分層采油用丟手壓力計(jì)算方法*

付亞榮 陳勁松 郭志強(qiáng) 劉萬斗 馬永偉 孫佰球 胡俊平 王曉軍 劉志剛 錢洪霞 王嬙

（中國石油華北油田分公司）

分層采油是解決牙刷狀油藏、疊層狀油藏、高含水油藏等層間干擾[1-3]，提高最終采收率的有效手段之一，如分采層段數(shù)不受限制的壓力波控制分層配產(chǎn)、過環(huán)空纜控分層采油、無線對接式纜控分層采油、振動(dòng)波控制分層采油等技術(shù)[4-6]。實(shí)際上，在工業(yè)4.0時(shí)代，智能油藏、智能決策、智能找堵水等基礎(chǔ)上的分層采油井下丟手結(jié)構(gòu)管柱也不可或缺[7]。投球丟手則是分層采油過程中必要的技術(shù)手段和施工步驟。丟手的下端通常與分層采油管柱的封隔器連接，丟手的上端與施工管柱連接，且丟手可在一定壓力作用下分為兩個(gè)部分，分層采油管柱的下端通常連接球座。在進(jìn)行分層采油時(shí)，首先利用施工管柱將分層采油管柱下入井下，之后打壓使封隔器坐封；然后投入鋼球至球座，利用地面泵車加壓使丟手分離，從而將施工管柱起出，分層采油管柱留在井下；最后再下入抽油管柱，使油井投入正常生產(chǎn)。對于加壓實(shí)現(xiàn)管柱丟手而言，所施加的壓力過大會(huì)造成管柱蠕動(dòng)，影響封隔器的使用壽命，而壓力過低則不能完成丟手。萬鋒等提出了基于響應(yīng)面法的丟手釋放接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了釋放接頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)配置，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降19.5%[8]。馮麗瑩等采用尾管牽制及尾管懸掛器卡瓦內(nèi)嵌技術(shù)，其具有反向錨定鎖緊及解鎖尾管的功能，為短尾管提供附加載荷，現(xiàn)場施工實(shí)現(xiàn)安全丟手[9]。李建業(yè)等分析了短輕尾管頂升力的影響因素，并以“上提懸掛，下壓丟手”的原則，有效解決了超深井短輕尾管懸掛及丟手判斷難的問題[10]。但分層采油用丟手壓力計(jì)算方法鮮為人涉及，現(xiàn)場往往依靠經(jīng)驗(yàn)確定投球丟手壓力。筆者計(jì)算了鋼球所受的法向力、鋼球與球座的接觸長度、鋼球與球座之間的最大接觸壓力，從而確定丟手壓力計(jì)算方法[11]。通過現(xiàn)場50余口油井應(yīng)用證明，井下施工一次成功率達(dá)100%，助力30余口油井分層開采，單井日產(chǎn)油量平均增加3.4 t，單井日產(chǎn)水量平均降低5.9 m3，百米噸液耗電平均降低0.107 k Wh。

1 投球丟手原理

將鋼球投到球座處封隔后，地面泵車加壓水從通孔進(jìn)入丟手活塞，推動(dòng)丟手活塞和丟手連接體向下移動(dòng)，丟手連接體帶動(dòng)定位銷在丟手撐套上的軌道槽移動(dòng)；地面泵車持續(xù)加壓使壓力上升，將丟手銷釘剪斷，丟手活塞帶動(dòng)丟手連接體和丟手支撐套一同向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)丟手，丟手銷釘剪斷效果如圖圖1、分層采油工藝管柱示意圖如圖2。

圖1 丟手銷釘剪斷效果Fig.1 Cutting effect of release pin

圖2 分層采油工藝管柱示意圖Fig.2 Schematic diagram of separate-zone production process string

2 丟手壓力計(jì)算方法

基于Hertz接觸理論，對鋼球所受的法向力、鋼球與球座的接觸長度、鋼球與球座之間的最大接觸壓力進(jìn)行計(jì)算，得到丟手壓力計(jì)算方法[12]。

2.1 水柱壓力

式中：PH為丟手上方水柱壓力，MPa；H為丟手上方油管長度，m；k為每米水柱壓力換算系數(shù)。

2.2 鋼球所受的法向力

式中：F為鋼球所受的法向力，k N；P為地面泵車出口壓力，MPa；r0為鋼球與球座的最大接觸半徑，m；r1為接觸半徑變量（0～r0），m；α為球座的錐度，(°)。

2.3 鋼球與球座間的接觸長度

實(shí)施分層采油丟手施工過程中，所投的鋼球與球座之間以及鋼球與球座所受的載荷都是軸對稱分布；因鋼球體積較小，不考慮其重力影響，只考慮鋼球所承受的丟手上方水柱壓力及地面泵車傳替的泵壓。基于Hertz半空間體理論，鋼球與球座間屬于球與平面接觸模型，鋼球與球座間的接觸長度為：

式中：L為鋼球與球座間的接觸長度，m；E1為鋼球材料的彈性模量，MPa；E2為球座材料的彈性模量，MPa；R為鋼球半徑，m；δ為鋼球與球座間碰撞的壓縮量，m。

2.4 鋼球與球座間的最大接觸壓力

按2.3章節(jié)中闡述的“基于Hertz半空間體理論”，鋼球與球座間的最大接觸壓力為

式中：Pmax為鋼球與球座間的最大接觸壓力，MPa。

將式（1）、（2）、（3）、（4）由人工或計(jì)算機(jī)求解得到，地面泵車出口壓力P即為分層采油用投球丟手壓力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過現(xiàn)場50余口油井應(yīng)用表明，井下施工一次成功率達(dá)100%，助力30余口油井分層開采，單井日產(chǎn)油量平均增加3.4 t，單井日產(chǎn)水量平均降低5.9 m3。經(jīng)華北石油管理局節(jié)能監(jiān)測站測試，百米噸液耗電平均降低0.107 k Wh，部分丟手分層采油管柱油井效果如表1。

表1 部分丟手分層采油管柱油井效果Tab.1 Oil well effect of partially releasing separate-zone production

以XX-20井為例，依據(jù)地質(zhì)方案對該井實(shí)施分層采油，利用上述計(jì)算法對2 450 m處的管柱投球丟手壓力進(jìn)行計(jì)算，得出其值為17.67～18.49 MPa，取整后為18～19 MPa。按此壓力值一次施工成功，該井日產(chǎn)油量平均增加3.7 t，日產(chǎn)水量平均降低6.3 m3，百米噸液耗電平均降低0.112 kWh。

4 結(jié)論

1）基于Hertz接觸理論，鋼球與球座間屬于球與平面接觸模型，利用計(jì)算得出的丟手壓力，達(dá)到了既保證投球丟手的需要，又不造成管柱蠕動(dòng)的目的。

2）準(zhǔn)確計(jì)算丟手壓力有助于分層采油成功實(shí)施，在起增油降水作用的同時(shí)，節(jié)省了油井采出液百米噸液耗電量。