天然气井井下作业工具下行阻力计算.pdf

201 4 矩 第 1 期 第 4 3卷 第 1 7页 石油 矿 0I L FI ELD 场 机械 E QUI PMENT 2 0 1 4 ， 4 3 1 1 7 2 O O o 文 章 编 号 i 0 0 1 一 g 4 8 2 2 0 1 4 0 1 0 0 1 7 0 4 天然气井井下作业工具下行阻力计算 孙淼 ， 王小虎 ， 王 岩 ， 王旭 ， 王春生 东北石油大学 石油工程 学院 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘要 在高产气井钢丝作业过程 中， 气体流速过大导致钢丝从井 口防喷盒倒 出。采用计算流体动力 学软件 F l u e n t 模拟钢丝工具在 井筒周围中流场形 态， 得到钢丝工具周 围的压力场、 速度场及钢丝 工具所受到的升力和 阻力。分析钢丝工具在均 匀下行时不同气体流速对生产工具 的影响， 拟合 出 所受阻力与气体流速的关系式。研究结果对现场作业有指导作 用， 并具有 良好的经济效益。 关 键词 钢 丝 工具 ； 数值 计 算 ； F l u e n t 中图分 类 号 TE 9 3 1 ． 2 文献 标 识码 A Do wn Re s i s t a n c e Ca l c u l a t i o n o f Ga s W e l l Do wn ho l e Op e r a t i o n To o l s S UN Mi a o， W ANG Xi a o h u， W ANG Ya n， W ANG Xu， W ANG Ch u n - s h e n g C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g， No r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y， D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e h i g h y i e l d g a s we l l s i n t h e p r o c e s s o f s l i c k wi r e o p e r a t i o n， g a s v e l o c i t y o f f l o w r a t e was t o o bi g l e a d t o s l i c k wi r e po ur e d f r o m t he s t uf f i n g b ox o f p he n ome n on ． U s i ng Fl u e nt whi c h a r e c omput a t i o na l f l u i d d yn a m i c s s o f t wa r e c a l c u l a t i on s i mul a t i on a r ou nd t he f l o w f i e l d c on f o r ma t i on o f s t e e l wi r e． t he pr e s s u r e f i e l d． ve l oc i t y f i e l d o f a r ou nd wi r e t o ol s a nd wi r e t o o l s o n l i f t a nd r e s i s t a nc e we r e o bt a i ne d． The i n f l ue nc e of d i f f e r e nt ga s f l o w v e l o c i t y o n pr o d uc t i o n t o o l s wa s a n a l y z e d wh e n s t e e l wi r e t o o l s d r o p wi t h u n i f o r m v e l o c i t y ， f i t t i n g r e l a t i o n a l e x p r e s s i o n o f r e s i s t a n c e a n d t h e g a s f l o w v e l o c i t y， wh i c h p r o v e d t h a t g u i d i n g f o r f i e l d o p e r a t i o n a n d f a v o r a b l e e c o n o mi c e f f e c t ． Ke y w o r d s s l i c k wi r e o p e r a t i o n； n u me r i c a l c a l c u l a t i o n； Fl u e n t 在钢丝井下作业 中， 钢丝从防喷盒中倒出， 主要 是 由气井中气流速度过大导致气流对钢丝工具的托 举 力 和 阻力 过 大 引起 的__ 1 ] 。现 场 只 是 单 一 地 增 加 配重杆的质量使钢丝工具下行 ， 不仅费时费力 ， 还会 造成一定程度的经济损失l 4 ] 。研究产气井钢丝作 业加重杆配重与气体流速变换对应关 系， 对节省钢 丝作业时间、 减少人力消耗 、 提高经济效益等具有重 要 的意义 。 1 钢丝作业工具及模型建 立 1 ． 1 钢 丝作 业基 本 井下工 具 钢丝作业基本工具 串包括钢丝绳帽、 加重杆 、 震 击器 和万 向节 ， 如 图 1 。 1 绳帽起着连接钢丝或钢丝绳与井下测试 仪器或井下工具的作用 。 2 加重杆 主要用于克服盘根盒盘根的摩擦 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 4 基金项目 国家 自然科学基金“ 超重力流化床气 固相 间作用机理与颗粒流矩模型 的研究” 2 1 0 7 6 0 4 3 作者简介 孙 淼 1 9 8 8 一 ， 男 ， 黑 龙 江 讷 河 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向为 复 杂 流 体 流 动 与 数 值 模 拟 ， E ma i l s u n 2 0 0 3 mi a o 1 6 3 ． c o m。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 4 年 1 月 力和井 内压力产生的上顶力使钢丝作业工具能到达 井 下一 定 的深度 。 3 震 击器在井下 装置 的投 捞过 程 中经 常需 要 切 断销 钉 ， 或 者 在 打捞 井 下 装 置 时需 要 很 强 的力 量， 仅靠钢丝或钢丝绳拉力远不够 ， 只有靠震击器的 震击力才能完成 。 4 万 向节实 现震击 器 与投捞 工具 之 间的角 度偏转 ， 以利于调节工具 串与油管倾斜方 向一致 。 用于完井钢丝作业 工具各段 的连接， 使工具 串在井 内随油 管偏 转 ， 从 而减 少遇 卡 。 l 2 3 4 I l I l l 一绳帽 ； 2 一加重杆 ； 3 一震击器 ； 4 一万 向节 图 1 基本工具 串 1 ． 2物 理模 型的 建立 根据钢丝作业基本工具串， 运用 S o l i d wo r k s 软 件 ， 建立了长为 1 6 0 mm、 直径为 5 4 mm 的钢丝工具 在井筒中下行 ， 钢丝工具模型如图 2 所示 。 图 2钢 丝 工 具 物 理 模 型 2 一元稳定 可压 缩流动的基本方程 2 ． 1 状 态 方程 一 元稳定流动是一种最简单的理想化的流动模 型 。对于气体而言， 状态方程为 一 丁 1 气体状态方程微分形式为 d p ／ p d p ／ ．0 d T ／ T 2 式 中 户为气体压力 ， P a ； 10 气体为密度 ， k g ／ m。 ； T为 温度 ， K； R 为特 定气 体 的气体 常数 ， 对 空 气 R 2 8 7 ． o 6 J ／ k gK 。 2 ． 2连续 方 程 连续方程是把质量守恒定律用于运动流体所得 到的数学关系式。 一 元稳定流动的连续性方程为 一 一 常数 3 式 中 为单 位 时间 内 流 入或 流 出控 制 体 的 流体 质 量 ， k g ／ s 。 气体一元稳定流动连续方程 的微分形式为 d ／ p d A／ Ad v ／ v一0 4 式中 A为气体通过横截面积 ， I n ； 为气体流动速 度 ， m／ s 。 连续方程是一个运动方程， 无论是对理想流体 还是粘性流体来说都是适用的。 3 数值计 算及结果分析 数值模拟以钢丝工具理论为基础 ， 应用 F l u e n t 软件模 拟计算 了气体 流速 为 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 m／ s 时 ， 钢丝工具长为 2 0 m、 直径为 0 ． 8 8 m 的井筒下行 过程 中的压力场、 速度场 ， 以及钢丝工具所受到的升 力 和阻力 ， 得 出钢 丝 工具 在 井 筒 中匀 速下 行 时不 同 的气体流速对工具产生的影响。 3 ． 1 压 力分 布 钢丝工具在不同气体流速中下行时 ， 在井筒中 部和下部的压力分布如图 3所示 。 c 2 0m／ s d 2 5m／ s 图 3 不 同气体 流速时压力分布 由图 3可知 在钢丝作业工具下行时 ， 随气体流 速增加 ， 工具前部及工具后部压力增大 ； 由于气流速 率增加 ， 工具周围气体流速增大， 致使工具周 围压力 会 减 小 。 3 ． 2 速 度分 布 钢丝工具在不同气体流速 中下行时在井筒中部 和下部的速度分布如图 4 。 由图 4可知 在钢丝工具匀速下行时 ， 气体通过 钢丝工具与井筒之 间窄缝处气体速度 急剧增大 ； 不 同的入 口流速 ， 随着气体流速的增加 ， 井筒 内侧工具 周围气体速度增大 ， 工具后面稍远离尾部部分区域 曩 爰 器 2 0 1 4年 第 4 3卷 第 1 期第 2 0页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 0 卜3 4 8 2 2 O 1 4 0 1 0 0 2 0 0 5 吸力锚负压沉贯渗流场有限元分析 程光明 。 段梦 兰 。 郭 磊 ， 曾霞光 ， 张新虎 ， 王 飞 1 ． 中国石油大学 北 京海洋油气研究 中心 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中海油 田服务股份有 限公 司， 河北 廊坊 0 6 5 2 0 1 摘要 吸 力锚的 负压沉贯安装是其主要特征 ， 对吸力锚承载能力的分析必须要考虑 负压沉贯的影 响。负压沉贯过程 中， 吸力锚 内部和外部邻近区域土体 内的孔 隙水在 水头差作 用下， 产 生渗流场。 由于渗流的作用， 土体强度可能发生变化 ， 研 究吸力沉贯过程 中的渗流现 象具有重要意义。通过将 有限元分析结果与其他学者的试验结果进行对 比分析 ， 指 出负压安装过程 中影响吸 力锚 内部 水力 梯度的因素 ， 并分析了渗流对于土体性质的影响规律 。 关键 词 吸 力锚 ； 负压 沉贯 ； 渗 流 ； 水 力梯度 中图分 类号 T E 9 5 3 文献标 识码 A Fi ni t e El e me nt Ana l y s i s o f S e e p a g e Du r i n g I n s t a l l a t i o n o f S u c t i o n An c h o r CH ENG Gua ng rui ng ， DUAN M e ng l a n ， GU O Le i ， ZENG Xi a g ua n g ， ZHANG Xi n hu ， W ANG Fe i 1 ． Of fs h o r e Oi l Ga s Re s e a r c h C e n t e r， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a； 2 ． C h i n a Oi l f i e l d S e r v i c e s Li mi t e d， La n g{ a n g 0 6 5 2 0 1， C h i n a 4 结论 1 钢丝作业工具在井筒 中下行 时， 由于气流 速率增加 ， 工具周 围气体流 速增大 、 压力减小 ； 且不 同气体流速下钢丝工具 凹陷处压力小 ； 气体流速越 大 ， 前部和尾部的压力越大 ， 而凹陷处压力越小 。 2 钢丝工具匀速下行时 ， 气体通过钢丝工具 与井筒之间窄缝处气体速度急剧增大； 气体流速增 加 ， 井筒 内侧工具周围气体速度更大 ， 而工具后稍远 离尾部区域气体速度变化不大 ； 靠近工具尾部区域 产 生扰 流 。 参考文献 [ 1 3 刘文喜 ， 张鹏 ， 韩侠． 井 下工 具可靠 性设 计[ J ] ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 7 5 6 5 9 ． 窦益华 ， 胡 洪涛 ， 赖 茂宏 ， 等． 井下 工具 零 件应 力 分 析 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 1 9 9 5 ， 3 4 2 3 2 3 7 ． 杨树人 ， 金卓 ， 常 敏． 旋 流扶 正器作 用下环 空 中气液 两 相螺旋流场压降研究[ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 7 15 18 ． 聂飞朋 ， 孙宝全 ， 李治军 ， 等． 大港油 田滩 海地 区电泵井 井下安全 控 制系统 研 制 [ J ] ． 石 油矿 场 机械 ， 2 0 1 l ， 4 O 1 8 O 8 3 ． 沈雪 明． 完井作业 中的钢 丝打捞 操作 I- J ] ． 中国海 上油 气工程 ， 1 9 9 6 5 3 2 3 7 ． 李 晓伟 ． 理想气体 中运 动物体 的阻 力分 析I- J ] ． 赤 峰学 院学报 ， 2 0 1 2 2 3 1 - 2 ． 卞 保民 ， 贺安之 ， 李振华 ， 等． 理想气体一维不 定常流 自 模拟运动的基本微分方程[ J ] ． 物理学报， 2 0 0 5 1 2 2 4 2 9． 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 5 基金项 目 国家 自然科学基金项 目“ 自升式钻井平 台桩 靴拔桩过程 中非线性 桩土作 用机理 研究” 5 1 9 7 9 2 1 4 ； 国家科技 重 大专项“ 深水水下应 急 维 修 装 备 与 技 术 ” 子课 题 “ 深 水 水 下 应 急 维 修 方 法 研 究 与 半 物 理 仿 真 系 统 研 制 ” 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 7 0 0 5 0 0 1 作者 简介 程光明 1 9 8 1 一 ， 男 ， 河北邯郸人 ， 博士研究 生 ， 主要从事 海洋石 油装备 设计 及理论研 究 ， E ～ m a i l g u a n g mi n g s h o u 1 6 3 ． c o rn ] ] ] ] ] ]