分層采油管柱封隔器坐封壓力的藕合

付亞榮

（中國石油華北油田第五采油廠，河北辛集052360）

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分層采油管柱封隔器坐封壓力的藕合

付亞榮

（中國石油華北油田第五采油廠，河北辛集052360）

摘要：為解決現場分層采油封隔器坐封憑經驗造成坐封壓力或大或小的弊端，建立了封隔器在井筒中徑向、軸向、周向的應力模型，并用彈性力學中厚壁理論的拉美解答進行計算。在忽略溫度對封隔器膠筒彈性模量和超彈性系數影響的情況下，軸向應力偏量為零時，封隔器處于穩定狀態，從而確定封隔器的最佳坐封壓力，得到了成功的現場驗證。為分層采油工藝的推廣應用提供了可借鑒的理論指導和現場實踐。

關鍵詞：分層采油；封隔器；坐封壓力

20世紀70年代初期，大慶、新疆油田針對非均質砂巖油田具有油層多、層間物性差異大、層間干擾嚴重的特點［1］，提出了分層采油的概念，認為分層開采是合理開發油田、提高采油速度、保證油田具有較高的最終采收率的基本手段之一。1966—1975年，克拉瑪依油田已在74口油井應用雙管分層采油，日增油344 t［2-3］。20世紀90年代，郭偉等人［4］在封隔器上下采用空心抽油泵和普通管式泵，解決了不同壓力等級的2個油層分采問題，偏心分體泵、整體泵、串聯泵、三級泵4種泵型成為遼河油田稠油分層采油的核心技術［5］。近年來國內外諸多學者研究并試驗了適應不同井況的分采管柱［6-9］，大慶油田［1］為提高油層的動用程度，應用6段以上細分層產量控制工藝，實現了油層精細劃分。為達到分層采油的目的，必須向井內下入多個封隔器［10］，普遍采用壓重坐封［11］，分采管柱上部受拉，下部受壓，如果坐封壓力過大，容易造成分采管柱彎曲變形，下次檢泵作業時分采管柱不容易起出，需要大修解卡；如果坐封壓力過小，封隔器密封不嚴，達不到分采效果。因此，對分層采油工藝封隔器坐封壓力進行藕合具有重要的現實意義。遺撼的是，國內外學者大多仍停留于封隔器在不同壓力狀況下坐封過程、受力分析、產品改進、密封件的研究上［12-15］，而對封隔器坐封壓力的確定幾乎沒有涉及。筆者以封隔器為研究對象，建立封隔器在徑向、軸向、周向的應力模型［16］，從而確定最佳坐封壓力，并得到成功的現場驗證。

1 封隔器在井筒內受力分析

在充滿井液的井筒內，封隔器下到設計深度，未坐封前帶有封隔器的管柱呈自重拉伸狀態，會產生伸長變量［17］；坐封時，為保證封隔器工作正常，施工人員需要通過管柱向封隔器施加一定的力；同時，封隔器還受到井液的浮力和管柱內、外井液的軸向應力、徑向應力及周向應力（如圖1）。

圖1　井內管柱在井液中所受的應力

假設井液不可壓縮且黏度不變，油管和套管的軸線重合，此時封隔器所受的應力σxyz為

式中：σxyz為封隔器所受的應力，k N；σx為封隔器所受的軸向應力，k N；σy為封隔器所受的徑向應力，k N；σz為封隔器所受的周向應力，k N；△p為封隔器上下的壓差，M Pa；η為井液的黏度，m Pa·s；L為封隔器卡點位置，m。

研究表明：封隔器坐封失穩的必要條件是封隔器所受的偏斜應力大于零。封隔器管柱內壓和環空壓力使得管柱在徑向上發生膨脹或收縮而引起軸向上的縮短或伸長［18］；帶有封隔器管柱內、外流體的壓力作用在封隔器橫截面上任意直徑處的徑向應力σy和周向應力σz可以由彈性力學中厚壁理論的拉美解答計算得到［19］，即

式中：Do為封隔器外徑，m；Di為封隔器內徑，m；D為套管內徑，m；Fo為封隔器外壓力，N/m2；Fi為封隔器內壓力，N/m2；qg為管柱施加的力，N/m2；qf為井液的浮力，N/m2；ρ為井液的密度kg/m3；g為重力加速度，m/s；S為封隔器橫截面積，m2。

2 封隔器坐封壓力

朱洪征［11］等人認為：軸向應力σx偏量為0時，封隔器處于穩定狀態，在忽略溫度對封隔器膠筒彈性模量和超彈性系數影響的情況下，由式（2）～（5）可以計算行到封隔器坐封壓力，即

式中：F為封隔器坐封壓力，K N；S為封隔器橫截面積，m2。

3 計算實例

以國內某油田X24-5井為例，根據分層采油地質和工程方案，封隔器卡點位置L＝2 319.0 m，井液黏度η＝0.689 3MPa·s；封隔器參數為：內徑Di＝50mm，外徑Do＝114mm，套管內徑D＝124mm，油管外徑73mm，油管內徑62mm，單位長度管柱的重力為95 N/m，井液為清水，密度為1。根據式（2）～（7）計算得到X24-5井封隔器坐封壓力為11.47MPa，取整為12MPa，現場實施1次坐封成功，油井日增油3.4 t，日降水5.7 m3。

在10余口分層采油油井現場應用后，1次坐封有效率100%；油井單井平均日增油2.7 t，取得了滿意的分層采油效果。

4 結論

1） 封隔器坐封的成敗是分層采油技術成功應用的關鍵因素之一，對后續油井能否順利檢泵作業也至關重要。

2） 計算封隔器在充滿井液的井筒中的徑向、軸向、周向的應力，從而確定最佳坐封壓力，能保證封隔器處于穩定狀態。

3） 確定多級封隔器的坐封壓力后，各級封隔器的坐封狀態還需要進一步通過相關的數學模型計算確定。

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Setting Pressure Coupling of Packer in Separate-layer Production String

F U Yarong
（No.5 Production Plɑnt，Huɑbei Oilfield Co.，PetroChinɑ，Xinji 052360，Chinɑ）

Abstract：Setting pressure of the packer in separate-layer production string is hard to control by experience. Radial and axial circu mferential stress model of the packerin wellhole was established to solve this disadvantage，and the result was Given by calculating with La me form ula.In the case of ignoring the influence of the Temperature to elastic modulus and elasticity coefficient of the packer element，when the axial stress deviator is zero，the packer would be in a stable state，and then the best setting pressure could be determined. The study could provide reference for the prom oted application of separate-layer production technology.

Key Words：separate-layer production；packer；setting pressure

作者簡介：付亞榮（1965-），男，四川平昌人，高級工程師，主要從事油氣田開發技術研究與應用工作，E-mail：cy5_fyr @ petrochina.com.cn。

基金項目：中國石油股份有限公司重大專項“分層采油工藝試驗與應用”（2014 E-05-08）

收稿日期：2015-07-03

文章編號：1001-3482（2016）01-0089-03

中圖分類號：T E931.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.020