深層氣井帶伸縮短接測試管柱設計與應用

丁亮亮 練章華 魏臣興 梁坤 雷先軫

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石化西南石油局井下作業公司

深層氣井帶伸縮短接測試管柱設計與應用

丁亮亮1練章華1魏臣興1梁坤1雷先軫2

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中國石化西南石油局井下作業公司

伸縮短接能有效改善測試管柱的受力狀況,提高測試作業成功率,越來越廣泛地應用到深層氣井作業中,但如何對帶伸縮短接測試管柱進行力學分析和優化設計,已經成為困擾現場作業工程師而又急需解決的技術難題。為此,首先建立了伸縮短接力學分析模型,在此基礎上建立了帶伸縮短接測試管柱在封隔器內不能移動情況下管柱、封隔器以及封隔器處套管的受力分析數學模型,并針對深層氣井特點建立了管柱強度校核方法,為伸縮短接啟動載荷計算、安裝位置確定、長度設計以及管柱優化設計提供了理論依據。將研究成果應用于川東北元壩2井,對測試管柱重新設計后,使原本無法滿足施工要求的測試管柱滿足了高溫高壓深層氣井的施工要求。

深井 氣井 伸縮短接 測試管柱 力學分析 測試成功率 元壩2井 應用效果

雖然伸縮短接大量應用于氣井測試中,但關于帶伸縮短接管柱的力學分析及設計方面的研究卻很少。國內僅有少量伸縮短接工作原理和現場應用分析[1-4],國外學者M itchell研究了帶伸縮短接管柱的屈曲理論[5],但沒有深入展開管柱力學分析及優化設計研究。

1 伸縮短接力學分析

根據伸縮短接在整個測試過程中的工作狀態特點,可以分為3種工作狀況[5]:①加載剪斷剪切銷釘;②伸縮短接自由伸縮活動;③伸縮短接完全封閉。

1)對于第一種工況,封隔器坐封完成后,繼續增壓使伸縮短接剪斷銷釘,伸縮短接進入工作狀態。銷釘受力情況如圖1所示,剪斷銷釘所需要的載荷(Fsp)為[6]:

式中 Fa為銷釘處實際軸向載荷,N;pi為油管內壓力, M Pa;Ab為伸縮短接外徑對應的截面積,m2;Ai為油管內徑對應的截面積,m2;po為套管內壓力,M Pa;Ao為油管外徑對應的截面積,m2。剪斷銷釘所需載荷由生產廠家提供。由式(1)可以得出剪斷銷釘所需的油壓、套壓值。

2)第二種工況中,油管在伸縮短節范圍內可以自由移動。因此,伸縮短接受力為零,即 Fsp為零。此時對油管的分析以伸縮短接位置為中和點,分成兩段來進行力學分析。如果管柱縮短量大于伸縮短接預留收縮量或管柱伸長量大于伸縮短接預留伸長量,則伸縮短接封閉,即工況3。

圖1 銷釘剪切力平衡圖

3)第三種工況中,油管柱伸長或縮短至完全封閉,伸縮短節承受油管壓力或拉力作用。在這種工況下,則油管位移約束條件為:

式中ΔLu為伸縮短接上部管柱長度變化;ΔLd為伸縮短接下部管柱長度變化;ΔLfc為伸縮短節預留長度。

2 管柱受力與變形分析

深層氣井測試管柱在井下受到自重、流體壓力、封隔器支撐力、摩阻力等的作用,不同作業工況下管柱的受力狀態不同,對于深層氣井應用最廣泛在封隔器內不可移動管柱,管柱變形均轉化為變形力。因此,建立管柱受力與變形分析模型是進行管柱設計的基礎。

2.1 管柱粘滯摩阻分析

對于帶封隔器井下管柱,隨著井筒壓力、溫度等參數變化而產生溫度效應、活塞效應、鼓脹效應、螺旋彎曲效應。對這4個基本效應產生的管柱變形及其變形力,國內外學者已經做了大量研究,此不贅述。對于深層氣井,高速擠酸過程中,流體粘滯摩阻效應是引起管柱變形的重要因素,也是造成管柱、封隔器失效的主要原因。因此,在分析管柱變形時除了要考慮上述4種基本效應外,還必須考慮流體粘滯摩阻效應,粘滯摩阻力(Ff)和摩阻效應變形(ΔLf)分別由下式表示[7-8]:

式中L為油管長度,m;τw為管柱內截面單位面積內的粘滯摩阻力,Pa;D為油管內徑,m;E為測試管柱彈性模量,M Pa;As為油管橫截面積,m2。

2.2 管柱載荷分析

測試管柱在不同工況下受力大小沿管柱軸線分布均不同,特別是在深層氣井中,管柱的載荷在作業各工況中的分布有很大的差異。為了綜合考慮管柱虛構力的影響,用等效軸力來分析管柱軸向載荷[9]:

式中 Fe(x)為到井底高 x處等效軸向載荷,N;F(x)為到井底高 x處實際軸向載荷,N;Ai(x)、Ao(x)分別為到井底高 x處測試管柱的內、外半徑對應的橫截面積,m2;fN(x)為到井底高 x處彎曲油管同套管間摩擦力;pi(x)、po(x)分別為到井底高 x處測試管柱內、外有效壓力,分別由下式計算:

式中pi井口為油壓,M Pa;γi為管內流體密度,kg/m3; f1為流動摩阻(產出是為正,注入時為負);po為井口套壓,M Pa;γo為管外流體密度,kg/m3。

管柱在封隔器內不可移動工況下,管柱變形均轉化為變形力,則作業工況相對坐封工況發生改變后,管柱受力[Feb(x)]、封隔器支撐力(Fzfn)、封隔器對套管作用力(Fftn)分別為[10]:

式中 Fez(x)為坐封工況下管柱軸向力,kN;Fbl為鼓脹效應、溫度效應、螺旋彎曲效應和摩阻效應4種效應力總和,kN;Fzf為坐封工況管柱對封隔器支撐力,kN;L為封隔器位置,m;Af為封隔器截面積,m2;At為油管截面積,m2。

3 管柱強度設計

深井高溫高壓條件下,油管性能要發生變化,油管抵抗外載的能力也跟著改變,因而在進行強度設計時,考慮溫度的影響的油管許用應力為:

式中σc′為給定溫度下的許用應力(油管處于安全狀態的應力),M Pa;σc為給定溫度下的應力強度,M Pa;KT為給定溫度下油管屈服強度的下降系數,KT=f(T)。

根據Von-M ises屈服強度準則,用三軸應力來校核管柱安全性,應力計算公式為:

式中σi為三軸應力,M Pa;σr為徑向應力,M Pa;σθ為周向應力,M Pa;σz為軸向應力,M Pa。

管柱危險截面安全系數為:

4 現場應用

元壩2井是中石化勘探南方分公司部署在四川盆地巴中低緩構造帶元壩巖性圈閉西翼的一口預探直井。完鉆井深6 828 m,對該井須二段(4 600～4 640 m)APR加砂壓裂測試。首次施工由于管柱設計不合理,壓裂至95 M Pa地層未開,發生油套壓串通,作業失敗。因此,對測試管柱進行力學研究,分析事故原因,并重新設計測試管柱。

該井地表溫度12℃,地溫梯度2.03℃/100 m,地層壓力85.84 M Pa,初始測試管柱結構為:高抗硫WSP-1T110SS油管`88.9 mm×9.52 mm×4 200 m +`88.9 mm×6.45 mm×360 m組合油管。

首先對初始測試管柱進行力學分析(表1),座封下放管柱懸重20 t,座封時油管內外流體密度1.98 g/ cm3,加砂壓裂時油管內外流體密度1.02 g/cm3。

表1 初始管柱力學分析結果表

封隔器安全坐封力為9.07 t,而壓裂時坐封力為21.1 kN,小于封隔器安全坐封力,同時封隔器對套管作用力達460.26 kN。元壩2井事故分析結果為:施工中封隔器承受上頂力較大,膠皮密封不嚴,存在柔性竄漏,同以上理論計算結果相符合。因此,采用本研究方法設計伸縮短接,針對管柱受力最惡劣的擠酸工況,采用不同伸縮短接長度對封隔器支撐力進行敏感性分析,分析結果如圖2所示。

圖2 伸縮短接長度與封隔器支撐力關系曲線圖

通過以上敏感性分析,設計1.7 m伸縮短接便可有效補償擠酸工況管柱變形附加力。以下對安裝伸縮短接后的管柱進行力學分析和強度校核,結果見表2。

表2 帶伸縮短接管柱力學分析結果表

現場施工證明,重新設計的管柱滿足了施工要求,整個施工過程中管柱未出現異常,順利完成測試工作。

5 結論

1)針對深層氣井高溫、高壓及帶伸縮短接測試管柱的特點,建立了帶伸縮短接管柱力學分析模型,并針對深層氣井特點建立了管柱強度校核方法,為伸縮短接啟動載荷計算、安裝位置確定、長度設計以及帶伸縮短接管柱優化設計提供了理論依據。

2)帶伸縮短接管柱和無伸縮短接管柱的力學分析對比表明:測試管柱加裝伸縮短接能有效補償管柱變形引起的附加力,改善管柱受力狀態,對提高深層氣井測試管柱安全性具有重要意義。

3)通過在元壩2井的施工應用,采用本文分析方法重新設計測試管柱后,使原本無法滿足施工要求的測試管柱滿足了高溫高壓深層氣井的施工要求。現場應用結果表明:該方法適用于帶伸縮短接測試管柱力學分析和優化設計。

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[6]HAMM ERL INDL D J.Movement,fo rces,and stresses associated w ith combination tubing strings sealed in packers[J].Journalof Petroleum Technology,1977,29(1):195-208.

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Design and application of well testing string with slip joints in deep gas wells

Ding Liangliang1,Lian Zhanghua1,Wei Chenxing1,Liang Kun1,Lei Xianzhen2
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exp loitation,Southw est Petroleum University, Chengdu,Sichuan 610500,China;2.Dow nhole Services Com pany,Sinopec Southw est B ranch,Deyang,Sichuan 618000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 3,pp.70-72,3/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Slip joints,widely app lied in deep gas wells,can effectively increase the load distribution along the well testing string and thus imp roving the success rate of well testing operations.However,how to make amechanical analysis and an op timal design of the slip-joint-added well testing string has become a difficult technical p roblem puzzling the testing engineers and waiting fo r solution as early as possible.Fo r this reason,amechanical analysismodelwas first set up fo r slip joints.Then othermechanical analysismodels fo r well testing tubing string,packer and casing near the packer were established w hile the dow nhole string w ith slip joints could not move w ithin the packer.And a strength checking method was developed for deep gas wells,thus p roviding the theo retical basis for the calculation of the trigger loads,positions and lengthsof the slip joints and op timal design of the testing string.The study results were used in the deep gas well Yuanba 2 fo r re-designing of the well testing string,w hich thus could meet the requirement of the HPHT deep gas well testing.The field applications show that this setof method can be app lied formechanical analysis and op timization design of the well testing string w ith slip joints.It is significant fo r imp roving success rate and economic benefits of testing fo r deep gas wells.

deep well,gaswell,slip joint,testing string,mechanical analysis,well testing success rate,well Yuanba 2,app lication results

國家自然科學基金項目(批準號:50774063)。

丁亮亮,1983年生,博士研究生;2008年畢業于西南石油大學并獲碩士學位;主要從事油氣井工程力學方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區西南石油大學博士08級。電話:13541216754。E-mail:lld1210@163.com

丁亮亮等.深層氣井帶伸縮短接測試管柱設計與應用.天然氣工業,2011,31(3):70-72.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.018

(修改回稿日期 2011-01-13 編輯 居維清)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.03.018

Ding L iangliang,bo rn in 1983,graduated from Southwest Petroleum University in 2008 w ith an M.Sc.degree.He is now studying fo r a Ph.D degree at Southwest Petroleum University,doing his research on oil/gas well engineering mechanics.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Mobile:+86-13541216754 E-mail:lld1210@163.com