张古森

摘 要：研究将一种全新的隔热涂料喷涂于钻杆内部，通过钻杆模拟隔热试验和CFD隔热系数模拟试验，检测涂层物理化学性能及隔热效果。分析在钻杆油浴加热过程中，钻杆内通入常温流动或非流动状态水状态下，钻杆内、外壁温度随着时间变化情况;根据油气田实际工况，使用CFD技术模拟仿真井底钻杆内部温度场，模拟计算喷涂隔热材料的完钻井钻井液温度分布。结果表明，新型隔热材料涂层对钻杆有明显的隔热效果，涂层越厚隔热效果越好，实际工况条件下能够降低底层温度50℃以上，可以有效提升测井仪器耐高温性能。

关键词：隔热材料;钻杆;测井仪器;油气田;深井及超深井开采;CFD

中图分类号：TU55+1;P631.8+3 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）12-0052-05

Application of Insulation Material in Improving High Temperature Resistance of Logging Tool

Zhang Gusen

（Pipe and Tool Company of Sinopec Zhongyuan Petroleum Nngineering. Ltd.， Puyang 457331， China）

Abstract：A new insulation coating is sprayed on the inner of drill pipe. Drill pipe simulated insulation test and CFD insulation coefficient simulation test are adopted to test the physical and chemical properties and insulation effect. In the pre-heating process of drill pipe oil， filling normal temperature flowing water or non-flowing water in the inner of drill pipe， the inner and outer wall temperatures of drill pipe change with time. According to the actual working conditions of oil and gas fields， CFD technology is used to simulate the inner temperature field of bottom hole drill pipe， so as to simulating calculate the temperature distribution of drilling fluid in drill pipe sprayed with insulation material. The results show that the new coating has obvious insulation effect on drill pipe. And the thicker the coating is， the better the insulation effect is. In actual working conditions， the bottom temperature can be reduced by more than 50℃， which can effectively improve the high temperature resistance of logging tool.

Key words：Insulation materials; Logging tool; Drill pipes; Oil and gas fields; Deep and ultra-deep wells mining; CFD

0 引言

我國西部油田是国内石油产量的主要战略接替区，但其近70%油气资源埋藏在深部地层[1]。随着我国对石油、天然气资源的需求量的大幅增加，促使石油天然气勘探趋向于在西部地区的更深地层寻找油气藏。“十一五”期间随着中石化集团公司石油勘探技术的发展以及万米钻机的引进，设计井深7 000 m以上的深井和超深井越来越多。深层油气藏勘探对测井井下仪器的技术要求，突出表现为仪器在高温、高压条件下的可靠性和稳定性，这大大增加了测井施工的难度[2]。目前国内常用的常规测井仪器的耐温指标一般在175℃[3]，在井温超过200℃的深井、超深井中现有仪器的耐温、耐压、耐腐蚀方面性能难以实现开采需求。

提升测井仪器耐高温性能的方法主要有障涂层技术方法、相变储能技术方法[4-5]。相变储能技术的储能方式中，化学储能的效果最好;但是，由于发展的时间较短，对于细节之处的处理还不到位，还有一定的技术难关没有攻破，其还处于研究阶段[6]。热障涂层方法就是将隔热、耐腐蚀材料通过涂抹或喷涂的方式，在管道表面形成一层隔热膜，作用就是起到隔热保温作用[7]。但是对于油气田开采过程，一般涂料并不适用于钻杆内高压和油基泥浆环境，也不符合钻杆内壁喷涂标准[8]。因此，需要开发一种全新的应用于钻杆内壁的特种隔热涂料，保证涂层在钻杆内壁的正常使用，从而提升钻杆内测井仪器的耐高温性能。

本文在钻杆内部喷涂一种全新的隔热涂料，同时采用地面循环冷却降温钻井液方法提升测井仪器耐高温性能。通过钻杆模拟隔热试验和传热数值模拟试验，检测涂层物理计算流体、化学性能及隔热效果。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

隔热材料以环氧树脂为主;耐高温材料主要为环氧改性氟硅树脂;隔热材料是闭孔空心氧化锆、三氧化二铝。

采取了高固含、双组分、分段式固化。采用常温定型、高温烧结成型的固化方式，解决基础有机材料在高温环境中应用的稳定性;不含任何溶剂、稀释剂，无任何刺激气味，其固化成膜率达到98%以上，解决了涂装过程中的环境污染问题，且材料的混合密度约为0.75 g/cm³，密度小，单位质量涂敷的面积更大;黏度、稠度，满足喷涂作业;隔热材料涂层脆性较低，满足钻杆扭曲、变形的应力变化要求;喷涂后材料表面光滑、致密且耐磨，涂层与钻井液摩擦系数达到 μs=0.1～0.12。

1.2 试验方法

1.2.1 钻杆模拟隔热试验

将20 cm长钻杆内壁打磨为喷砂除锈至Sa2.5级或机械打磨除锈至St2后，将隔热材料完全喷涂于钻杆内壁，涂层厚度为3～5 mm。钻杆油浴加热，温度加热到200℃，钻杆外壁安装温度传感器进行测温;内壁通入常温流动或非流动状态水，内置温度传感器进行测温。观察随着时间推移，钻杆内、外壁温度上升变化。试验装置如图1所示。

1.2.2 隔热系数模拟试验

采用CFD计算机辅助设计技术，对实际工况下对钻杆内部温度场进行模拟仿真。模拟计算喷涂隔热材料后井底钻杆末端内部温度。具体如下：使用FLUENT6.0软件进行井底钻杆内部温度场模拟，使用Design Molder根据该工况建立二维模型几何体模型。采用ICEM进行网格划分，划分为结构性网格，保证网格质量均在0.9以上。模拟采用双流体模型，模拟过程中，钻井液从顶部中间入口处注入，经过底部的循环，从顶部两侧的出口流出。双流体模型中，壁面边界条件均为无滑移壁面（No Slip），采用的钻井液为水和柴油按1∶9的比例混合而成。多相流模型选择Mixture，将diesel liquid设置成第1相;water liquid设置成第2相;Energy模型，选择层流模型。入口速度设置为0.2 m/s;第2相water的体积分数设置为10%。添加温度分布方程函数离散计算结果。

2 试验结果与讨论

2.1 钻杆模拟隔热试验结果

（1）常温油、水为介质，无循环结果。将钻杆油浴加热，外壁油浴温度加热到200℃，在钻杆内通入常温状态水，无循环，测试钻杆内、外壁温度随着时间的变化，钻杆内无隔热材料涂层的测试结果见图2（a），喷涂隔热材料，涂层厚度为3 mm、5 mm的测试结果分别见图2（b）和图2（c）。由图2（a）可见，外壁温度由15℃上升到95℃用时47 min;当外壁温度为95℃时，钻杆内壁温度76.5℃。由图2（b）可见，3 mm涂层钻杆：外壁温度由15℃上升到95℃用时51 min，当外壁温度为95℃时，钻杆内壁温度42.6℃。由图2（c）可见，5 mm涂层钻杆当外壁温度为95℃时，钻杆内壁温度36.1℃。结果表明，隔热材料涂层具有隔热效果，外壁温度上升到同样温度时，5 mm涂层厚度钻杆内壁温度由13℃上升到45.7℃时用时43 min，3 mm涂层钻杆内壁温度用时31 min，无涂层钻杆内壁温度同比用时21 min。说明涂层有明显的隔热效果，且涂层越厚隔热效果越好。

3种钻杆内壁温度随时间变化趋势如图3所示。由于涂层的隔热效果，钻杆外壁温度向内部扩散慢，所以钻杆外壁温度在同样加热和持续时间条件下，5 mm涂层钻杆内壁温度比3 mm涂层钻杆内壁温度低11℃;而3 mm涂层钻杆内壁温度比无涂层的钻杆内壁温度低20℃。由于涂层的隔热效果，有涂层的钻杆内壁温度上升慢（观察曲线的斜率变化）;无涂层的钻杆内壁温度上升快。两种不同厚度涂层的之间对比不明显。

（2）常温循环水为介质，循环流量（1.5 m3/h）。同样将钻杆油浴加热，外壁油浴温度加热到200℃，在钻杆内通入常温循环水，测试钻杆内、外壁温度随着时间的变化情况。图4（a）、图4（b）和图4（c）分别显示了通入循环水后，钻杆内无隔热材料涂层，以及隔热材料涂层厚度分别为3、5 mm的测试结果。从图4（a）中可看出，钻杆没有喷涂隔热材料时，钻杆外壁温度由20℃上升到95℃用时44 min，当钻杆外壁温度为95℃时，钻杆内壁温度28.4℃;持续保温13 min（总时间57 min），钻杆内壁温度39.3℃。从图4（b）可看出，钻杆涂层厚度为3 mm时，钻杆外壁温度由20℃上升到95℃用时45 min，当钻杆外壁温度为95℃时，钻杆内壁温度为17.9℃;当总用时57 min情况下，钻杆内壁温度上升19.7℃（此时钻杆内壁温度为98.5℃），比无涂层钻杆内壁温度低20℃;当钻杆内壁温度达到39.3℃时，需要增加保温时间130 min，说明涂层具有明显隔热效果。从图4（c）可看出，当钻杆外壁温度从30℃升到95℃时，5 mm涂层的钻杆内壁温度上升1.8℃，3 mm涂层的钻杆内壁温度上升4.3℃，无涂层的钻杆内壁温度上升11.7℃。这也说明涂层具有明显隔热效果。

图5是通入循环水，3种钻杆内壁温度随着时间的变化图，对比3种钻杆温度变化，涂层具有隔热效果，并且涂层越厚效果越好。在通入循环水条件下，涂层厚度影响不像无循环那么明显。无涂层管体管内温度同样时间内上升速度更快（曲线斜率大），两种涂层的区别不大。由于循环过程带走热量，有涂层钻杆与无涂层钻杆相比，需要更多的时间才能达到同样温度。这表明，喷涂隔热材料和介质循环降温两种方法配合可以更加有效的降低钻杆内壁温度。在油气田实际开采过程中，可以利用同时采用循环钻井液和提高钻杆隔热两种方式减低钻杆内温度，提升测井仪器耐高温性能。

2.2 隔热系数模拟试验

根据油气田实际工况，使用CFD计算机辅助设计技术，模拟仿真井底钻杆内部温度场，具体工况条件：井深7 500 m，水平段长度（纯水平段）约为600 m，转弯半径80 m，地面温度25℃，地层材质为岩石，钻杆材质为钢，钻井液分别为柴油和水，循环排量11 L /s。具体“7 500 m完钻井模型”一开采用17½”钻头钻至1 500 m，133/8”套管下至1 499.22 m;二开采用12¼”钻头钻至5 108 m，97/8”+95/8套管下至5 106.41 m;三开采用8½”钻头鉆至7 350 m，7套管下至7 348.6 m;四开先采用Φ149.2 mm的钻头钻直导眼，然后侧钻水平段，钻至8 169.27 mm。井身结构如图6所示。

2.2.1 建立井下钻井液传热二维模型

使用Design Molder建立二维几何体模型，如图7所示。图7中将几何体划分成4个区域，其中1、2为固体域（命名为Solid），3、4为流体域（命名为Fluid）。将几何体入口（inlet）边界条件设置为速度入口（Velocity inlet），出口（outlet1，outlet2）边界条件均设置为压力出口（Pressure outlet），其余壁面均设置为Wall。采用ICEM进行网格划分，划分为结构性网格，网格尺寸为1 mm，保证网格质量均在0.9以上。

2.2.2 钻井液传热数值模拟计算

本模拟采用双流体模型，模拟过程中，钻井液从顶部中间入口处注入，经过底部的循环，从顶部两侧的出口流出。双流体模型中，壁面边界条件均为无滑移壁面（No Slip），采用的钻井液为水和柴油按1∶9的比例混合而成。多相流模型选择Mixture，将diesel liquid设置成第1相，water liquid设置成第2相，层流模型;入口速度设置为0.2 m/s。第2相water的体积分数设置为10%，井深7 500 m;钻杆外径88.9 mm，钻杆内径70.2 mm;地表温度25oC，地温梯度0.025℃/m;钻井液的密度1 300 kg/m3，比热容3 900 J/（kg·K），导热系数1.73 W/（m·K），钻井液入口温度25℃，钻杆隔热材料涂层厚度3 mm，内涂钻柱导热系数0.08 W/（m·K）。经过之后添加温度分布方程函数，并在岩石壁面处进行加载，模拟温度分布如图8所示。

由图8可知，钻井液最高温度在钻井水平段终端，温度约为150℃。对比相关井史资料，通过电测数据对井底循环温度进行标定，“7 500 m完钻井模型”最终确定的计算参数：完钻井底地层温度为200℃。经过以上模拟发现，钻杆涂层在同样工况条件下能够降低底层温度50℃以上。

3 结语

（1）新型隔热材料涂层对钻杆有明显的隔热效果，且涂层越厚隔热效果越好。

（2）使用CFD模拟仿真7 500 m完钻井模型内部温度场，钻杆涂层在同样工况条件下能够降低底层温度50℃以上，可以有效提升测井仪器耐高温性能。

参考文献

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