塔河油田套管液压封隔器坐封影响因素研究

崔龙兵 (中国石化西北油田分公司完井测试管理中心，新疆 轮台 841600)

0 引言

塔河油田高压油气井完井管柱中设计套管液压封隔器，但封隔器在坐封后验封异常现象偶尔发生，无法保障井筒完整性及满足酸压需求[1]。

经调研，窦益华等[2]认为高温高压深井及其试油、完井作业具有“高、深、联、复”的特点，对于高温高压高产的油气井，管柱的温度效应、鼓胀效应和活塞效应导致的变形对管柱工作安全性的影响必须考虑。

本文通过理论研究，分析了封隔器在坐、验封阶段失封的本质原因，通过模拟不同状态下管柱的受力情况，对完井封隔器坐封球座销钉设定及封隔器底部管柱配置给出合理化建议。

1 套管液压封隔器坐验封失败案例

在塔河油田应用过程中，涉及到两口典型案例井，TP354H井为漏失井，管柱中设计封隔器，未配置水力锚，TK1 135井为酸压井，管柱中设计封隔器，配置水力锚，两口井在坐封后打球座过程中均失封。

2 影响因素研究应用

塔河油田常用的可回收式套管液压封隔器主要有PHPMCHR、MCHR、SHR-HP、PHP-2等型号，封隔器结构主要由密封机构、锚定机构、坐封机构、锁紧机构、解封机构等构成。本文以MCHR经典结构为例阐述坐验封过程中受力分析。

理论上管柱受力主要由压力效应和温度效应构成。压力效应包括活塞效应(用在管柱直径变化处、密封管的断面上)、鼓胀效应[3-4](力作用在油管内外壁上)等。本文研究封隔器均在油田水中下入，温度效应影响可以忽略不计。

2.1 鼓胀效应

在鼓胀效应的计算过程中，主要考虑管柱内、外平均压力的变化，这里假设平均压力为井口压力与井底压力之和除以2，则由鼓胀效应所引起的管柱轴向力及长度变化的简化计算公式为：

式中：Fe为鼓胀效应引起的力（MPa） ；ΔPia为管柱内平均压力变化（MPa） ；ΔPoa为环空平均压力变化（MPa） ；Ai为油管内径面积（cm2）；AO为油管外径面积（cm2）；ΔL为鼓胀效应引起的长度变化（cm），L为深度（m）（本计算中为封隔器中胶位置5 499.64 m）；γ为泊松比，钢材为0.3；E为弹性模量，钢材为20 6 850 MPa；R为油管外径与内径之比。

2.2 活塞效应

油管及环空压力的变化会导致活塞力的变化，引起油管及环空压力变化的因素很多，例如油管内外的流体密度、地面泵压等发生变化。活塞力的变化ΔFp的计算公式为：

式中：ΔFp为引起活塞效应的力(N)；Ap为管柱密封腔的横截面积(m2)，ΔPi为计算点处下端面压力变化(Pa)；ΔPO为计算点处上端面压力变化(Pa)。

根据虎克定律，由活塞力的变化所引起的管柱长度变化为：

式中：ΔLp为活塞效应引起的管柱长度变化(m)；As为管柱横截面积(m2)。

2.3 管柱受力分析

2.3.1 封隔器启动坐封瞬间

封隔器启动坐封瞬间，封隔器卡瓦未锚定在套管上，管柱可自由运动，封隔器以上管柱受力鼓胀与活塞效应的综合作用。

2.3.2 击落球座前后

（1）球座击落前

球座击落前瞬间，封隔器已完全坐封，卡瓦锚定在套管上，封隔器不能下行，管柱受力情况为：

①封隔器上部管柱受正鼓胀力及启动坐封瞬间的上拉力。

②封隔器下部管柱受正鼓胀与活塞力，正鼓胀力使管柱缩短，活塞力使管柱伸长。

（2）球座击落后

由于压力在液体中是以一定速度传播，球座击落时油管内的压力波从球座处向井口逐步传递，因此，管柱的形变恢复也从球座处逐步向井口传递。球座击落后管柱：

①封隔器下部管柱活塞力、鼓胀力消失，被拉长的管柱向上回弹，产生回弹力。

②封隔器上部管柱，由于压力波传播需要时间，向上的鼓胀力依然存在。

球座击落后封隔器受力分析示意图如图1所示。

图1 球座击落后封隔器受力分析示意图

（3）回弹力计算

根据能量守恒，即球座击落瞬间封隔器下部管柱的弹性势能等于击落后弹性势能与重力势能的和，可计算出回弹距离ΔL弹及回弹力F回弹。

封隔器至球座之间管柱的三种状态如图2所示。

图2 封隔器至球座之间管柱的三种状态

2.4 适应性验证

通过计算，坐封球座销钉设定值越高，坐封、打球座时封隔器所受合力越大，详细如表1所示；封隔器底部油管长度越长，击落球座瞬间回弹力越小，详细如表2所示。

表1 不同击落压力值下封隔器所受合力

表2 不同封隔器到球座管柱长度下封隔器所受合力

选取8井次验证理论研究的合理性，计算详细如表3所示，除了TP354H、TK1 135井坐验封异常，其他井均处于正常状态，文章中提及的研究方法具有一定的适宜性。

表3 8井次封隔器坐封管柱受力校验

3 结语

（1）套管液压封隔器在坐封过程中鼓胀效应、活塞效应起主导作用。在应用中需考虑两方面，一是坐封球座剪切销钉的设定在满足后期解封的条件下尽可能提高；二是在坐封过程中适当提高背压值以降低坐封过程中的压力效应，确保封隔器坐封正常。

（2）打球座瞬间封隔器存在失封的风险。需“一井一策”，稳定漏失的油气井，可通过井筒液面监测数据为坐封球座剪切销钉设定提供依据；地层压力系数低于0.8的油气井，要预防坐封球座提前击落的；酸压改造的油气井，坐封球座剪切销钉可以设定在30-35 MPa。

（3）通过理论研究，封隔器至坐封球座间的油管长度具有减震作用。可以通过适当加长封隔器与坐封球座之前的管柱长度，来降低打球座瞬间带来的冲击力。