TK1135井封隔器坐封案例分析

赵忠辉 马宏原

【摘 要】 塔河油田为古生界奥陶系碳酸盐岩缝洞型油藏，储层平均埋深5300-5720米，最大埋深7361米，酸压井为了保护井口套管，完井时大多需下入井下封隔器，封隔器坐封成功与否关系到后期酸压的成败，因此提高封隔器应用成功率是完井的首要任务，本论文以TK1135井为例重点分析完井工具失封原因。

【关键词】 封隔器 坐封 分析

1 坐封封隔器

组下酸压管柱到位后投球入座，正打压坐封封隔器，逐级打压0-4-8-12-16-18MPa各稳压3min，继续打压至21MPa，稳压10min，压力不降，环空不返液，泄油压至0MPa。重复坐封动作一次合格后泄油压至0MPa。环空打压15MPa验封，稳压15min，压力不降，油管不返液，验封合格。

2 打球座

油管打压至32MPa，继续打至35MPa稳压5min，打压至36MPa，稳压2min，打压至40MPa稳压10min，打压至42MPa，稳压20min；环空补平衡压至20MPa，泄油压至20MPa，继续打压至46MPa压力突降至31MPa后油套同时降至17MPa，观察10min油套压同时持续下降，泄油压至0MPa套压同降至0MPa，环空注油田水0.9m3油套同时升至10MPa，油套连通，判断封隔器失封。

3 案例分析

上提管柱85t（原悬重85t）起完井管柱，悬重无变化，无解封显示，正常起钻。起出的封隔器解封销钉全部剪断，打球座过程中管柱密封良好，判断油套连通是由于封隔器失封造成而非管柱存在漏点。

3.1 球座销钉值计算

3-1/2"球座销钉规格为10mm×13mm，单颗剪切值6MPa，本井安装5颗销钉。

根据计算3-1/2"球座剪切力为

=122145.12N （1）

本井销钉规格与3-1/2"球座销钉相同，剪切力相同，计算单个销钉剪切力为24429.02N，本井2-7/8"球座安装5颗销钉剪切值为46.23MPa。

=46.23MPa （2）

本井打球座压力过高是由于球座使用错误所致。（本井应用的2-7/8"球座销钉与3-1/2"球座销钉长度、直径相同）。

3.2 鼓胀效应

鼓胀效应是指管柱的内、外压差作用使管柱的直径增大或缩小的效应。由于内压大于外压，从而导致管柱直径增大、管柱长度缩短的叫做外鼓胀效应；由于外压大于内压，从而导致管柱直径减小、管柱长度增加的叫做内鼓胀效应[1]。

鼓胀效应发生在整个管柱上，在鼓胀效应的计算过程中，主要考虑管柱内、外平均压力的变化，则由鼓胀效应所引起的管柱轴向力及长度变化的简化计算公式为：

（3）

（4）

式中，为鼓胀效应引起的力，Psi；△Pia为管柱内平均压力变化，Psi；为环空平均压力变化，Psi；油管内径面积，in2；油管外径面积，in2；鼓胀效应引起的长度变化，in，深度m（本计算中为封隔器中胶位置5525.36m）；泊松比，钢材为0.3；弹性模量，钢材为3×107Psi；油管外径与内径之比。1Psi=0.006895MPa，1cm=0.394in。

打球座和环空打压是分阶段进行的，把各个阶段累加起来计算。

为4.8t，为0.7674m。

打球座过程中管柱受到向上的轴向力4.8t，可引起管柱缩短0.7674m。

3.3 作用力与反作用力

当打球座井口泵压45MPa时，根据计算打掉球座时候球座受到的力为11.89t。

根据牛顿第三运动定律

（5）

得知，球座打掉瞬间封隔器中心管受到向上的力为11.89t。此力可以上移中心管起到解封作用。封隔器坐封后管柱所受合力（0牛顿）平衡，打掉球座瞬间整个系统发生变化，但是系统所受合力依旧平衡（0牛顿）。

3.4 活塞效应

活塞效应是指管柱内、外流体压力作用在管柱直径变化处或底部球座上而引起管柱长度变化的效应。

油管及环空压力的变化会导致活塞力的变化，引起油管及环空压力变化的因素很多，例如油管内外的流体密度、地面泵压等发生变化。活塞力的变化的计算公式为[2]：

（6）

式中：为引起活塞效应的力，N；和分别为油管内、外截面积，m2；为管柱密封腔的横截面积，m2，为计算点处下端面压力变化，Pa；为计算点处上端面压力变化，Pa。

根据虎克定律，由活塞力的变化所引起的管柱长度变化为：

（7）

式中：为活塞效应引起的管柱长度变化，m；E为管柱的弹性模量，Pa；为管柱横截面积，m2。

经过计算打掉球座瞬间活塞力为1.69t，为-0.22m。

打球座后管柱受到向上的活塞力为1.69t。

3.5 案例总结

鼓胀效应引起的轴向力+反作用力+活塞力合力为11.89+4.8 +1.69 =18.38t（封隔器解封吨位19.2t，在井下受温度影响实际吨位减小）。计算封隔器位置井温122.66℃（封隔器位置5525.36m），销钉剪切值降至17.472t（降低9%）。

打掉球座瞬间封隔器中心管受到向上合力18.38t>17.472t，封隔器解封导致失封。

4 结语

（1）环空打背压20MPa，当球座被打掉后环空压力20MPa，会使水力锚回缩，增加封隔器失封可能性。（2）球座使用错误，球座销钉设计不正确导致打球座时压力过高封隔器失封。（3）改进球座销钉型号，使3-1/2"球座销钉与2-7/8"球座销钉易于区分。

参考文献

[1]高德利.油气井管柱力学与工程[M].山东东营：中国石油大学出版社.2006.10.

[2]李成，朱红红，铁瑛，何龙.销钉连接接触面的应力有限元计算与分析[J].郑州大学学报，2012，33（1）：84-87.