孫先紅 辛 旻 張廣泰 董康興

（1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶油田工程有限公司）

封隔器的作用是隔離油套環(huán)空，將生產(chǎn)層與作業(yè)地層隔開，以此來控制注入或采出流體［1］，在油氣開采和各種作業(yè)中起著非常重要的作用［2］。封隔器需要在井口施加較大的坐封力，使膠筒膨脹從而隔絕油套環(huán)空，并且在井下作業(yè)過程中承受較大的壓力差。

在實際作業(yè)或者生產(chǎn)過程中，由于頻繁的開井、關(guān)井和抽油機的上下往復(fù)運動，封隔器承受著較大的靜載荷和動載荷，因此在長期工作過程中，封隔器坐封失效問題時常發(fā)生，嚴重影響生產(chǎn)效率和作業(yè)效果，造成一定的經(jīng)濟損失，甚至造成安全事故［3～5］。

當前，對于封隔器坐封效果的判斷主要以分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)、注入壓力或通過打壓試驗的方法進行分析［6～8］，其準確率低、分析難度大，而打壓試驗作業(yè)成本較高。 筆者提出了一種通過監(jiān)測井口套管受力變化規(guī)律來判斷封隔器坐封效果的方法，該種方法操作簡單、判斷方便且準確率較高。

1 油管錨定力學(xué)分析

本判斷方法主要對機械式坐封的錨定裝置進行失效檢測，包括機械式卡瓦油管錨、機械式油管張力錨及各類機械坐封式封隔器等。 使用錨定裝置對油管進行錨定后，井口和管柱的受力情況如圖1 所示。

圖1 油管錨定采油系統(tǒng)管柱圖

對于封隔器坐封有兩種情況，第1 種在封隔器下入井中后， 需要對管柱施加向下的坐封載荷，完成坐封。 由于坐封載荷的存在，封隔器與井口之間的油管始終處于受壓狀態(tài)，因此井口四通受到油管向上的推力，使得井口套管處于受拉狀態(tài)， 其載荷大小F套等于井口人為施加的坐封力F坐。 第2 種為在封隔器下入井中后，不需要人為對管柱施加向下的坐封載荷，僅依靠全部或部分油管自重就可以完成坐封，坐封后，油管通過四通掛在套管上，對套管施加向下的壓力，井口套管處于受壓狀態(tài)， 其載荷大小F套等于油管自重G油管減掉封隔器完全坐封所需載荷F封。

當封隔器坐封逐漸失效時，油管所受壓力逐漸減小，直到坐封完全失效，管柱自重完全通過井口四通作用在套管上。 對于第1 種坐封方式，在封隔器逐漸失效過程中，套管所受拉伸載荷逐漸減小最后變?yōu)槭軌籂顟B(tài)； 對于第2 種坐封方式，井口套管所受壓縮載荷逐漸增加，直到變?yōu)橛凸茏灾亍?/p>

2 封隔器失效判斷原理

基于封隔器坐封后套管所受載荷變化情況，提出通過測試井口處套管受力變化來判斷封隔器坐封效果的方法。 其具體操作方法為：

a. 在油井作業(yè)下入管柱前，在套管上貼應(yīng)變片組成惠斯通電橋，將利用儀器初始測得的井口套管應(yīng)變值標定為零，此值為套管自由狀態(tài)。

b. 當下入管柱并完成封隔器坐封后，測試套管此時的應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)設(shè)計電路，對于第1 種情況，套管受拉，應(yīng)變值為正；對于第2 種情況，套管受壓，應(yīng)變值為負。 根據(jù)應(yīng)變值變化情況和坐封載荷情況，可以得到應(yīng)變與坐封載荷之間的線性關(guān)系，根據(jù)管柱自重設(shè)定應(yīng)變變化極限值。

c. 定期上井測試套管應(yīng)變，并根據(jù)應(yīng)變變化情況分析封隔器坐封效果， 當應(yīng)變超過極限值時，判斷坐封完全失效。

3 油管錨定松脫預(yù)警監(jiān)測裝置

根據(jù)封隔器失效判斷原理， 需要測試套管應(yīng)變情況，搭建了油管錨定松脫預(yù)警監(jiān)測裝置［9］，對已經(jīng)完成錨定坐封的油井采用惠斯通全橋貼片的方式在井口套管外側(cè)貼片。 為消除井口彎矩對檢測數(shù)據(jù)的影響，設(shè)計應(yīng)變片為180°對稱分布，惠斯通全橋電路和井口套管應(yīng)變片如圖2、3 所示。

圖2 惠斯通全橋電路

圖3 井口套管應(yīng)變片

基于WinCE 嵌入式操作系統(tǒng)搭建油管錨定松脫預(yù)警監(jiān)測裝置（圖4），實現(xiàn)對電壓、電流等信號的接收， 經(jīng)信號放大器輸出的是模擬電壓信號，通過工控微機中的A/D 轉(zhuǎn)換功能，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號， 便于信號數(shù)據(jù)的存儲。 通過數(shù)據(jù)讀取模塊將存儲于工控微機中的數(shù)據(jù)讀取至計算機， 方便數(shù)據(jù)的進一步分析和處理。

圖4 基于WinCE 嵌入式操作系統(tǒng)的油管錨定松脫預(yù)警監(jiān)測裝置

4 現(xiàn)場試驗

利用所搭建的油管錨定松脫預(yù)警監(jiān)測裝置，從2018 年3 月開始先后對某油田10 口油管（井號X1～X10）錨定井的應(yīng)變進行了跟蹤測試，測試周期為每月1 次，現(xiàn)場測試結(jié)果見表1。

由10 口井的測試結(jié)果可以看出， 在16 個月的監(jiān)測過程中，其中有1 口井在運行11 個月后出現(xiàn)了封隔器失效現(xiàn)象， 有2 口井出現(xiàn)了封隔器的松脫現(xiàn)象，但還沒有到完全失效的程度，其余7 口井運行正常，2019 年6 月對X6 井進行了起下作業(yè)， 確認了該井確實發(fā)生了封隔器失效現(xiàn)象。

表1 現(xiàn)場測試結(jié)果

5 結(jié)論

5.1 針對目前封隔器失效現(xiàn)象難以判斷的問題，提出了一種通過井口套管應(yīng)變變化判斷油管錨定油井封隔器坐封效果的方法。

5.2 利用油管錨定松脫預(yù)警監(jiān)測裝置對現(xiàn)場10口井進行了跟蹤測試， 發(fā)現(xiàn)有1 口井在運行11個月后出現(xiàn)了封隔器失效現(xiàn)象，有2 口井出現(xiàn)了封隔器的松脫現(xiàn)象，通過現(xiàn)場作業(yè)驗證了失效井發(fā)生故障。