深层注水井管柱配套研究

摘 要：本文对深层注水井管柱进行了分析，指出该类型管柱在油管组合、井下工具配套等方面的不完善之处。同时对油管断脱因素进行分析，认为油管丝扣断是由于管丝扣加工时存在应力缺陷，并受复杂交变应力作用及易于发生腐蚀3种原因综合作用的结果。提出了对深层注水井管柱的配套意见，即深层注水井油管必须进行组合，提高作业时油管的抗拉强度，避免油管在作业中的断脱问题；油管的组合受油管钢级的影响较大，无论在新油管组合方式还是在旧油管组和方式中，N80油管都较之J55油管性能更优越，更应被采用。油管组合受封隔器级数的影响也较大，级数越多，作业时油管承受载荷越大，对油管连接接头强度的要求越大。不同深度注水井有不同洗井压力的要求。故从洗井对管柱安全压力的要求来看，深层注水井必须采用K344封隔器，可避免洗井对注水管柱造成影响。

主题词：深层注水井管柱；油管；交变应力；断脱；组合方式；配套

1、研究意义

现今，存在许多问题造成注水管柱失效，导致注水有效期缩短和增加作业成本费用，主要因素为：一是注水井井况因素造成封隔器密封不严、砂埋管柱等问题；二是注水水质因素造成油管腐蚀、结垢等，导致油管漏、测调遇阻等问题，导致管柱失效；三是注水管柱组合不合理，导致油管金属疲劳，造成作业过程中油管断脱。以东辛油田营12断块为例，该断块为近年开发的新断块，2000年开始投入注水开发，目前有注水井22口，注水层位深度在2500-3100米，注水管柱采用单级油管、Y型封隔器和防蠕动配套。由于该断块注水井转注时间短，作业井数不多，但能说明深层注水井在配套中存在的问题。可以看出：作业井作业原因主要是封隔器失效导致；作业过程中油管断脱是所占比例较高。基于以上问题，本研究主要分析了深层注水井管柱组合配套问题，从而有效解决油管断脱现象，进一步延长注水有效期。

2、油管断脱因素分析

在作业过程中出现油管断脱的现象，主要是油管金属疲劳导致。油管断的事故绝大部分情况是发生在管的丝扣接头处，只有极少数情况发生在管本体。T142断块作业过程中，发生11井次油管断脱，仅有1次为本体断。油管在井中，在其自重、外部压力和其它因素作用下处于复杂的应力状态，而管丝扣接头处从受力情况分析又处于应力集中的地方，随着井深增加，温度升高，管丝扣接头处所受应力集中情况逐步加剧。油管丝扣接头处相对于管本体更容易发生局部的小阳极与大阴极缝隙腐蚀电池，再加上管丝扣在加工时易于产生应力缺陷或材质缺陷，也为发生应力腐蚀和晶间腐蚀埋下隐患。综合上述情况分析，油管丝扣断是由于管丝扣加工时存在应力缺陷，并受复杂交变应力作用（平均每口井作业解卡40个小时以上）及易于发生腐蚀3种原因综合作用的结果。

3、研究配套内容

3.1油管组合

（1）油管螺纹连接强度测试。对于 in非加厚的J55型油管来说，其丝扣连接屈服强度为323.0 ，丝扣连接屈服强度安全系数1.3；对于 in加厚的J55油管来说，其丝扣连接屈服强度为443.6 ，丝扣连接屈服强度安全系数1.3；对于 in非加厚的N80油管来说，其丝扣连接屈服强度为470.0 ，丝扣连接屈服强度安全系数为1.3；对于 in加厚的N80油管来说，其丝扣连接屈服强度为645.1 ，丝扣连接屈服强度安全系数1.3；对螺纹连接接头进行实际测试实验，J55旧油管丝扣连接实际许用强度为124.25 ；N80旧油管丝扣连接实际许用强度为180.75 。安全载荷如下表所示（2）油管应力计算。单级油管时： 加厚油管组合时： ；在此计算式中，已综合考虑胜利采油院建议采用的丝扣连接屈服强度安全系数值1.3，油管组合受力计算公式：单级油管时： 加厚油管组合时： ；在此计算式中，油管组合安全载荷由现场试验及综合考虑胜利采油院建议采用的丝扣连接屈服强度安全系数值1.3而得。

3.2井下工具的选择

管柱配套工具对于深层注水管柱能否长期有效注水是非常重要的。因此，根据深层注水井的情况，结合井下工具特点，对管柱进行优化配套，使深层注水管柱处于最佳注水状态。封隔器选择密封压差高、抗蠕动性能好。K344-113Z封隔器性能分析封隔器座封时，二个胶筒向外膨胀，当胶筒接触到套管时，在二个胶筒之间形成一个密闭区，座封压力继续上升，密闭区的压力也随之上升。封隔器座封后，二个胶筒之间的压力始终保持最高座封时所产生的压力。 当封隔器顶部或底部为停注层时，可保证其中一级胶筒两端为低压差状态。我们知道，封隔器抗蠕动性是靠胶筒与套管表面的摩擦阻力形成，根据公式：f=μ×FN，可以看出，摩擦力与正压力和动摩擦系数成正比。一级胶筒所产生摩擦阻力为f=μ×FN，二级胶筒所产生摩擦阻力为f=2×（μ×FN），双胶筒封隔器所产生摩擦力为单胶筒封隔器的2倍，提高了封隔器自身的抗蠕动性能。从洗井上考虑：Y型封隔器洗井时，由于封隔器处于座封状态，洗井压力对于管柱产生一个拉力，对不利。而K344-113Z封隔器洗井时（压差0.5Mpa），封隔器解封，不对管柱产生拉力。深层注水井封隔器应该采用K344-113Z封隔器进行封隔注水。深层注水井由于注水管柱长，其管柱受温度、压力变化是非常敏感的，因此，深层注水井管柱必须采用防蠕动配套管柱。配套选择：注水井顶部停注状态：管柱配套：防蠕动器+封隔器+空心配水器+沉砂底球+防腐油管。配套特点：当注水管柱微量上移时，防蠕动器锚定套管，阻止管柱继续移动。停注时，由于管柱无压缩，不产生向下伸展。管柱在注水过程中不蠕动。防蠕动器是弥补蠕动补偿器所不能解决的管柱总压差较大向上蠕动问题。适应于分注井顶部停注和套管漏失的封串井管柱配套。注水井其他注水状态：管柱配套：蠕动补偿器+空心配水器+封隔器+沉砂底球+防腐油管。配套特点：蠕动补偿器可补偿温度、压力变化所造成的蠕动问题，又对套管无伤害，达到延长有效注水的目的。蠕动补偿器是在避免套管受损的前提下，补偿分注管柱受温度、压力变化所产生的伸缩力，消除因分注管柱蠕动导致封隔器胶筒受损，达到延长有效注水的目的。

3.3、洗井的压力控制

注水井长期注水后，由于注水水质的因素，导致注水层吸水量下降、油管腐蚀结垢，必须要采取洗井的措施进行解决，而洗井时，洗井压力可增加注水管柱的油管安全载荷，因此，必须对洗井提出洗井压力的控制。对于不加厚油管， 取值为9.533 ；封隔器级数不同， 取值不同，质量不同：一级封隔器摩擦阻力为2000 ，二级封隔器为4000 ，三级封隔器为6000 ，故洗井压力不同。在管柱安全压力允许的条件下，最大洗井压力如下表所示：若封隔器在洗井时解封，洗井压力会降低，且对管柱载荷没有任何影响。

4、结论与建议

（1）深层注水井油管（特别是旧油管）必须进行组合，提高作业时油管的抗拉强度，避免油管在作业中的断脱问题。（2）油管的组合受油管钢级的影响较大，无论在新油管组合方式还是在旧油管组和方式中，N80油管都较之J55油管性能更优越，更应被采用。（3）油管组合受封隔器级数的影响也较大，级数越多，作业时油管承受载荷越大，对油管连接接头强度的要求越大。（4）不同深度注水井有不同洗井压力的要求。故从洗井对管柱安全压力的要求来看，深层注水井必须采用K344-113Z封隔器，可避免洗井对注水管柱造成影响。（5）针对以上基本问题，建议进一步开展注水管柱连接接头的实验研究。为延长注水管柱的有效期，建议进行管柱的优化组合设计。（6）为了使现场使用方便，建议开展注水管柱优化组合与洗井压力控制的软件开发。