支撑式封隔器坐封方余的计算.doc

试油作业中支撑式封隔器坐封方余的计算摘要 在现场操作支撑式封隔器时，一个难题困扰着我们，那就是坐封方余的确定。方余确定的对与否，是决定试油作业成功与否的关键因素。方余太小，封隔器加压不够，不能正常坐封，影响密封胶筒密封效果；方余太大，一则加压过大，封隔器卡瓦损坏，造成工具报废，二则井口油管挂难以坐于油管头密封槽内，井口操作不能实现，尤其影响试油抽汲作业。为了避免多次重复坐封操作，甚至整趟作业失败，必须精确计算坐封方余。本文阐明了什么是方余，方余包括哪些方面，应用工程力学和材料力学的理论得出井下管柱的受压变形弯曲的规律，从而推出了理论数学公式，对试油作业中不同管柱的方余进行了近似的计算，对现场具有一定的指导意义。关键词 支撑式封隔器 坐封 方余 计算 1. 基本概念（1. Basic Concept）支撑式封隔器：是以井底（尾管支撑式）或卡瓦（卡瓦式）为支点，加压一定管柱重量来坐封的封隔器。所用的胶筒是压缩式的，一般是靠下放一定管柱重量来压缩胶筒，使其直径变大，封隔油套环空。坐封方余：油管挂上平面距顶丝法兰上平面的距离。如图1的H。其实坐封方余就是我们在现场操作时管柱的上提值，即在管柱上的任一点做记号，这个点向上的位移。但在井口操作时，我们有时会把方余测量为顶丝法兰上平面到油管挂上端的吊卡平面的距离H1或提升短节接箍上平面的距离H2。由于每口井所使用的吊卡和油管不同，吊卡长度和接箍长度也不一样，同时它们与井下管柱的受压变形弯曲毫无关系，一个具有普遍意义的方余计算公式不应将它们包含在内。所以我们推倒的方余是图中的H值，即随不同管柱而变化的上提值。当H值已知，则H1和H2也易于计算而得。HH2H1图1 坐封方余的测量Fig.1 Measurement of Setting Kelly Up坐封载荷：正常坐封后封隔器所受的重量。下表所列为几种支撑式封隔器的坐封载荷见表1。表1 几种支撑式封隔器的坐封载荷Table1. Setting Force of Various Back Packer封隔器类型DSL171DXJ164-1DDG251-5Y211Y111Y221坐封载荷(t)10-128-106-88-106-88-102. 井下管柱变形分析和计算（1） 坐封前井下管柱的实际状态首先我们应该考虑将油管及各种工具下到井筒，再用油管挂或吊卡坐于井口装置之后的管柱状态。由于井筒中充满了流体，除了管柱的自重G外，还受到流体对它的浮力F浮，流体对管壁的内压F内和外压F外。这些力就使管柱处于三向应力状态，即轴向应力、径向应力、周向应力。同时井筒本身的条件也一定程度上影响管柱的受力效果，如井内温度T、井斜A等。这些作用势必会造成一个结果管柱变形。我们用函数形式表示:=f(G、F浮、A、 F外 、F内)，：管柱变形量但是，我们综合考虑，内压F内和外压F外对的影响甚小，温度T、井斜A暂不作研究，我们简化为=f(G、F浮)。根据材料力学和工程力学的相关理论，应用广义胡克定律得出管柱在流体中的伸长量： （1）其中：管柱在流体中的自重伸长量，m； ：管柱的横截面积，m2；：管柱在空气中每米比重，； ：井筒中流体每米比重，；：管柱长度，m； ：管柱材料的弹性模量，；（2） 坐封后井下管柱的实际状态我们知道，由于井下管柱的所用钢材的密度往往很大，一千米的管柱就能达到十多吨。几千米的井所需的管柱的重量可能会有二十、三十吨，这大大的超过了封隔器所能承受的坐封吨位，如上表1所示，一般封隔器的坐封吨位为10吨左右最合适。这就要求我们研究坐封后井下管柱的状态，那就是中性点的存在。管柱重量不可能全部坐于封隔器上面，剩余的重量就通过油管挂或者吊卡坐于井口。这就使得井下管柱分为两个部分，如下图L1和L2，图2 坐封后井下管柱状态Fig.2 state of downhole string after Setting 中性点：管柱上既不受拉又不受压的一点。以上的管柱L1受拉，以下的管柱L2受压，也就是说，根据公式（1），我们得出：L1受拉的伸长量为： （2）L2受压的压缩量为： （3）且：L=L1+L2，单位同公式（1）。L2在流体中的管柱重量即为封隔器的坐封吨位P，我们也可以得出封隔器的坐封载荷：，可以有， （4）则管柱坐封后的总压缩量为： (5)将（1）、（2）、（3）、（4）式代入（5），得：= （6）3. 支撑式封隔器方余的确定(3. determination of setting kelly up of back packer)上面我们利用材料力学和工程力学的基本理论推导出了井下管柱坐封后的压缩量的计算公式，其只是考虑了封隔器以上油管的长度变化量，封隔器本身的长度变化没有计算在内。支撑式封隔器，最主要的组成部分胶筒，坐封后会被压缩，有胶筒压缩量S胶；卡瓦支撑式封隔器有换位机构“J”型槽，坐封后还有“J”型槽下滑距S换。这里我们用S封来表示封隔器本身的长度变化量，即 （7）由于在不同的井下作业过程中，封隔器和其余工具的配合状况不一样，包括封隔器数量、其余工具类型、大小等等不同，我们所要预留的方余H也有所变化。但我们可以大概的认为井下其余工具所引起的长度变化量是不随其上方油管的类型和长度而变化的一个恒定值，就像S胶和S换一样，基本是常量。我们用X来表示。H的计算公式就为： （8）4. 试油作业过程中方余的确定(4. determination of setting kelly up in testing operation)就大庆油田来讲，试油作业中常用的是f73.02mm（两寸半）和f88.9mm（三寸）外加厚油管，根据API SPEC 5CT / ISO 11960 标准我们可以可以查得相关数据：表2 不同尺寸油管的相关参数Table2. Correlating Parameter of Tubing with Different Size基本数据油管尺寸外径D（mm）内径d（mm）截面积F(m2)每米比重q(N/m)弹性模量E（N/m2）f73.02mm73.0262.01168.6110-694.82.0581011f88.9mm88.976.01670.7110-6135.632.0581011从而可以得出两个油管的总压缩量的计算公式：f73.02mm：=; f88.9mm：=。在此，我们将L和P的单位化为了我们习以为常的单位，管柱长度L的单位为千米(km)，坐封吨位的单位为吨（t）。（1） 压后常规排液（以f73.02mm外加厚油管为例）采用P-T（Y221型）封隔器单封排液，P-T封隔器的S换0.13m，S胶0.07m，则封隔器本身的长度变化量为S封=0.20m，得出压后常规排液管柱的方余：=+0.20 （ H（m），L（km），P（t） ）（2）JS-2封隔器压裂JS-2封隔器本身的长度变化量为S封=0.30m，则有方余：=+0.30（3）MFE常规测试MFE多流测试器测试管柱方余的确定，就要考虑公式(8)中的X因素。管柱下方时，MFE本身自由行程为0.254m，在二开的时候封隔器可能会下窜一定距离，我们近似取为0.15m，那么X=0.254m+0.15m0.41m。进而确定方余：+X=+0.61实例分析：金xx井，f139.7mm油层套管完井，壁厚7.72mm。层位：G，层号：63，井段：1623.21621.4m，清水压井。第C1-1层，用f73.02mm外加厚油管进行了MFE（）跨隔测试，P-T封隔器的卡点：1627.42m，坐封吨位：10.8t，计算坐封方余为：a 管柱坐封后的总压缩量为：= =0.732mbP-T封隔器S封=0.20m；剪销封隔器S胶0.07m；MFE本身自由行程为0.254m；二开封隔器下窜0.15m；则此时与MFE常规测试相比，X=0.254m+0.15m+0.07m=0.474m。则坐封方余为：+X=0.732m+0.20m+0.07m+0.254m+0.15m1.41m在现场操作时，方余实际预留为1.38m，从效果上看，方余留的正好，正好有10cm的观察距离。同时也证明了上述公式计算的可行性。5. 结论(5. Conclusions)我们应用材料力学和工程力学的基本理论推导出了一般支撑式封隔器坐封方余的计算公式，进而对我们在试油作业中不同管柱方余进行了近似的计算。（1） 井下管柱总压缩量只与管长L、坐封载荷P、管截面积F和管材弹性模量有关，与管材密度和井下流体密度无关。（2）方余包括两个部分，一是管柱总压缩量，二是井下工具本身长度变化量。我们在推导的过程中也忽略了很多因素，如温度、井斜，同时也没有考虑管柱的弯曲变形所引起的管柱缩短。但本文的计算方法也会对现场作业具有很大的指导意义。参考文献References1 王守芳, 刘猛等. 上提加压式封隔器坐封坐封高度的确定J.油气井测试，2002，11：（04）WANG Shoufang, LIU Meng, et al. Determination of the Excluding Height of Take-up Packers J. Well Testing, 2002,11:(04)2 刘国志等. 大庆油田射孔、试油技术发展与实践.M. 石油工业出版社, 2006,2：201206LIU Guozhi , et al. Development and practice of well testing and perforating technology in Daqing Oilfield M. Petroleum Industry Press,2006,2: 2012063 油田用封隔器及井下工具手册编写组. 油田用封隔器及井