連續油管在排水采氣中的力學分析

鄭偉

（中石化四機石油機械有限公司，湖北 荊州 434023）

1 概述

在大量含水的氣田，處于開采中、后期階段，由于井底地層壓力下降、氣井產出水量逐漸增加，并且部分生產管柱配置不合理，作業管柱攜液性能下降，導致井下的水越來越多，如果不能及時排出這些水，會引起氣井自噴能力下降，甚至無法作業，嚴重制約了氣井的正常作業。隨著連續油管在修井、鉆井、完井、采油、壓裂等施工作業中的廣泛應用，優勢也更加明顯。相比常規設備作業，通過下入連續油管作為作業管柱，可以避免因為壓井造成的氣層傷害、油管損傷等風險，整體來說，操作簡單快捷，可以較快地恢復氣井生產，相比常規作業裝備優勢明顯

2 井下作業的工藝原理分析

連續油管的排水采氣作業，首先先關閉井口采氣閥，然后在氣井的井口安裝防噴器，主要是1 個單閘板防噴器或者1個雙閘板防噴器、4.06"防噴管，并根據井下工具的長度確定加重管柱的長度，最終與連續油管連接，裝進4.06"防噴管內，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，通過打開井口頂部的主閥，檢查密封，確認密封無誤后，可以向井內下入連續油管。在下入過程中，要嚴格控制連續油管的下放速度，仔細觀察作業管柱指重表的讀數，確保指重表的讀數逐漸增加，一直到連續油管下入到指定的深度為止。然后根據工藝文件，按比例配置好發泡劑，將發泡劑通過連續油管注入到井底。完成所有發泡劑注入后，根據工藝文件，將連續油管緩慢提升出井口，仔細觀察指重表讀數，確保讀數緩慢變化，直至井下工具完全起出為止，關閉井口頂部主閥。然后按順序，拆卸防管管柱，以及各種配套件。對拆除的工具進行檢查，維護保養，檢查腐蝕情況，最后恢復設備。將使用過的防噴系統送至有資質的廠家，對密封進行檢測，更換損壞的密封件，維護保養后，送回井場為下次作業準備。

3 排水采氣作業管柱的優選

氣田的地層壓力低，產量低，使得采氣管柱內非常難以形成產生持續的連續液流，所以，連續油管作業管柱內天然氣的流速，是直接影響氣田中井口排液能力的最關鍵因素之一。天然氣流速越大，連續油管作業管柱的排液能力越強。連續油管作業管柱中的天然氣流速計算公式如下所示：

公式中：淄—天然氣的流速，m·s-1；P —氣井的地層壓力，MPa；Z—天然氣的壓縮比例因子；T—氣井的井底溫度，K；Q—天然氣的流量，m3·s-1；d—連續油管作業管柱的內部直徑，mm。

由上述公式可以分析出，當氣井生產出的天然氣體積相同時，天然氣在井口的流速與連續油管作業管柱的內徑的平方成反比，所以，連續油管作業管柱的內徑越小，天然氣的流速會越大。連續油管作業管柱所需要配置的內徑，可依據Turner 公式，進行理論分析計算得出，公式如下：

公式中：γ—天然氣的比重值。

依據公式的理論分析計算，就可以初步確定連續油管作業管柱的內徑值，再通過現場試驗驗證結果，就可以優選出最適宜的連續油管作業管柱。

4 連續油管作業管柱的力學分析

連續油管是連續油管作業機的最重要組件之一，連續油管的質量直接決定了井下作業的工藝、井下工具串的配置。

4.1 彎曲次數對連續油管壽命的影響

連續油管在作業過程中，每完成一個起出、下入井下的周期過程，連續油管都會在進入、卷出滾筒、鵝頸管的作業過程中，受到一個由彎曲-拉伸、拉伸-彎曲的過程。

入井過程：離開滾筒時，受到彎曲-拉伸的影響；進入鵝頸管時，受到拉伸-彎曲的影響；離開鵝頸管時，受到彎曲-拉伸的影響。

起出過程：進入鵝頸管時，受到拉伸-彎曲的影響；離開鵝頸管時，受到彎曲-拉伸的影響；進入滾筒時，受到拉伸-彎曲的影響。

由于連續油管每完成一個起下過程，將經歷三次彎曲-拉伸和三次拉伸-彎曲，導致連續油管出現彎曲-拉伸和拉伸-彎曲疲勞現象，縮短了連續油管的使用壽命。

4.2 連續油管彎曲半徑限制

連續油管在起下井的過程中，每起下一次，將分別經歷三次彎曲-拉伸和三次拉伸-彎曲過程。若滾筒和鵝頸管的半徑過小，將導致連續油管出現彎曲-拉伸、拉伸-彎曲的周期性疲勞破壞，嚴重制約了連續油管的使用周期和壽命。

連續油管作為作業管柱最小彎曲半徑的計算公式：

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

4.3 內屈服壓力和擠毀壓力

在計算內屈服壓力時，假定無外部壓力。其軸向壓力δa，周向應力δh和徑向應力δr為：

式中：Pi—施加在連續油管上的內壓力，psi；F—施加在連續油管上的拉伸力，lbf；ID-連續油管內徑，in；OD—連續油管外徑，in。

將上述方程代入von Mises 方程：

則，內屈服壓力：

假定內壓力為0，外壓力為P0，則擠毀壓力：

5 結論

在不同工況的氣井進行排水采氣作業時，各工藝文件有各自工況的特性，具有不同的適用性和經濟性。在把連續油管作為作業管柱進行排水采氣修井作業時，可以根據地層壓力的不同、井眼軌跡的不同等特點, 對排水采氣的工藝文件進行可行性分析及施工方案優選。和常規作業設備相比，通過連續油管進行帶壓作業，使用連續油管作為生產作業管柱，可有效地避免因為常規設備進行額外的壓井作業對產氣地層壓力平衡造成的破壞，連續油管作業工藝簡單，對氣井的地層壓力平衡破壞小，更容易恢復生產。通過連續油管作為帶壓作業管柱，進行深井排水采氣，在作業工作中，可保證原生產管柱保持不變的情況下，重新進行修井作業，使用連續油管作為作業管柱不僅對氣井地層的破壞降到了最低標準，還使作業的時間大幅度的縮短，最終降低了修井作業的成本和周期。