插入式封隔器注水管柱力學(xué)及蠕動(dòng)規(guī)律研究

季公明，郭宏峰，杜曉霞，李 翔，趙廣淵，楊樹坤，李嘯峰

(中海油田服務(wù)股份有限公司 天津分公司，天津 300459)

分層注水是解決層間矛盾、調(diào)整吸水剖面，提高油田開采效率及實(shí)現(xiàn)油田資源穩(wěn)定高效開采的重要措施。在分層注水施工和實(shí)際生產(chǎn)過程中，海上多層段分層注水管柱在井下承受拉、壓、彎、扭、流體壓力等多種載荷，并受到活塞效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)、彎曲效應(yīng)、溫度效應(yīng)(以下簡稱4種效應(yīng))的影響；海上注水井分注層段多且單層注入排量大，使得管柱受力及管柱蠕動(dòng)狀況更加復(fù)雜，井下溫度變化以及井況參數(shù)等因素易造成注水管柱變形嚴(yán)重，甚至可能造成管柱斷脫、管柱永久性螺旋彎曲、封隔器中心管斷裂、封隔器密封損壞等，從而導(dǎo)致注水管柱失效，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-6]。

為了研究實(shí)際作業(yè)過程中注水管柱的受力狀況、溫度變化規(guī)律、管柱變形規(guī)律和封隔器蠕動(dòng)規(guī)律，本文在諸多學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)插入式封隔器注水管柱的力學(xué)及蠕動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，從而設(shè)計(jì)更安全的管柱結(jié)構(gòu)，并提供分析數(shù)據(jù)，指導(dǎo)分層注水參數(shù)的合理選擇，避免發(fā)生管柱失效事故，延長注水管柱的工作壽命[7-15]。

1 插入式封隔器管柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

插入式封隔器通過密封模塊與密封筒內(nèi)壁之間的過盈配合來實(shí)現(xiàn)密封。圖1為插入式封隔器的結(jié)構(gòu)示意圖。

a 密封接觸面示意

b 插入密封與密封筒配合結(jié)構(gòu)示意

由于插入式封隔器是過盈配合，對(duì)密封筒內(nèi)孔的表面質(zhì)量提出了更高的要求，必須達(dá)到一定的粗糙，并且不能有損傷或者腐蝕。密封模塊的過盈也要控制在一定范圍內(nèi)，如果太大，在插入密封時(shí)會(huì)出現(xiàn)劃傷，太小則無法保證密封。

插入密封的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，因此在海上油田被廣泛使用。

2 注水管柱力學(xué)分析模型

注水管柱在井筒中的受力情況非常復(fù)雜，為真實(shí)反映管柱在井筒中的實(shí)際受力狀態(tài)，充分考慮摩擦、內(nèi)外壓、粘滯摩阻、井斜角、井眼彎曲等各種因素的綜合影響，結(jié)合管柱的4種效應(yīng)，建立管柱的三維力學(xué)分析模型[16-20]。如圖2所示。

圖2 分層注水管柱的三維力學(xué)分析模型

注水管柱在其工作工況中處于平衡狀態(tài)，其力學(xué)平衡方程為

(3)

3 注水管柱蠕動(dòng)分析

3.1 蠕動(dòng)機(jī)理研究

圖3 封隔器受力模型

該處的力學(xué)平衡方程為：

整理得：

FΔτ+Fp=f

(7)

式中：封隔器位置上、下節(jié)點(diǎn)間真實(shí)軸向力的差值用FΔτ來表示；力的作用點(diǎn)在封隔器處的壓力引起的力用Fp來表示；軸差力通過FΔτ和Fp這2個(gè)力的和來計(jì)算；密封筒對(duì)膠筒所產(chǎn)生的摩擦力用f來表示。

若膠筒最大靜摩擦力為fmax，當(dāng)FΔτ+Fp>fmax，軸差力大于保持平衡的上界，也就是大于膠筒的最大靜摩擦力fmax，膠筒此時(shí)會(huì)處于受力不平衡狀態(tài)，產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，稱之為管柱蠕動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 管柱蠕動(dòng)分析流程

軸差力可通過如下方式進(jìn)行計(jì)算：假設(shè)管柱處于受力平衡狀態(tài)，不產(chǎn)生管道蠕動(dòng)現(xiàn)象。則膠筒軸向位移為零，即邊界條件為Δujt=0，結(jié)合管柱力學(xué)效應(yīng)，F(xiàn)S的值通過循環(huán)反饋的流程便可以計(jì)算出來。計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 等效軸差力的計(jì)算流程

當(dāng)膠筒由于受力不平衡產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)后，會(huì)在新的位置再次保持平衡狀態(tài)，由原位置到新的平衡位置的軸向距離的插值就是需要求解的蠕動(dòng)量。原位置已知，膠筒的新平衡位置可以由4種效應(yīng)理論計(jì)算得出。需要先確定管柱各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的等效軸力。等效軸力可以由圖4的計(jì)算流程得出。

以封隔器數(shù)目為n，配水器數(shù)目也為n的n級(jí)n段注水管柱為例。將封隔器下入定為起始狀態(tài)。在第n級(jí)封隔器不出現(xiàn)蠕動(dòng)的條件下，分析第n-1級(jí)的受力情況，并判斷是否發(fā)生蠕動(dòng)。如果n-1級(jí)封隔器出現(xiàn)蠕動(dòng)，則對(duì)其蠕動(dòng)量和自由移動(dòng)變形進(jìn)行計(jì)算。如果未出現(xiàn)蠕動(dòng)，計(jì)算該級(jí)管柱受力的變化后，計(jì)算n-2級(jí)封隔器的受力。按照此方法類推到封隔器的第1級(jí)。在n級(jí)n段注水管柱中，具體的蠕動(dòng)計(jì)算流程如圖5[21]。

圖5 n級(jí)n段管柱蠕動(dòng)分析流程

4 插入式封隔器摩擦力分析

有限元模擬法是獲取膠筒與密封筒間的最大靜摩擦力的有效方法之一。通過分析膠筒有限元模型上的接觸應(yīng)力后，在膠筒與密封筒的接觸節(jié)點(diǎn)處獲取其接觸應(yīng)力和位移。存在于密封筒和膠筒之間的總接觸應(yīng)力可以通過積分的方法獲得，即，在接觸面上對(duì)接觸應(yīng)力作積分運(yùn)算，從而獲得最大靜摩擦力。

1)選取單元類型。

封隔器中心管、密封筒、膠筒等部件采用plane182單元。根據(jù)膠筒與中心管、密封筒的接觸特點(diǎn)選擇剛性-柔性接觸。目標(biāo)單元為其它件與膠筒的接觸面，單元類型為target169;接觸單元選擇膠筒接觸面，單元類型為contal172。

2)設(shè)置材料特性。

阿氟拉作為一種超彈性材料，是插入式封隔器膠筒常用材料之一。本文采用超彈性材料模型Mooney Rivlin來計(jì)算。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模型參數(shù)設(shè)置為：C10=3.056，C01=0.764；泊松比為0.49，彈性模量為22.92 MPa。密封筒彈性模量為209 GPa，泊松比為0.269。中心管材料為9Cr1Mo，彈性模量為236 MPa，泊松比為0.3。

模擬插入坐封的過程，邊界調(diào)節(jié)設(shè)置為：密封筒、中心管在y方向約束，密封筒向左移動(dòng)1 mm位移，表示插入擠壓膠筒過程。其接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 插入式封隔器接觸應(yīng)力云圖

在得到膠筒與密封筒間的徑向接觸應(yīng)力之后，運(yùn)用數(shù)值積分的方法，可以得到在膠筒與密封筒之間的總接觸力為52.41 kN，膠筒與密封筒之間的最大靜摩擦力為15.72 kN。

5 實(shí)例計(jì)算

實(shí)例井的井深為2 660 m，最大井斜角為71.3°。對(duì)無錨定插入式封隔器注水管柱進(jìn)行軸力及蠕動(dòng)量計(jì)算，得到其管柱下入及起出受力情況。如表1所示。

表1 各工況下分注管柱力學(xué)分析結(jié)果

在注水作業(yè)過程中，井口壓力12 MPa，套壓0 MPa，注水量525 m3/d，注水溫度20℃。工況變化為：注水60 h，停住12 h，增產(chǎn)措施4 h，注水24 h。管柱的蠕動(dòng)量如圖7所示。

圖7 不錨定管柱全工況作業(yè)的管柱蠕動(dòng)規(guī)律

在注入和增產(chǎn)措施工況下，由于排量、注水溫度、井口壓力等因素變化，導(dǎo)致插入式封隔器膠筒所提供的摩擦力不足以阻止軸差力引起管柱收縮，從而帶動(dòng)插入式封隔器向上蠕動(dòng)；在停注工況，注水井井筒回溫，管柱長度隨之一起恢復(fù)，從而帶動(dòng)插入式封隔器向下蠕動(dòng)。

該管柱各工況下的蠕動(dòng)量在-0.8～1.0 m。由于軸向力會(huì)在各級(jí)封隔器間傳遞，因此各級(jí)封隔器發(fā)生的蠕動(dòng)變化幾乎一致，即，蠕動(dòng)量幾乎相等；在工況轉(zhuǎn)換過程中，全管柱最大蠕動(dòng)量為1.8 m，未超出安全長度，且實(shí)例井封隔器正常工作，沒有出現(xiàn)密封失效的竄層現(xiàn)象。

此外，對(duì)多口實(shí)例井開展蠕動(dòng)量計(jì)算，均與現(xiàn)場實(shí)際井況較符合，從而反映出該蠕動(dòng)算法的可靠性。

6 蠕動(dòng)規(guī)律研究

注水壓力12 MPa，注入排量525 m3/d，注入液溫度20 ℃，分注管柱為4級(jí)4段。在該注水管柱第1級(jí)封隔器上端和第4級(jí)封隔器下端安裝水力錨，對(duì)某井注水管柱進(jìn)行蠕動(dòng)量計(jì)算，分析出其蠕動(dòng)規(guī)律，如圖8所示。

a 第1級(jí)封隔器上方錨定

b 第4級(jí)封隔器下方錨定

頂部施加錨定后，第4級(jí)封隔器向上收縮0.33 m，與頂部未錨定管柱相比，第4級(jí)封隔器處蠕動(dòng)小了0.35。底部施加錨定后，第4級(jí)封隔器向上收縮0.28 m，與底部未錨定管柱相比，第4級(jí)封隔器處蠕動(dòng)小了0.41 m。無論頂部和底部施加錨定，都可以減緩管柱的蠕動(dòng)量，而且在最下方錨定的效果要優(yōu)于上方錨定。

現(xiàn)場應(yīng)用井，注水壓力層間壓差為1～7 MPa。將第1～4配水層段節(jié)流壓差均設(shè)置為1 、3、5、7 MPa，其他層段節(jié)流壓差均設(shè)置為1 MPa，分析最高節(jié)流壓力在不同層段下錨定與不錨定的管柱蠕動(dòng)量變化規(guī)律。

1)大節(jié)流壓差不錨定管柱蠕動(dòng)量變化規(guī)律。

如圖9所示。注水管柱的蠕動(dòng)量對(duì)最下層壓差變化較為敏感；在其它層段壓差變化時(shí)，管柱的蠕動(dòng)量變化較?。划?dāng)節(jié)流壓差達(dá)到一定值時(shí)管柱自身也能起到錨定作用，但封隔器長期需要承受大壓差，對(duì)膠筒傷害較大。

a 第1層大節(jié)流壓差

b 第2層大節(jié)流壓差

c 第3層大節(jié)流壓差

d 第4層大節(jié)流壓差

2)大節(jié)流壓差錨定管柱蠕動(dòng)量變化規(guī)律。

如圖10所示。在錨定狀態(tài)下，管柱蠕動(dòng)比不錨定狀態(tài)下要小。因此，應(yīng)根據(jù)油藏細(xì)分層注水開發(fā)需求，加入錨定結(jié)構(gòu)確保插入式封隔器蠕動(dòng)量在安全范圍內(nèi)。在管柱錨定情況下，恰當(dāng)?shù)拇蠊?jié)流壓差能夠減小管柱的蠕動(dòng)，延長管柱作業(yè)壽命。

a 第1層大節(jié)流壓差

b 第2層大節(jié)流壓差

c 第3層大節(jié)流壓差

d 第4層大節(jié)流壓差

7 結(jié)論

1)建立多層段分層注水管柱力學(xué)模型，分析管柱蠕動(dòng)機(jī)理。考慮插入式封隔器位置錨定力、摩擦力及4種效應(yīng)的綜合影響，提出了多級(jí)多段注水管柱蠕動(dòng)量分析流程。

2)以某井為例，在下入、注水、停注、增產(chǎn)措施、起出等不同工況下，進(jìn)行注水管柱受力分析及蠕動(dòng)量計(jì)算。通過與實(shí)際對(duì)比，證實(shí)本文所提出的蠕動(dòng)分析模型的可靠性，并提出防蠕動(dòng)措施。