分层采油管柱封隔器坐封压力的藕合

付亚荣

（中国石油华北油田第五采油厂，河北辛集052360）



分层采油管柱封隔器坐封压力的藕合

付亚荣

（中国石油华北油田第五采油厂，河北辛集052360）

摘要：为解决现场分层采油封隔器坐封凭经验造成坐封压力或大或小的弊端，建立了封隔器在井筒中径向、轴向、周向的应力模型，并用弹性力学中厚壁理论的拉美解答进行计算。在忽略温度对封隔器胶筒弹性模量和超弹性系数影响的情况下，轴向应力偏量为零时，封隔器处于稳定状态，从而确定封隔器的最佳坐封压力，得到了成功的现场验证。为分层采油工艺的推广应用提供了可借鉴的理论指导和现场实践。

关键词：分层采油；封隔器；坐封压力

20世纪70年代初期，大庆、新疆油田针对非均质砂岩油田具有油层多、层间物性差异大、层间干扰严重的特点［1］，提出了分层采油的概念，认为分层开采是合理开发油田、提高采油速度、保证油田具有较高的最终采收率的基本手段之一。1966—1975年，克拉玛依油田已在74口油井应用双管分层采油，日增油344 t［2-3］。20世纪90年代，郭伟等人［4］在封隔器上下采用空心抽油泵和普通管式泵，解决了不同压力等级的2个油层分采问题，偏心分体泵、整体泵、串联泵、三级泵4种泵型成为辽河油田稠油分层采油的核心技术［5］。近年来国内外诸多学者研究并试验了适应不同井况的分采管柱［6-9］，大庆油田［1］为提高油层的动用程度，应用6段以上细分层产量控制工艺，实现了油层精细划分。为达到分层采油的目的，必须向井内下入多个封隔器［10］，普遍采用压重坐封［11］，分采管柱上部受拉，下部受压，如果坐封压力过大，容易造成分采管柱弯曲变形，下次检泵作业时分采管柱不容易起出，需要大修解卡；如果坐封压力过小，封隔器密封不严，达不到分采效果。因此，对分层采油工艺封隔器坐封压力进行藕合具有重要的现实意义。遗撼的是，国内外学者大多仍停留于封隔器在不同压力状况下坐封过程、受力分析、产品改进、密封件的研究上［12-15］，而对封隔器坐封压力的确定几乎没有涉及。笔者以封隔器为研究对象，建立封隔器在径向、轴向、周向的应力模型［16］，从而确定最佳坐封压力，并得到成功的现场验证。

1 封隔器在井筒内受力分析

在充满井液的井筒内，封隔器下到设计深度，未坐封前带有封隔器的管柱呈自重拉伸状态，会产生伸长变量［17］；坐封时，为保证封隔器工作正常，施工人员需要通过管柱向封隔器施加一定的力；同时，封隔器还受到井液的浮力和管柱内、外井液的轴向应力、径向应力及周向应力（如图1）。

图1　井内管柱在井液中所受的应力

假设井液不可压缩且黏度不变，油管和套管的轴线重合，此时封隔器所受的应力σxyz为

式中：σxyz为封隔器所受的应力，k N；σx为封隔器所受的轴向应力，k N；σy为封隔器所受的径向应力，k N；σz为封隔器所受的周向应力，k N；△p为封隔器上下的压差，M Pa；η为井液的黏度，m Pa·s；L为封隔器卡点位置，m。

研究表明：封隔器坐封失稳的必要条件是封隔器所受的偏斜应力大于零。封隔器管柱内压和环空压力使得管柱在径向上发生膨胀或收缩而引起轴向上的缩短或伸长［18］；带有封隔器管柱内、外流体的压力作用在封隔器横截面上任意直径处的径向应力σy和周向应力σz可以由弹性力学中厚壁理论的拉美解答计算得到［19］，即

式中：Do为封隔器外径，m；Di为封隔器内径，m；D为套管内径，m；Fo为封隔器外压力，N/m2；Fi为封隔器内压力，N/m2；qg为管柱施加的力，N/m2；qf为井液的浮力，N/m2；ρ为井液的密度kg/m3；g为重力加速度，m/s；S为封隔器横截面积，m2。

2 封隔器坐封压力

朱洪征［11］等人认为：轴向应力σx偏量为0时，封隔器处于稳定状态，在忽略温度对封隔器胶筒弹性模量和超弹性系数影响的情况下，由式（2）～（5）可以计算行到封隔器坐封压力，即

式中：F为封隔器坐封压力，K N；S为封隔器横截面积，m2。

3 计算实例

以国内某油田X24-5井为例，根据分层采油地质和工程方案，封隔器卡点位置L＝2 319.0 m，井液黏度η＝0.689 3MPa·s；封隔器参数为：内径Di＝50mm，外径Do＝114mm，套管内径D＝124mm，油管外径73mm，油管内径62mm，单位长度管柱的重力为95 N/m，井液为清水，密度为1。根据式（2）～（7）计算得到X24-5井封隔器坐封压力为11.47MPa，取整为12MPa，现场实施1次坐封成功，油井日增油3.4 t，日降水5.7 m3。

在10余口分层采油油井现场应用后，1次坐封有效率100%；油井单井平均日增油2.7 t，取得了满意的分层采油效果。

4 结论

1） 封隔器坐封的成败是分层采油技术成功应用的关键因素之一，对后续油井能否顺利检泵作业也至关重要。

2） 计算封隔器在充满井液的井筒中的径向、轴向、周向的应力，从而确定最佳坐封压力，能保证封隔器处于稳定状态。

3） 确定多级封隔器的坐封压力后，各级封隔器的坐封状态还需要进一步通过相关的数学模型计算确定。

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Setting Pressure Coupling of Packer in Separate-layer Production String

F U Yarong
（No.5 Production Plɑnt，Huɑbei Oilfield Co.，PetroChinɑ，Xinji 052360，Chinɑ）

Abstract：Setting pressure of the packer in separate-layer production string is hard to control by experience. Radial and axial circu mferential stress model of the packerin wellhole was established to solve this disadvantage，and the result was Given by calculating with La me form ula.In the case of ignoring the influence of the Temperature to elastic modulus and elasticity coefficient of the packer element，when the axial stress deviator is zero，the packer would be in a stable state，and then the best setting pressure could be determined. The study could provide reference for the prom oted application of separate-layer production technology.

Key Words：separate-layer production；packer；setting pressure

作者简介：付亚荣（1965-），男，四川平昌人，高级工程师，主要从事油气田开发技术研究与应用工作，E-mail：cy5_fyr @ petrochina.com.cn。

基金项目：中国石油股份有限公司重大专项“分层采油工艺试验与应用”（2014 E-05-08）

收稿日期：2015-07-03

文章编号：1001-3482（2016）01-0089-03

中图分类号：T E931.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.01.020