气井作业钢丝下行阻力研究

陈　达

（东北石油大学 石油工程学院， 黑龙江 大庆 163000）



气井作业钢丝下行阻力研究

陈达

（东北石油大学 石油工程学院， 黑龙江 大庆 163000）

钢丝作业多应用于气井作业中，井内气体压力过大会导致钢丝工具下行时被气流倒托至井口防喷盒，给钢丝作业带来困难。结合钢丝作业操作过程，研究气体动力学及阻力分析，模拟钢丝工具在井内下行过程，得到仪器周围环空速度、压力分布情况，分析不同井口压力下钢丝工具受到的气体阻力，进而拟合出压力与仪器下行阻力数学关系式，在解决仪器下行问题方面起到重要作用，节约人力物力，最大程度的利于现场作业。

钢丝作业；井内下行；数值模拟

仪器在防喷管内下井困难，钢丝工具无法准确依靠重力实现达到指定深度，主要由于井下气压过大，同时钢丝工具在下行过程也受到套管壁阻力影响［1］。如今，倾斜井水平井更多的投入生产，使得单纯依靠仪器重力作为下行动力源更难实现。有必要对仪器在防喷管内下行过程中主要动压差阻力以及仪器壁面摩擦阻力进行分析［2］，得到不同井口压力与下行阻力关系，才能科学合理的找到解决方案。

1　仪器简介及建立模型

钢丝作业具有质量轻便容易操作，且其设备简单又经济易于下井的特点，因此广泛应用于气井作业中，通过在地面缠有钢丝的绞车对井下作业设备上下提放及控制，进而实现了操作井下仪器的目的。

1.1钢丝作业井下仪器

钢丝作业基本作业设备包括地面井口设备和井下工具［3］。在井下工具中有一最基本工具串包括钢丝绳帽、加重杆、震击器和万向节。在基本工具串下方连接投捞工具，存在较大压力下，仍可作业。我们将基本工具串及下接的投捞工具统称为井下仪器。

1.2仪器三维模型建立及网格划分

仪器分为基本工具串和投捞工具，模型上部分为工具串，下部分为投捞工具，整体分析，对总长为2.191 m（前端0.021 m，主体2.12 m，尾端0.05 m），主体直径为0.042 m、前端和尾端直径分别为0.042 m和0.015 m的仪器进行建模及对流场网格划分［4］，如图1。

图1　井筒内部流域网格划分Fig.1 Wellbore internal meshing

2　仪器在防喷管内阻力理论分析

仪器在防喷管内静止主要受到静压差阻力，当仪器在防喷管内克服静压阻力、盘根对钢丝的摩擦阻力启动时，不仅要受到上下两端的动压差的阻力，同时仪器各部位要受到一定的摩擦阻力作用［5］。

2.1静压差阻力

当仪器在防喷管内启动所需要克服的静压差阻力包括两部分：（1）仪器前端气体的阻力；（2）器尾部表面的压力，这部分压力是由于井口压力引起的。

式中：fΔp—仪器上下静止压力差引起的阻力，N；

Dy—仪器直径，m；

p1—仪器前端压力，MPa；

p0—井口压力，MPa。

2.2运动阻力分析

仪器下行启动时，主要克服的阻力仍为动压差阻力，但同时各部位运动受到一定的摩擦阻力［6］。阻力分析如下：

（1）仪器上下压力差引起的阻力

（2）仪器主体的摩擦阻力

（3）仪器尾部的摩擦阻力

（4）仪器前端的摩擦阻力

式中：Pqd—仪器前端压力平均值，Pa；

Pwd—仪器尾端压力平均值，Pa；

Fi—仪器主体的摩擦阻力，N；

fw—仪器尾部的摩擦阻力，N；

fq—仪器前端的摩擦阻力N；

Lyz—仪器主体长度，m；

Lyw—仪器尾部长度，m；

τz—仪器主体剪应力，Pa；

τw—仪器尾部剪切应力，Pa；

τq—仪器前端剪切应力，Pa；

Dy—仪器直径，m；

Dyw—仪器尾端直径，m；

Dyq—仪器前端直径，m。

其中Pqd，Pwd，τz，τw，τq数据通过fluent数值模拟分析得到。

3　模拟计算结果分析

下行速度1 000 m/10 min即1.7 m/s时，分别模拟井口压力为 8、10、12、14、16、18、20、22、24 MPa情况下的仪器下行阻力。模拟分析防喷管内仪器下行的速度、压力、剪切应力场，同时给出压力和剪切应力分布图。

以下均取井口压力为8 MPa，仪器下行速度为1.7 m/s时的工况进行分析。

3.1速度分布

由图2可知，仪器匀速下行时，过环空狭缝处速度明显增大，仪器前端气体流速平缓增大，尾端仪器变细，环形空间逐渐缩小，气流流速变缓。仪器尾端存在扰流。

图2　仪器前端尾端环空速度分布云图Fig.2 Annulus velocity distribution map in front and end of the instrument

3.2压力分布

由图3可知，前端区域压力明显较尾端大，通过X-Y散点图可得到压力平局值，经计算仪器前端区域压力的平均值Pqd：8.083×106Pa，仪器尾部区域压力的平均值Pwd：8.00×106 Pa。

图3　仪器前端、尾端区域压力分布Fig.3 Pressure distribution map in front and end of the instrument

3.3剪切应力分布

仪器下行过程中，所受的摩擦阻力主要由3部分构成：仪器主体壁面剪切应力；仪器前端锥体部分剪切应力；尾部剪切应力。

图4　仪器主体、前端、尾部剪切应力分布Fig.4 Shear stress distribution map in front and subject and end

由图4可知，仪器主体部分剪切应力最大，经计算仪器主体部分剪切应力τz平均值为64.10 Pa，仪器前端剪切应力τq平均值为45.98 Pa，仪器尾部剪切应力τw平均值为37.17 Pa。

4　仪器下行阻力分析

数值模拟得到各部位平均压力及剪切应力值，结合模型尺寸，通过上述分析计算，得出仪器下行总阻力。

4.1井口压力的影响

在井口压力为 8 MPa，仪器下行速度为1.67 m/s时的动压差阻力为114.32 N，仪器主体摩擦阻力17.92 N，尾部摩擦阻力0.09 N，前端摩擦阻力0.09 N，求和得知总阻力为132.42 N。

同样过程，得到其他井口压力下的仪器下行阻力如图5。

图5　仪器下行阻力与井口压力关系曲线Fig.5 The curve between instrument downward resistance and wellhead pressure

4.2其他因素对下行阻力影响

分别研究了前端锥度和速度对下行阻力影响，如表1、表2。

通过计算结果可见，仪器下行速度低时，气体压力小，阻力小。仪器前端锥度对下行阻力也存在一定影响，当锥度由45°降低为30°时，阻力降低为原阻力的96.4%。

5　配重计算

合理科学设置仪器配重，是解决仪器下行问题根本途径［7］。通过准确计算得到的下行阻力，根据仪器自重科学配重。

表1　改变前端锥度其阻力计算结果Table 1 The resistance calculation result of changing front taper

表2　改变下行速度其阻力计算结果Table 2 The resistance calculation result of changing down speed

（1）仪器重量

主要有仪器和钢丝重量

（2）阻力

由上述数值模拟和拟合得到仪器下行阻力

（3）启动条件

式中：F—仪器下行阻力，N；

p0—井口压力，MPa。

所需配重由启动条件即可确定［8］。

6　结 论

（1）仪器下行困难的重要原因是受到较大的静压差阻力，由两部分组成，仪器自身浮力和井口压力作用于钢丝断面上的静压力，后者阻力所占比重较大，因此，可知下行启动时，阻力的主要来源是井口压力和钢丝重量。

（2）通过计算结果可见，其他因素引起的阻力非常小，根据模型及理论分析，准确计算下行阻力大小，合理配置仪器重量是解决问题根本途径。

［1］ 王毅忠，刘庆文. 计算气井最小携液临界流量新方法［J］. 大庆石油地质与开发，2007，26（6）：82-85.

［2］ 王怒涛，黄炳光，陈军. 压力恢复法与压差曲线法结合计算气井动态储量［J］. 大庆石油地质与开发，2008，27（6）：43-45.

［3］ 徐桃园，管强，胡霞，等.井口防喷阀有限元分析与结构优化［J］.阀门，2010（1）：35-36.

［4］ 王福军. 计算流体动力学分析［M］. 北京：清华大学出版社，2004：188-190.

［5］ 张博，杨健，戈楠，等. 影响录井钢丝使用寿命因素分析［J］. 价值工程，2011，30（13）：48-49.

［6］ 郭新江. 天然气工程勘探［M］. 北京：中国石化出版社，2012：178-179.

［7］ 吕英臣，郭合理，等. 录井钢丝的失效分析［J］. 金属制品，2010 （3）：72-78.

［8］ Richimyer R D.Morton K W. Difference methods for initialproblems ［M］. NewYork： Interscience Publishers，1967-0 2：29-45.

Analysis on Down Resistance of Wire Instrument in Gas Wells

CHEN Da
（College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000， China）

Steel line is often used in gas wells， higher gas pressure can cause wire tools to be poured to well blowout box， which will bring many difficulties for wire operation. Based on the process of wire line operation， its gas dynamics was studied and the resistance was analyzed. Through simulating the descending process of steel wire tools by computational fluid dynamics software， cloud drawings of velocity and pressure around the instrument were obtained. Gas resistance of steel wire tools under different head pressure was analyzed. Then mathematical relationship between the wellhead pressure and instrument downward resistance was fitted.

wire operation； well downward； numerical simulation

陈达（1991-），男，黑龙江省大庆市，硕士，主要研究复杂流体力学。E-mail：944084460@qq.com。

TE 931.2

A

1671-0460（2016）05-1058-04

2016-03-25