一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法

本发明涉及油气井安全，尤其是一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法。

背景技术：

1、气井带压作业是在井口带压情况下起下油管或钻杆来完成钻完井、压裂酸化和修井施工，其在非常规储层保护和增储上产方面效果显著。环形防喷器是气井带压作业安全和成功的关键核心设备，它通过活塞上行挤压胶芯与油管形成油管-胶芯接触副来实现油套环空动密封。环形防喷器密封失效极易诱发井口天然气泄漏，给气井带压作业安全和环境风险带来巨大威胁。因此，定量可靠评价环形防喷器气密封安全性对气井带压作业安全管控至关重要。

2、现有关于环形防喷器气密封性能评价方法主要包括理论法、有限元法和实验法。理论法和有限元法主要通过建立油管-胶芯接触副宏观接触力学模型来获取密封面宏观接触压力分布，然后采用接触压力是否超过井口环空带压值来简单地判断防喷器是否满足密封要求，或者基于密封接触能理论采用接触压力与接触长度乘积的密封指数与临界密封指数比较来判断防喷器是否满足气密封要求。实际上，由于油管-胶芯接触副表面粗糙度的影响，环形防喷器泄漏本质上是一种气体通过油管-胶芯接触副微观间隙的流动问题。然而，现有基于密封面宏观接触压力评价环形防喷器气密封性能的方法均无法考虑油管-胶芯接触副微观接触状态对气体泄漏通道的影响，因而无法直接定量可靠评价气井带压作业下环形防喷器油管-胶芯接触副气体泄漏速率和密封安全性。实验法虽然可以通过建立全尺寸或小尺寸的防喷器密封结构物理模型来模拟测试油管-胶芯接触副动态泄漏速率，但该方法成本高、费时费力且存在一定的安全风险，一般仅开展少量验证性实验。因此，实验法难以实现快速经济评价环形防喷器气密封性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，解决了现有方法难以快速经济定量评价环形防喷器密封安全性，可靠性高。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，包括以下步骤：

3、s1、获取油管-胶芯密封面等效平均接触压力pcm；

4、s2、获取等效平均接触压力下油管-胶芯密封面单个球形微凸体接触面积ac；

5、s3、获取油管-胶芯接触界面微观泄漏通道的周向宽度b；

6、s4、获取油管-胶芯接触界面微观泄漏通道的平均高度h；

7、s5、获取气井带压作业时环形防喷器油管-胶芯接触界面的泄漏体积速率qv；

8、s6、将qv与允许泄漏体积速率qa对比，若满足qv≥qa，则环形防喷器密封失效，反之安全。

9、其中，在步骤s1中，获取油管-胶芯密封面等效平均接触压力的计算公式为：

10、

11、计算公式中：pcm为油管-胶芯密封面等效平均接触压力，单位为mpa；lc为油管-胶芯密封面轴向接触长度，单位为mm；pc(l)为油管-胶芯密封面接触压力分布，单位为mpa；a为密封接触能指数，无量纲。

12、其中，在步骤s2中还包括：将油管-胶芯接触副视作刚性光滑平板与均匀分布球形微凸体粗糙平板间的弹塑性法向压扁接触，采用有限元软件模拟获取等效平均接触压力pcm下单个球形微凸体接触面积ac。

13、其中，在步骤s3中，获取油管-胶芯接触界面微观泄漏通道的周向宽度的计算公式为：

14、

15、计算公式中：b为油管-胶芯接触界面微观泄漏通道的周向宽度，单位为μm；do为油管外径，单位为mm；ra为胶芯表面沿周向粗糙度，单位为μm；ac为单个球形微凸体接触面积，单位为μm2。

16、其中，在步骤s4中，获取油管-胶芯接触界面微观泄漏通道的平均高度的计算公式为：

17、

18、计算公式中：h为油管-胶芯接触界面微观泄漏通道的平均高度，单位为μm。

19、其中，在步骤s5中，获取油管-胶芯接触界面的泄漏体积速率的计算公式为：

20、

21、计算公式中：qv为油管-胶芯接触界面的气体泄漏体积速率，单位为cm3/s；pwhg为井口油套环空最大允许带压值，单位为mpa；patm为大气压力，单位为mpa；η为井口带压气体动力粘度，单位为mpa·s。

22、本发明的一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，基于等效密封接触能原理获取油管-胶芯密封面等效平均接触压力，采用刚性光滑平板与均匀分布球形微凸体粗糙平板间的弹塑性法向压扁接触模拟油管-胶芯微观接触状态，获取油管-胶芯密封面等效平均接触压力下单个球形微凸体实际接触面积，进而求取油管-胶芯接触界面微观泄漏通道的周向宽度和平均高度，采用流体力学中平行平板模型获取气体通过油管-胶芯界面的气体泄漏体积速率并与允许气体泄漏体积速率对比，快速经济定量评价环形防喷器密封安全性，可靠性高。

技术特征：

1.一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，其特征在于，

3.如权利要求2所述的一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，其特征在于，

4.如权利要求3所述的一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，其特征在于，

5.如权利要求4所述的一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，其特征在于，

6.如权利要求5所述的一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，其特征在于，

技术总结本发明涉及油气井安全技术领域，具体涉及一种定量评价环形防喷器气密封性能的方法，基于等效密封接触能原理获取油管‑胶芯密封面等效平均接触压力，采用刚性光滑平板与均匀分布球形微凸体粗糙平板间的弹塑性法向压扁接触模拟油管‑胶芯微观接触状态，获取油管‑胶芯密封面等效平均接触压力下单个球形微凸体实际接触面积，进而求取油管‑胶芯接触界面微观泄漏通道的周向宽度和平均高度，采用流体力学中平行平板模型获取气体通过油管‑胶芯界面的气体泄漏体积速率并与允许气体泄漏体积速率对比，快速经济定量评价环形防喷器密封安全性，可靠性高。技术研发人员：许红林,阳星,米红甫,向世林,彭念,李玉飞,唐诗国,唐庚,龙学渊,杨斌受保护的技术使用者：重庆科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4