油水井测卡点技术研究与应用

冉津津，李长健，唐义祥

李亚东，廖桃，吉翔 （中石化河南油田井下作业公司，河南 南阳 474780）

油水井在完井、生产过程中，会发生管柱被卡无法取出的情况，例如砂卡、落物卡、井下工具失效等。为了使油水井迅速恢复生产，降低修井时间，需要对井下卡点深度和卡阻情况进行判断。

测卡点的方法主要有两种：一种是使用测卡仪，这种方法对管柱内空间条件要求较高，易发生二次事故，而且费用较高，不宜广泛使用。另一种方法是公式法，即拉伸法，卡点深度通过现场获得管柱伸长量后利用公式计算而得。公式法测卡点过程简单、实用性强，但由于影响因素较多，往往造成卡点深度测不准的情况。为此，将影响测卡点的各因素考虑在内，对拉伸法测卡点技术进行研究是很有必要的。

1 拉伸法测卡点计算公式

在材料力学中虎克定律测伸长量公式［1］如下：

式中：λ为材料的弹性伸长量，cm；F为拉力，kN；L为管柱长度，m；E为管柱的弹性模量，GPa；A为管柱的横截面积，cm2。

以式（1）为基础，可对拉伸法测卡点计算公式［2］进行推导。

若原井管柱单一，推导结果为：

式中：H为卡点深度，m；Δλ为管柱伸长量增量，cm；ΔF为拉力增量，kN。

两段管柱推导结果为：

式中：Lu为上段管柱长度，m；LL为下段管柱在卡点以上部分长度，m；Au、AL为上、下段管柱的横截面积，cm2。

2 影响因素处理方法研究

影响卡点测量的因素是多方面的，主要包括管柱接头、材料和摩阻因素。井况不同，影响因素的主次也不同，直井的井斜和摩擦小，影响因素由接头、材料和摩阻共同作用；而斜井的影响因素主要是摩阻。

由式 （2）、（3）得，卡点深度H与E、A和Δλ成正比关系。E和A属于材料因素，管柱受腐蚀和长期拉伸可导致E和A变小；井斜和摩擦属于摩阻因素，主要使Δλ变小；管柱的接头相当于加厚了管柱，也会使Δλ变小。综合接头、材料和摩阻因素可知，使用式（2）、（3）所得的计算值会小于真实值。

2.1 直井影响因素处理方法

对于直井，管柱的接头、材料和摩阻因素对卡点测量的影响都很小，单独处理难度大，所以可用一个接头、材料和摩阻共同影响系数a来综合处理，a值可通过现场试验测得。加入系数a后的修正公式如下：

对单一管柱，先后在双H6－127井和双H6－137井进行了多次现场试验，为举例说明，选择了2组测量数据 （表1）进行计算，计算结果见表2。

表1 单一管柱现场试验取得数据

表2 单一管柱卡点计算所需参数及计算结果

表3 系数a计算值 （单一管柱）

双H6－127井大修施工证实在2076～2084m井段套管破裂变形，第2个封隔器 （2087m）在起管时上行3m后卡在了套损段，卡点真实深度为2084m。双H6－137井大修施工证实油管结垢将第1个封隔器（2087.7m）埋住造成封隔器卡，卡点真实深度为2087.7m。

表2中卡点深度值H和H′是通过式（2）计算而得，对比真实深度可计算出系数a的值，计算值如表3所示。

由表3，a值取平均值后得单一管柱的系数a＝1.065，因此可得单一管柱测卡点的修正公式：

对两段管柱，先后在双S2203井和下T5－604井进行现场试验，数据和计算值分别如表4和表5所示。

表4 两段管柱现场试验取得数据

表5 两段管柱卡点计算所需参数及计算结果

表6 系数a计算值 （两段管柱）

双S2203井大修施工证实油管结垢将第1个封隔器 （1461.1m）埋住造成封隔器卡，卡点真实深度为1461.1m。下T5－604井大修施工证实油层返吐物将第1个封隔器 （1449m）埋住造成封隔器卡，卡点真实深度为1449m。

表5中卡点深度值是通过式 （3）计算而得，对比真实深度可计算出系数a的值，计算值如表6所示。

由表6，a值取平均值后得两段管柱的系数a＝1.04，因此可得两段管柱测卡点的修正公式：

现场试验过程中发现对卡点的测量过程进行规范是很有必要的，注意事项如下：①对指重计进行校验，使指重计的精度达到要求，读数时要规范。②上提拉力必须大于管柱自重，但要小于管柱弹性极限载荷。③上提速度要慢，测量时要刹死刹车不能溜钻。④每次上提的增量ΔF要尽量相同，不仅可以判断Δλ是否有效（ΔF相同，Δλ也应相同），而且使每次测量时摩阻相对稳定。⑤不能为了使每次的ΔF相同而下放管柱，这样会导致摩阻方向和大小发生变化。⑥ΔF应尽可能大些，相应的Δλ也会更大有利于现场的准确量取，但不能超过管柱的弹性极限载荷。⑦尽可能多测几组数据，取平均值来减小误差。

2.2 斜井影响因素处理方法

斜井的摩阻对卡点测量的影响较大，而且不同斜井摩阻差别也较大。研究摩阻性质及测卡点过程发现，假设上提、下放管柱时摩阻大小相同，可通过以下方法处理摩阻问题：①缓慢上提管柱至拉力为F1，并作标记为点A。②继续缓慢上提至F2，并作标记为点B。③继续缓慢上提至适当拉力F3后稳定。④缓慢下放管柱至标记点B处，并准确读取指重计读数F2′。如图1所示。

设摩阻大小为p，管柱所受拉力为F，由于上提和下放均至点B处Δλ（Δλ＝AB）不变，所以上提、下放时管柱所受的拉力均为F。

上提时有：

下放时有：

式（8）和式（9）相加得：

以上方法是通过固定Δλ，将p考虑到ΔF中处理摩阻问题的。同理，也可以固定ΔF，将摩阻p考虑到Δλ中，方法如下：①缓慢上提拉力至F1，并作标记为点A。②继续缓慢上提至F2，并作标记为点B。③继续

所以存在摩阻时的ΔF值应为：缓慢上提至F3后稳定，且要求F3－F2＝F2－F1，并作标记为点C，如图1（b）所示。此过程p的大小和方向不变，所以AB＝BC。④缓慢下放管柱至指重计读数为F2时停止，并作标记为点D，如图1（c）所示。

假设没有摩阻p时，以上 ①、②、③ 步的标记为点A0、B0、C0，如图1（a）所示，有A0B0＝B0C0。由于上提、下放p大小不变，有摩阻时每上提一个ΔF，伸长量就减少一个Δλ′，即图1（a）、（b）中AA0＝2Δλ′，BB0＝Δλ′，所以下放p反向后，每下放一个ΔF，伸长量将再减少一个Δλ′，即图1（c）中BD＝Δλ′，由几何关系得图1（c）中A点与图1（a）中B0点同高，即AD＝B0C0。

此时可量取没有摩阻影响时的Δλ值应为：

使用以上两种方法处理摩阻问题时，均假设上提、下放时的摩阻p大小相等为前提进行研究的。虽实际油水井管柱上提、下放的摩阻不同，但大多数情况下差异非常小，该方法用于处理摩阻问题是可行的。

图1 伸长量几何关系图

3 应用

王67井套压突然上升，并返出地层水泥浆，作业起管柱时遇卡，分析套管破损，测卡点数据和计算值 （使用式 （6）计算卡点深度）分别如表7所示。

表7 王67井测卡点现场取得数据、计算参数和结果

由卡点计算值判断在1123.45m附近套管破裂变形导致管柱遇卡。经大修施工证实在1103.6m处套管变形缩径，套损段在1103.6m及以下，这和卡点测量值相符合。

4 结论

1）通过推导获得了拉伸法测卡点深度的计算公式。

2）对直井，将测卡点的影响因素使用修正系数进行处理，获得了拉伸法测卡点深度的修正公式，提高了直井卡点的测量准确度。

3）对斜井的主要影响因素是摩阻，研究了处理摩阻的方法，提高了斜井卡点的测量准确度。

4）现场应用表明该技术提高了卡点测量的准确度，能为井下情况的判断提供可靠依据。

［1］陈昭怡，吴桂英 .材料力学 ［M］.北京：中国建材工业出版社，2005.

［2］刘琮洁，周祥易，张燕，等 .管柱卡点计算公式及应用 ［J］.江汉石油学院学报，2001，23（4）：74～76.

［编辑］ 萧雨