分層采油工藝管柱受力分析及優化

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國家工程實驗室,西安710021; 2.長慶油田分公司第三采氣廠,內蒙古烏審旗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作業公司,西安710021) ①

分層采油工藝管柱受力分析及優化

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國家工程實驗室,西安710021; 2.長慶油田分公司第三采氣廠,內蒙古烏審旗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作業公司,西安710021)①

針對分采泵分層采油井在生產中普遍存在泵效低、效果不理想等問題,對分層采油工藝管柱進行受力分析,計算中和點位置,優化管柱結構,減弱管柱彎曲對分采泵的影響程度。同時基于理論和生產實際經驗,提出補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措施,應用于生產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

隨著油田射開層位的不斷增多,普遍存在層間物性差異大、層間干擾嚴重等問題,普通合采層間動用不均衡勢必會造成產能損失。為了避免層間干擾問題,提高低動用層的動用程度,挖潛剩余油,封隔器分層分采泵分抽井不斷增多。實際生產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,使整個管柱的上部分管柱受拉,處于自重伸長狀態;下部分管柱處于自重壓縮狀態。如果管柱結構不合理,作為細長、多球閥結構的分采泵很容易彎曲變形導致泵效下降,嚴重的會造成卡泵,損壞抽油泵。因此,優化分層采油工藝管柱結構具有重要的現實意義。

1 泵效低等原因分析

分析發現,造成分采泵泵效低、卡泵、損壞泵的原因包括人為因素、井身結構、分采泵的質量、管柱結構。

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

b) 井身結構方面有定向井井眼軌跡復雜、狗腿度大等。

c) 分采泵質量方面是由于分采泵結構相對復雜,球閥和密封點多,質量不過關。

d) 管柱結構設計不合理造成分采泵彎曲。從影響程度上看,管柱結構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

封隔器在下到預定深度未坐封前,整個管柱處于自重伸長狀態,由于受到自重力和液體浮力的相互作用,會產生一個伸長變形量[1],油管柱處在拉伸狀態,不存在中性點的問題。

2.2 坐封后

坐封時,為使封隔器能正常工作,需要施加一定的壓重,即施工作業時人為施加由管柱產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,管柱除自重外,還要受到流體的浮力和管柱內、外流體的壓力,這些力使管柱呈3向應力狀態[2],即軸向應力σn,徑向應力σr,周向應力σθ,如圖1。

管柱3向應力為

平均應力為

則應力張量可分為2相,即

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

管柱內、外流體的壓力在管壁內產生的徑向應力σr和周向應力σθ由拉美公式來確定,即

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

因此有

軸力為軸應力與管柱橫截面之積,即

管柱彎曲中和點定義為可能失穩彎曲和不可能失穩彎曲的分界點,即

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

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

由《采油數據手冊》查得,管柱外徑 Dw=73.02 mm,內徑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。

由此計算得出L中為

坐封載荷與管柱中和點的關系曲線如圖2。

圖2 坐封載荷與管柱中和點的關系曲線

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

2.3 生產過程中

抽油機在上沖程時,泵游動閥關閉,固定閥打開,整個液柱質量都作用在抽油桿上;下沖程時,由于游動閥打開,固定閥關閉,整個液柱重力作用在油管上,使油管受力產生拉伸變形。

在泵的運行過程中,油管的伸長量變為以中性點為分界點,中性點以上油管伸長,中性點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[4],且越靠近中性點振幅越大,泵越靠近封隔器則封隔器越容易失效[5],導致坐封不嚴密;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、振動力、進口回壓、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。

生產過程中,由于中性點以上油管的伸長量等于中性點以下油管的壓縮量,使管柱發生運動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。

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

經過一段時間抽吸后,液面恢復到一個相對平穩值,即

式中,L為泵掛深度,m;H為動液面高度,m。正常生產時作用在柱塞上的液柱載荷為

由油管內液柱引起的作用在油管內徑與柱塞之間的環空上的力為

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

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

圖3 分層采油工藝管柱

3 計算實例

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,坐封力中和點到封隔器的距離為

坐封力中和點在泵以下,泵未彎曲。

3.2 中和點到封隔器的距離

二是建立食品藥品安全監管機制。學校成立了食品藥品安全工作站，其是履行食品藥品監督管理主體責任的組織協調與辦事機構，掛靠在后勤集團，下設辦公室，按照學校設領導機構，機關處（室）為成員單位，附屬單位設監管人員，實行網格化管理。工作站嚴格落實劃區分片、建檔造冊、定期檢查、專項整治和嚴肅問責等制度，實施全員監督、全時監控、全面覆蓋，積極主動配合學校和洪山區食品藥品監管局、武昌區食品藥品監管局及所屬食藥所做好食品安全方面的有關工作。

上沖程結束時,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,中和點到封隔器的距離為

下沖程結束時,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,中和點到封隔器的距離為

可以看出,實際生產中作用于封隔器上的工作重力遠大于初始重力;由于液面的波動造成液柱作用在油管上的力變化,因此生產過程中中和點的位置在599～864 m之間變化;抽油機下行中中和點會轉移到泵以上使泵彎曲,不利于保持泵的強度和良好工作狀態。

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,適當減小作用于封隔器上的初始重力。

4 結論

1) 在滿足坐封力的情況下,應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和補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,生產過程中壓在封隔器上的力越大,管柱彎曲越嚴重,此時應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) 設計分層采油管柱時盡量使中和點在分采泵以下,由于層位、動液面等限制,應盡量遠離封隔器。

4) 低滲透油田間歇性出液井液面波動大,生產中管柱受力變化更大,管柱彎曲震動更強烈。在減小泵徑的同時,應保持合理沉沒度,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,以增強泵的抗彎曲能力。

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

[2] 龔偉安.液壓狀態下的管柱彎曲問題[J].石油礦場機械,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].石油礦場機械,2007,36(10):14-17.

[4] 夏元白,張 平,孫廣領.井下封隔器封隔時套管應力的測試與計算[J].石油礦場機械,1997,26(5):11-15.

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

[6] 杜現飛,王海文,王 帥,等.深井壓裂井下管柱力學分析及其應用[J].石油礦場機械,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用[J].石油礦場機械,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管柱[J].石油礦場機械,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用[J].石油礦場機械,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,陜西藍田人,在職研究生,主要從事油田開發方面工作,E-mail:zhz503@sohu.com。