油气井管柱伸缩接头应用分析.pdf

2 4 一 ■ 技术交流 石油与化工设备 2 0 1 0 年第 1 3 卷 油气井管柱伸缩接头应用分析 王勇 ，刘蜀知 ，李 刚 ，王志刚 1 ． 西南石油大学 ， 成都 6 1 0 5 0 0 2 ． 新疆油 田分 公司重油开发公司 ，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 3 川I 庆钻探工程有限公司井下作业公司 ，成都 6 1 0 0 0 0 [ 摘要]油气井管柱的受力以形变即伸张或收缩的形式表现出来，井管柱加装伸缩接头可有效地缓解油管柱的形变，改善 其受力。本文选取 了A 、B 、c 三个区块的典型气井，对伸缩接头在管柱受力中的作用进行分析讨论，从而优选管柱组合和指 导 管柱 力学受力分析 。 [ 关键词]油管柱；伸缩接头；受力分析安全系数 伸 缩 接 头 能 够 有 效 保 护 油 气 井 管 柱 ， 提 高 其 安全 系数 ，应 用 范 围十 分 广 泛 。但 有 关 伸 缩 接 头 应 用 方 面 的文 献 比较 少 见 ， 本 文 结合 理 论 知 识 与现 场 经 验 ，将 伸 缩 接 头 的 工 作 原理 做 一分 析 讨 论 。选 取 三 个 不 唰 区块 ，每 个 区 块 各选 取 一 口典 型气 井 ，对 每 口气 井 设 置 坐封 、 酸化 两 种 工 况 。 然后运用T DAS 软件分析计算，首先求解带有伸缩 接头 的油管柱在每种 【 况下的最小安全系数及其 位置 ，然后求解不带伸缩接头的油管柱在每种工 况下 的最小安全系数及其位 置，最后将三 口气井 的计算结果进行 对 比，从膨胀 效应 、轴 向力 、三 维 应 力三个 方面 分析 讨论伸 缩 接头 的作用 。 1 计算分析 1 ． 1 计算 参数 1 ． 1 ． 1 A区块 A区块选择a 井为研究对象，其基本参数如下 地质 参 数 压力 系数 为 1 ． 1 4 ，气 藏 地层 压力 为 4 2 ． 4 2 MP a ，温 度梯 度 为3 ． 4 1 2 ℃／ 1 0 0 m，计 算 的气 藏中部温度为 1 3 7 ． 3 4 ℃，泥浆 比重为1 ． 2 5 ，酸压流 体 比重为 1 ． 1 5 。 油 管参数 油管尺 寸2 ” ，壁 厚5 ． 5 1 mlT l ，封隔 器位 于3 5 0 0 m，油 管 下深 3 6 0 0 m， 以及 油管钢 级 、 抗压、抗拉强度等参数 本文意在对 比不同状况下 油管柱安全系数的大小，故油管钢级、抗拉、抗压 强度等参数只需前后一致即可得到对 比结果。 1 ． 1 ． 2 B区块 B区块选择b 井为研究对象，其基本参数如下 地质参数压力系数 为2 ． 1 ，气藏地层压力为 9 8 MP a ，温度梯度为2 ． 2 C ／ 1 0 0 m，计算的气藏中部温 度为 1 0 2 C，泥浆 比重为 1 ． 5 ，酸压流体 比重为 1 ． 1 。 油管参数油管尺寸3 l／ 2 ” ，壁厚6 ． 4 5 ram，下 深 5 0 0 0 m，封 隔器4 6 5 0 m， 以及油 管钢 级 、抗 压 、 抗 拉强度 等参 数 。 1 ． 1 ． 3 C区块 C区块选 择C 井为研 究对象 ，其 基本参数 如下 地 质 参数 压 力 系数 为 1 ． 6 ，气藏 地 层 压 力为 9 4 ． 4 MP a ，温度梯度 为2 ． 1 5 C／ I O O m，计算的气藏 5 9 0 0 米 处 温度 为 1 2 6 ． 9 ℃ ，泥 浆 比重 为 1 ． 6 5 ， 酸压 流 体 比重 为 1 ． 1 。 油 管参 数 壁 厚 6 ． 4 5 mm油 管3 ” 5 3 0 0 m 壁 厚 5 ． 5 l mm2 7h” 油 管 6 0 0 m，封 隔器 5 3 0 0 m， 以及 油管钢级、抗压、抗拉强度等参数 。 1 ． 2计算 结果 分析 1 ． 2 ． 1坐 封 a 井 在井 口温 度 为2 0 ℃ ，井 口油 压 为2 0 MP a ， 用 比重为 1 ． 2 5 的泥浆液进行坐封，用T DAS 软件计 算得到以下结果。 表 1 A 区块a 井 坐封 时有无伸缩接 头管柱安全系数对 比 作者简 介 王勇 1 9 8 1 一，男，山东烟台人，西南石油大学2 0 0 7 级在读研究生 ，研究方向为管柱力学和采油方案设计。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 期 王勇等油气井管柱伸缩接头应用分析 ． 2 5一 膨胀效应发生在横 向上 ，而伸缩接头只能在 纵 向上影 响管柱的受力 ，有无伸缩接头 的气井在 各种工况下其油管柱 的膨胀效应是一样 的，所 以 在后面 的分析中主要讨论轴 向力和三维应力对油 管 柱 的 作 用 方 式 。 坐 封 时 要 先对 油 管 柱 憋 压 ，憋 压过程 中井 口处的油管柱受到油管 白重和因油压 而产生 的向下的拉力 ，这个过程 中有无伸缩接 头 对 井 口处 油 管柱 受 力 影 响 不 大 ，但 是 当 封 隔 器 坐 封后 ，伸 缩接头可 以补 偿形变 ，减少井 口处油管 的压 力 。 1 ． 2 ． 2酸化 以A区块a 井为例 ，在油压为3 0 MP a 时用T DAS 软件计算得到以下结果 。 表2 A 区块a 井油压3 0 M P a 酸化时有无伸缩接头管柱安全系数对比 在酸压工况中 ，油管柱整体受到 自身重力 、 活塞 力、弯 曲效应 、膨胀效应和温度效应共 同产 生的合 力。在酸化压力较小 时，油管柱 自身 的重 力为最大破坏力 ，其方 向垂直 向下。而在油管柱 低 端 的封 隔器 处 还 有 一 个 以活 塞 力 为 主 的竖 直 向 上 的力 ，此力便能在一定程度上将重力 中和 。对 于 没 有 伸 缩 接 头 的 油 管 柱 ，竖 直 向上 的力 会 一 直 沿着管柱 向上传递 ，最终就会使井 口处的油管柱 受到 的伸张力有所减少 ；对于有伸缩接头的油管 柱 ，竖直 向上的力在传 递过程 中就会 因伸缩 接头 的作用而 中断，此时的中和 点位置要深 于前者的 中和 点位置 ，同时井 口处 的伸张力减少程度要小 于前 者 。正 如表 2 所 示 ，两者 的最低 安 全 系 数都 是 出现在井 口处 ，大小分别 是1 ． 6 6 11 1 ． 6 8 。类 似这 样 的情 况其实并不多见 ，因为在酸压过程 中，由 于高压 产生的⋯系列复杂 的力才是主要 的破坏因 素 ，这个例 子说明伸 缩接头对活塞力 向上传递能 够起 到很好 的缓冲 作用 。 再选取B区块b 井为研究对象 ，用T DAS 软件 计算油压7 0 MP a ；油压7 0 MP a 、套压2 0 MP a ；油压 9 0 MP a 、套压2 0 MP a 时有无伸缩接头的油管柱最小 安全系数及位置 。 表3 B 区块b 井油压7 0 M P a 酸化时有无伸缩接头管柱安全系数对比 方式 安全系数深度 m 位置 方式 安全系数 深度 位置 安全系数深 度 位置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 2 6 一 ■ 技术交流 石油与化工设备 2 0 1 0 年第 1 3 卷 在高压酸化时，压力与温 差变 化是对 油管柱 的主要破坏 因素 。油管柱会因注入温 度相对较低 的压裂液而收缩 ，同时也会受到活塞力和弯 曲效 应 的影 响发生收缩形变 。此时的油管柱两端分别 被井 口和封 隔器 固定 ，任何形式的形变都会使得 油管柱承受很大 的压力或者拉力，而伸缩接头 能 够 有 效地 帮助 油管 柱补 充形 变 ，使油 管柱 承受 的 力减 小 。B区 块b 井 几 种 不 同方 式 的压 裂 工 况 ，均 能说 明这 个 问题 。同时说 明 ，对 油套 环 空 适 当 的补 充 平 衡 压 力 ， 也 能 很 好 的提 高 油 管 柱 的安 全 系数 。 如果封 隔器 下还有较长 的油管柱 ，建议使用 非限向型封 隔器加伸缩接头的管柱组合 。以C 区块 c 井在油压7 0 Mp a 时酸化为例 。 表6 c 区块C 井油压7 0 M P a 酸化时有无伸缩接头管柱安全系数对比 C区块 c 井 在封 隔器 以下仍 有 6 0 0 m长 的2 ” 油 管 ，当高压酸化时，油管柱低端能够产生 巨大的 活塞力 ，如果所选用 的封隔器是 限向型的，则 巨 大 的活塞力会使6 0 0 m长的2 ” 油管发生很 大的弯 曲甚至损坏 。如果封隔器为非限向型，则活塞力 会传递到封隔器 以上的整个 油管柱 ，整体 的油管 柱共 同来分担底部 巨大的活塞 力，同时封 隔器上 部的伸缩接头也能有效缓解管柱受力情况 。 另外补充 第二种 情况 如果 C 区块C 井选用 的是 限向型封隔器，且将伸缩接头安装在封隔器以下， 伸缩接头不会改变封隔器以下管柱的受力情况。 2结论 按 照作用力方式 不同，将油管柱所受到 的力 分为 “ 静载荷 ”与 “ 动载荷 ”。静载荷为 随油管 柱形变发生变化 的载荷 ；动载荷为不随油管柱形 变 而 改 变 的载 荷 。例 如 多 层 开采 时 两封 隔器 之 问或者封隔器与井 口之问管柱的拉力为静载荷 ； 酸压 时压力为动载荷 。当静载荷对 油管柱施加作 用 力 时 ，有无 伸缩 接 头 则有 差异 ，例 如酸 压 时 的B 区块b 井 ；当动载荷对油管柱施加作用力时，有无 伸缩接 头效果一样，例如酸压时c 区块C 井的第二 种情况。 每个伸缩接头的构造都不相同，但 原理大 同 小异 。一般伸缩接头 都是由销钉来释放剪切力 ， 销 钉 的 个 数 决 定 了伸 缩 接 头 剪 切 力 的大 小 ，如 果 伸缩接头收到的外 力小于销钉 的剪切力 ，那么伸 缩接头也不发挥作用。 使用 限向式封隔器能够有效地减少油管柱底 端 活 塞 力 的 向上传 递 ，减 少 封 隔 器 上 部 油 管柱 的 受力 ，减少其螺旋弯 曲程度 。使用 限向型封 隔器 加伸缩接头 的管柱组合，比单纯使用 限向型封 隔 器和非限 向型封隔器在大 多数工况 中都能更好 的 提高安全系数。 ◆参考文献 [ 1 ] 李钦道 ，谢光平，张娟． 井 内有流体时管柱弯 曲临界分 析[ J ] ． 钻采工 艺，2 0 0 1 ，2 4 ， 4 5 3 5 5 ． [ 2 ] 李钦道 ，谢光平 ，张娟． “ 虚力 ”产生的原因及特点分 析【 J J ． 钻采工 艺，2 0 0 1 ，2 4 ， 5 7 5 7 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m