連續(xù)油管在排水采氣中的力學(xué)分析

鄭偉

（中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司，湖北 荊州 434023）

1 概述

在大量含水的氣田，處于開(kāi)采中、后期階段，由于井底地層壓力下降、氣井產(chǎn)出水量逐漸增加，并且部分生產(chǎn)管柱配置不合理，作業(yè)管柱攜液性能下降，導(dǎo)致井下的水越來(lái)越多，如果不能及時(shí)排出這些水，會(huì)引起氣井自噴能力下降，甚至無(wú)法作業(yè)，嚴(yán)重制約了氣井的正常作業(yè)。隨著連續(xù)油管在修井、鉆井、完井、采油、壓裂等施工作業(yè)中的廣泛應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)也更加明顯。相比常規(guī)設(shè)備作業(yè)，通過(guò)下入連續(xù)油管作為作業(yè)管柱，可以避免因?yàn)閴壕斐傻臍鈱觽Α⒂凸軗p傷等風(fēng)險(xiǎn)，整體來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單快捷，可以較快地恢復(fù)氣井生產(chǎn)，相比常規(guī)作業(yè)裝備優(yōu)勢(shì)明顯

2 井下作業(yè)的工藝原理分析

連續(xù)油管的排水采氣作業(yè)，首先先關(guān)閉井口采氣閥，然后在氣井的井口安裝防噴器，主要是1 個(gè)單閘板防噴器或者1個(gè)雙閘板防噴器、4.06"防噴管，并根據(jù)井下工具的長(zhǎng)度確定加重管柱的長(zhǎng)度，最終與連續(xù)油管連接，裝進(jìn)4.06"防噴管內(nèi)，然后將閘板防噴器、4.06" 防噴管，防噴盒等管柱裝在注入頭下部，通過(guò)打開(kāi)井口頂部的主閥，檢查密封，確認(rèn)密封無(wú)誤后，可以向井內(nèi)下入連續(xù)油管。在下入過(guò)程中，要嚴(yán)格控制連續(xù)油管的下放速度，仔細(xì)觀察作業(yè)管柱指重表的讀數(shù)，確保指重表的讀數(shù)逐漸增加，一直到連續(xù)油管下入到指定的深度為止。然后根據(jù)工藝文件，按比例配置好發(fā)泡劑，將發(fā)泡劑通過(guò)連續(xù)油管注入到井底。完成所有發(fā)泡劑注入后，根據(jù)工藝文件，將連續(xù)油管緩慢提升出井口，仔細(xì)觀察指重表讀數(shù)，確保讀數(shù)緩慢變化，直至井下工具完全起出為止，關(guān)閉井口頂部主閥。然后按順序，拆卸防管管柱，以及各種配套件。對(duì)拆除的工具進(jìn)行檢查，維護(hù)保養(yǎng)，檢查腐蝕情況，最后恢復(fù)設(shè)備。將使用過(guò)的防噴系統(tǒng)送至有資質(zhì)的廠家，對(duì)密封進(jìn)行檢測(cè)，更換損壞的密封件，維護(hù)保養(yǎng)后，送回井場(chǎng)為下次作業(yè)準(zhǔn)備。

3 排水采氣作業(yè)管柱的優(yōu)選

氣田的地層壓力低，產(chǎn)量低，使得采氣管柱內(nèi)非常難以形成產(chǎn)生持續(xù)的連續(xù)液流，所以，連續(xù)油管作業(yè)管柱內(nèi)天然氣的流速，是直接影響氣田中井口排液能力的最關(guān)鍵因素之一。天然氣流速越大，連續(xù)油管作業(yè)管柱的排液能力越強(qiáng)。連續(xù)油管作業(yè)管柱中的天然氣流速計(jì)算公式如下所示：

公式中：淄—天然氣的流速，m·s-1；P —?dú)饩牡貙訅毫?，MPa；Z—天然氣的壓縮比例因子；T—?dú)饩木诇囟龋琄；Q—天然氣的流量，m3·s-1；d—連續(xù)油管作業(yè)管柱的內(nèi)部直徑，mm。

由上述公式可以分析出，當(dāng)氣井生產(chǎn)出的天然氣體積相同時(shí)，天然氣在井口的流速與連續(xù)油管作業(yè)管柱的內(nèi)徑的平方成反比，所以，連續(xù)油管作業(yè)管柱的內(nèi)徑越小，天然氣的流速會(huì)越大。連續(xù)油管作業(yè)管柱所需要配置的內(nèi)徑，可依據(jù)Turner 公式，進(jìn)行理論分析計(jì)算得出，公式如下：

公式中：γ—天然氣的比重值。

依據(jù)公式的理論分析計(jì)算，就可以初步確定連續(xù)油管作業(yè)管柱的內(nèi)徑值，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，就可以?xún)?yōu)選出最適宜的連續(xù)油管作業(yè)管柱。

4 連續(xù)油管作業(yè)管柱的力學(xué)分析

連續(xù)油管是連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的最重要組件之一，連續(xù)油管的質(zhì)量直接決定了井下作業(yè)的工藝、井下工具串的配置。

4.1 彎曲次數(shù)對(duì)連續(xù)油管壽命的影響

連續(xù)油管在作業(yè)過(guò)程中，每完成一個(gè)起出、下入井下的周期過(guò)程，連續(xù)油管都會(huì)在進(jìn)入、卷出滾筒、鵝頸管的作業(yè)過(guò)程中，受到一個(gè)由彎曲-拉伸、拉伸-彎曲的過(guò)程。

入井過(guò)程：離開(kāi)滾筒時(shí)，受到彎曲-拉伸的影響；進(jìn)入鵝頸管時(shí)，受到拉伸-彎曲的影響；離開(kāi)鵝頸管時(shí)，受到彎曲-拉伸的影響。

起出過(guò)程：進(jìn)入鵝頸管時(shí)，受到拉伸-彎曲的影響；離開(kāi)鵝頸管時(shí)，受到彎曲-拉伸的影響；進(jìn)入滾筒時(shí)，受到拉伸-彎曲的影響。

由于連續(xù)油管每完成一個(gè)起下過(guò)程，將經(jīng)歷三次彎曲-拉伸和三次拉伸-彎曲，導(dǎo)致連續(xù)油管出現(xiàn)彎曲-拉伸和拉伸-彎曲疲勞現(xiàn)象，縮短了連續(xù)油管的使用壽命。

4.2 連續(xù)油管彎曲半徑限制

連續(xù)油管在起下井的過(guò)程中，每起下一次，將分別經(jīng)歷三次彎曲-拉伸和三次拉伸-彎曲過(guò)程。若滾筒和鵝頸管的半徑過(guò)小，將導(dǎo)致連續(xù)油管出現(xiàn)彎曲-拉伸、拉伸-彎曲的周期性疲勞破壞，嚴(yán)重制約了連續(xù)油管的使用周期和壽命。

連續(xù)油管作為作業(yè)管柱最小彎曲半徑的計(jì)算公式：

Ry—連續(xù)油管最小彈性彎曲半徑，in；r0—連續(xù)油管外半徑，in；E—楊氏彈性模量，27×106psi；δy—連續(xù)油管屈服強(qiáng)度，psi；

4.3 內(nèi)屈服壓力和擠毀壓力

在計(jì)算內(nèi)屈服壓力時(shí)，假定無(wú)外部壓力。其軸向壓力δa，周向應(yīng)力δh和徑向應(yīng)力δr為：

式中：Pi—施加在連續(xù)油管上的內(nèi)壓力，psi；F—施加在連續(xù)油管上的拉伸力，lbf；ID-連續(xù)油管內(nèi)徑，in；OD—連續(xù)油管外徑，in。

將上述方程代入von Mises 方程：

則，內(nèi)屈服壓力：

假定內(nèi)壓力為0，外壓力為P0，則擠毀壓力：

5 結(jié)論

在不同工況的氣井進(jìn)行排水采氣作業(yè)時(shí)，各工藝文件有各自工況的特性，具有不同的適用性和經(jīng)濟(jì)性。在把連續(xù)油管作為作業(yè)管柱進(jìn)行排水采氣修井作業(yè)時(shí)，可以根據(jù)地層壓力的不同、井眼軌跡的不同等特點(diǎn), 對(duì)排水采氣的工藝文件進(jìn)行可行性分析及施工方案優(yōu)選。和常規(guī)作業(yè)設(shè)備相比，通過(guò)連續(xù)油管進(jìn)行帶壓作業(yè)，使用連續(xù)油管作為生產(chǎn)作業(yè)管柱，可有效地避免因?yàn)槌Ｒ?guī)設(shè)備進(jìn)行額外的壓井作業(yè)對(duì)產(chǎn)氣地層壓力平衡造成的破壞，連續(xù)油管作業(yè)工藝簡(jiǎn)單，對(duì)氣井的地層壓力平衡破壞小，更容易恢復(fù)生產(chǎn)。通過(guò)連續(xù)油管作為帶壓作業(yè)管柱，進(jìn)行深井排水采氣，在作業(yè)工作中，可保證原生產(chǎn)管柱保持不變的情況下，重新進(jìn)行修井作業(yè)，使用連續(xù)油管作為作業(yè)管柱不僅對(duì)氣井地層的破壞降到了最低標(biāo)準(zhǔn)，還使作業(yè)的時(shí)間大幅度的縮短，最終降低了修井作業(yè)的成本和周期。