高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測試技術創新

李國勇 師靜靜 張文飛 李有龍

摘要：井下封隔器裝置是油氣井設備系統的關鍵部件。由于目前注水技術較差，導致壓力測試結果難以達到預期效果。研究利用三維有限元分析確定數據狀態，分析當采油管處于壓裂狀態下，不同管柱的壓力分布狀態，通過分層分析建立關注封隔壓力預測模型，計算得出密閉空間內的環空壓力、流體介質由于溫度影響及外界壓力影響的總體積變化，得出封隔器內環空壓力。利用數值建立有限元分析模型，對高含水期井下分層采油管柱封隔器進行壓力測試。實驗結果表明，本文提出的高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測試方法具有很強的測試能力，測試結果準確率高達99%，對于實際應用有積極的意義。

關鍵詞：高含水期；井下分層；采油管柱；封隔器；壓力測試

中圖分類號：TE931+.2文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0122-05

TechnicalInnovationof pressuretestof downholestratifiedproductionstringpackerinhighwatercutperiod

LI Guoyong，SHI Jingjing，ZHANG Wenfei，LI Youlong

（Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Xingzichuan Oil Production Plant，Yan'an 717400，Shaanxi China）

Abstract： The downhole packer device is a key component of well equipment systems. Due to the current poor wa? ter injection technology，it is difficult for the results of the pressure test to achieve the expected results. Three-di? mensional finite element analysis was used to determine the data state. The pressure distribution state of different pipe strings was analyzed when the production pipe was in the state of fracturing. A pressure prediction model of at? tention style was established through hierarchical analysis. The annular pressure in the confined space，the total volume change of the fluid medium due to the influence of temperature and the influence of external pressure，and the annular pressure in the packer was obtained. The finite element analysis model was established by numerical value，and the pressure test of the downhole stratified production string packer was carried out in the high water cut period. The experimental results show that the pressure test method for the downhole stratified production string packer proposed in this paper has a strong test ability，and the test result accuracy rate is as high as 99%，which has positive significance for practical application.

Keywords： high water cut period；downhole stratification；production string；packer；pressure test

油田具有油層多、互層天然物性差別大、互層擾動強烈的特性，因此井下分層采油是最為合理的開采方法。有研究人員采用模塊化分層取樣的方法進行封隔器壓力測試，此方法取樣繁瑣復雜且取樣不全面[1]。提出了管柱力學全長分析與封隔器芯軸三維有限元分析結合的綜合分析方法，但是此種方法在實際應用中會面臨各種不同的工況，操作極為復雜[2]；對注水時分層注水管柱的受力變化進行測試以此代替封隔器壓力測試，實際上由于水管柱與封隔器材質及內部結構的不同，即使作用于同一壓力點，其所受壓力值也是不完全相同的[3]。利用建立雙封隔器密閉環空壓力預測模型，通過分析工況實現封隔坐峰，且壓力測試數據龐大，操作效率極低[4]。本研究采用在測試之前建立分析元模型的方式，通過分析元模型提高對高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力的測試精度。

1 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測試原理

高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力的測試原理，主要是通過建立有限元分析模型進而對封隔器進行壓力測試，通過完成管柱全場應力分布的三維有限元數值解，到對封隔器局部結構彈塑性應力、封隔器芯軸三維有限元分析的過程，來完成采油管柱封隔器的壓力測試。

有限元模型主要通過表層導管、技術套管、生產油管和下部分割器共同組成。有限元模型內部的封隔器最低可以落入到井深5000 m 的距離，具有很好地封隔能力。油管全場4800 m，目標存儲與4700～4750 m 的位置。首先需要建立套管和油管的全長有限元模型、建立套管與油管連接接觸的接觸單元模型，有限元模型共有1800個；對油管坐封施加重力前，記錄下油管內外的壓力、浮力以及初始的溫度分布，分布在1677個管單元內部；施加封隔器坐封邊界條件；施加承力壓裂施工壓力載荷包括油壓和套壓，施加壓裂產生的物濃度變化載荷，求解管柱全場的各應力分量分布；建立封隔器芯軸有限元模型；從管柱全場的軸向力數值解中提取封隔器對應位置上的軸向力，每個單元的長度可以達到截面的10倍。作為載荷，施加在封隔器芯軸上，對封隔器芯軸有限元模型進行彈塑性數值計算，求解芯軸各處的應力分布和塑性變形數值解[5-6]。

2 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力預測模型

對于高含水期井下分層采油管柱封隔器進行壓力測試時，為了收集到單一地層的流體樣品，以及壓力變化走向曲線，需要將待檢測的地層分隔成為獨立的檢測單元，成為獨立個體，之后將封隔器內部的混合流體排出，之后使地層的液體流入到封隔器內部，當封隔器內外之間的流體驅動完成之后，進行取樣工作，即可以得到單層地層的真實流體樣品[7-8]；井下測試工具如圖1所示。

由圖1可知，井下測試工具全長5022 m，模型的楊氏模量為220550 MPa，能夠承受的閌閬強度最大可以達到800 MPa，工作過程的熱膨脹系數為1×10-5。由于封隔器狀態是完全密閉狀態，沒有液體的自然流動滲出，可忽視環境空間內流體運動質量的改變。而在封閉空氣內，由于流體運動介質升溫后無法自然膨脹，容積變化也是相對恒定的，從而會形成對流體的自然膨脹壓力，同時在與環境溫度壓力耦合影響下，井內的形態改變也會使得封閉環境空氣容積變化更大，進而對環境空氣的自然壓力變化形成影響[9-10]。所以，可認為密封空間內的環空壓力是由流體參數的膨脹壓力和管柱的形狀改變兩個部分共同作用而形成。密閉空間內的環空壓力公式：

式中：o 表示密閉空間內的環空流體的膨脹系數；ΔT 表示溫度變化的平均值；V 表示密閉空間內的環空體積。

由于封隔器局部結構彈塑性應力與環空壓力呈正向相關，通過測量統計出密閉空間內的各時段溫度從而求出溫度平均值，結合環空體積可以計算出密閉空間內的環空壓力，從而可以推斷出封隔器局部結構彈塑性應力的大小分布和走向趨勢。在受到外界溫度變化的影響后，環內流體物質會產生溫室效應，內部的體積也會出現變化，變化公式：

式中：ΔV 表示環空流體膨脹后的總體積變化。

通過式（1）、式（2）可以看出，不僅環空壓力受到溫度變化的影響，環空中的流體介質體積變化也同樣受到溫度變化的影響[11-12]。綜合2個公式，可以求得環空流體由于壓力作用產生的體積變化：

式中：ΔP 表示密閉空間內的環空壓力變化值；M 表示流體在運動過程中出現的彈性；ΔVT 表示溫度在變化過程中體積的變化。

由于封隔器內部芯軸的局部應力分布和應變分布受環空流體介質的體積變化而變化，當空間內流的體質量出現變化后，封隔器會被塵封，受到約束影響，管柱難以移動，封隔器的芯軸需要承擔外界壓力，其應力分布和應變分布數值等同于環空壓力變化值，所以封隔器內部芯軸的局部應力分布和應變分布數值可通過封隔器的總體積變化數值求得[13-14]。由于封隔器內的體積受溫度和壓力共同影響，封隔器管柱由于溫度和壓力改變而產生體積變化可表示為：

式中：ΔVPT 表示在溫度和壓力共同影響下的封隔器內總體積變化。

由以上公式綜合可求得井下分層采油管柱封隔器壓力數值變化，利用數值建立有限元分析模型，封隔器內環空壓力： -

從管柱全長的軸向力數值解中提取封隔器對應位置上的軸向力，實現對管柱長度應力分布的三維有限元數值求解，并通過三維有限元法解析管井內長度的應力分布。從式（5）可得知，在管井液停止循環之后沒有馬上進行封隔器坐封操作的正常情況條件下，當雙封隔器座閉之間的距離逐漸增大之后，圈內環控所受到的壓力也會隨之減少，因此在針對密封結構進行設計時，要考慮因為圈閉環空的壓力變化過大，封隔器上的芯軸所承受的軸向力會很大這一問題，不能在管井液停止循環操作之后馬上進行封隔器坐封。管柱全長的軸向力為10.25 kN，油管內徑為90.25 mm，油管外徑為100.33 mm，油管深度為4000 m，壁厚能夠達到9.25 mm。在受管柱軸向應力與液體壓強共同影響下，芯軸出現了明顯的塑性變形[15-16]。在負荷量影響下，芯軸在傳壓孔周圍出現了明顯的塑性變形區域，但由于負荷增大，塑性變形區域逐漸連成了一片，從而使整體結構超過塑性限制而無法承受更大載荷[17-18]。

3 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力測試

為了保證井下分層采油管柱封隔器壓力預測模型的準確性和可靠性，需要對模型進行功能測試。主要測試包括安全測試、排液泵壓力測試、封隔器壓力測試、取樣器壓力測試、錨定器壓力測試。

3.1 安全測試

對采油管柱封隔器進行安全測試，先要對封隔器進行安全測試，測試封隔器能夠承受的最大壓力，在工作進行過程中不能超過最大壓力值，才是安全的工作環境。封隔器內部環空壓力隨著流體的溫度變化而改變，流體溫度受地面溫度影響，所以安全測試時必須先分析封隔器內環空氣流體運動方向和參數介質間的壓強值變化規律和走向趨勢，從而確定封隔器坐封間隙和管內環空壓力差間的變化關系。

在測試前確定封隔器的保護液密度是否低于閾值2.50 g/cm3，同時檢測井口承受的壓力是否為0 MPa。然后通過檢查井體結構，以確定燃料管的耐壓性能和套管內的擠壓強度，并選取與其相適應的安全系數，以進行管柱封隔器安全測試，得到的耐壓差測試曲線如圖2所示。

3.2 排液泵壓力測試

對排壓泵進行注水，注水的密度為1.08 g/cm3，持續注水為15 min，注水量不能超過300 m3，排液泵一般為多柱塞結構，通過斜盤作用、往復循環，同時實現吸液和排液。對排液泵進行壓力測試時，首先在排液泵一端設置帶有一定壓力的液體供給端，保證壓力測試過程中所供液體保持充足。在排液端設置單向閥，調整單向閥的狀態和供液端的壓力差值，從而測試在不同的壓力條件下，排液泵的排液能力。通過對排液泵進行壓力測試所得結果，找出排液泵壓力承受最大值。

3.3 封隔器壓力測試

封隔器坐封時，為了滿足排液需求，封隔器內部的過液通道需要能夠滿足過流需求并且在過液同時不會產生明顯的節流壓差；封隔器結構如圖3所示。

由圖3可知，在對封隔器進行壓力測試過程中，如果封隔器坐封良好，由于地層壓力變化，封隔器膠筒的上下部位將會出現壓強差，若膠筒上下部位無壓強差出現，說明封隔器坐封無效或是封隔器損壞。對膠筒上下部位的壓強差通過傳感器數值體現，坐封良好時，上部和下部的傳感器同時測量被測層段地層壓力，且壓力數值不一致。對封隔器進行壓力測試，不僅可以通過2個部位傳感器數值相互對照進行校準、提高數值的準確度，還可以通過收錄到的壓力數值走向曲線測量地層的壓力值。

3.4 取樣器壓力測試

取樣器的最大壓力為600 MPa，與極限閾值進行對比。為了保證結果的準確性，需要保證取樣器內部干凈無污染，因此需要在取樣器完全封閉的情況下進行入井取樣，需要在入井后打開取樣器。由于井下壓強較大，因此取樣器在井下高壓環境下能否順利打開非常重要，因此需要對取樣器進行壓力測試；取樣器結構如圖4所示。

取樣器主要負責收集由地層流入液體的樣本，在地層壓力的作用下，通過控制取樣器上設置的單向閥門，液體流入完成取樣。根據排液泵的排液量，當排液體積大于環空流體體積的2倍情況下，可認其為真實地層流體。將取樣器放置于實驗井中，一端保持在實驗井內，另一端保持與外界大氣相連通，分別對取樣器進行打壓測試，取不同壓強值，測試取樣器在不同壓強值下的穩定狀況，若取樣器能夠保持穩定，則說明取樣器密封良好，然后打開取樣器，此時實驗井處于瞬間泄壓到常壓的狀態，則表面取樣器能夠在強壓下順利打開，在高壓條件下能夠正常工作。

3.5 錨定器壓力測試

由于油田采油現場經常會出現錨定器無法解卡的情況，因此需要對錨定器進行壓力測試。在實驗井中進行整體打壓，并進行環境加溫，在高壓高溫的環境下對錨定器進行測試，根據不同的壓強值和溫度值，測試錨定器能夠承受的最高程度，以此作為錨定器的極限壓強值和極限溫度值，作為錨定器性能良好的分界點。

4 高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力現場試驗

不同形式的封隔器的啟動方式和解封方式也各不相同，普遍采用的封隔器形式包括液力擴張式封隔器和壓縮式封隔器。下部管柱的外徑為90 mm，內徑為88.42 mm，能夠承受的壓力值為500 MPa。

分層注水管柱是注入水進入地層的通道，是保證注水工作順利進行的重要設備，其可靠性好壞直接影響到分層注水開發的效果。在現場對分層采油管柱封隔器壓力測試尤為重要。分層注水管柱在下井過程中，井內存在液體，由于液體具有慣性和壓縮性，如果不控制管柱的下放速度，則很容易由于水擊作用而出現損壞。通過現場實驗可以證實，分層注水管柱能實現長時間有效分層注水，通過細分層注水保護套管。當荷載力超過70%，則證明所承擔的強度為極限強度。

為了更好地保證實驗效果，同時選用本文提出的壓力測試方法和傳統的基于分層流體取樣的壓力測試方法和基于高壓氣井多封隔器完井管柱力學分析的壓力測試方法進行實驗對比，得到的壓力測試精度實驗結果如圖5所示。

從圖5可以得知，提出的壓力測試方法測試精度始終高于99%，而基于高壓氣井多封隔器完井管柱力學分析的壓力測試方法測試精度低于96%，基于分層流體取樣的壓力測試方法測試精度低于93%。

5 結語

由于我國井下分層采油技術和井下工程普遍開展，國內外對封隔器技術的各種應用開發方式的選擇和對其功能多樣性方面的有關的研究也日益增多，各種特殊形式封隔器技術的應用開啟方法和解封閉開啟方式研究也很多，按照通常用的封隔器形式分為液力膨脹型封隔器和氣體壓力型封隔器。針對高含水期井下分層采油管柱封隔器壓力進行測試，通過安全測試、排液泵壓力測試、封隔器壓力測試、取樣器壓力測試和錨定器壓力測試共同實現整體測試，現場試驗結果表明，研究的測試方法具有較高的測試精度，能夠在短時間內完成測試工作，為工程提供有效依據。

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