塔河油田套管液壓封隔器坐封影響因素研究

崔龍兵 (中國(guó)石化西北油田分公司完井測(cè)試管理中心，新疆 輪臺(tái) 841600)

0 引言

塔河油田高壓油氣井完井管柱中設(shè)計(jì)套管液壓封隔器，但封隔器在坐封后驗(yàn)封異常現(xiàn)象偶爾發(fā)生，無(wú)法保障井筒完整性及滿足酸壓需求[1]。

經(jīng)調(diào)研，竇益華等[2]認(rèn)為高溫高壓深井及其試油、完井作業(yè)具有“高、深、聯(lián)、復(fù)”的特點(diǎn)，對(duì)于高溫高壓高產(chǎn)的油氣井，管柱的溫度效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)和活塞效應(yīng)導(dǎo)致的變形對(duì)管柱工作安全性的影響必須考慮。

本文通過(guò)理論研究，分析了封隔器在坐、驗(yàn)封階段失封的本質(zhì)原因，通過(guò)模擬不同狀態(tài)下管柱的受力情況，對(duì)完井封隔器坐封球座銷釘設(shè)定及封隔器底部管柱配置給出合理化建議。

1 套管液壓封隔器坐驗(yàn)封失敗案例

在塔河油田應(yīng)用過(guò)程中，涉及到兩口典型案例井，TP354H井為漏失井，管柱中設(shè)計(jì)封隔器，未配置水力錨，TK1 135井為酸壓井，管柱中設(shè)計(jì)封隔器，配置水力錨，兩口井在坐封后打球座過(guò)程中均失封。

2 影響因素研究應(yīng)用

塔河油田常用的可回收式套管液壓封隔器主要有PHPMCHR、MCHR、SHR-HP、PHP-2等型號(hào)，封隔器結(jié)構(gòu)主要由密封機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)、坐封機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。本文以MCHR經(jīng)典結(jié)構(gòu)為例闡述坐驗(yàn)封過(guò)程中受力分析。

理論上管柱受力主要由壓力效應(yīng)和溫度效應(yīng)構(gòu)成。壓力效應(yīng)包括活塞效應(yīng)(用在管柱直徑變化處、密封管的斷面上)、鼓脹效應(yīng)[3-4](力作用在油管內(nèi)外壁上)等。本文研究封隔器均在油田水中下入，溫度效應(yīng)影響可以忽略不計(jì)。

2.1 鼓脹效應(yīng)

在鼓脹效應(yīng)的計(jì)算過(guò)程中，主要考慮管柱內(nèi)、外平均壓力的變化，這里假設(shè)平均壓力為井口壓力與井底壓力之和除以2，則由鼓脹效應(yīng)所引起的管柱軸向力及長(zhǎng)度變化的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

式中：Fe為鼓脹效應(yīng)引起的力（MPa） ；ΔPia為管柱內(nèi)平均壓力變化（MPa） ；ΔPoa為環(huán)空平均壓力變化（MPa） ；Ai為油管內(nèi)徑面積（cm2）；AO為油管外徑面積（cm2）；ΔL為鼓脹效應(yīng)引起的長(zhǎng)度變化（cm），L為深度（m）（本計(jì)算中為封隔器中膠位置5 499.64 m）；γ為泊松比，鋼材為0.3；E為彈性模量，鋼材為20 6 850 MPa；R為油管外徑與內(nèi)徑之比。

2.2 活塞效應(yīng)

油管及環(huán)空壓力的變化會(huì)導(dǎo)致活塞力的變化，引起油管及環(huán)空壓力變化的因素很多，例如油管內(nèi)外的流體密度、地面泵壓等發(fā)生變化。活塞力的變化ΔFp的計(jì)算公式為：

式中：ΔFp為引起活塞效應(yīng)的力(N)；Ap為管柱密封腔的橫截面積(m2)，ΔPi為計(jì)算點(diǎn)處下端面壓力變化(Pa)；ΔPO為計(jì)算點(diǎn)處上端面壓力變化(Pa)。

根據(jù)虎克定律，由活塞力的變化所引起的管柱長(zhǎng)度變化為：

式中：ΔLp為活塞效應(yīng)引起的管柱長(zhǎng)度變化(m)；As為管柱橫截面積(m2)。

2.3 管柱受力分析

2.3.1 封隔器啟動(dòng)坐封瞬間

封隔器啟動(dòng)坐封瞬間，封隔器卡瓦未錨定在套管上，管柱可自由運(yùn)動(dòng)，封隔器以上管柱受力鼓脹與活塞效應(yīng)的綜合作用。

2.3.2 擊落球座前后

（1）球座擊落前

球座擊落前瞬間，封隔器已完全坐封，卡瓦錨定在套管上，封隔器不能下行，管柱受力情況為：

①封隔器上部管柱受正鼓脹力及啟動(dòng)坐封瞬間的上拉力。

②封隔器下部管柱受正鼓脹與活塞力，正鼓脹力使管柱縮短，活塞力使管柱伸長(zhǎng)。

（2）球座擊落后

由于壓力在液體中是以一定速度傳播，球座擊落時(shí)油管內(nèi)的壓力波從球座處向井口逐步傳遞，因此，管柱的形變恢復(fù)也從球座處逐步向井口傳遞。球座擊落后管柱：

①封隔器下部管柱活塞力、鼓脹力消失，被拉長(zhǎng)的管柱向上回彈，產(chǎn)生回彈力。

②封隔器上部管柱，由于壓力波傳播需要時(shí)間，向上的鼓脹力依然存在。

球座擊落后封隔器受力分析示意圖如圖1所示。

圖1 球座擊落后封隔器受力分析示意圖

（3）回彈力計(jì)算

根據(jù)能量守恒，即球座擊落瞬間封隔器下部管柱的彈性勢(shì)能等于擊落后彈性勢(shì)能與重力勢(shì)能的和，可計(jì)算出回彈距離ΔL彈及回彈力F回彈。

封隔器至球座之間管柱的三種狀態(tài)如圖2所示。

圖2 封隔器至球座之間管柱的三種狀態(tài)

2.4 適應(yīng)性驗(yàn)證

通過(guò)計(jì)算，坐封球座銷釘設(shè)定值越高，坐封、打球座時(shí)封隔器所受合力越大，詳細(xì)如表1所示；封隔器底部油管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，擊落球座瞬間回彈力越小，詳細(xì)如表2所示。

表1 不同擊落壓力值下封隔器所受合力

表2 不同封隔器到球座管柱長(zhǎng)度下封隔器所受合力

選取8井次驗(yàn)證理論研究的合理性，計(jì)算詳細(xì)如表3所示，除了TP354H、TK1 135井坐驗(yàn)封異常，其他井均處于正常狀態(tài)，文章中提及的研究方法具有一定的適宜性。

表3 8井次封隔器坐封管柱受力校驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

（1）套管液壓封隔器在坐封過(guò)程中鼓脹效應(yīng)、活塞效應(yīng)起主導(dǎo)作用。在應(yīng)用中需考慮兩方面，一是坐封球座剪切銷釘?shù)脑O(shè)定在滿足后期解封的條件下盡可能提高；二是在坐封過(guò)程中適當(dāng)提高背壓值以降低坐封過(guò)程中的壓力效應(yīng)，確保封隔器坐封正常。

（2）打球座瞬間封隔器存在失封的風(fēng)險(xiǎn)。需“一井一策”，穩(wěn)定漏失的油氣井，可通過(guò)井筒液面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為坐封球座剪切銷釘設(shè)定提供依據(jù)；地層壓力系數(shù)低于0.8的油氣井，要預(yù)防坐封球座提前擊落的；酸壓改造的油氣井，坐封球座剪切銷釘可以設(shè)定在30-35 MPa。

（3）通過(guò)理論研究，封隔器至坐封球座間的油管長(zhǎng)度具有減震作用。可以通過(guò)適當(dāng)加長(zhǎng)封隔器與坐封球座之前的管柱長(zhǎng)度，來(lái)降低打球座瞬間帶來(lái)的沖擊力。