高温电潜泵注采一体化管柱自动Y工具设计.pdf
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1、2023年第5 2 卷第5 期第43页文章编号:10 0 1-348 2(2 0 2 3)0 5-0 0 0 43-10石油矿场机械OILFIELDEQUIPMENT2023,52(5):43-52高温电潜泵注采一体化管柱自动Y工具设计靳荣博,孟令坤,程文佳,霍寒旭,葛垣(中海油田服务股份有限公司天津分公司,天津30 0 45 9)摘要:现有的稠油热采工艺普遍存在生产效率低、工艺流程复杂和液控管线数量较多的问题。针对这些问题设计了一种适用于高温电潜泵注采一体化工艺的新型自动Y工具,可以实现稠油热采过程中注入和生产通道的自动切换,简化了工艺流程,并减少了液控管线的数量。介绍了自动Y工具的设计原理
2、、强度校核和有限元分析,并进行了常规功能性试验、流量试验和隔热试验。结果显示,该自动Y工具能够满足35 0 高温电潜泵注采一体化的作业要求,隔热效果良好,最大流量为 2.8 6 m/min(18 bbl/min)。关键词:电动潜油泵;注采一体化;自动Y工具;工具设计中图分类号:TE933.903Design of Automatic Y Tool for High-Temperature ElectricSubmersible Pump Injection-Production Integrated StringJIN Rongbo,MENG Lingkun,CHENG Wenjia,HUO
3、Hanxu,GE Yuan(Tianjin Branch,China Oil field Services Limited,Tianjin 300459,China)Abstract:The existing heavy oil thermal recovery process generally has problems of low produc-tion efficiency,complex process flow,and a large number of hydraulic control pipelines.A newautomatic Y tool suitable for t
4、he high-temperature electric submersible pump injection productionintegration process was designed to address these issues.It can achieve automatic switching of in-jection and production channels during the heavy oil thermal recovery process,simplify theprocess flow,and reduce the number of hydrauli
5、c control pipelines.The design principle,strength verification,and finite element analysis of the automatic Y tool,and conducted routinefunctional tests,flow tests,and insulation tests were introduced.The results show that the auto-matic Y tool can meet the operational requirements of 35o C high-tem
6、perature electric submersi-ble pump injection production integration,with good insulation effect,and a maximum flow rateof 2.86 m/min(18 bbl/min).Key words:electric submersible pump;injection-production integration;automatic Y tool;design我国的渤海地区存在丰富的稠油资源,已探明文献标识码:Aof toolsdoi:10.3969/j.issn.1001-348
7、2.2023.05.006储量达到了2 0 0 多亿t,具有很高的开采价值1。近收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 8基金项目:中海油服科技攻关项目“垦利9-5/6 油田Y管柱自动开关工具测试与可靠性分析”(CCL2021RCPS0589PNY)。作者简介:靳荣博(19 8 4-),男,陕西咸阳人,工程师,2 0 0 7 年毕业于西南石油大学电气工程及其自动化专业,主要从事完井工具的研究、制造及应用工作,E-mail:。44:年,该地区已经进行了多轮次的多元热流体吞吐与蒸汽吞吐等稠油热采工艺的试验及应用,并取得了一定的成果。然而,当前的热采井仍主要采用注热和生产2 趟管柱作业,这增加了安全风
8、险和维护成本,降低了生产效率,制约了稠油热采的大规模应用与发展 2 3。国内外的科研人员针对海上油田的稠油热采问题相继提出了同心管射流泵注采一体化技术和电潜泵注采一体化技术 4-7,这2 种方案均存在一定的局限性。其中,同心管射流泵注采一体化技术方案受限于射流泵本身性质的影响,整体的举升效果明显差于电潜泵注采一体化技术方案。现有的电潜泵注采一体化技术方案的工艺流程较为复杂,控制管线数量较多,这给作业安全埋下隐患。针对工具名称带转向阀的Y接头蝶形弹簧式接头弹簧自切换式Y形接头可解堵式智能Y接头双泵工艺管柱Y接头改进型Y接头Y-check注:“”代表具有该功能。1自动Y工具结构设计1.1结构及工作
9、原理自动Y工具的结构如图1所示,主要由上短节、本体、限位筒、齿轮齿条、单流阀组和坐落接头等组成。密封球通过齿轮齿条与密封筒相连,当电潜泵未开启时,单流阀在弹簧弹力作用下处于密封状态,阀板处密封球处于直立状态,可进行钢丝作业。电潜泵开启后,单流阀在流体作用下,克服弹簧弹力向上移动,通过齿轮齿条机构带动密封球转动,阀板处密封球将密封坐落接头处通道,自动Y工具进人生产状态。石油矿场机械上述技术方案中存在的问题,本文提出了一种新型自动Y工具,配合热采安全阀、高温封隔器、一控二工具及高温排气阀等关键工具,简化了稠油热采的工艺流程,实现了注热和生产通道的自动打开和关闭,降低了液控管线的数量,满足35 0
10、下电潜泵注采一体化技术方案的要求。在带有自动开关功能的Y工具设计方面,国内外学者已经展开了一系列的研究 8-14,具体成果如表1所示。目前,具有自动开关功能的Y工具不能同时具备钢丝作业和止回阀功能,且整体没有进行隔热处理,无法满足35 0 热采环境下工具的功能和隔热要求。表1具有自动开关功能的电潜泵Y形工具技术现状根据生产状况可进行钢丝作业或自动切换采用备用方案V1一上短节;2 一限位筒;3一坐落接头;4一单流阀组;5 一齿轮齿条;6 一本体。图1自动Y工具整体结构示意自动Y工具阀板处结构如图2 所示,整体采用浮动式密封结构。当流体流过球表面时,可以使球阀产生转动,从而产生新的密封面,有利于延
11、长寿命,提高可靠性。2023年9 月具有止回阀的作用适用于高温环境b生产状态5612a注人状态图2 自动Y工具阀板结构第5 2 卷第5 期1.2阳隔热结构设计稠油热采过程中,由于热采工具与外部环境存在较大的温差,会导致热量大量散失,从而生成天然气水合物,并造成产量下降,甚至会造成井口和井下装置损坏。为了保证稠油热采过程的顺利进行,必须对稠油热采工具进行隔热处理 15 。图3为自动Y工具本体的隔热结构方案,其中的隔热层采用新型气凝胶材料,具有较低的热导率和较高的孔隙率,隔热效果良好。在隔热层的外部采用42 CrMo材料作为保护层,保证隔热层在工具下入过程中不被损伤。图3自动Y工具隔热结构根据SY
12、/T5324一2 0 13预应力隔热油管及海上稠油热采井套管和油管设计要求的规定,需要重复下人油管的视导热系数应该小于0.0 6 W/(m)2 ,计算式为:入=22元L(t-t,)式中:入为视导热系数,W/(m);Q 为试验段有效加热功率,W;D:为保温层外侧直径,mm;D 为保温层内侧直径,mm;L为试验段有效加热长度,mm;t为自动Y工具内部温度,;t,为自动Y工具外表面温度,。根据传热学的基本原理 16 ,Y工具表面的温度可近似通过隔热管柱的表面温度计算式进行求解,如式(2)。t.=t.+%元aD3式中:ta为环境温度,;q为单位长度的散热量,W/m;a为对流散热系数,W/(m.)。通过
13、式(2)计算,当流体温度为35 0,外部环靳荣博,等:高温电潜泵注采一体化管柱自动Y工具设计关键部件强度校核1.3.1圆筒类零件应力分析针对自动Y工具中圆筒类零部件壁厚较为薄外部保弱处进行强度校核。根据第四强度理论,管件抗内护层压强度的计算式为:气凝胶隔热层工具本体QInD3D245境温度分别为2 0、5 0、8 0、110、15 0 时,自动Y工具表面的理论温度值如表2 所示。表2 不同环境温度下自动Y工具外表面温度值环境温度/外部保护层表面温度/20715096801211101471501811.3(D-d)o,力二n2Vd+3D式中:D为管柱外径,mm;d为管柱内径,mm;n2 为安全
14、系数,一般取1.2;o,为材料屈服强度,MPa;p为管柱抗内压强度的压力,MPa。自动Y工具本体的材料为42 CrMo,热处理后材料的力学性能要高于P110钢级。按照35 0 时P110钢级的材料屈服强度6 8 0 MPa进行强度校核。选取外径最小尺寸为8 4mm,内径尺寸为7 0 mm,得到其最大应力值为38 5 MPa,满足强度要求。1.3.2密封球在工具内的受力分析自动Y工具中密封球和球座的接触密封在内(1)部流道的变换中起着重要的作用,如图1所示,通过2处密封球和球座间的启闭配合,使得自动Y工具的流道在生产通道和注人通道自由切换。密封球和球座处于接触密封的状态时密封球的受力情况如图4所
15、示。由于流体压力Fp的影响,密封球和球座会发生弹性变形。当流体压力消失后,两者弹性变形产生的变形力可能会导致密封球和球座出现卡紧而无法脱离的情况,影响自动Y工具内部的流道切换。设由弹性变形力所产生的法向(2)压力为Fn,球座密封面夹角为,密封球和球座间的摩擦因数为k,可得密封球受力F,的计算式口17 为:Fp=2Fsin-2kFcos(3)(4):46图4处于接触密封状态时密封球的受力根据密封球材料选定密封球和球座的摩擦因数为0.3。由式(4)可知当Fp0时摩擦力小于支撑力,密封球和球座不会发生卡紧而无法脱离的情况,此时k一tano2自动Y工具仿真分析2.1流场分析为了实现注人和生产通道的相互
16、切换,自动Y工具的内部结构设计较为复杂,导致其流场分布尚石油矿场机械D.不明确。本节将使用ANSYS软件对自动Y工具在2 种工况下内部流体的流动状态进行分析。采用ANSYS内部模块建立自动Y工具的流FFV&d.2023年9 月体域模型,如图5 所示,并对其中的一些微小零部件进行简化。自动Y工具内部流动属于空间湍流流动,对于流体域的网格划分十分重要,因此模型采用六面体网格进行划分,具体结果如图6 所示。端流模型选择RNGk-模型,流体域介质为液态水,压力亚松弛因子为0.3,动量亚松弛因子为0.10.2,在0 12 MPa内取系列值作为人口压力(定义为inlet),出口压力(定义为outlet)为
17、大气压。进行流体域仿真分析 18-19 图5 自动Y工具流体域模型a边界层网格划分b主体部分网格划分(5)图6 流体域网格划分1)注人通道开启状态时。流场分析结果如图7 所示。当自动Y工具处于注人通道开启状态时,压力在整个流场的变化十分规律,呈现从人口到出口逐渐减小的趋势。同时,Pressure7.283e+016.614e+015.944e+015.274e+01.605e+013.935e+01266e+01.596e+01.927e+015.875e+00257e+01-8.207e-017.516e+001.421e+01-2.091e+01-2.760e+01-3.430e+01-4
18、.099e+014.769e+01-5.439e+01pslVeloclty6.8340+006.407e+005.980e+005.553e+005.126e+004.6990+004.2720+003.8440+003.417e+002.9900+002.563e+002.136e+001.709e+001.281e+008.543e-014.272e-010.000e+00m.s-110.2500.125a压力分布图7 注入通道开启时工具内部流体压力与速度分布0.2500.12b速度分布0.375第5 2 卷第5 期由于管径变小和流速增大,在注人通道下部表面产生了一定负压。进一步对内部流
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