分層采油工藝管柱受力分析及優(yōu)化

朱洪征,姬 園,呂 旭,胡期旭

(1.長慶油田分公司a.油氣工藝研究院;b.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室,西安710021; 2.長慶油田分公司第三采氣廠,內(nèi)蒙古烏審旗017300;3.長慶油田分公司第一采油廠,陜西延安716000; 4.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司,西安710021) ①

分層采油工藝管柱受力分析及優(yōu)化

朱洪征1a,b,姬 園2,呂 旭3,胡期旭4

(1.長慶油田分公司a.油氣工藝研究院;b.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室,西安710021; 2.長慶油田分公司第三采氣廠,內(nèi)蒙古烏審旗017300;3.長慶油田分公司第一采油廠,陜西延安716000; 4.川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司,西安710021)①

針對分采泵分層采油井在生產(chǎn)中普遍存在泵效低、效果不理想等問題,對分層采油工藝管柱進(jìn)行受力分析,計(jì)算中和點(diǎn)位置,優(yōu)化管柱結(jié)構(gòu),減弱管柱彎曲對分采泵的影響程度。同時(shí)基于理論和生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),提出補(bǔ)償自鎖和低坐封力封隔器、分采泵配合過橋管加厚和扶正措施等技術(shù)措施,應(yīng)用于生產(chǎn)能極大地提高分采泵分層采油效果。

分層采油;分采泵;Y2系列封隔器;壓重;中和點(diǎn)

隨著油田射開層位的不斷增多,普遍存在層間物性差異大、層間干擾嚴(yán)重等問題,普通合采層間動(dòng)用不均衡勢必會(huì)造成產(chǎn)能損失。為了避免層間干擾問題,提高低動(dòng)用層的動(dòng)用程度,挖潛剩余油,封隔器分層分采泵分抽井不斷增多。實(shí)際生產(chǎn)中普遍使用壓重坐封的 Y2系列封隔器,部分管柱的重力施加于封隔器,使整個(gè)管柱的上部分管柱受拉,處于自重伸長狀態(tài);下部分管柱處于自重壓縮狀態(tài)。如果管柱結(jié)構(gòu)不合理,作為細(xì)長、多球閥結(jié)構(gòu)的分采泵很容易彎曲變形導(dǎo)致泵效下降,嚴(yán)重的會(huì)造成卡泵,損壞抽油泵。因此,優(yōu)化分層采油工藝管柱結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 泵效低等原因分析

分析發(fā)現(xiàn),造成分采泵泵效低、卡泵、損壞泵的原因包括人為因素、井身結(jié)構(gòu)、分采泵的質(zhì)量、管柱結(jié)構(gòu)。

a) 人為因素包括坐封方法不當(dāng),坐封力過大導(dǎo)致管柱彎曲嚴(yán)重;下泵作業(yè)前通、洗井不徹底,洗井液與地層流體不配伍、結(jié)垢導(dǎo)致泵漏失;壓裂液性能不過關(guān)、試油后沖砂洗井不到位導(dǎo)致生產(chǎn)中地層吐砂。

b) 井身結(jié)構(gòu)方面有定向井井眼軌跡復(fù)雜、狗腿度大等。

c) 分采泵質(zhì)量方面是由于分采泵結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,球閥和密封點(diǎn)多,質(zhì)量不過關(guān)。

d) 管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成分采泵彎曲。從影響程度上看,管柱結(jié)構(gòu)是造成分采泵泵效低的主要原因。

2 工藝管柱受力分析

2.1 坐封前

封隔器在下到預(yù)定深度未坐封前,整個(gè)管柱處于自重伸長狀態(tài),由于受到自重力和液體浮力的相互作用,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)伸長變形量[1],油管柱處在拉伸狀態(tài),不存在中性點(diǎn)的問題。

2.2 坐封后

坐封時(shí),為使封隔器能正常工作,需要施加一定的壓重,即施工作業(yè)時(shí)人為施加由管柱產(chǎn)生的壓在封隔器上的重力,指重表上顯示為減少的管柱重力。

在充滿流體的井筒內(nèi),管柱除自重外,還要受到流體的浮力和管柱內(nèi)、外流體的壓力,這些力使管柱呈3向應(yīng)力狀態(tài)[2],即軸向應(yīng)力σn,徑向應(yīng)力σr,周向應(yīng)力σθ,如圖1。

管柱3向應(yīng)力為

平均應(yīng)力為

則應(yīng)力張量可分為2相,即

失穩(wěn)彎曲的必要條件是某一偏斜應(yīng)力大于零。對于整體管柱來說,彎曲由軸應(yīng)力偏量引起,因而管柱彎曲中和點(diǎn)就是管柱軸應(yīng)力偏量為零的點(diǎn),即

管柱內(nèi)、外流體的壓力在管壁內(nèi)產(chǎn)生的徑向應(yīng)力σr和周向應(yīng)力σθ由拉美公式來確定,即

式中,Fn、Fw為管壁的內(nèi)、外壓力,N/m2;Dn、Dw為管柱的內(nèi)、外徑,m。

因此有

軸力為軸應(yīng)力與管柱橫截面之積,即

管柱彎曲中和點(diǎn)定義為可能失穩(wěn)彎曲和不可能失穩(wěn)彎曲的分界點(diǎn),即

中和點(diǎn)[3]為管柱中軸向力為零的截面,該點(diǎn)既不受拉也不受壓,這種情況相當(dāng)于在自由懸掛的管柱下端沿軸線方向作用一個(gè)向上的力 F壓重所發(fā)生的變形,F壓重等于管柱施加給封隔器的壓重,F壓重不是一個(gè)集中的作用力,而是均勻分布在中和點(diǎn)以下的管柱上,根據(jù)靜力平衡方程有

式中,L中為中和點(diǎn)到管柱底部的距離,m;q為井筒內(nèi)液體中每米管柱的質(zhì)量,N/m;F壓重為管柱對封隔器的作用力,N。

由《采油數(shù)據(jù)手冊》查得,管柱外徑 Dw=73.02 mm,內(nèi)徑Dn=62.0 mm,單位長度的管柱重力q管柱=95 N/m,q管柱=93 N/m兩種,管柱橫截面積 S= 1 169 mm2,單位長度管柱排開的油水混合物質(zhì)量為q浮=ρ井液gS=11.46 N/m,油管在清水中的重力為q=82.56 N/m。

由此計(jì)算得出L中為

坐封載荷與管柱中和點(diǎn)的關(guān)系曲線如圖2。

圖2 坐封載荷與管柱中和點(diǎn)的關(guān)系曲線

坐封載荷為60～80 kN時(shí),管柱中性點(diǎn)通常在封隔器以上723～968 m處。

2.3 生產(chǎn)過程中

抽油機(jī)在上沖程時(shí),泵游動(dòng)閥關(guān)閉,固定閥打開,整個(gè)液柱質(zhì)量都作用在抽油桿上;下沖程時(shí),由于游動(dòng)閥打開,固定閥關(guān)閉,整個(gè)液柱重力作用在油管上,使油管受力產(chǎn)生拉伸變形。

在泵的運(yùn)行過程中,油管的伸長量變?yōu)橐灾行渣c(diǎn)為分界點(diǎn),中性點(diǎn)以上油管伸長,中性點(diǎn)以下油管被壓縮的交替變化,油管的這種伸長和壓縮可以看作是一種簡諧振動(dòng)[4],且越靠近中性點(diǎn)振幅越大,泵越靠近封隔器則封隔器越容易失效[5],導(dǎo)致坐封不嚴(yán)密;管柱受到坐封載荷、液柱重力、沉沒壓力、管柱自身重力、慣性力、振動(dòng)力、進(jìn)口回壓、液柱與油管之間摩擦力等的綜合影響,封隔器將承受最大重力。

生產(chǎn)過程中,由于中性點(diǎn)以上油管的伸長量等于中性點(diǎn)以下油管的壓縮量,使管柱發(fā)生運(yùn)動(dòng)的主要作用力為液柱重力、坐封載荷(初始壓重)和慣性力,其他因素或抵消或可以忽略。

修井作業(yè)中通常要停井,分層采油作業(yè)要通、洗井,生產(chǎn)前井筒充滿了液體,液面在井口位置,此時(shí)管柱(如圖3)所受的浮力最大,即

經(jīng)過一段時(shí)間抽吸后,液面恢復(fù)到一個(gè)相對平穩(wěn)值,即

式中,L為泵掛深度,m;H為動(dòng)液面高度,m。正常生產(chǎn)時(shí)作用在柱塞上的液柱載荷為

由油管內(nèi)液柱引起的作用在油管內(nèi)徑與柱塞之間的環(huán)空上的力為

作用于封隔器上的最大工作重力發(fā)生在泵的下沖程,此時(shí)柱塞上的液柱載荷施加在油管上,為

可以看出,生產(chǎn)過程中作用于封隔器上的工作重力除與初始重力有關(guān)外,還與動(dòng)液面高度 H有關(guān)[6],井越深,動(dòng)液面越高,壓在封隔器上的力越大,管柱彎曲越嚴(yán)重。低滲透油田間歇性出液井的液面波動(dòng)大,存在液擊現(xiàn)象,對管柱受力彎曲變形也有影響。

圖3 分層采油工藝管柱

3 計(jì)算實(shí)例

某油田分層采油油井用壁厚7.72 mm、?139.7 mm(5??英寸)套管完井。射孔井段2 118～2 133 m、2 243～2 277 m,采用?73 mm(2(3英寸)平式油管配用Y221型封隔器,封隔器下入深度2 140 m。下管柱時(shí)清水洗井,坐封載荷為60 kN。采用?44、?32 mm分采抽油泵,泵掛深度1 300 m,動(dòng)液面高度1 000 m。

3.1 封隔器上的最大力和最小力

壓在封隔器上的最大力Wmax和最小力Wmin分別為

配30 kN壓重時(shí),坐封力中和點(diǎn)到封隔器的距離為

坐封力中和點(diǎn)在泵以下,泵未彎曲。

3.2 中和點(diǎn)到封隔器的距離

二是建立食品藥品安全監(jiān)管機(jī)制。學(xué)校成立了食品藥品安全工作站，其是履行食品藥品監(jiān)督管理主體責(zé)任的組織協(xié)調(diào)與辦事機(jī)構(gòu)，掛靠在后勤集團(tuán)，下設(shè)辦公室，按照學(xué)校設(shè)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，機(jī)關(guān)處（室）為成員單位，附屬單位設(shè)監(jiān)管人員，實(shí)行網(wǎng)格化管理。工作站嚴(yán)格落實(shí)劃區(qū)分片、建檔造冊、定期檢查、專項(xiàng)整治和嚴(yán)肅問責(zé)等制度，實(shí)施全員監(jiān)督、全時(shí)監(jiān)控、全面覆蓋，積極主動(dòng)配合學(xué)校和洪山區(qū)食品藥品監(jiān)管局、武昌區(qū)食品藥品監(jiān)管局及所屬食藥所做好食品安全方面的有關(guān)工作。

上沖程結(jié)束時(shí),管柱施加在封隔器上的重力為最小力Wmin,忽略管柱所受浮力,中和點(diǎn)到封隔器的距離為

下沖程結(jié)束時(shí),管柱施加在封隔器上的壓重為最大力Wmax,忽略管柱所受浮力,中和點(diǎn)到封隔器的距離為

可以看出,實(shí)際生產(chǎn)中作用于封隔器上的工作重力遠(yuǎn)大于初始重力;由于液面的波動(dòng)造成液柱作用在油管上的力變化,因此生產(chǎn)過程中中和點(diǎn)的位置在599～864 m之間變化;抽油機(jī)下行中中和點(diǎn)會(huì)轉(zhuǎn)移到泵以上使泵彎曲,不利于保持泵的強(qiáng)度和良好工作狀態(tài)。

3.3 可采取的措施

a) 確保封隔器位置>2 164 m。

b) 在滿足坐封力的情況下,適當(dāng)減小作用于封隔器上的初始重力。

4 結(jié)論

1) 在滿足坐封力的情況下,應(yīng)充分考慮作用于封隔器上的工作重力,盡量減小初始重力或利用低重力封隔器技術(shù)和補(bǔ)償自鎖封隔器來減緩坐封力對管柱的影響[7-9]。

2) 井越深,液面越低,生產(chǎn)過程中壓在封隔器上的力越大,管柱彎曲越嚴(yán)重,此時(shí)應(yīng)注意作用于封隔器上的重力,以防止管柱過度彎曲甚至磨壞套管。

3) 設(shè)計(jì)分層采油管柱時(shí)盡量使中和點(diǎn)在分采泵以下,由于層位、動(dòng)液面等限制,應(yīng)盡量遠(yuǎn)離封隔器。

4) 低滲透油田間歇性出液井液面波動(dòng)大,生產(chǎn)中管柱受力變化更大,管柱彎曲震動(dòng)更強(qiáng)烈。在減小泵徑的同時(shí),應(yīng)保持合理沉沒度,以減少液擊的影響。

5) 對分采泵上、下兩端加裝油管扶正器,加厚筒外管(過橋管)并焊接2組扶正塊,以增強(qiáng)泵的抗彎曲能力。

[1] 劉春花,劉 峰,纂耀光,等.井液流動(dòng)產(chǎn)生的作用力及其對桿柱受力影響[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(12): 34-38.

[2] 龔偉安.液壓狀態(tài)下的管柱彎曲問題[J].石油礦場機(jī)械,1988,17(3):11-12.

[3] 董蓬勃,竇益華.封隔器管柱屈曲變形及約束載荷分析[J].石油礦場機(jī)械,2007,36(10):14-17.

[4] 夏元白,張 平,孫廣領(lǐng).井下封隔器封隔時(shí)套管應(yīng)力的測試與計(jì)算[J].石油礦場機(jī)械,1997,26(5):11-15.

[5] 張海力,張 峻,綦紅芳,等.管柱結(jié)構(gòu)造成油井封層失效原因分析[J].石油礦場機(jī)械,2008,37(1):48-50.

[6] 杜現(xiàn)飛,王海文,王 帥,等.深井壓裂井下管柱力學(xué)分析及其應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2008,37(8):28-33.

[7] 宋孚增,劉常福,徐文慶.自鎖式油管泄油錨定器的研制與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2004,33(4):69-71.

[8] 陳俊國,王志清,丁 陽,等.新型雙向錨定封隔器和配套完井生產(chǎn)管柱[J].石油礦場機(jī)械,2008,37(5): 81-84.

[9] 李 晶,王耀東,邱振偉,等.分層注聚管柱的研究與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械,2004(增刊):100-102.

Mechanics Study and Optimization for the Separate Zone Production Tubing String

ZHU Hong-zheng1a,b,J I Yuan2,LV Xu3,HU Qi-xu4
(1.a.Oil&Gas Technology Research Institute;b.National Engineering Laboratory of Low-permeability Oil&Gas Ex ploration and Development,Changqing Oilf ield Company,Xi’an710021,China;2.No.3Gas Production Plant, Changqing Oilf ield Company,Wushenqi017300,China;3.No.1Oil Production Plant,Changqing Oilf ield Company, Yan’an716000,China;4.CDCC Changqing Downhole Technology Company,Xi’an710021,China)

Concerning low efficiency of the separate-production pump for separate zone production and the result of unsatisfactory happening frequently,through stress analysis,neutral point,optimal string of tubing structure for the separate zone production tubing string was calculated and drilling string was optimized.The degree of influence by employing the pump was reduced.Based on theory and practical operation experience,the technical view point of bringing up to compensation self-locking,low-sit packers techniques,with the bridge by separate-production pump tube upsetting,righting measures were taken.Production will be greatly enhanced by the separate-production pump for separate zone production when this new technique is put into practical use.

separate zone production;separate-production pump;Y2 series packer;pressure heavy; neutral point

1001-3482(2010)10-0047-04

TE355.2

A

2010-04-20

朱洪征(1981-),男,陜西藍(lán)田人,在職研究生,主要從事油田開發(fā)方面工作,E-mail:zhz503@sohu.com。