单封隔器抽油管柱受力变形分析

分析了直井中单封隔器抽油管柱在坐封前后的受力、变形状态。提出了一种准确计算封隔器坐封前后管柱变形、封隔器坐封高度及管柱附件位置的方法,对设计工艺管柱结构、现场校核管柱附件深度具有重要意义。     

直井管柱屈曲对轴力传递的影响

管柱屈曲状态决定着接触反力的大小,从而影响管柱轴力的传递。针对压缩式封隔器坐封过程中管柱受力及变形的特点,应用微元分析法研究管柱屈曲对轴力传递的影响,编制了计算机程序模拟管柱轴力计算。使用计算机程序分析了摩擦系数、油管尺寸、井眼尺寸对管柱轴力传递的影响。     

简易防砂坐封验封一趟管柱工艺研究及试验

针对常规完井工艺不能一趟管柱完成整口井的多层简易防砂完井施工的现状,设计了防砂完井一体化工艺管柱。该管柱包括外防砂管柱和内坐封-验封一体化管柱2大部分,内、外管柱通过悬挂丢手封隔器连接成一个整体。外防砂管柱用于层间分层封隔和悬挂防砂筛管;内坐封-验封一体化管柱能实现防砂封隔器坐封、验封一体化功能。施工时只需1趟管柱作业即可把防砂管柱下到油层预定部位,并逐级完成防砂封隔器的坐封和验封。现场试验结果表明,该工艺管柱各级封隔器坐封、验封合格率100%,显著提高了施工效率,降低了作业成本。     

进行管柱受力分析时值得重视的若干问题

对于压力和温度不太高或不合硫化氢的油气井封隔器管柱受力分析都比较简单,但对于井深、压力高、温度高、含硫化氢的气井,管柱受力分析就比较复杂了。高温高压含硫深气井在进行封隔器管柱受力分析时需要考虑相当多的技术问题,特别是技术细节问题,只有做到这样才能抓住管柱受力分析的关键和根本,使管柱受力分析建立在可靠的工艺基础上,也才能使完井试油和完井生产封隔器管柱在使用过程中更安全更可靠,防止封隔器管柱受力分析中出现简单化、主观化、片面化等问题。为此,笔者结合高压高温含硫深气井封隔器管柱受力分析研究、设计、实践经验谈谈自己的一些体会。     

完井管柱受力计算与分析在注气井的应用

完井管柱受力计算与分析是完井工艺设计的重要组成部分。在极端条件井中,如注气井、气井及高压措施井尤为重要。当井内压力和温度等条件发生变化后,管柱上将出现4种效应:活塞效应、螺旋弯曲效应、膨径效应和温度效应。如井内管柱带有封隔器,封隔器坐封后,由于井口和封隔器两端固定,这些力将直接作用在井口和井下工具上。因此,必须对这些力进行计算,使其不能超过管柱及其井下工具的极限值。否则,应对管柱进行重新设计。本文较详细地介绍了井的状态对管柱的影响、管柱受力与长度变化的因素及计算方法,并结合实例给出计算步骤和结果。本文介绍的方法也同样适用于其他施工,如注水泥、封堵窜槽等管柱的设计计算中。     

一种准确确定封隔器坐封位置的方法

在管柱从地面下入井筒过程中。由于地层高温、静水应力、油管自重以及浮力等因素的共同作用，将使管柱在轴向上发生伸缩。准确掌握该轴向变形量对工艺设计和施工有重要意义。对管柱轴向变形的影响因素进行了详细分析，得出了任意深度下的轴向变形计算公式。实例计算表明：在封隔器坐封前，影响管柱轴向变形的因素按主次排列为油管自重、温度效应、浮力和横向效应。而轴向总变形量与深度的平方成正比，从而可以计算出任意管柱长度下的轴向变形量。并由此准确计算出封隔器的坐封位置。     

含硫气井酸压管柱受力及敏感性因素分析

超深含硫气井生产管柱一般要满足替浆、坐封、改造、求产等多种工况,不同工况下井筒内温度压力变化范围广,导致管柱受力情况复杂,易出现管柱失效;同时含硫气井投产管柱需采用合金材质,管柱设计不合理将导致建井成本大幅度增加。文章详细论述了超深含硫气藏生产管柱受力分析模型建模过程,针对特定区块储层特征,开展了井筒压力温度分布模型校正及敏感性因素分析,系统全面的介绍了管柱力学分析技术,并以塔河油田深层含硫气藏为例,分析计算了测试管柱和投产管柱受力情况,归纳总结了压裂过程管柱受力情况随施工排量的变化过程,提出了塔河油田完井测试管柱的推荐方案。     

伸缩节在完井管柱中的应用与计算

伸缩节在完井作业中被广泛应用,用于补偿管柱加压时因鼓胀效应和活塞效应对封隔器与顶部油管的拉伸,避免封隔器提前解封和油管损坏,以及便于双封隔器的解封。保证伸缩节在封隔器坐封后及时伸开一直是伸缩节应用的一个关键环节。伸缩节在坐封期间的受力情况较为复杂,包括管柱拉应力、封隔器下移力、下部管柱重量,以及坐封后的鼓胀力和活塞力等。通过分析,得出了剪切销钉数量设计和伸缩节剪切力的计算公式,为伸缩节及销钉的选择提供指导,保证伸缩节在完井管柱中的动作符合设计要求,避免伸缩节工作不正常导致工程质量事故的发生。     

高产气井完井管柱纵向振动特性分析

高产气井完井管柱是高产气藏采气过程中的关键工具。在高产高速气流作用下,完井管柱始终处在一个复杂的动力环境之中,承受多种力的激励和响应,产生剧烈的振动。搞清高产气井完井管柱的纵向振动特性,为完井投产及采气作业提供理论依据和技术参考,具有实际意义。针对高产气井实际工况,以井下管柱为研究对象,基于结构振动理论,运用位移激励法建立了高产气井完井管柱在轴向激振力作用下的纵向振动力学模型,采用解析法导出其固有频率和振型。算例分析结果表明,完井管柱无阻尼纵向振动一阶振型是简单的正弦函数,具有固定的周期,一阶固有频率为0.281 Hz,表明完井管柱无阻尼振动频率较低。     

水平井双封隔器管柱力学分析

水力压缩式封隔器在坐封时会使管柱产生轴向应力,严重时会影响管柱的强度。以水平井双封隔器管柱为研究对象,考虑2个封隔器分别坐封时井口压力的大小,基于拉梅公式、广义胡克定律和杆件变形理论,推导了在井口压力的作用下管柱的轴向力、轴向应力及变形量计算公式。计算结果表明,当封隔器Ⅰ、Ⅱ先后以10 MPa和15 MPa井口压力坐封时,封隔器Ⅰ、Ⅱ之间的管柱轴向应力由49.94 MPa降低为15.08 MPa,而弯曲段到封隔器Ⅱ之间的管柱轴向应力由58.05 MPa 增加到107.96 MPa。由此可知,后坐封的封隔器会使其到弯曲段的管柱轴向应力增加,而使其到先坐封封隔器的管柱轴向应力降低,所以管柱的危险截面出现在后坐封的封隔器到弯曲段之间。     

注气井中油管轴向位移计算比较分析

为了确定油管在正常作业、注入措施作业中封隔器的坐封位置、轴向位移补偿量以及判断封隔器是否解封,根据弹性力学理论得出了不同条件下油管柱的轴向位移量,综合考虑了在不同工况下由活塞效应、螺旋弯曲、径向压力、温度变化、松弛力以及摩阻等因素引起的油管轴向位移;同时考虑了在注气油管内气体的横向压力效应,运用VB语言编制程序,将各自计算结果进行了比较分析。结果表明,在注气油管内考虑横向压力效应时与常规油管长度计算油管轴向位移有明显差异;油管内液体流动引起的油管轴向伸长与注入速度的平方成正比,在注入速度过大时对轴向位移有明显影响。     

储气库注采参数与管柱临界屈曲载荷分析

针对华北油田储气井井身结构及其采气过程,开展了储气井井口油压、产量与油管柱屈曲变形的深入研究。在前人研究的基础上,讨论了管柱在井筒中发生正弦屈曲或螺旋屈曲变形的3个临界载荷值以及这3个临界载荷之间的屈曲状态,在此基础上,得到了划分不稳定区的新临界载荷,推导出了计算油管底部轴向力的数学模型。基于带有封隔器的管柱力学分析和理论研究、封隔器管柱中的各种效应变化计算数学模型以及建立的管柱临界屈曲载荷的数学模型,用VB2013开发出了一套储气井注采管柱力学安全性评价软件,应用该软件对华北油田S-x储气井注采管柱进行了研究,为储气井井口油压、产量等参数的优选及注采管柱安全性评价提供依据。     

气井油管柱应力与轴向变形分析

气井投产前后温度和压力变化会引起油管应力及轴向变形的改变。若改变量超过某一限度则将导致封隔器解封或管柱损坏等。目前对气井油管柱研究较少,且很多研究在计算时将状态改变前后的温度压力均考虑为定值，或者将温度分布简单考虑为关于井深的线性函数，这样将导致计算结果产生较大的误差。利用考虑传热、相变、生产时间等因素的气井井筒温度、压力分布模型以及弹性力学理论分析并计算温度、气体压力、油管自重、封隔液、产气量等对油管柱应力和轴向变形的影响。将其应用于现场实际气井表明：管柱轴向变形随产量增加而增加，但增加的幅度逐渐减小；与现场实测数据对比表明，计算结果较为准确。     

无碱二元体系在孤东七区油藏流变性和界面活性分布

为更好地揭示无碱二元体系在油藏中性能损失规律,结合胜利孤东七区非均质强、储层结构疏松等油藏条件,在不同长度岩心中开展二元体系溶液渗流实验。通过进行聚合物溶液对表面活性剂界面活性以及表面活性剂对聚合物溶液黏度的影响来研究两者间的相互作用;并在不同长度岩心出口端取采出液,测试不同位置处黏度与界面张力的变化研究该二元体系溶液在近井和油藏流变性和界面活性分布特征。结果表明:加入聚合物溶液后,二元体系界面张力变化规律与单一表面活性剂相似,但使油/水界面张力达到超低时间要长;表面活性剂对聚合物溶液黏度影响不大,二元体系能保持良好的增黏特性;渗流开始时,二元体系A和B黏度保留率较单一聚合物溶液要高,而界面活性主要损失在近井地带（相对距离0~20%）,并在相对距离60%~100%处达到稳定;渗流达到稳定时,二元体系黏度保留率在0~20%处从100%降为84.2%,并在油藏深部分布均匀,受到相对距离的影响不大,二元体系与油滴间的界面张力在60%时达到稳定。     

南堡油田人工岛大斜度井气举配套管柱研究

南堡油田大斜度井采用整体气举采油方式生产,存在封隔器密封效果差、解封起出难和清蜡效果差等问题。为此,研究了大斜度井气举配套管柱。它将丢手坐封管柱和气举插入生产管柱采用分体式设计,检修上部气举管柱时无需起出下部封隔器,可降低作业难度,缩短施工周期;采用液压坐封方式,具有防撞和自扶正功能。管柱在现场试验5口井,未出现中途坐封现象,清蜡周期由原来的2 d延长至15～20 d,提高了气举阀的投捞成功率,封隔器坐封处最大井斜59.14°,最大井深4 305 m,位移2 611.11 m,封隔器和插管验封合格率100%。     

高压高产气井屈曲管柱冲蚀损伤机理研究

天然气在油管内高速流动对管柱造成冲蚀损伤,严重威胁气井生产和作业的安全。装有封隔器的管柱在井下各载荷作用下易发生屈曲变形,此时高压气体对管柱的冲蚀作用将更加严重,易造成井下管柱失效甚至井场事故。为此,根据发生屈曲后正弦弯曲和螺旋弯曲管柱内流道特点,以天然气流体动力学理论为基础,针对克拉2气田一口高压高产气井建立了油管的计算流体动力学模型（CFD模型）和气井出砂时砂粒对屈曲油管的冲蚀模型。对天然气在螺旋弯曲和正弦弯曲流道内流动规律进行了数值模拟,研究了砂粒对油管内壁的冲蚀速度和剪切力,得到天然气对弯曲油管的作用力以及屈曲管柱内的冲蚀规律,为实时准确地预测高产气井管柱的冲蚀损伤状态提供了依据,为管柱冲蚀损伤预防措施的提出提供了理论基础。 引用格式:练章华,魏臣兴,宋周成,等.高压高产气井屈曲管柱冲蚀损伤机理研究［J］.石油钻采工艺,2012,34（1）:6-9.     

高温高压井双封隔器管柱安全评估

高温高压油气井投产后受到地层高温流体影响,完井管柱双封隔器密闭空间内的流体介质受热膨胀,导致圈闭憋压,可能造成油管挤溃和油层套管破坏的危险,严重威胁管柱服役周期和井筒完整性。针对密闭空间压力上升带来的安全生产问题,运用弹性力学和传热学理论,分析了温度载荷作用下井筒与地层耦合作用机理,研究了自由段油管和封固段油层套管处管柱位移形变量随温度和压力变化的关系,建立了双封隔器密闭环空压力预测模型,同时对不同生产工况下的封隔器管柱安全性能进行了校核分析。研究结果表明:在开井生产阶段,环空压力随双封隔器的间距增加而增加,不会影响管柱安全;在完井液循环阶段,考虑极端工况情况下,环空压力随双封隔器的间距增加而减小,但均超出油层套管抗内压强度,不能立即坐封,因此等待一段时间后坐封封隔器才能保证管柱的安全性能。     

注水油管柱轴向位移分析

为了正确确定注水作业中封隔器的坐封位置和轴向位移补偿量，须精确计算在不同工况下注水油管柱的轴向位移量。综合考虑了注水油管内液体的横向压力效应与流动摩阻效应，应用弹性力学方法对注水油管进行应力和位移分析，计算了注水油管在不同因素影响下的轴向伸长量。结果表明，注水油管内的横向压力效应对油管轴向位移有明显影响，油管内液体流动引起的油管轴向伸长与注入速度的平方成正比。     

连续油管过油管堵水工具研制与现场试验

目前,国内以筛管完井的水平井过油管堵水作业主要受制于关键工具—大膨胀率小直径膨胀封隔器的技术突破。为了填补国内连续油管过油管堵水管柱工艺空白,开展了大膨胀率及较好恢复率小直径膨胀封隔器的试验研究,成功研制出膨胀率达2.5倍、?49 mm的小直径膨胀封隔器,并配套了过油管堵水管柱工具。通过不同排量下小直径膨胀封隔器与节流器的模拟试验,建立了不同喷嘴当量直径下节流压差与排量图版,为现场施工提供了指导依据。经过井下多次重复坐封解封现场试验后,小直径膨胀封隔器的恢复率仍能达到85%,证实了该工具的有效性、合理性与可行性,满足了筛管完井水平井不动管柱情况下最小过?73 mm油管最大封隔?139.7 mm筛管的堵水工艺要求,实现了一趟堵水管柱可完成多次环空化学封隔器分段封隔和地层分段化学封堵,且作业后过油管可回收,对国内过油管堵水工艺技术的推广应用具有参考和借鉴意义。