塔河油田套管液壓封隔器坐封影響因素研究

崔龍兵 (中國石化西北油田分公司完井測試管理中心，新疆 輪臺 841600)

0 引言

塔河油田高壓油氣井完井管柱中設計套管液壓封隔器，但封隔器在坐封后驗封異?，F象偶爾發(fā)生，無法保障井筒完整性及滿足酸壓需求[1]。

經調研，竇益華等[2]認為高溫高壓深井及其試油、完井作業(yè)具有“高、深、聯、復”的特點，對于高溫高壓高產的油氣井，管柱的溫度效應、鼓脹效應和活塞效應導致的變形對管柱工作安全性的影響必須考慮。

本文通過理論研究，分析了封隔器在坐、驗封階段失封的本質原因，通過模擬不同狀態(tài)下管柱的受力情況，對完井封隔器坐封球座銷釘設定及封隔器底部管柱配置給出合理化建議。

1 套管液壓封隔器坐驗封失敗案例

在塔河油田應用過程中，涉及到兩口典型案例井，TP354H井為漏失井，管柱中設計封隔器，未配置水力錨，TK1 135井為酸壓井，管柱中設計封隔器，配置水力錨，兩口井在坐封后打球座過程中均失封。

2 影響因素研究應用

塔河油田常用的可回收式套管液壓封隔器主要有PHPMCHR、MCHR、SHR-HP、PHP-2等型號，封隔器結構主要由密封機構、錨定機構、坐封機構、鎖緊機構、解封機構等構成。本文以MCHR經典結構為例闡述坐驗封過程中受力分析。

理論上管柱受力主要由壓力效應和溫度效應構成。壓力效應包括活塞效應(用在管柱直徑變化處、密封管的斷面上)、鼓脹效應[3-4](力作用在油管內外壁上)等。本文研究封隔器均在油田水中下入，溫度效應影響可以忽略不計。

2.1 鼓脹效應

在鼓脹效應的計算過程中，主要考慮管柱內、外平均壓力的變化，這里假設平均壓力為井口壓力與井底壓力之和除以2，則由鼓脹效應所引起的管柱軸向力及長度變化的簡化計算公式為：

式中：Fe為鼓脹效應引起的力（MPa） ；ΔPia為管柱內平均壓力變化（MPa） ；ΔPoa為環(huán)空平均壓力變化（MPa） ；Ai為油管內徑面積（cm2）；AO為油管外徑面積（cm2）；ΔL為鼓脹效應引起的長度變化（cm），L為深度（m）（本計算中為封隔器中膠位置5 499.64 m）；γ為泊松比，鋼材為0.3；E為彈性模量，鋼材為20 6 850 MPa；R為油管外徑與內徑之比。

2.2 活塞效應

油管及環(huán)空壓力的變化會導致活塞力的變化，引起油管及環(huán)空壓力變化的因素很多，例如油管內外的流體密度、地面泵壓等發(fā)生變化。活塞力的變化ΔFp的計算公式為：

式中：ΔFp為引起活塞效應的力(N)；Ap為管柱密封腔的橫截面積(m2)，ΔPi為計算點處下端面壓力變化(Pa)；ΔPO為計算點處上端面壓力變化(Pa)。

根據虎克定律，由活塞力的變化所引起的管柱長度變化為：

式中：ΔLp為活塞效應引起的管柱長度變化(m)；As為管柱橫截面積(m2)。

2.3 管柱受力分析

2.3.1 封隔器啟動坐封瞬間

封隔器啟動坐封瞬間，封隔器卡瓦未錨定在套管上，管柱可自由運動，封隔器以上管柱受力鼓脹與活塞效應的綜合作用。

2.3.2 擊落球座前后

（1）球座擊落前

球座擊落前瞬間，封隔器已完全坐封，卡瓦錨定在套管上，封隔器不能下行，管柱受力情況為：

①封隔器上部管柱受正鼓脹力及啟動坐封瞬間的上拉力。

②封隔器下部管柱受正鼓脹與活塞力，正鼓脹力使管柱縮短，活塞力使管柱伸長。

（2）球座擊落后

由于壓力在液體中是以一定速度傳播，球座擊落時油管內的壓力波從球座處向井口逐步傳遞，因此，管柱的形變恢復也從球座處逐步向井口傳遞。球座擊落后管柱：

①封隔器下部管柱活塞力、鼓脹力消失，被拉長的管柱向上回彈，產生回彈力。

②封隔器上部管柱，由于壓力波傳播需要時間，向上的鼓脹力依然存在。

球座擊落后封隔器受力分析示意圖如圖1所示。

圖1 球座擊落后封隔器受力分析示意圖

（3）回彈力計算

根據能量守恒，即球座擊落瞬間封隔器下部管柱的彈性勢能等于擊落后彈性勢能與重力勢能的和，可計算出回彈距離ΔL彈及回彈力F回彈。

封隔器至球座之間管柱的三種狀態(tài)如圖2所示。

圖2 封隔器至球座之間管柱的三種狀態(tài)

2.4 適應性驗證

通過計算，坐封球座銷釘設定值越高，坐封、打球座時封隔器所受合力越大，詳細如表1所示；封隔器底部油管長度越長，擊落球座瞬間回彈力越小，詳細如表2所示。

表1 不同擊落壓力值下封隔器所受合力

表2 不同封隔器到球座管柱長度下封隔器所受合力

選取8井次驗證理論研究的合理性，計算詳細如表3所示，除了TP354H、TK1 135井坐驗封異常，其他井均處于正常狀態(tài)，文章中提及的研究方法具有一定的適宜性。

表3 8井次封隔器坐封管柱受力校驗

3 結語

（1）套管液壓封隔器在坐封過程中鼓脹效應、活塞效應起主導作用。在應用中需考慮兩方面，一是坐封球座剪切銷釘的設定在滿足后期解封的條件下盡可能提高；二是在坐封過程中適當提高背壓值以降低坐封過程中的壓力效應，確保封隔器坐封正常。

（2）打球座瞬間封隔器存在失封的風險。需“一井一策”，穩(wěn)定漏失的油氣井，可通過井筒液面監(jiān)測數據為坐封球座剪切銷釘設定提供依據；地層壓力系數低于0.8的油氣井，要預防坐封球座提前擊落的；酸壓改造的油氣井，坐封球座剪切銷釘可以設定在30-35 MPa。

（3）通過理論研究，封隔器至坐封球座間的油管長度具有減震作用?？梢酝ㄟ^適當加長封隔器與坐封球座之前的管柱長度，來降低打球座瞬間帶來的沖擊力。