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        分層采油用丟手壓力計算方法*

        2022-09-29 02:12:14付亞榮陳勁松郭志強劉萬斗馬永偉孫佰球胡俊平王曉軍劉志剛錢洪霞王嬙
        石油石化節(jié)能 2022年7期
        關(guān)鍵詞:球座泵車投球

        付亞榮 陳勁松 郭志強 劉萬斗 馬永偉 孫佰球 胡俊平 王曉軍 劉志剛 錢洪霞 王嬙

        (中國石油華北油田分公司)

        分層采油是解決牙刷狀油藏、疊層狀油藏、高含水油藏等層間干擾[1-3],提高最終采收率的有效手段之一,如分采層段數(shù)不受限制的壓力波控制分層配產(chǎn)、過環(huán)空纜控分層采油、無線對接式纜控分層采油、振動波控制分層采油等技術(shù)[4-6]。實際上,在工業(yè)4.0時代,智能油藏、智能決策、智能找堵水等基礎(chǔ)上的分層采油井下丟手結(jié)構(gòu)管柱也不可或缺[7]。投球丟手則是分層采油過程中必要的技術(shù)手段和施工步驟。丟手的下端通常與分層采油管柱的封隔器連接,丟手的上端與施工管柱連接,且丟手可在一定壓力作用下分為兩個部分,分層采油管柱的下端通常連接球座。在進行分層采油時,首先利用施工管柱將分層采油管柱下入井下,之后打壓使封隔器坐封;然后投入鋼球至球座,利用地面泵車加壓使丟手分離,從而將施工管柱起出,分層采油管柱留在井下;最后再下入抽油管柱,使油井投入正常生產(chǎn)。對于加壓實現(xiàn)管柱丟手而言,所施加的壓力過大會造成管柱蠕動,影響封隔器的使用壽命,而壓力過低則不能完成丟手。萬鋒等提出了基于響應(yīng)面法的丟手釋放接頭優(yōu)化設(shè)計,獲得了釋放接頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)配置,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降19.5%[8]。馮麗瑩等采用尾管牽制及尾管懸掛器卡瓦內(nèi)嵌技術(shù),其具有反向錨定鎖緊及解鎖尾管的功能,為短尾管提供附加載荷,現(xiàn)場施工實現(xiàn)安全丟手[9]。李建業(yè)等分析了短輕尾管頂升力的影響因素,并以“上提懸掛,下壓丟手”的原則,有效解決了超深井短輕尾管懸掛及丟手判斷難的問題[10]。但分層采油用丟手壓力計算方法鮮為人涉及,現(xiàn)場往往依靠經(jīng)驗確定投球丟手壓力。筆者計算了鋼球所受的法向力、鋼球與球座的接觸長度、鋼球與球座之間的最大接觸壓力,從而確定丟手壓力計算方法[11]。通過現(xiàn)場50余口油井應(yīng)用證明,井下施工一次成功率達(dá)100%,助力30余口油井分層開采,單井日產(chǎn)油量平均增加3.4 t,單井日產(chǎn)水量平均降低5.9 m3,百米噸液耗電平均降低0.107 k Wh。

        1 投球丟手原理

        將鋼球投到球座處封隔后,地面泵車加壓水從通孔進入丟手活塞,推動丟手活塞和丟手連接體向下移動,丟手連接體帶動定位銷在丟手撐套上的軌道槽移動;地面泵車持續(xù)加壓使壓力上升,將丟手銷釘剪斷,丟手活塞帶動丟手連接體和丟手支撐套一同向下運動,實現(xiàn)丟手,丟手銷釘剪斷效果如圖圖1、分層采油工藝管柱示意圖如圖2。

        圖1 丟手銷釘剪斷效果Fig.1 Cutting effect of release pin

        圖2 分層采油工藝管柱示意圖Fig.2 Schematic diagram of separate-zone production process string

        2 丟手壓力計算方法

        基于Hertz接觸理論,對鋼球所受的法向力、鋼球與球座的接觸長度、鋼球與球座之間的最大接觸壓力進行計算,得到丟手壓力計算方法[12]。

        2.1 水柱壓力

        式中:PH為丟手上方水柱壓力,MPa;H為丟手上方油管長度,m;k為每米水柱壓力換算系數(shù)。

        2.2 鋼球所受的法向力

        式中:F為鋼球所受的法向力,k N;P為地面泵車出口壓力,MPa;r0為鋼球與球座的最大接觸半徑,m;r1為接觸半徑變量(0~r0),m;α為球座的錐度,(°)。

        2.3 鋼球與球座間的接觸長度

        實施分層采油丟手施工過程中,所投的鋼球與球座之間以及鋼球與球座所受的載荷都是軸對稱分布;因鋼球體積較小,不考慮其重力影響,只考慮鋼球所承受的丟手上方水柱壓力及地面泵車傳替的泵壓?;贖ertz半空間體理論,鋼球與球座間屬于球與平面接觸模型,鋼球與球座間的接觸長度為:

        式中:L為鋼球與球座間的接觸長度,m;E1為鋼球材料的彈性模量,MPa;E2為球座材料的彈性模量,MPa;R為鋼球半徑,m;δ為鋼球與球座間碰撞的壓縮量,m。

        2.4 鋼球與球座間的最大接觸壓力

        按2.3章節(jié)中闡述的“基于Hertz半空間體理論”,鋼球與球座間的最大接觸壓力為

        式中:Pmax為鋼球與球座間的最大接觸壓力,MPa。

        將式(1)、(2)、(3)、(4)由人工或計算機求解得到,地面泵車出口壓力P即為分層采油用投球丟手壓力。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用

        通過現(xiàn)場50余口油井應(yīng)用表明,井下施工一次成功率達(dá)100%,助力30余口油井分層開采,單井日產(chǎn)油量平均增加3.4 t,單井日產(chǎn)水量平均降低5.9 m3。經(jīng)華北石油管理局節(jié)能監(jiān)測站測試,百米噸液耗電平均降低0.107 k Wh,部分丟手分層采油管柱油井效果如表1。

        表1 部分丟手分層采油管柱油井效果Tab.1 Oil well effect of partially releasing separate-zone production

        以XX-20井為例,依據(jù)地質(zhì)方案對該井實施分層采油,利用上述計算法對2 450 m處的管柱投球丟手壓力進行計算,得出其值為17.67~18.49 MPa,取整后為18~19 MPa。按此壓力值一次施工成功,該井日產(chǎn)油量平均增加3.7 t,日產(chǎn)水量平均降低6.3 m3,百米噸液耗電平均降低0.112 kWh。

        4 結(jié)論

        1)基于Hertz接觸理論,鋼球與球座間屬于球與平面接觸模型,利用計算得出的丟手壓力,達(dá)到了既保證投球丟手的需要,又不造成管柱蠕動的目的。

        2)準(zhǔn)確計算丟手壓力有助于分層采油成功實施,在起增油降水作用的同時,節(jié)省了油井采出液百米噸液耗電量。

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