分层注水管柱密封性失效预测方法研究

高永华， 刘华伟， 刘全刚， 刘 磊， 李孟超

(1中海石油(中国)有限公司天津分公司 2中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司)

海上油田通常利用封隔器进行分层开采或分层注水，而封隔器密封筒在井下长年运行过程中受产液腐蚀、油管作业剐蹭等因素影响易产生损伤。如何针对密封筒的破损情况进行有效预测，为更换密封筒或密封圈提供理论依据，是目前亟待解决的工程问题[1-2]。本文自主研发了插入密封检测工具，期望通过密封筒位置处的注入水流量与压力等数据判断密封筒破损状态[3-4]，这需要对密封筒复杂结构中的缝隙流体流动特征进行研究。在流体流动中，缝隙流动是一种广泛存在机械中的流动，如柱塞与缸筒间的环状间隙、轴与轴承间隙等[5-6]，缝隙流动因几何形状不同，流动规律通常不具有通用性。为了得到缝隙流动规律，前人多采用数值计算、理论分析和物理实验等方法开展研究[7-9]。针对本文研发的新型插入密封检测工具，综合采用物理模拟和数值模拟相结合的方法，研究缝隙流动流量、压降和当量直径之间关系，建立受损状态与漏失量之间关系函数，为密封筒受损预测提供一种方法，并为优选密封工具、实现分层开采提供理论指导。

一、插入密封检测工具研制

为研究得到封隔器密封筒缝隙流动规律，研制了插入密封检测工具(图1)。图1中红色部分为插入密封检测工具，蓝色部分为密封筒。插入密封检测工具与密封筒之间通过2个直径为9 mm的孔连通。密封筒和插入密封检测工具之间的流动形式为缝隙流动与环形空间流动。检测工具入口模拟油管，上出口模拟密封筒上面地层，下出口模拟密封筒下面地层。为分析破损当量直径对缝隙流动规律的影响，分别加工了3种规格(9.70 mm、10.81 mm、13.31 mm)直径的密封筒。

图1 密封检测工具结构图

二、插入密封检测工具物理模拟

1. 模拟实验系统

以中国科学院力学研究所多相流实验室为平台，搭建了插入密封检测工具物理模拟实验系统,如图2所示。该系统包含循环系统、控制系统和测量系统三部分。循环系统由水箱、水泵、Ø50 mm透明有机玻璃管及水桶组成；控制系统由控制台、阀组成；测量系统由电磁流量计、计量泵组成。物理模拟实验过程中，通过控制台控制开启管道中的水泵和计量泵，使水相由水箱经过水泵输送进入测试装置中，然后从密封检测工具(可洗井检测装置实验室模型)的两个出口流出进入中转取样桶中，最后由电潜泵将水泵回水箱。两个出口的流量由秒表、量筒计量，入口的流量由电磁流量计计量，三个口均安装有压力传感器测试压力。

图2 插入密封检测工具物理模拟流程图

洗井检测时所用介质为水，因此物理模拟实验介质同样采用水。常温常压下，水相的密度为998.2 kg/m3，动力黏度为0.001 Pa·s。

2. 物理模拟结果分析

2.1 分流比影响

插入检测工具,物理模拟实验装置有一个入口、两个出口，从两个出口流出的流量会变化，变化的分支流量造成入口到分支的压降各不相同。为便于研究，将上出口(模拟井筒)流出的流量与入口流量之比定义为分流比。研究表明，入口到上出口压降随分流比的增大而增大,如图3(a)，入口到下出口压降随分流比的增大而减小,如图3(b)，且关系近似呈线性。这是由于压降与通道内的流速有关，流速增大，压降自然增大。

图3 分流比对压降的影响

图4 入口流量对压降的影响

2.2 入口流量影响

物理模拟实验研究了入口流量对插入密封内流体流动压降的影响规律。研究表明，所有破损情况下的压降在入口流量变化时，均呈现压降增大的现象，入口到上出口压降在所有分流比下都随入口流量的增大而增大，如图4(a)，入口到下出口压降在所有分流比下也随着入口流量的增大而减小，如图4(b)，且随流量增大，整体曲线近似向上平移，说明流量的影响也比较大。

2.3 破损当量直径的影响

通过物理模拟实验，研究9.70 mm、10.81 mm、13.31 mm三种破损当量直径情况下的流动规律。当入口流量为40 m3/d，随着破损当量直径的增大，在所有分流比下，入口到上出口的压降统一增大,如图5(a)，入口到下出口的压降整体下降,如图5(b)。这是由于当入口流量一定时，当量直径越大，流通面积越大，流过破损当量直径的流速越低，流体在流动过程中的磨损越小，压降损失也越小。

图5 入口流量对压降的影响

三、插入密封检测工具流动规律数值模拟

1. 控制方程

1.1 连续性方程

(1)

1.2 动量方程

(2)

1.3 湍流模型

雷诺应力模型(简称RSM模型)可准确有效模拟湍流流动[10-13]。雷诺应力模型需要计算六个雷诺应力分量，其对应的偏微分输运方程为：

(3)

式中:Pij—湍流应力产生项;DT,ij—湍流扩散项;φij—压力应变项；εij—黏性耗散项；Fij—系统旋转产生项。

1.4 模型验证

对比分析不同破损情况下密封筒压降分布的数值分析结果与物理模拟结果，如图6，可得两者的误差在10%以内，从而验证了数值模拟方法的有效性。

图6 不同破损情况下密封筒压降的数值模拟与实验对比

2. 插入密封检测工具流动规律数值模拟

2.1 不同压力流量测量点的影响

当入口流量为50 m3/d时，密封筒破损当量直径为9.49 mm。通过不同压力流量测试点的压降数值分析可得，油管内部压降在整个工艺流程中占比，2～3段即模拟井筒和油管之间的压降也很小，压降主要损失在插入密封小孔与密封筒之间的缝隙之中，这段的压降损失占整个流程压降的95%以上。具体观测点压降数据见表1。

表1 不同压力流量测试点的影响

2.2 粗糙度对压降的影响

当管壁粗糙度变化时，研究查阅文献，发现钢管的粗糙度一般低于100 μm，当入口流量为50 m3/d数值模拟表明，粗糙度对压降的影响很小，压降主要是由局部压降造成的,不同管壁粗糙度对压降的影响数据见表2。

表2 不同管壁粗糙度对压降的影响

3. 插入密封检测工具的压降计算

插入密封检测工具与密封筒之间的流动为结构特殊的缝隙流动，目前还没有可以借鉴的成熟理论公式可以应用。本文采用无量纲参数分析法研究得到决定压降的因素主要包括：水相密度ρ，水相黏度μ，入口流量Q，当量破损直径D，粗糙度e，分流比F。

利用π定理可以得到：

Δp=f(ρ,μ,Q,D,e,F)

(4)

由前述研究，可以忽略e的影响。因此，取Q、ρ和D为基本量纲，则可以通过量纲分析得:

(5)

当入口小孔dhole的尺寸一定，则有入口到上出口的关系有：

(6)

通过对所有数据进行研究回归得到式(7)，该关系式计算的结果与试验对比相关度达到0.95。

ΔP=-1479.6+2726.77F+0.0011Re1.49

(7)

计算结果与试验结果对比如图7所示。

图7 压降经验关系式计算结果与试验结果对比

四、结论

(1)研究得到了插入密封检测工具与密封筒间缝隙流动的流动规律。密封筒入口到上出口压降随分流比的增大而增大；入口到上出口压降在所有分流比下都随入口流量的增大而增大；当入口流量一定时，当量直径越大，流体在流动过程中的压降损失越小。

(2)密封筒缝隙流动压降主要是由局部压降造成的，即压降主要损失在插入密封小孔与密封筒之间的缝隙之中，而粗糙度对压降的影响很小。

(3)建立了压降与分流比、Re之间的关系函数模型，得到了插入密封检测工具工作原理，为封隔器密封筒破损预测与密封工具优选提供了依据。