TK1135井封隔器坐封案例分析

趙忠輝 馬宏原

【摘 要】 塔河油田為古生界奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏，儲層平均埋深5300-5720米，最大埋深7361米，酸壓井為了保護井口套管，完井時大多需下入井下封隔器，封隔器坐封成功與否關系到后期酸壓的成敗，因此提高封隔器應用成功率是完井的首要任務，本論文以TK1135井為例重點分析完井工具失封原因。

【關鍵詞】 封隔器 坐封 分析

1 坐封封隔器

組下酸壓管柱到位后投球入座，正打壓坐封封隔器，逐級打壓0-4-8-12-16-18MPa各穩壓3min，繼續打壓至21MPa，穩壓10min，壓力不降，環空不返液，泄油壓至0MPa。重復坐封動作一次合格后泄油壓至0MPa。環空打壓15MPa驗封，穩壓15min，壓力不降，油管不返液，驗封合格。

2 打球座

油管打壓至32MPa，繼續打至35MPa穩壓5min，打壓至36MPa，穩壓2min，打壓至40MPa穩壓10min，打壓至42MPa，穩壓20min；環空補平衡壓至20MPa，泄油壓至20MPa，繼續打壓至46MPa壓力突降至31MPa后油套同時降至17MPa，觀察10min油套壓同時持續下降，泄油壓至0MPa套壓同降至0MPa，環空注油田水0.9m3油套同時升至10MPa，油套連通，判斷封隔器失封。

3 案例分析

上提管柱85t（原懸重85t）起完井管柱，懸重無變化，無解封顯示，正常起鉆。起出的封隔器解封銷釘全部剪斷，打球座過程中管柱密封良好，判斷油套連通是由于封隔器失封造成而非管柱存在漏點。

3.1 球座銷釘值計算

3-1/2"球座銷釘規格為10mm×13mm，單顆剪切值6MPa，本井安裝5顆銷釘。

根據計算3-1/2"球座剪切力為

=122145.12N （1）

本井銷釘規格與3-1/2"球座銷釘相同，剪切力相同，計算單個銷釘剪切力為24429.02N，本井2-7/8"球座安裝5顆銷釘剪切值為46.23MPa。

=46.23MPa （2）

本井打球座壓力過高是由于球座使用錯誤所致。（本井應用的2-7/8"球座銷釘與3-1/2"球座銷釘長度、直徑相同）。

3.2 鼓脹效應

鼓脹效應是指管柱的內、外壓差作用使管柱的直徑增大或縮小的效應。由于內壓大于外壓，從而導致管柱直徑增大、管柱長度縮短的叫做外鼓脹效應；由于外壓大于內壓，從而導致管柱直徑減小、管柱長度增加的叫做內鼓脹效應[1]。

鼓脹效應發生在整個管柱上，在鼓脹效應的計算過程中，主要考慮管柱內、外平均壓力的變化，則由鼓脹效應所引起的管柱軸向力及長度變化的簡化計算公式為：

（3）

（4）

式中，為鼓脹效應引起的力，Psi；△Pia為管柱內平均壓力變化，Psi；為環空平均壓力變化，Psi；油管內徑面積，in2；油管外徑面積，in2；鼓脹效應引起的長度變化，in，深度m（本計算中為封隔器中膠位置5525.36m）；泊松比，鋼材為0.3；彈性模量，鋼材為3×107Psi；油管外徑與內徑之比。1Psi=0.006895MPa，1cm=0.394in。

打球座和環空打壓是分階段進行的，把各個階段累加起來計算。

為4.8t，為0.7674m。

打球座過程中管柱受到向上的軸向力4.8t，可引起管柱縮短0.7674m。

3.3 作用力與反作用力

當打球座井口泵壓45MPa時，根據計算打掉球座時候球座受到的力為11.89t。

根據牛頓第三運動定律

（5）

得知，球座打掉瞬間封隔器中心管受到向上的力為11.89t。此力可以上移中心管起到解封作用。封隔器坐封后管柱所受合力（0牛頓）平衡，打掉球座瞬間整個系統發生變化，但是系統所受合力依舊平衡（0牛頓）。

3.4 活塞效應

活塞效應是指管柱內、外流體壓力作用在管柱直徑變化處或底部球座上而引起管柱長度變化的效應。

油管及環空壓力的變化會導致活塞力的變化，引起油管及環空壓力變化的因素很多，例如油管內外的流體密度、地面泵壓等發生變化。活塞力的變化的計算公式為[2]：

（6）

式中：為引起活塞效應的力，N；和分別為油管內、外截面積，m2；為管柱密封腔的橫截面積，m2，為計算點處下端面壓力變化，Pa；為計算點處上端面壓力變化，Pa。

根據虎克定律，由活塞力的變化所引起的管柱長度變化為：

（7）

式中：為活塞效應引起的管柱長度變化，m；E為管柱的彈性模量，Pa；為管柱橫截面積，m2。

經過計算打掉球座瞬間活塞力為1.69t，為-0.22m。

打球座后管柱受到向上的活塞力為1.69t。

3.5 案例總結

鼓脹效應引起的軸向力+反作用力+活塞力合力為11.89+4.8 +1.69 =18.38t（封隔器解封噸位19.2t，在井下受溫度影響實際噸位減小）。計算封隔器位置井溫122.66℃（封隔器位置5525.36m），銷釘剪切值降至17.472t（降低9%）。

打掉球座瞬間封隔器中心管受到向上合力18.38t>17.472t，封隔器解封導致失封。

4 結語

（1）環空打背壓20MPa，當球座被打掉后環空壓力20MPa，會使水力錨回縮，增加封隔器失封可能性。（2）球座使用錯誤，球座銷釘設計不正確導致打球座時壓力過高封隔器失封。（3）改進球座銷釘型號，使3-1/2"球座銷釘與2-7/8"球座銷釘易于區分。

參考文獻

[1]高德利.油氣井管柱力學與工程[M].山東東營：中國石油大學出版社.2006.10.

[2]李成，朱紅紅，鐵瑛，何龍.銷釘連接接觸面的應力有限元計算與分析[J].鄭州大學學報，2012，33（1）：84-87.