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分层注水工艺管柱变形量计算

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分层 注水 工艺 管柱 变形 计算
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    文 章 编 号 : 1000 - 2634 (2007) 05 - 0145 - 04分 层 注 水 工 艺 管 柱 变 形 量 计 算 3蒋 建 勋 1 ,刘 琦 1 ,程 福 平 1 ,石 庆 2 ,郑 凯 3(1. 西 南 石 油 大 学 石 油 工 程 学 院 , 四 川 成 都 610500; 2. 四 川 石 油 管 理 局 井 下 作 业 处 ; 3. 西 南 油 气 田 分 公 司 天 然 气 研 究 院 )摘 要 : 针 对 目 前 分 层 注 水 工 艺 中 所 使 用 2个 或 2个 以 上 封 隔 器 的 相 互 作 用 ,使 得 管 柱 的 变 形 量 计 算 趋 于 复 杂 的 问 题 。以 水 力 压 缩 式 封 隔 器 分 层 注 水 工 艺 管 柱 为 例 ,较 详 细 的 分 析 了 管 柱 受 力 坐 封 前 、 坐 封 后 和 注 水 3个 过 程 中 的 受 力 状态 和 变 形 情 况 ,并 对 注 水 时 层 间 压 差 引 起 的 受 力 差 异 给 出 了 重 点 分 析 ,推 导 出 了 管 柱 在 不 同 过 程 中 的 受 力 及 变 形 计算 公 式 。 为 层 流 注 水 工 艺 解 决 层 间 矛 盾 ,调 整 油 层 平 面 上 注 水 分 布 的 均 匀 性 提 供 了 理 论 依 据 。关 键 词 : 分 层 注 水 ;封 隔 器 ;管 柱 ;变 形 ;计 算 分 析中 图 分 类 号 :                 文 献 标 识 码 : 压 缩 式 封 隔 器 分 层 注 水 工 艺 管 柱 一 般 均 采用 液 压 坐 封 ,上 提 管 柱 自 动 解 封 。 封 隔 器 密 封 是 靠锁 紧 装 置 或 剪 钉 来 实 现 的 。 在 正 常 注 水 时 ,管 柱 上存 在 着 鼓 胀 效 应 、 活 塞 效 应 、 螺 旋 弯 曲 效 应 、 温 度 效应 。 在 停 注 时 ,管 柱 上 只 存 在 着 虎 克 定 律 效 应 的 自重 伸 长 。 因 此 ,正 常 注 水 时 ,管 柱 变 形 量 大 ,停 注 时 ,管 柱 变 形 量 小 。 管 柱 这 样 伸 长 与 缩 短 ,就 造 成 胶 筒在 井 下 蠕 动 ,使 封 隔 器 密 封 失 效 ,甚 至 造 成 封 隔 器 在井 下 自 动 解 封 [ 1 - 5 ]。1  力 学 模 型 建 立 的 假 设 条 件(1) 如 图 1所 示 ,油 管 柱 为 单 管 ,上 下 无 尺 寸 变 化 ;图 1  封 隔 器 坐 封 前 后 管 柱 变 形 示 意 图(2) 注 水 井 采 用 A、 B (下 面 的 为 A,上 面 的 为B)两 个 封 隔 器 把 管 柱 分 为 上 下 3段 ,对 3个 不 同 层位 实 施 注 水 ;(3) A、 器 为 同 种 型 号 ,同 种 尺 寸 ;(4) 注 水 时 ,油 、 套 管 中 充 满 液 体 ,而 且 液 体 为稳 定 的 层 流 状 态 ;(5) 考 虑 液 体 浮 力 和 注 水 时 摩 擦 力 。2  封 隔 器 坐 封 前 的 管 柱 变 形 量 计 算封 隔 器 前 管 柱 如 图 1 ( a)所 示 。 1)由 管 柱 弯 曲 的 判 别 式 可 知 ,由 于 此 时 管 柱 只 受重 力 作 用 ,封 隔 器 对 管 柱 无 任 何 作 用 力 ,因 此 管 柱 不会 发 生 弯 曲 ,呈 直 线 状 态 。 油 管 内 径 面 积 上 产 生 了 一个 活 塞 效 应 的 轴 向 载 荷 (缩 短 为 负 ,伸 长 为 正 )F = [ - ] × 10- 3 (2)将 式 (1) 代 入 式 (2) 得 出F = × 10- 3 (3)由 虎 克 定 律 公 式 计 算 出 变 形 量 为Δ - - L E ( × 10- 3 (4)3  封 隔 器 坐 封 时 的 管 柱 变 形 计 算3. 1  封 隔 器 引 起 的 管 柱 变 形 量(1) 器 坐 封 时 ,如 图 1 ( b) 所 示 ,需 要 满 足1 = - (5)把 式 (5) 代 入 式 (2) 则 得 出第 29卷   第 5期                   西 南 石 油 大 学 学 报                   29  52007年   10月                               2007 3 收 稿 日 期 : 2006 - 9 - 14作 者 简 介 : 蒋 建 勋 (1968 - ) ,男 (汉 族 ) ,重 庆 璧 山 人 ,博 士 ,副 教 授 ,从 事 采 油 采 气 工 艺 研 究 。F = 1 × 10- 3 = π 4 d2 10- 3 器 处 由 于 活 塞 效 应 引 起 的 管 柱 变 形 量 为Δ - d2 (6)(2) 由 于 器 坐 封 ,引 起 上 部 油 管 弯 曲 ,所受 弯 曲 力 为 = +7)把 式 (6) 代 入 式 (7) ,得 到 由 于 螺 旋 弯 曲 效 应 引起 的 变 形 量Δ - (Δ r)2 W =- (Δ r)2 [ +28E 8)(3) 油 管 受 内 压 ,由 于 鼓 胀 效 应 使 油 管 缩 短 , 器 坐 封 前 与 坐 封 时 套 管 压 无 变 化 ,Δ 0。推 出Δ - 2μ Δ E ( (9)由 于Δ 12 × 9. 8 × 10- 3ρ 12 (9. 8 × 10- 3ρ 2 = - 式 变 为Δ - 2μ pA E ( (10)3. 2  封 隔 器 引 起 的 管 柱 变 形 量与 上 面 的 分 析 相 同 :封 隔 器 同 样 使 管 柱发 生 上 述 变 形 。(1) 器 坐 封 后 ,如 图 1 ( c)所 示 ,由 活 塞 效应 引 起 的 管 柱 变 形Δ - d2 (11)(2) 器 坐 封 , 发 生 螺 旋 弯 曲 效 应 引 起 弯曲 力 为 = +12)弯 曲 变 形 量 为Δ - (Δ r)2 8E - (Δ r)2 [ +28E 13)(3) 由 鼓 胀 效 应 引 起 的 管 柱 变 形 量Δ - 2μ pB E ( (14)3. 3  A、 器 之 间 管 柱 变 形 量 器 坐 封 以 后 ,在 A、 器 之 间 油 管 柱内 外 出 现 压 力 差 , 此 时 会 发 生 鼓 胀 效 应 , 使 油 管 伸长 。 而 压 力 差 又 会 作 用 在 弯 曲 的 油 管 上 而 加 深 油 管的 螺 旋 弯 曲 度 ,使 油 管 缩 短 。 由 于 压 力 差 很 小 ,所 以由 此 压 力 差 引 起 的 变 形 量 在 此 不 做 计 算 。3. 4  封 隔 器 坐 封 后 整 个 管 柱 的 变 形 量由 上 面 的 分 析 计 算 可 知 , 变 形 量 累 加 , 令 μ =0. 3,则 得 出Δ L =Δ Δ Δ Δ Δ Δ - ( A + B ) + 0. 6 ( L ]E ( - (Δ { [ +2 + [ +2 }8E 15)4  注 水 状 态 的 油 管 柱 变 形 量 计 算4. 1  上 层 注 水 压 力 高 于 下 层 注 水 压 力 的 情 况(1) 层 间 压 差 引 起 的 管 柱 变 形 量在 注 水 状 态 下 ,由 于 存 在 着 层 间 压 差 与 水 嘴 损失 压 差 ,引 起 油 管 柱 的 变 形 。 当 上 层 注 水 压 力 高 于 下层 压 力 时 ,环 空 活 塞 效 应 的 作 用 力 向 下 ,使 油 管 柱 伸长 ,上 层 是 加 强 层 ,嘴 损 压 差 小 ,上 层 注 水 压 力 略 低于 油 管 内 的 压 力 。 下 层 注 水 压 力 低 是 控 制 层 ,嘴 损 压差 大 ,这 样 内 径 活 塞 效 应 的 作 用 力 也 向 下 使 油 管 柱伸 长 [ 6 ]。 因 此 层 间 压 差 略 低 于 下 层 的 嘴 损 压 差 , 可近 似 相 等 。所 以 在 图 1 ( a) 情 况 下 ,由 于 层 间 压 差 引 起 的 油管 柱 的 伸 长 变 形 量 计 算 公 式 为Δ = Δ Δ (16)(2) 由 浮 力 引 起 的 管 柱 变 形 量由 于 注 水 后 ,油 管 柱 内 外 充 满 水 ,水 会 对 油 管 柱产 生 一 个 浮 力 。 根 据 工 程 流 体 力 学 ,单 位 长 度 油 管 受到 的 浮 力 为 故 浮 力 引 起 的 缩 短 变 形 可 由 虎克 定 律 得 出641 西 南 石 油 大 学 学 报                                       2007年Δ = - ∫ -( 17)图 2  不 同 情 况 下 的 分 层 注 水 作 业 示 意 图(3) 摩 擦 力 引 起 的 管 柱 变 形液 体 沿 管 柱 流 动 时 ,由 于 液 体 的 粘 滞 性 在 管 柱内 所 产 生 的 摩 擦 力 将 阻 止 液 体 作 相 对 运 动 ,造 成 液体 运 动 的 阻 力 。 液 体 流 动 必 须 克 服 阻 力 做 功 而 消 耗部 分 机 械 能 ,被 消 耗 的 机 械 能 转 化 为 热 能 面 散 失 掉 。单 位 重 量 液 体 所 损 失 的 机 械 能 称 之 为 水 头 损 失 ,用 示 。 由 达 西 - 巍 斯 巴 公 式 得 出λ g L 18)工 程 上 常 用 压 力 值 表 示 ,称 之 为 摩 擦 阻 力 所 损失 的 压 力 ,用 示 9. 8 × 10- 3 (19)管 柱 由 于 油 管 内 部 注 水 产 生 的 摩 擦 阻 力 为 gπ 9. 8 × 10- 3 = 9. 8 × 10- 3λ g L 由 于 套 管 注 水 引 起 的 摩 擦 阻 力 为 2 9. 8 × 10- 3λ g LB 由 虎 克 定 律 可 推 出 ,由 管 柱 内 外 摩 擦 力 引 起 的管 柱 伸 长 变 形 为Δ = + (20)(4) 注 水 引 起 管 柱 总 的 变 形 量Δ =Δ +Δ +Δ =Δ Δ -( + (21)4. 2  下 层 注 水 压 力 高 于 上 层 注 水 压 力(1) 层 间 压 差 引 起 的 管 柱 变 形 量在 注 水 状 态 下 ,若 上 层 注 水 压 力 低 于 下 层 注 水压 力 时 ,油 管 柱 产 生 虎 克 定 律 效 应 压 缩 变 形 、 螺 旋 弯曲 效 应 缩 短 变 形 、 鼓 胀 效 应 缩 短 变 形 ,设 压 缩 变 形 为负 ,拉 伸 为 正 。由 上 、 下 层 注 水 压 差 产 生 的 压 缩 变 形 量Δ - (Δ Δ (22)由 压 差 引 起 的 螺 旋 弯 曲 效 应 产 生 的 压 缩 变 形 量Δ - (Δ r)2 [ (Δ Δ ( ]2823)(2) 由 于 注 水 时 ,油 管 内 外 的 存 在 压 差 ,发 生 鼓胀 效 应 ,由 此 产 生 的 缩 短 变 形 量限 制 层 鼓 胀 变 形 量 (封 隔 器 的 管 柱 )Δ L′ 3 = - 2μ (Δ p1 Δ 2 )E ( L =- 2μ ( Δ 2 )E ( 24)接 替 层 的 鼓 胀 变 形 量 (A、 B 段 管 柱 )Δ L″ 3 = - 2μ (Δ p1 Δ 2 )E ( L =- 2μ ( Δ 2 )E ( 25)加 强 层 的 鼓 胀 变 形 量 (封 隔 器 的 管 柱 )Δ L ˚3 = - 2μ (Δ p1 Δ 2 )E ( L =- 2μ ( Δ 2 )E ( (L - (26)由 于 鼓 胀 效 应 引 起 的 总 的 变 形 量Δ Δ L′ 3 +Δ L″ 3 +Δ L ˚3 (27)(3) 由 浮 力 产 生 的 变 形 量根 据 工 程 流 体 力 学 ,单 位 长 度 油 管 受 到 的 浮 力为 故 浮 力 引 起 的 变 形 可 由 虎 克 定 律 得 出Δ = - ∫ - ( 28)(4) 摩 擦 力 引 起 的 变 形 量同 上 ,由 摩 擦 力 引 起 的 管 柱 伸 长 变 形 为Δ = + (29)(5) 由 注 水 引 起 的 油 管 柱 变 形 量 为741第 5期                           蒋 建 勋 等 :   分 层 注 水 工 艺 管 柱 变 形 量 计 算    Δ =Δ Δ Δ Δ +Δ = - (Δ Δ -(Δ r)2 [ (Δ Δ ( ]28E 2μ ( Δ 2 )E ( 2μ ( Δ 2 )E ( 2μ ( Δ 2 )E ( (L - -( + (30)(6) 目 前 许 多 油 田 注 水 多 采 用 污 水 回 注 。 由 于污 水 温 度 高 ,井 内 温 度 就 会 升 高 ,管 柱 温 度 也 会 随 之升 高 。 由 于 管 柱 受 冷 会 缩 短 ,受 热 会 伸 长 ,因 此 油 管柱 会 随 之 产 生 一 个 温 度 效 应 的 变 形 量 。 污 水 回 注 时上 层 注 水 压 力 大 于 下 层 注 水 压 力 的 油 管 柱 的 变 形 量计 算 公 式Δ L =Δ +Δ +Δ = Δ Δ -( + +β Δ 31)污 水 回 注 时 ,下 层 注 水 压 力 大 于 上 层 注 水 压 力 的 油 管 柱 的 变 形 量 公 式Δ L =Δ Δ Δ Δ +Δ +Δ = - (Δ Δ -(Δ r)2 [ (Δ Δ ( ]28E 2μ ( Δ 2 )E ( 2μ ( Δ 2 )E ( 2μ ( Δ 2 )E ( (L - -( + +β Δ 32)5  结   论(1) 若 下 层 注 水 压 力 高 于 上 层 注 水 压 力 的 层 间压 差 较 大 ,油 管 柱 缩 短 变 形 ,胶 筒 向 上 蠕 动 。 一 旦 停注 ,则 油 管 柱 恢 复 原 状 ,相 对 伸 长 ,胶 筒 就 向 下 蠕 动 。这 样 反 复 进 行 蠕 动 ,封 隔 器 会 失 效 而 不 密 封 。(2) 污 水 回 注 时 ,若 上 层 注 水 压 力 大 于 下 层 注 水压 力 ,温 度 效 应 增 大 了 油 管 柱 的 伸 长 变 形 量 。 一 旦 停注 。 井 筒 温 度 恢 复 到 静 态 温 度 ,油 管 柱 的 伸 长 量 也 要恢 复 原 状 ,相 对 缩 短 ,会 造 成 封 隔 器 自 动 解 封 而 失 效 。(3) 污 水 回 注 时 ,若 下 层 注 水 压 力 大 于 上 层 注水 压 力 ,此 时 温 度 效 应 减 小 了 油 管 柱 的 缩 短 变 形 量 。若 污 水 温 度 很 高 而 层 间 压 差 较 小 时 ,油 管 柱 会 产 生伸 长 变 形 。 这 种 情 况 变 形 量 较 小 ,对 封 隔 器 的 危 害 可能 也 减 小 。符 号 说 明封 隔 器 上 部 环 空 压 力 , M 封 隔 器 下 部 油 管压 力 , M D— 油 管 外 径 , m; d— 油 管 内 径 , m; 油 管 内截 面 积 , 油 管 外 截 面 积 , 封 隔 器 密 封 腔 的 横截 面 积 , 器 的 井 口 坐 封 压 力 , M 器 的 井 口 坐 封 压 力 , M 器 上 部 环 空 压 力 , M Pa; 器 下 部 油 管 压 力 , M 器 上 部 环 空压 力 , M 器 下 部 油 管 压 力 , M L— 油 管 柱 长度 , m; 器 上 部 油 管 柱 长 度 , m; 器 上 部油 管 柱 长 度 , m; E— 杨 氏 模 量 , M W — 单 位 长 度 油 管 的 重量 , N /m;μ — 钢 材 的 泊 松 比 ,一 般 取 0. 3;Δ 器 上 、下 层 间 注 水 压 差 , M 器 上 、 下 层 间 注 水 压 差 ,M 套 管 内 径 , m; L— 油 管 柱 深 度 , m;Δ 弯 曲 段 流体 浮 力 引 起 的 变 形 , m; 单 位 长 度 油 管 受 到 的 管 外 流 体作 用 力 , N /m; 单 位 长 度 油 管 内 流 体 的 重 量 , N /m; 浸 在 液 体 中 油 管 柱 的 长 度 , m; 管 内 液 体 的 水 头 损 失 , v—管 内 液 体 流 速 , m / s;λ — 沿 程 阻 力 系 数 ; 摩 擦 阻 力 所 损失 的 压 力 , M 水 — 水 的 密 度 , g/取 值 : 1g/ 考 文 献 :[ 1 ]  赵 远 纲 ,王 禄 群 ,侯 高 文 . 分 层 开 采 工 艺 管 柱 [M ]. 山东 东 营 :石 油 大 学 出 版 社 , 1994.[ 2 ]  孙 爱 军 ,徐 英 娜 ,李 洪 洌 ,等 ,注 水 管 柱 的 受 力 分 析 及理 论 计 算 [ J ]. 钻 采 工 艺 , 2003, 26 (3) : 55 - 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