高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測(cè)試技術(shù)創(chuàng)新

李國勇 師靜靜 張文飛 李有龍

摘要：井下封隔器裝置是油氣井設(shè)備系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。由于目前注水技術(shù)較差，導(dǎo)致壓力測(cè)試結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期效果。研究利用三維有限元分析確定數(shù)據(jù)狀態(tài)，分析當(dāng)采油管處于壓裂狀態(tài)下，不同管柱的壓力分布狀態(tài)，通過分層分析建立關(guān)注封隔壓力預(yù)測(cè)模型，計(jì)算得出密閉空間內(nèi)的環(huán)空壓力、流體介質(zhì)由于溫度影響及外界壓力影響的總體積變化，得出封隔器內(nèi)環(huán)空壓力。利用數(shù)值建立有限元分析模型，對(duì)高含水期井下分層采油管柱封隔器進(jìn)行壓力測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測(cè)試方法具有很強(qiáng)的測(cè)試能力，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確率高達(dá)99%，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用有積極的意義。

關(guān)鍵詞：高含水期；井下分層；采油管柱；封隔器；壓力測(cè)試

中圖分類號(hào)：TE931+.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）05-0122-05

TechnicalInnovationof pressuretestof downholestratifiedproductionstringpackerinhighwatercutperiod

LI Guoyong，SHI Jingjing，ZHANG Wenfei，LI Youlong

（Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Xingzichuan Oil Production Plant，Yan'an 717400，Shaanxi China）

Abstract： The downhole packer device is a key component of well equipment systems. Due to the current poor wa? ter injection technology，it is difficult for the results of the pressure test to achieve the expected results. Three-di? mensional finite element analysis was used to determine the data state. The pressure distribution state of different pipe strings was analyzed when the production pipe was in the state of fracturing. A pressure prediction model of at? tention style was established through hierarchical analysis. The annular pressure in the confined space，the total volume change of the fluid medium due to the influence of temperature and the influence of external pressure，and the annular pressure in the packer was obtained. The finite element analysis model was established by numerical value，and the pressure test of the downhole stratified production string packer was carried out in the high water cut period. The experimental results show that the pressure test method for the downhole stratified production string packer proposed in this paper has a strong test ability，and the test result accuracy rate is as high as 99%，which has positive significance for practical application.

Keywords： high water cut period；downhole stratification；production string；packer；pressure test

油田具有油層多、互層天然物性差別大、互層擾動(dòng)強(qiáng)烈的特性，因此井下分層采油是最為合理的開采方法。有研究人員采用模塊化分層取樣的方法進(jìn)行封隔器壓力測(cè)試，此方法取樣繁瑣復(fù)雜且取樣不全面[1]。提出了管柱力學(xué)全長分析與封隔器芯軸三維有限元分析結(jié)合的綜合分析方法，但是此種方法在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)面臨各種不同的工況，操作極為復(fù)雜[2]；對(duì)注水時(shí)分層注水管柱的受力變化進(jìn)行測(cè)試以此代替封隔器壓力測(cè)試，實(shí)際上由于水管柱與封隔器材質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，即使作用于同一壓力點(diǎn)，其所受壓力值也是不完全相同的[3]。利用建立雙封隔器密閉環(huán)空壓力預(yù)測(cè)模型，通過分析工況實(shí)現(xiàn)封隔坐峰，且壓力測(cè)試數(shù)據(jù)龐大，操作效率極低[4]。本研究采用在測(cè)試之前建立分析元模型的方式，通過分析元模型提高對(duì)高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力的測(cè)試精度。

1 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測(cè)試原理

高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力的測(cè)試原理，主要是通過建立有限元分析模型進(jìn)而對(duì)封隔器進(jìn)行壓力測(cè)試，通過完成管柱全場(chǎng)應(yīng)力分布的三維有限元數(shù)值解，到對(duì)封隔器局部結(jié)構(gòu)彈塑性應(yīng)力、封隔器芯軸三維有限元分析的過程，來完成采油管柱封隔器的壓力測(cè)試。

有限元模型主要通過表層導(dǎo)管、技術(shù)套管、生產(chǎn)油管和下部分割器共同組成。有限元模型內(nèi)部的封隔器最低可以落入到井深5000 m 的距離，具有很好地封隔能力。油管全場(chǎng)4800 m，目標(biāo)存儲(chǔ)與4700～4750 m 的位置。首先需要建立套管和油管的全長有限元模型、建立套管與油管連接接觸的接觸單元模型，有限元模型共有1800個(gè)；對(duì)油管坐封施加重力前，記錄下油管內(nèi)外的壓力、浮力以及初始的溫度分布，分布在1677個(gè)管單元內(nèi)部；施加封隔器坐封邊界條件；施加承力壓裂施工壓力載荷包括油壓和套壓，施加壓裂產(chǎn)生的物濃度變化載荷，求解管柱全場(chǎng)的各應(yīng)力分量分布；建立封隔器芯軸有限元模型；從管柱全場(chǎng)的軸向力數(shù)值解中提取封隔器對(duì)應(yīng)位置上的軸向力，每個(gè)單元的長度可以達(dá)到截面的10倍。作為載荷，施加在封隔器芯軸上，對(duì)封隔器芯軸有限元模型進(jìn)行彈塑性數(shù)值計(jì)算，求解芯軸各處的應(yīng)力分布和塑性變形數(shù)值解[5-6]。

2 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力預(yù)測(cè)模型

對(duì)于高含水期井下分層采油管柱封隔器進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)，為了收集到單一地層的流體樣品，以及壓力變化走向曲線，需要將待檢測(cè)的地層分隔成為獨(dú)立的檢測(cè)單元，成為獨(dú)立個(gè)體，之后將封隔器內(nèi)部的混合流體排出，之后使地層的液體流入到封隔器內(nèi)部，當(dāng)封隔器內(nèi)外之間的流體驅(qū)動(dòng)完成之后，進(jìn)行取樣工作，即可以得到單層地層的真實(shí)流體樣品[7-8]；井下測(cè)試工具如圖1所示。

由圖1可知，井下測(cè)試工具全長5022 m，模型的楊氏模量為220550 MPa，能夠承受的閌閬強(qiáng)度最大可以達(dá)到800 MPa，工作過程的熱膨脹系數(shù)為1×10-5。由于封隔器狀態(tài)是完全密閉狀態(tài)，沒有液體的自然流動(dòng)滲出，可忽視環(huán)境空間內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的改變。而在封閉空氣內(nèi)，由于流體運(yùn)動(dòng)介質(zhì)升溫后無法自然膨脹，容積變化也是相對(duì)恒定的，從而會(huì)形成對(duì)流體的自然膨脹壓力，同時(shí)在與環(huán)境溫度壓力耦合影響下，井內(nèi)的形態(tài)改變也會(huì)使得封閉環(huán)境空氣容積變化更大，進(jìn)而對(duì)環(huán)境空氣的自然壓力變化形成影響[9-10]。所以，可認(rèn)為密封空間內(nèi)的環(huán)空壓力是由流體參數(shù)的膨脹壓力和管柱的形狀改變兩個(gè)部分共同作用而形成。密閉空間內(nèi)的環(huán)空壓力公式：

式中：o 表示密閉空間內(nèi)的環(huán)空流體的膨脹系數(shù)；ΔT 表示溫度變化的平均值；V 表示密閉空間內(nèi)的環(huán)空體積。

由于封隔器局部結(jié)構(gòu)彈塑性應(yīng)力與環(huán)空壓力呈正向相關(guān)，通過測(cè)量統(tǒng)計(jì)出密閉空間內(nèi)的各時(shí)段溫度從而求出溫度平均值，結(jié)合環(huán)空體積可以計(jì)算出密閉空間內(nèi)的環(huán)空壓力，從而可以推斷出封隔器局部結(jié)構(gòu)彈塑性應(yīng)力的大小分布和走向趨勢(shì)。在受到外界溫度變化的影響后，環(huán)內(nèi)流體物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，內(nèi)部的體積也會(huì)出現(xiàn)變化，變化公式：

式中：ΔV 表示環(huán)空流體膨脹后的總體積變化。

通過式（1）、式（2）可以看出，不僅環(huán)空壓力受到溫度變化的影響，環(huán)空中的流體介質(zhì)體積變化也同樣受到溫度變化的影響[11-12]。綜合2個(gè)公式，可以求得環(huán)空流體由于壓力作用產(chǎn)生的體積變化：

式中：ΔP 表示密閉空間內(nèi)的環(huán)空壓力變化值；M 表示流體在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的彈性；ΔVT 表示溫度在變化過程中體積的變化。

由于封隔器內(nèi)部芯軸的局部應(yīng)力分布和應(yīng)變分布受環(huán)空流體介質(zhì)的體積變化而變化，當(dāng)空間內(nèi)流的體質(zhì)量出現(xiàn)變化后，封隔器會(huì)被塵封，受到約束影響，管柱難以移動(dòng)，封隔器的芯軸需要承擔(dān)外界壓力，其應(yīng)力分布和應(yīng)變分布數(shù)值等同于環(huán)空壓力變化值，所以封隔器內(nèi)部芯軸的局部應(yīng)力分布和應(yīng)變分布數(shù)值可通過封隔器的總體積變化數(shù)值求得[13-14]。由于封隔器內(nèi)的體積受溫度和壓力共同影響，封隔器管柱由于溫度和壓力改變而產(chǎn)生體積變化可表示為：

式中：ΔVPT 表示在溫度和壓力共同影響下的封隔器內(nèi)總體積變化。

由以上公式綜合可求得井下分層采油管柱封隔器壓力數(shù)值變化，利用數(shù)值建立有限元分析模型，封隔器內(nèi)環(huán)空壓力： -

從管柱全長的軸向力數(shù)值解中提取封隔器對(duì)應(yīng)位置上的軸向力，實(shí)現(xiàn)對(duì)管柱長度應(yīng)力分布的三維有限元數(shù)值求解，并通過三維有限元法解析管井內(nèi)長度的應(yīng)力分布。從式（5）可得知，在管井液停止循環(huán)之后沒有馬上進(jìn)行封隔器坐封操作的正常情況條件下，當(dāng)雙封隔器座閉之間的距離逐漸增大之后，圈內(nèi)環(huán)控所受到的壓力也會(huì)隨之減少，因此在針對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮因?yàn)槿﹂]環(huán)空的壓力變化過大，封隔器上的芯軸所承受的軸向力會(huì)很大這一問題，不能在管井液停止循環(huán)操作之后馬上進(jìn)行封隔器坐封。管柱全長的軸向力為10.25 kN，油管內(nèi)徑為90.25 mm，油管外徑為100.33 mm，油管深度為4000 m，壁厚能夠達(dá)到9.25 mm。在受管柱軸向應(yīng)力與液體壓強(qiáng)共同影響下，芯軸出現(xiàn)了明顯的塑性變形[15-16]。在負(fù)荷量影響下，芯軸在傳壓孔周圍出現(xiàn)了明顯的塑性變形區(qū)域，但由于負(fù)荷增大，塑性變形區(qū)域逐漸連成了一片，從而使整體結(jié)構(gòu)超過塑性限制而無法承受更大載荷[17-18]。

3 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測(cè)試

為了保證井下分層采油管柱封隔器壓力預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，需要對(duì)模型進(jìn)行功能測(cè)試。主要測(cè)試包括安全測(cè)試、排液泵壓力測(cè)試、封隔器壓力測(cè)試、取樣器壓力測(cè)試、錨定器壓力測(cè)試。

3.1 安全測(cè)試

對(duì)采油管柱封隔器進(jìn)行安全測(cè)試，先要對(duì)封隔器進(jìn)行安全測(cè)試，測(cè)試封隔器能夠承受的最大壓力，在工作進(jìn)行過程中不能超過最大壓力值，才是安全的工作環(huán)境。封隔器內(nèi)部環(huán)空壓力隨著流體的溫度變化而改變，流體溫度受地面溫度影響，所以安全測(cè)試時(shí)必須先分析封隔器內(nèi)環(huán)空氣流體運(yùn)動(dòng)方向和參數(shù)介質(zhì)間的壓強(qiáng)值變化規(guī)律和走向趨勢(shì)，從而確定封隔器坐封間隙和管內(nèi)環(huán)空壓力差間的變化關(guān)系。

在測(cè)試前確定封隔器的保護(hù)液密度是否低于閾值2.50 g/cm3，同時(shí)檢測(cè)井口承受的壓力是否為0 MPa。然后通過檢查井體結(jié)構(gòu)，以確定燃料管的耐壓性能和套管內(nèi)的擠壓強(qiáng)度，并選取與其相適應(yīng)的安全系數(shù)，以進(jìn)行管柱封隔器安全測(cè)試，得到的耐壓差測(cè)試曲線如圖2所示。

3.2 排液泵壓力測(cè)試

對(duì)排壓泵進(jìn)行注水，注水的密度為1.08 g/cm3，持續(xù)注水為15 min，注水量不能超過300 m3，排液泵一般為多柱塞結(jié)構(gòu)，通過斜盤作用、往復(fù)循環(huán)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸液和排液。對(duì)排液泵進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)，首先在排液泵一端設(shè)置帶有一定壓力的液體供給端，保證壓力測(cè)試過程中所供液體保持充足。在排液端設(shè)置單向閥，調(diào)整單向閥的狀態(tài)和供液端的壓力差值，從而測(cè)試在不同的壓力條件下，排液泵的排液能力。通過對(duì)排液泵進(jìn)行壓力測(cè)試所得結(jié)果，找出排液泵壓力承受最大值。

3.3 封隔器壓力測(cè)試

封隔器坐封時(shí)，為了滿足排液需求，封隔器內(nèi)部的過液通道需要能夠滿足過流需求并且在過液同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的節(jié)流壓差；封隔器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，在對(duì)封隔器進(jìn)行壓力測(cè)試過程中，如果封隔器坐封良好，由于地層壓力變化，封隔器膠筒的上下部位將會(huì)出現(xiàn)壓強(qiáng)差，若膠筒上下部位無壓強(qiáng)差出現(xiàn)，說明封隔器坐封無效或是封隔器損壞。對(duì)膠筒上下部位的壓強(qiáng)差通過傳感器數(shù)值體現(xiàn)，坐封良好時(shí)，上部和下部的傳感器同時(shí)測(cè)量被測(cè)層段地層壓力，且壓力數(shù)值不一致。對(duì)封隔器進(jìn)行壓力測(cè)試，不僅可以通過2個(gè)部位傳感器數(shù)值相互對(duì)照進(jìn)行校準(zhǔn)、提高數(shù)值的準(zhǔn)確度，還可以通過收錄到的壓力數(shù)值走向曲線測(cè)量地層的壓力值。

3.4 取樣器壓力測(cè)試

取樣器的最大壓力為600 MPa，與極限閾值進(jìn)行對(duì)比。為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要保證取樣器內(nèi)部干凈無污染，因此需要在取樣器完全封閉的情況下進(jìn)行入井取樣，需要在入井后打開取樣器。由于井下壓強(qiáng)較大，因此取樣器在井下高壓環(huán)境下能否順利打開非常重要，因此需要對(duì)取樣器進(jìn)行壓力測(cè)試；取樣器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

取樣器主要負(fù)責(zé)收集由地層流入液體的樣本，在地層壓力的作用下，通過控制取樣器上設(shè)置的單向閥門，液體流入完成取樣。根據(jù)排液泵的排液量，當(dāng)排液體積大于環(huán)空流體體積的2倍情況下，可認(rèn)其為真實(shí)地層流體。將取樣器放置于實(shí)驗(yàn)井中，一端保持在實(shí)驗(yàn)井內(nèi)，另一端保持與外界大氣相連通，分別對(duì)取樣器進(jìn)行打壓測(cè)試，取不同壓強(qiáng)值，測(cè)試取樣器在不同壓強(qiáng)值下的穩(wěn)定狀況，若取樣器能夠保持穩(wěn)定，則說明取樣器密封良好，然后打開取樣器，此時(shí)實(shí)驗(yàn)井處于瞬間泄壓到常壓的狀態(tài)，則表面取樣器能夠在強(qiáng)壓下順利打開，在高壓條件下能夠正常工作。

3.5 錨定器壓力測(cè)試

由于油田采油現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)錨定器無法解卡的情況，因此需要對(duì)錨定器進(jìn)行壓力測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)井中進(jìn)行整體打壓，并進(jìn)行環(huán)境加溫，在高壓高溫的環(huán)境下對(duì)錨定器進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)不同的壓強(qiáng)值和溫度值，測(cè)試錨定器能夠承受的最高程度，以此作為錨定器的極限壓強(qiáng)值和極限溫度值，作為錨定器性能良好的分界點(diǎn)。

4 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

不同形式的封隔器的啟動(dòng)方式和解封方式也各不相同，普遍采用的封隔器形式包括液力擴(kuò)張式封隔器和壓縮式封隔器。下部管柱的外徑為90 mm，內(nèi)徑為88.42 mm，能夠承受的壓力值為500 MPa。

分層注水管柱是注入水進(jìn)入地層的通道，是保證注水工作順利進(jìn)行的重要設(shè)備，其可靠性好壞直接影響到分層注水開發(fā)的效果。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)分層采油管柱封隔器壓力測(cè)試尤為重要。分層注水管柱在下井過程中，井內(nèi)存在液體，由于液體具有慣性和壓縮性，如果不控制管柱的下放速度，則很容易由于水擊作用而出現(xiàn)損壞。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)，分層注水管柱能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間有效分層注水，通過細(xì)分層注水保護(hù)套管。當(dāng)荷載力超過70%，則證明所承擔(dān)的強(qiáng)度為極限強(qiáng)度。

為了更好地保證實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)選用本文提出的壓力測(cè)試方法和傳統(tǒng)的基于分層流體取樣的壓力測(cè)試方法和基于高壓氣井多封隔器完井管柱力學(xué)分析的壓力測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到的壓力測(cè)試精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以得知，提出的壓力測(cè)試方法測(cè)試精度始終高于99%，而基于高壓氣井多封隔器完井管柱力學(xué)分析的壓力測(cè)試方法測(cè)試精度低于96%，基于分層流體取樣的壓力測(cè)試方法測(cè)試精度低于93%。

5 結(jié)語

由于我國井下分層采油技術(shù)和井下工程普遍開展，國內(nèi)外對(duì)封隔器技術(shù)的各種應(yīng)用開發(fā)方式的選擇和對(duì)其功能多樣性方面的有關(guān)的研究也日益增多，各種特殊形式封隔器技術(shù)的應(yīng)用開啟方法和解封閉開啟方式研究也很多，按照通常用的封隔器形式分為液力膨脹型封隔器和氣體壓力型封隔器。針對(duì)高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力進(jìn)行測(cè)試，通過安全測(cè)試、排液泵壓力測(cè)試、封隔器壓力測(cè)試、取樣器壓力測(cè)試和錨定器壓力測(cè)試共同實(shí)現(xiàn)整體測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，研究的測(cè)試方法具有較高的測(cè)試精度，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試工作，為工程提供有效依據(jù)。

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