深層氣井帶伸縮短接測試管柱設(shè)計與應(yīng)用

摘 要

摘要：伸縮短接能有效改善測試管柱的受力狀況，提高測試作業(yè)成功率，越來越廣泛地應(yīng)用到深層氣井作業(yè)中，但如何對帶伸縮短接測試管柱進行力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，已經(jīng)成為困擾現(xiàn)場作業(yè)工
摘要：伸縮短接能有效改善測試管柱的受力狀況，提高測試作業(yè)成功率，越來越廣泛地應(yīng)用到深層氣井作業(yè)中，但如何對帶伸縮短接測試管柱進行力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，已經(jīng)成為困擾現(xiàn)場作業(yè)工程師而又急需解決的技術(shù)難題。為此，首先建立了伸縮短接力學(xué)分析模型，在此基礎(chǔ)上建立了帶伸縮短接測試管柱在封隔器內(nèi)不能移動情況下管柱、封隔器以及封隔器處套管的受力分析數(shù)學(xué)模型，并針對深層氣井特點建立了管柱強度校核方法，為伸縮短接啟動載荷計算、安裝位置確定、長度設(shè)計以及管柱優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。將研究成果應(yīng)用于川東北元壩2井，對測試管柱重新設(shè)計后，使原本無法滿足施工要求的測試管柱滿足了高溫高壓深層氣井的施工要求。
關(guān)鍵詞：深井；氣井；伸縮短接；測試管柱；力學(xué)分析；測試成功率；元壩2井；應(yīng)用效果
    雖然伸縮短接大量應(yīng)用于氣井測試中，但關(guān)于帶伸縮短接管柱的力學(xué)分析及設(shè)計方面的研究卻很少。國內(nèi)僅有少量伸縮短接工作原理和現(xiàn)場應(yīng)用分析[1～4]，國外學(xué)者Mitchell研究了帶伸縮短接管柱的屈曲理論[5]，但沒有深入展開管柱力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計研究。
1 伸縮短接力學(xué)分析
    根據(jù)伸縮短接在整個測試過程中的工作狀態(tài)特點，可以分為3種工作狀況[5]：①加載剪斷剪切銷釘；②伸縮短接自由伸縮活動；③伸縮短接完全封閉。
    1) 對于第一種工況，封隔器坐封完成后，繼續(xù)增壓使伸縮短接剪斷銷釘，伸縮短接進入工作狀態(tài)。銷釘受力情況如圖1所示，剪斷銷釘所需要的載荷(Fsp)為[6]：
    Fsp=Fa+pi(Ao-Ai)-po(Ab-Ao) (1)
式中Fa為銷釘處實際軸向載荷，N；pi為油管內(nèi)壓力，MPa；Ab為伸縮短接外徑對應(yīng)的截面積，m2；Ai為油管內(nèi)徑對應(yīng)的截面積，m2；po為套管內(nèi)壓力，MPa；Ao為油管外徑對應(yīng)的截面積，m2。剪斷銷釘所需載荷由生產(chǎn)廠家提供。由式(1)可以得出剪斷銷釘所需的油壓、套壓值。

    2) 第二種工況中，油管在伸縮短節(jié)范圍內(nèi)可以自由移動。因此，伸縮短接受力為零，即Fsp為零。此時對油管的分析以伸縮短接位置為中和點，分成兩段來進行力學(xué)分析。如果管柱縮短量大于伸縮短接預(yù)留收縮量或管柱伸長量大于伸縮短接預(yù)留伸長量，則伸縮短接封閉，即工況3。
    3) 第三種工況中，油管柱伸長或縮短至完全封閉，伸縮短節(jié)承受油管壓力或拉力作用。在這種工況下，則油管位移約束條件為：
    △Lu+△Ld=△Lfe    (2)
式中△Lu為伸縮短接上部管柱長度變化；△Ld為伸縮短接下部管柱長度變化；△Lfe為伸縮短節(jié)預(yù)留長度。
2 管柱受力與變形分析
    深層氣井測試管柱在井下受到自重、流體壓力、封隔器支撐力、摩阻力等的作用，不同作業(yè)工況下管柱的受力狀態(tài)不同，對于深層氣井應(yīng)用最廣泛在封隔器內(nèi)不可移動管柱，管柱變形均轉(zhuǎn)化為變形力。因此，建立管柱受力與變形分析模型是進行管柱設(shè)計的基礎(chǔ)。
2.1 管柱粘滯摩阻分析
對于帶封隔器井下管柱，隨著井筒壓力、溫度等參數(shù)變化而產(chǎn)生溫度效應(yīng)、活塞效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)、螺旋彎曲效應(yīng)。對這4個基本效應(yīng)產(chǎn)生的管柱變形及其變形力，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究，此不贅述。對于深層氣井，高速擠酸過程中，流體粘滯摩阻效應(yīng)是引起管柱變形的重要因素，也是造成管柱、封隔器失效的主要原因。因此，在分析管柱變形時除了要考慮上述4種基本效應(yīng)外，還必須考慮流體粘滯摩阻效應(yīng)，粘滯摩阻力(Ff)和摩阻效應(yīng)變形(△Lf)分別由下式表示[7～8]：
 
式中L為油管長度，m；τw為管柱內(nèi)截面單位面積內(nèi)的粘滯摩阻力，Pa；D為油管內(nèi)徑，m；E為測試管柱彈性模量，MPa；As為油管橫截面積，m2。
2.2 管柱載荷分析
    測試管柱在不同工況下受力大小沿管柱軸線分布均不同，特別是在深層氣井中，管柱的載荷在作業(yè)各工況中的分布有很大的差異。為了綜合考慮管柱虛構(gòu)力的影響，用等效軸力來分析管柱軸向載荷[9]：
Fe(x)=F(x)+[pi(x)Ai(x)-po(x)Ao(x)]-fN(x) (5)
式中Fe(x)為到井底高z處等效軸向載荷，N；F(x)為到井底高2處實際軸向載荷，N；Ai(x)、Ao(x)分別為到井底高2處測試管柱的內(nèi)、外半徑對應(yīng)的橫截面積，m2；fN(z)為到井底高x處彎曲油管同套管間摩擦力；pi(x)、po(x)分別為到井底高x處測試管柱內(nèi)、外有效壓力，分別由下式計算：
    pi(x)=pi井口+γix±f1    (6)
    po(x)=po井口+γox±f1    (7)
式中pi井口為油壓，MPa；γi為管內(nèi)流體密度，kg/m3；f1為流動摩阻(產(chǎn)出是為正，注入時為負)；po為井口套壓，MPa；γo為管外流體密度，kg/m3。
    管柱在封隔器內(nèi)不可移動工況下，管柱變形均轉(zhuǎn)化為變形力，則作業(yè)工況相對坐封工況發(fā)生改變后，管柱受力[Feb(x)]、封隔器支撐力(Fzin)、封隔器對套管作用力(Fftn)分別為[10]：
    Feb(x)=Fez(x)+Fb1    (8)
    Fzfn=Fzf+Fb1          (9)
Fftn=Fzf+Fb1-pi(L)Af+po(L)[Af-At(L)] (10)
式中Fez(x)為坐封工況下管柱軸向力，kN；Fb1為鼓脹效應(yīng)、溫度效應(yīng)、螺旋彎曲效應(yīng)和摩阻效應(yīng)4種效應(yīng)力總和，kN；Fzf為坐封工況管柱對封隔器支撐力，kN；L為封隔器位置，m；Af為封隔器截面積，m2；At為油管截面積，m2。
3 管柱強度設(shè)計
    深井高溫高壓條件下，油管性能要發(fā)生變化，油管抵抗外載的能力也跟著改變，因而在進行強度設(shè)計時，考慮溫度的影響的油管許用應(yīng)力為：
    σc′=σcKT   (11)
式中σc′為給定溫度下的許用應(yīng)力(油管處于安全狀態(tài)的應(yīng)力)，MPa；σc為給定溫度下的應(yīng)力強度，MPa；KT為給定溫度下油管屈服強度的下降系數(shù)，KT=f(T)。
    根據(jù)Von-Mises屈服強度準(zhǔn)則，用三軸應(yīng)力來校核管柱安全性，應(yīng)力計算公式為：
 
式中σi為三軸應(yīng)力，MPa；σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為周向應(yīng)力，MPa；σz為軸向應(yīng)力，MPa。
    管柱危險截面安全系數(shù)為：
    N=σc′/σi    (13)
4 現(xiàn)場應(yīng)用
    元壩2井是中石化勘探南方分公司部署在四川盆地巴中低緩構(gòu)造帶元壩巖性圈閉西翼的一口預(yù)探直井。完鉆井深6828m，對該井須二段(4600～4640m)APR加砂壓裂測試。首次施工由于管柱設(shè)計不合理，壓裂至95MPa地層未開，發(fā)生油套壓串通，作業(yè)失敗。因此，對測試管柱進行力學(xué)研究，分析事故原因，并重新設(shè)計測試管柱。
    該井地表溫度112℃，地溫梯度2.03℃/1OOm，地層壓力85.84MPa，初始測試管柱結(jié)構(gòu)為：高抗硫WSP-1T110SS油管Φ88.9mm×9.52mm×4200m+Φ88.9mm×6.45mm×360m組合油管。
    首先對初始測試管柱進行力學(xué)分析(表1)，座封下放管柱懸重20t，座封時油管內(nèi)外流體密度1.98g/cm3，加砂壓裂時油管內(nèi)外流體密度1.02g/cm3。
 

    封隔器安全坐封力為9.07t，而壓裂時坐封力為21.1kN，小于封隔器安全坐封力，同時封隔器對套管作用力達460.26kN。元壩2井事故分析結(jié)果為：施工中封隔器承受上頂力較大，膠皮密封不嚴，存在柒性竄漏，同以上理論計算結(jié)果相符合。因此，采用本研究方法設(shè)計伸縮短接，針對管柱受力最惡劣的擠酸工況，采用不同伸縮短接長度對封隔器支撐力進行敏感性分析，分析結(jié)果如圖2所示。
 

    通過以上敏感性分析，設(shè)計1.7m伸縮短接便可有效補償擠酸工況管柱變形附加力。以下對安裝伸縮短接后的管柱進行力學(xué)分析和強度校核，結(jié)果見表2。
 

5 結(jié)論
    1) 針對深層氣井高溫、高壓及帶伸縮短接測試管柱的特點，建立了帶伸縮短接管柱力學(xué)分析模型，并針對深層氣井特點建立了管柱強度校核方法，為伸縮短接啟動載荷計算、安裝位置確定、長度設(shè)計以及帶伸縮短接管柱優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。
    2) 帶伸縮短接管柱和無伸縮短接管柱的力學(xué)分析對比表明：測試管柱加裝伸縮短接能有效補償管柱變形引起的附加力，改善管柱受力狀態(tài)，對提高深層氣井測試管柱安全性具有重要意義。
    3) 通過在元壩2井的施工應(yīng)用，采用本文分析方法重新設(shè)計測試管柱后，使原本無法滿足施工要求的測試管柱滿足了高溫高壓深層氣井的施工要求?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：該方法適用于帶伸縮短接測試管柱力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計。
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(本文作者：丁亮亮1 練章華1 魏臣興1 梁坤1 雷先軫2 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)；2.中國石化西南石油局井下作業(yè)公司)