液缸、坐封剪釘、膠筒上下座組成，其主要作用是為封堵裝置提供坐封載荷。密封機構主要由密封膠筒及其密封滑組成，用于封閉鉆桿-生產套管環形空間。鎖緊機構主要由活塞、鎖環組成，其主要作用是防止卡瓦、封堵元件回彈，保證坐封長期有效。解封機構則由解封剪釘、解封剪切座組成，上提鉆桿時，解封剪切座剪斷解封銷釘，使應急封堵裝置解封。

1.2"工作原理

井下應急封堵裝置工作原理如下：油氣一旦侵入井筒，關閉井口防噴器，將井下應急封堵裝置帶壓下鉆到井口以下，坐封后封堵鉆桿-生產套管環空，阻斷井下高壓溢流蔓延通道，為井口單流閥多一道安全屏障，同時也起到部分防噴器的功能。圖2為井下應急封堵裝置的應用場景：①當井下出現高壓溢流，關閉井口防噴器；②將井下應急封堵裝置接在鉆桿上，通過半封式閘板防噴器，將其強行下鉆至井口以下50～100 m；③井口加壓，使封堵裝置坐封，封閉鉆桿-生產套管環空；④釋放井口至封堵裝置之間環空壓力，降低井口作業風險，當平臺應急措施安排完畢，上提鉆桿解封；⑤開展后續壓井作業。

2"流固耦合模型

2.1"流固耦合數學模型

要評估井下實際環境中應急封堵裝置的坐封性能，必須考慮井下流體對膠筒變形和坐封效果的影響。假設井下流體為黏性不可壓縮牛頓流體，滿足連續性方程和 Navier-Stokes方程，具體如下^［9-10］：

ρt+·ρv=0（1）

ρdvdt=ρF-p+μv（2）

式中：v為流體速度矢量，m/s;ρ為流體密度，kg/m³;μ 為流體黏性系數，Pa·s;p 為壓力，Pa;F為單位體積流體所受外力矢量，m/s²。

在不考慮質量力的情況下，固體運動方程為：

ρ_sa_s=·σ_s

（3）

式中：ρ_s為固體密度，kg/m³;a_s為固體加速度矢量，m/s²;σ_s為固體的應力張量，Pa。

由流體引起固體應力和變形的固體控制方程如下：

M_sd_s+C_sd_s+K_sd_s=τ_s

（4）

式中：M_s為固體質量矩陣，kg；C_s為阻尼矩陣，kg/s；K_s為固體剛度矩陣，kg/s²；d_s為固體位移向量，m；d_s為固體速度向量，m/s；d_s為固體加速度向量；τ_s為固體所受載荷向量，N。

井下應急封堵裝置的坐封過程涉及坐封膠筒與環空內流體的耦合作用。流固耦合遵循最基本的守恒原則，而流固耦合交界面的處理是實現流固交互作用的根本途徑。通過耦合交界面，流體動力影響固體運動，固體運動又影響流場的分布特性。井涌時環空流體與應急封堵裝置膠筒正是通過交界面來傳遞位移和壓力等。故流體與封堵裝置膠筒的流固耦合交界面應滿足如下方程^［11］：

d_f=d_s

（5）

τ_f·n_f=τ_s·n_s

（6）

式中：d、τ、n分別為位移、載荷、邊界法向向量，下標f和s分別代表流體與裝置膠筒外壁。

2.2"數值仿真方法

井下應急封堵裝置坐封過程的流固耦合分析，主要難點在于耦合面位移、載荷信息傳遞以及流體、固體計算域的更新處理，本文利用ANSYS Workbench實現流固耦合的計算。模擬過程包括以下2方面：①首先運用 Fluent 軟件對環空的流場進行計算分析，再將流體壓力邊界條件施加到膠筒，在結構分析模塊進行結構靜力學分析，評價膠筒坐封效果；②以流體流動控制方程和固體變形控制方程為依據，對封堵裝置坐封過程進行雙向流-固耦合分析，分析流體流動對坐封效果的影響^［12-13］。

3"有限元模型與效果評價

3.1"有限元模型

本文的井下應急封堵裝置用于127.0 mm（5 in）鉆桿與244.5 mm（95/8 in）生產套管之間的環空封堵。由于鉆桿與生產套管之間環空限制，設計膠筒的內徑為146.0 mm，外徑為204.0 mm，采用傳統的三膠筒組合，具體尺寸以及材料屬性如表1所示。膠筒填充材料采用丁腈橡膠，Moony-Rvilin本構模型參數取C₁₀=1.872 4，C₀₁=0.953 1^［14-15］。

中心管、生產套管長度取1 200 mm，三膠筒總長354 mm，中心管、生產套管之間環形區域充滿流體。為深入分析環形流體域流動特征，取流體域長度為1 200 mm。為精確分析應急封堵裝置在井下的力學行為，將邊界條件設置為固體域以及流體域2部分。固體域在膠筒座施加軸向壓縮載荷，使膠筒壓縮膨脹與外中心管、套管內壁設置接觸。流體域入口為速度入口邊界，即在封堵裝置底部環空設置流體速度5 m/s，封堵裝置上部環空為壓力出口，設置壓力10 MPa。在固體域膠筒外側以及與膠筒接觸的流體設置流固耦合區域，并采用動網格技術來模擬流體域的變化，模擬流體域與固體域的變化規律。固體域分析在ANSYS中進行，流體域分析在Fluent中進行，流體域材料采用不可壓縮液體。膠筒外表面采用流固耦合界面，通過此界面傳輸流體流動過程中對膠筒外表面產生的壓力。

有限元仿真過程中，網格密度直接關系計算精度及計算成本。實際上，當網格加密到一定程度后，再細化網格并不會顯著提高計算精度，因此對網格進行無關性驗證對保證精算精度以及減少計算量有重要意義。通過對流固耦合作用下固體域最大接觸應力進行網格無關性分析，最終選取整體網格尺寸為4 mm。

3.2"坐封仿真結果

3.2.1"坐封過程中的流場變化

首先通過流場變化來揭示坐封過程中流體與膠筒坐封的相互影響。圖4為坐封過程中流速變化圖。由于膨脹后膠筒與套管內壁間隙變小，根據流體連續性條件，間隙變小后流速逐漸升高。本設計采用三膠筒坐封形式，受壓時上膠筒變形最大，中膠筒其次，流體速度沿坐封路徑呈現出波浪式遞進變化，上膠筒中間部位與套管內壁之間環空間隙最小，最大流體速度達到32.5 m/s。

圖5為坐封過程各時間點流體壓力的變化曲線。由圖5可以看出，流體壓力變化也呈現出波浪式的變化過程，但趨勢與流速相反，即流速越大的地方流體壓力越小。上膠筒壓縮膨脹變形最大，流體流通區域越小，流體壓力越大，坐封阻力也隨之增大。當坐封1 s后，環空區域變小，上膠筒上方出現一定的負壓區域。負壓區膠筒與套管內壁接觸最緊密，已經達到阻斷流體流通的目的，井下應急封堵裝置達到坐封效果。

3.2.2"坐封過程中的固體變形

圖6為坐封0.01、5、10和15 s時應急封堵裝置的位移變化。隨坐封時間延長，膠筒與膠筒座上的軸向位移逐漸增大，壓縮變形越為明顯，徑向位移逐漸增大，起到封堵鉆桿-生產套管環空的效果。圖7為0.01、5、10和15 s時封堵裝置的Mise應力變化。從圖7可以將坐封過程中膠筒的變形分為自由變形、接觸變形、完成坐封3個階段。初始階段，膠筒未與套管接觸，處于自由變形階段，隨著膠筒繼續膨脹，開始與套管接觸，膠筒進入接觸變形階段，產生接觸應力。在自由變形和接觸變形階段，膠筒變形會對流體域產生影響，同時使膠筒外側流體壓力產生變化，流固耦合效用集中體現在這2個階段。自由變形階段模型的最大Mises應力一直出現在膠筒上。當膠筒實現坐封后，套管與膠筒接觸部位的應力逐漸增加，最后超過膠筒的Mises應力。

圖8為坐封過程3個階段上膠筒的接觸應力與Mises應力變化曲線。在自由變形階段，膠筒受到軸向壓力開始膨脹，自身Mises應力增加，但此時未與套管內壁接觸，膠筒接觸應力為0。隨后膠筒進入接觸變形階段，隨著膠筒的不斷擠壓開始與套管接觸，此時膠筒Mises應力基本保持不變，但接觸應力逐漸提升。最終膠筒與套管內壁的接觸應力升至最高點后保持不變，膠筒完成坐封。

3.3"流體速度對坐封性能的影響

圖9、圖10分別對比了不同坐封壓力時有、無流體流動的三膠筒坐封接觸應力的變化（考慮流體時，入口壓力10 MPa，流速為5 m/s）。

由圖9和圖10可以看出，三膠筒在軸向壓縮情況下，上膠筒壓縮最為厲害，坐封效果主要靠上膠筒實現。坐封壓力10 MPa時，流體流動明顯降低了膠筒的接觸面積和接觸應力，弱化了坐封效果。當坐封壓力提升至20 MPa時，除上膠筒底部局部區域與套管之間的接觸應力變大外，流體流動依然降低了膠筒的接觸面積和接觸應力。通過對接觸面積上的接觸應力進行積分，進而計算總坐封力可知，流速為5 m/s時，坐封壓力為10 MPa下總坐封力較不計流體流動時下降了33%，坐封壓力為20 MPa時總坐封力較不計流體流動時下降了18%。

由此可見，流固耦合分析能夠對膠筒的密封性能進行更準確的評價。在設計封堵裝置實際坐封壓力時，必須考慮流體的流動效果。

4"結論及認識

（1）坐封過程中，三膠筒受壓膨脹，上膠筒變形最顯著，中膠筒次之。膠筒變形使之與套管內壁之間環空流體通道變窄，造成流速增加。膠筒中部徑向變形大，兩側及隔環徑向變形小，導致環空流體速度呈波浪式變化。入口流速5 m/s時，上膠筒中部與套管內壁環空區域流速最大達到32.5 m/s。

（2）坐封過程中，膠筒變形后使膠筒與套管環空通道變窄，造成膠筒與套管之間流體壓力逐漸增加，套管內壁應力逐漸上升。從三膠筒Mises應力和接觸應力對比來看，實現坐封后上膠筒的接觸應力最大，對坐封效果起主要作用。

（3）由于流體流動以及流體壓力的影響，膠筒與套管接觸面積減小，接觸應力與封堵效果下降。通過對坐封接觸應力進行計算，流速為5 m/s時，入口壓力10 MPa時，坐封壓力為10 MPa時總坐封力較不計流體流動時下降了33%；坐封壓力為20 MPa時，總坐封力較不計流體流動時下降了18%，流體對坐封效果的影響不容忽視。在設計封堵裝置實際坐封壓力時，必須考慮流體的流動效果，以達到預定坐封效果。

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