封隔器坐封受力分析及坐封负荷计算

李奇,杨新前,操平,王俊华

河南油田采油气工程服务中心  473132

摘要：机械堵水是油田增油控水的重要手段，本文旨在就如何控制坐封负荷提高机堵质量，延长油井免修期，提高堵水效果方面做一些讨论。

关键词：机械堵水；偏磨；尾管重量；负荷计算；

引  言

机械堵水是油田开发中调整开发方案，控制含水上升，提高开发效果的一项重要措施，卡瓦支撑封隔器堵水是机械堵水中一种常用的方法，它具有操作方便，成本低，可与生产管柱一同下井，调层灵活的特点，在河南油田被广泛采用。此种工艺在现场操作中，因多种因素造成有效期短，坐封吨位计算公式繁琐易出错，凭经验控制不准确的缺点。而坐封负荷的过大将造成管柱弯曲，加剧管杆偏磨；过小会使胶筒密封不严而使机堵失败。我们对机堵中存在问题和工具受力情况一一分析，制定相应对策，并对传统坐封高度度计算公式进行了简化，在现场应用中取得了较好的效果。

1封隔器坐封状况分析

重力坐封封隔器在坐封时经常发生从指重表读出坐封负荷与设计负荷相差较大而解封后再次坐封的情况，不但拖延工期而且多次坐封易造成封隔器胶筒损伤，缩短封隔器在井下工作的有效期，我队半年来机堵作业50井次，完井时多次坐封调整坐封吨位的井有5口，因坐封引起管柱弯曲加剧磨损的免修期100天以下的井有3口，给生产造成了一定影响。

图1 多次坐封因素统计图

由上图看出完井时为调整坐封吨位至设计要求而再次坐封比例最大，分析其原因主要有以下几方面：

1.1不同结构封隔器卡瓦空行程不同，坐封上提高度相差较大。

1.2经验估计坐封上提高度误差大。

1.3传统坐封上提高度公式计算复杂，易算错。

1.4对封隔器下部管柱重量对坐封力的影响估计不充分。

2 具体解决办法

2.1针对封隔器生产厂家不一的问题，我们对每一厂家的封隔器均丈量各重要尺寸，如卡瓦空行程就有12cm，50cm，62cm三种。

2.2简化坐封高度计算公式，减少计算工作量，提高计算速度。

2.3适当增加封下管柱重量来减少封上管柱的压缩弯曲。

3 卡瓦封隔器坐封高度计算公式及公式简化　

为了加压一定管柱重量，以保证封隔器在坐封时所需要的坐封载荷，封隔器就

必须要有一定的坐封高度（四通上平面与油管挂上平面或偏心下平面的距离）。

 

                                    L1 

O  中性点                         L

                                                     

                                     L2

图2 管柱受力分析示意图

如图所示，封隔器在坐封情况下，管柱受力分为两部分（当坐封载荷小于管柱重量时）；一部分受拉（图中L1），管柱处于自重伸长状态；一部分受压（图中L2），管柱处于自重压缩状态。在管柱受拉与受压间，处于既不受拉也不受压的一点“0”叫中性点。所以卡瓦封隔器的坐封高度近似值计算公式为：

H＝ΔL－ΔL1＋ΔL2＋S＋h                （1）

式中：H－坐封高度，cm；

　　　ΔL－坐封前，封隔器以上油管长度为L时的自重伸长，cm；

　　　ΔL1－中性点以上油管自重伸长，cm；

　　　ΔL2－中性点以下油管自重压缩长，cm；

S－胶筒压缩距，cm；

h－卡瓦空行程，cm；

1、中性点计算：

封隔器坐封时加压的管柱重量，就是封隔器的坐封载荷，由此是封隔器坐封载荷的近似计算公式：

P＝L2F（r-r0）             （2）

或：P＝L2q

　　则中性点深度的近似计算公式：

   L2＝P／(r-r0)F              （3）

或：L2＝P／q       　　

式中：P－封隔器的坐封载荷，kg；

　　　q－每米油管在井内液体中的重量,kg／m；

　　　F－油管环形载面积，cm2；

　　　r－钢的比重，kg／cm3；

　　　r0－井内液体比重，kg／cm3。

　　2、油管自重伸长或自重压缩：

　　 根据材料力学得油管自重伸长长度或自重压缩长度的计算公式：

ΔL＝PI／2EF，或ΔL＝（r-r0）I2／2E       （4）

式中：ΔL－油管自重伸长长度或自重压缩长度，cm；

　　　I－油管未伸长或压缩时的长度，cm；

　　　E－钢的弹性模数，2.1×106kg／cm2。　　

　　假设封隔器以上的油管长度为L米，坐封载荷为P吨，则：

　　中性点以下的油管长度见式（5）

L2＝P／(r-r0)F=103P／(r-r0)F              （5）

　　中性点以上的油管长度见式（6）

　   　L1＝100L－L2＝100L－103P／(r-r0)F            （6）

（1）封上油管长度为L米时在井内液体中伸长量见式（7）

ΔL＝（r-r0）I2／2E＝ΔL＝（r-r0）L2104／2E　（7）

（2）中性点以下的油管在井内液体中压缩长度见式（8）

ΔL2＝（r-r0）I2／2E＝（r-r0）L22／2E＝（r-r0）／2E×106P2／(r-r0)2F2

＝106P2／2EF2(r-r0)　      　　（8）

（3）中性点以上的油管在井内液体中的伸长量见式（9）

ΔL1＝（r-r0）I2／2E＝（r-r0）／2E×[100L－103P／(r-r0)F]2

　　＝（r-r0）／2E×[100L(r-r0)F－103P]2／ (r-r0)2F2

　　　　 ＝1／2EF2(r-r0)[104L2F2(r-r0)2-2×105(r-r0)FLP+106P2]

         ＝104L2 (r-r0)／2E－105LP／EF＋106P2／2EF2(r-r0)  （9）

　　由（7）、（8）、（9）可得式（10）

　　ΔL－ΔL1＋ΔL2＝（r-r0）L2104／2E－104L2 (r-r0)／2E＋105LP／EF－106P2／2EF2(r-r0)＋106P2／2EF2(r-r0)

＝105LP／EF                         （10）

由上得出卡瓦封隔器坐封高度计算公式：

　　H＝ΔL－ΔL1＋ΔL2＋S＋h＝105LP／EF＋S＋h　         （11）

式中各符号意义及单位如下：

L－封隔器以上的油管长度，m；

P－需要坐封载荷，吨；

E－钢的弹性模数，2.1×106kg／cm2；

F－油管的环形截面积，cm2；

S－胶筒的压缩距，cm；

h－卡瓦封隔器卡瓦空行程，cm；

H－封隔器的提坐高度，cm。　

式（11）计算较为复杂，对其简化如下：

上式中的105/EF为一常数，井下管柱2½″与3〞平式油管用得较多针对2½″油管而言，卡瓦封隔器的坐封高度近似为：

＊H＝4.1×10－3LP＋S＋h　                （12）

＊3〞油管坐封高度近似为

＊H=2.9×10-3LP+S+h　　               （13）　　

对支撑式封隔器在计算时式子中的卡瓦空行程为h=0

对于卡瓦支撑封隔器坐封时因封下管柱重量全部通过中心管作用在胶筒上对胶筒起到了压缩作用，为减少弯曲偏磨，在井筒条件允许的情况下，我们采用在封下适当增加尾管重量的办法来减少封上的管柱压缩弯曲缓解偏磨状况；对于尾管支撑封隔器支撑点是管柱的最下端，封下管柱封对隔器不起压缩作用，式中P值应为所需坐封负荷加上尾管重量，L应为全井油管长度，因此指重表读出数值要比实际作用于胶筒上的负荷大一些。

4 应用效果分析

将上述公式用于现场操作中指导施工不仅提高了效率，而且使坐封负荷控制更准确科学、坐封负荷一次合格率达到98.9%，机堵成功率上升了8个百分点，封隔器井下工作有效期平均延长45天。

对偏磨状况的缓解情况见下表：

井号	管柱结构	以前管杆磨断时间(天)	调整管柱后管杆磨断时间(天)	防偏磨效果
魏171	封上采下	89	110	较好
魏189	封下采上	130	196	好
张1401	封下采上	125	200	好
魏191	封下采上	83	103	较好

5 结论

5.1坐封高度H计算公式中P和L的单位为米和吨，符和现场使用单位，其它均为常量，式中显示直观，中间计算环节简化，使用方便。

5.2对不同管柱结构中的封下管柱重量给胶筒施加的压缩力在计算时给以考虑，减少封上管柱压缩弯曲,较好地防止了管杆偏磨。

 5.3公式是在没有考虑井温等条件下推出的近似公式，但它十分接近真实情况，并经实践检验，现场具有很高的实用价值。

参考文献

韩振华，曾长久，井下作业技术数据手册，北京；石油工业出版社，2000，203  

吴奇，井下工程师手册，北京；石油工业出版社，2002，362

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