注汽井伸縮管安裝位置及數(shù)量設(shè)計(jì)

胡軍建，張 耀，鮑永輝，金澤洋

（長江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

注汽井伸縮管安裝位置及數(shù)量設(shè)計(jì)

胡軍建，張 耀，鮑永輝，金澤洋

（長江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

針對水平井注汽管柱存在注汽時(shí)彎曲的問題，通過計(jì)算管柱起下過程的軸向力及注汽時(shí)管柱的伸長量，優(yōu)化設(shè)計(jì)了伸縮管安裝位置及數(shù)量，從而減少管柱彎曲，降低采油成本。并通過VB編制了計(jì)算軟件，通過現(xiàn)場的應(yīng)用與實(shí)踐，驗(yàn)證了方法的可行性。

水平井；管柱彎曲；伸縮管

伸縮管是一種可伸縮短節(jié)，主要是在封隔器坐封以后工作，起到補(bǔ)償注汽管柱長度變化的作用。常見的稠油熱采直井隔熱管柱，伸縮管安裝在管柱中部，依靠下部管柱自重，確保在注汽之前伸縮管是拉伸狀態(tài)[1]。但是對于稠油熱采水平井，管柱與套管內(nèi)壁之間的摩擦力過大，在下放管柱過程中，摩擦力使伸縮管頂回至收縮狀態(tài)，伸縮管無法起到補(bǔ)償作用，造成注汽時(shí)管柱擠壓彎曲。此外，由于水平段過長，存在整條管柱的重力克服摩擦力后（即伸縮管安裝在井口），仍不能使伸縮管拉開的問題。目前，對于水平井伸縮管的安裝并沒有科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 伸縮管安裝數(shù)量設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)伸縮管安裝數(shù)量，首先要計(jì)算管柱的伸長量，目前設(shè)計(jì)過程中伸長量大都采用經(jīng)驗(yàn)值，缺乏理論依據(jù)[2,3]。管柱伸長計(jì)算主要分為注汽階段和生產(chǎn)階段，而注汽階段又分為封隔器坐封前和坐封后兩個(gè)工況，在封隔器坐封以前，由于溫度作用以及管柱自重產(chǎn)生的伸長量并不會(huì)對管柱的應(yīng)力造成太大的影響，在封隔器坐封后，由于封隔器的限定作用，油管無法自由伸長，造成應(yīng)力增加，而伸縮管的主要作用是在封隔器坐封后工作，補(bǔ)償注汽過程而引起的管柱伸長量，起到保護(hù)井口、油管以及封隔器的作用。所以伸縮管數(shù)量的確定主要以封隔器坐封以后的伸長量為依據(jù)進(jìn)行伸長量計(jì)算，根據(jù)管柱伸長量以及伸縮管的可伸縮長度來確定伸縮管的數(shù)量n。

式中：ΔL — 總伸長量, m；

LS— 單個(gè)伸縮管可伸縮長度, m。

管柱長度變化主要受四個(gè)效應(yīng)的影響，由壓力變化引起的活塞效應(yīng)、螺旋彎曲效應(yīng)和鼓脹效應(yīng)及由溫度變化引起的溫度效應(yīng)[4]。由于伸縮管設(shè)計(jì)后，理論上不會(huì)發(fā)生彎曲，所以不考慮螺旋彎曲效應(yīng)。而對于隔熱管，鼓脹效應(yīng)引起的管柱長度變化經(jīng)計(jì)算非常小，可以忽略，所以重點(diǎn)研究活塞效應(yīng)和溫度效應(yīng)引起的長度變化。

（1）活塞效應(yīng)

根據(jù)虎克定律，活塞力的變化會(huì)引起油管柱長度變化，該長度變化通常稱為活塞效應(yīng)[4]。如果規(guī)定長度變化縮短為負(fù)，伸長為正，則根據(jù)虎克定律，由活塞效應(yīng)引起的長度變化為：

式中：ΔFa— 活塞力的變化, N；

L — 封隔器以上管柱長度, m；

E — 鋼的彈性模量, 2.06×1011Pa；

As— 油管壁的金屬橫截面面積, m2。

（2）溫度效應(yīng)

溫度效應(yīng)引起的伸長量即為封隔器坐封后溫度變化（封隔器坐封溫度180 ℃）所引起管柱長度的變化。

式中：ΔT — 管柱平均溫度變化 ,℃；

β — 鋼的熱膨脹系數(shù)，17.5×10-6℃-1；

ΔL2— 由溫度變化引起的管柱長度變化, m。

則注汽過程的伸長量即為活塞效應(yīng)和溫度效應(yīng)引起的管柱伸長量的和。

2 伸縮管安裝位置設(shè)計(jì)

伸縮管有一個(gè)啟動(dòng)壓力，當(dāng)伸縮管受到的拉力大于啟動(dòng)壓力，伸縮管就會(huì)處于拉伸狀態(tài)。水平井管柱，管柱自重并不能完全作用到伸縮管，所以在安裝位置設(shè)計(jì)前，必須進(jìn)行水平井起下管柱力學(xué)分析研究[5-8]，即研究起下管柱過程中，管柱每個(gè)位置的軸向力大小。保證管柱下入設(shè)計(jì)井深后，伸縮管位置的軸向力能大于伸縮管的啟動(dòng)壓力。

伸縮管安裝位置設(shè)計(jì)的基本原理為：考慮管柱在水中的情況，利用下放管柱力學(xué)分析方法，從油管末端開始向上分段計(jì)算，得到下行過程中管柱每個(gè)位置的軸向力，軸向力大于啟動(dòng)壓力的位置對應(yīng)的井深即為設(shè)計(jì)的伸縮管安裝位置。若計(jì)算到井口依然不能拉開伸縮管（井口軸向力小于啟動(dòng)壓力），則要采取將管柱下至人工井底，然后上提管柱的方法，此時(shí)摩擦力起到拉伸管柱的作用，利用上提管柱產(chǎn)生的摩擦力來拉開下放時(shí)無法拉開的伸縮管，即采用上提管柱力學(xué)分析方法進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，對上提下放思路皆進(jìn)行了設(shè)計(jì)，供油田選擇最合適的伸縮管位置。

3 伸縮管安裝數(shù)量設(shè)計(jì)

該方法在某油田進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的效果。在此僅以某油田XX水平井歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)，說明其應(yīng)用情況。

計(jì)算選擇的XX井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（見表1）、伸縮管參數(shù)（見表2）和井斜數(shù)據(jù)（見表3），其中該井選擇114/76+89/76油管組合，設(shè)計(jì)結(jié)果（見表4）。

表1 XX井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 XX Well basic data

表2 伸縮管主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of telescopic tube

表3 井斜數(shù)據(jù)Table 3 Well path

表4 計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results

4 結(jié)束語

科學(xué)的設(shè)計(jì)了伸縮管的安裝位置及數(shù)量，該方法有效的解決了注汽管柱彎曲問題，現(xiàn)場實(shí)施 35井次，未發(fā)生管柱彎曲現(xiàn)象，效果明顯。

［1］ 宋明臣. 水平井隔熱注采一體化管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國科技縱橫, 2015(16)：151.

［2］ 徐好剛. 注汽用伸縮管的改進(jìn)[J]. 化工管理, 2013(06): 29.

［3］ 楊淑英. 隔熱型注汽管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 石油鉆采工藝, 2003(S1): 21-23.

［4］ 江漢石油管理局采油工藝研究所著. 封隔器理論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京: 石油工業(yè)出版社, 1983: 142.

［5］ 謝斌, 宗朝輝, 等. 水平井起下油管受力分析和實(shí)際計(jì)算[J]. 新疆石油科技, 1995(04): 107-112.

［6］ 檀朝東, 張任良. 基于三維井眼軌跡的管柱受力分析研究[J]. 中國石油和化工, 2009(01): 57-59.

［7］ Jun Xu. Design and analysis of deviated rod-pumped Wells[J]. SPE 64523, 2000: 1-5

［8］ 張任良, 檀朝東, 等. 井下管柱受力分析設(shè)計(jì)軟件的研制及應(yīng)用[J].中國石油和化工, 2008(16): 44-46.

Design of Installation Position and Quantity of Telescopic Tube in Steam Injection Wells

HU Jun-jian，ZHANG Yao，BAO Yong-hui，JIN Ze-yang

（College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

In view of the problem of steam-injection tube bending in the steam injection process of horizontal well, by calculation of the axial force of tubes and the elongation of the steam injection pipe column, the optimization design of the telescopic tube installation location and quantity was carried out in order to reduce tube bending problems for reducing the production cost. The application software was compiled by VB, and the feasibility of the method was verified by the field application.

horizontal well; tube bending; telescopic tube

TE357

A

1671-0460（2016）12-2843-03

2016-05-15

胡軍建（1991-），男，湖北省武漢市人，碩士，研究方向：油氣田開發(fā)。E-mail：329063560@qq.com。