油管錨定松脫預警方法及現場試驗

孫先紅 辛 旻 張廣泰 董康興

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.大慶油田工程有限公司）

封隔器的作用是隔離油套環空，將生產層與作業地層隔開，以此來控制注入或采出流體［1］，在油氣開采和各種作業中起著非常重要的作用［2］。封隔器需要在井口施加較大的坐封力，使膠筒膨脹從而隔絕油套環空，并且在井下作業過程中承受較大的壓力差。

在實際作業或者生產過程中，由于頻繁的開井、關井和抽油機的上下往復運動，封隔器承受著較大的靜載荷和動載荷，因此在長期工作過程中，封隔器坐封失效問題時常發生，嚴重影響生產效率和作業效果，造成一定的經濟損失，甚至造成安全事故［3～5］。

當前，對于封隔器坐封效果的判斷主要以分析生產數據、注入壓力或通過打壓試驗的方法進行分析［6～8］，其準確率低、分析難度大，而打壓試驗作業成本較高。 筆者提出了一種通過監測井口套管受力變化規律來判斷封隔器坐封效果的方法，該種方法操作簡單、判斷方便且準確率較高。

1 油管錨定力學分析

本判斷方法主要對機械式坐封的錨定裝置進行失效檢測，包括機械式卡瓦油管錨、機械式油管張力錨及各類機械坐封式封隔器等。 使用錨定裝置對油管進行錨定后，井口和管柱的受力情況如圖1 所示。

圖1 油管錨定采油系統管柱圖

對于封隔器坐封有兩種情況，第1 種在封隔器下入井中后， 需要對管柱施加向下的坐封載荷，完成坐封。 由于坐封載荷的存在，封隔器與井口之間的油管始終處于受壓狀態，因此井口四通受到油管向上的推力，使得井口套管處于受拉狀態， 其載荷大小F套等于井口人為施加的坐封力F坐。 第2 種為在封隔器下入井中后，不需要人為對管柱施加向下的坐封載荷，僅依靠全部或部分油管自重就可以完成坐封，坐封后，油管通過四通掛在套管上，對套管施加向下的壓力，井口套管處于受壓狀態， 其載荷大小F套等于油管自重G油管減掉封隔器完全坐封所需載荷F封。

當封隔器坐封逐漸失效時，油管所受壓力逐漸減小，直到坐封完全失效，管柱自重完全通過井口四通作用在套管上。 對于第1 種坐封方式，在封隔器逐漸失效過程中，套管所受拉伸載荷逐漸減小最后變為受壓狀態； 對于第2 種坐封方式，井口套管所受壓縮載荷逐漸增加，直到變為油管自重。

2 封隔器失效判斷原理

基于封隔器坐封后套管所受載荷變化情況，提出通過測試井口處套管受力變化來判斷封隔器坐封效果的方法。 其具體操作方法為：

a. 在油井作業下入管柱前，在套管上貼應變片組成惠斯通電橋，將利用儀器初始測得的井口套管應變值標定為零，此值為套管自由狀態。

b. 當下入管柱并完成封隔器坐封后，測試套管此時的應變狀態，根據設計電路，對于第1 種情況，套管受拉，應變值為正；對于第2 種情況，套管受壓，應變值為負。 根據應變值變化情況和坐封載荷情況，可以得到應變與坐封載荷之間的線性關系，根據管柱自重設定應變變化極限值。

c. 定期上井測試套管應變，并根據應變變化情況分析封隔器坐封效果， 當應變超過極限值時，判斷坐封完全失效。

3 油管錨定松脫預警監測裝置

根據封隔器失效判斷原理， 需要測試套管應變情況，搭建了油管錨定松脫預警監測裝置［9］，對已經完成錨定坐封的油井采用惠斯通全橋貼片的方式在井口套管外側貼片。 為消除井口彎矩對檢測數據的影響，設計應變片為180°對稱分布，惠斯通全橋電路和井口套管應變片如圖2、3 所示。

圖2 惠斯通全橋電路

圖3 井口套管應變片

基于WinCE 嵌入式操作系統搭建油管錨定松脫預警監測裝置（圖4），實現對電壓、電流等信號的接收， 經信號放大器輸出的是模擬電壓信號，通過工控微機中的A/D 轉換功能，將模擬電壓信號轉換為數字量信號， 便于信號數據的存儲。 通過數據讀取模塊將存儲于工控微機中的數據讀取至計算機， 方便數據的進一步分析和處理。

圖4 基于WinCE 嵌入式操作系統的油管錨定松脫預警監測裝置

4 現場試驗

利用所搭建的油管錨定松脫預警監測裝置，從2018 年3 月開始先后對某油田10 口油管（井號X1～X10）錨定井的應變進行了跟蹤測試，測試周期為每月1 次，現場測試結果見表1。

由10 口井的測試結果可以看出， 在16 個月的監測過程中，其中有1 口井在運行11 個月后出現了封隔器失效現象， 有2 口井出現了封隔器的松脫現象，但還沒有到完全失效的程度，其余7 口井運行正常，2019 年6 月對X6 井進行了起下作業， 確認了該井確實發生了封隔器失效現象。

表1 現場測試結果

5 結論

5.1 針對目前封隔器失效現象難以判斷的問題，提出了一種通過井口套管應變變化判斷油管錨定油井封隔器坐封效果的方法。

5.2 利用油管錨定松脫預警監測裝置對現場10口井進行了跟蹤測試， 發現有1 口井在運行11個月后出現了封隔器失效現象，有2 口井出現了封隔器的松脫現象，通過現場作業驗證了失效井發生故障。