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【摘 要】本文从悬挂式深井多层偏心分注管柱的受力分析入手，对目前吐哈油田普遍采用的分注管柱进行了失效分析。分注管柱无锚定机构，注水状况变化会引起管柱蠕动，缩短封隔器使用寿命或导致封隔器失效。
【关键词】分注管柱；延长免修期；分注工
从国内外分层注水技术发展趋势来看，当井深超过2000米时，国外一般都采用锚定式的分注管柱。国内限于井下工具的制约，还处于探索试验阶段；对于由于工况变化引起管柱伸缩的研究，虽有一定的理论基础，但缺少有力的试验数据，所以采取的针对措施一直不力，但总的发展方向仍然是解决管柱的“平衡、锚定、补偿”等几个问题；国内部分油田正在进行这方面的研究试验工作。
一、常规分注管柱失效分析
当前吐哈油田分注管柱普遍使用无锚定偏心分注管柱，主要由偏心配水器和Y341压缩式、可反洗井注水封隔器配套组成，在现场使用过程中，这种管柱工作寿命短，作业冲检较频繁，部分井免修期不到一年。通过对分注管柱配套工具及分注管柱工作时压力、温度对井下工具影响的分析认为，封隔器失效原因：一是当封隔器在井下高温高压条件下长时间工作时，胶筒很容易老化、从而破损脱落，造成分注管柱失效；二是停、开井及注水压力波动时，由于压力效应和温度效应的影响，造成分注管柱在井下蠕动，从而带动封隔器在套管里上下移动，使封隔器胶筒极易被磨损、撕裂，失去密封性能，造成分注管柱失效。而管柱蠕动是造成目前分注管柱工作寿命短、作业冲检频繁的主要原因。因此，研究管柱锚定技术，延长管柱寿命非常必要。
下面以常规二级二层分注管柱作为研究对象，选取目前普遍使用的2-7/8 UP TBG油管（油管弹性模量E=206GPa）进行分析研究。
（一）受力分析：以长度L=2500m的常规二级分注管柱作为研究对象，选取目前普遍使用的2-7/8（∮73mm）油管，对常规分注管柱进行受力分析。
1、完井投注至注水正常时：完井时，管柱的自重、井口悬挂力、井筒液体对管柱的上浮力处于平衡状态。
2、测试上层时（下层停注）：测试上层时，由于下层堵死停注，与正常注水时受力相比较，上顶力消失，在内应力、向下顶力和2f的作用下管柱重新失去平衡而伸长。
3、停注时：井下介质温度上升，上顶力消失，管柱重新伸长至与投注前相一致，封隔器重新回到原完井时位置。
（二）结论
1、从受力分析及计算中可以看出，当注水井工况（压力、温度）发生变化时，引起管柱受力状况发生变化，因而导致管柱发生蠕动，从而带动封隔器胶筒的蠕动，使胶筒工作条件变差，影响分注管柱寿命。2、管柱收缩或伸长，对于上提或下放解封的注水封隔器，有可能使封隔器解封。
二、延长免修期分注工艺研究
为克服分注管柱蠕动，延长管柱寿命，深入开展了锚定分注管柱技术研究。
（一）锚定分注管柱技术研究：通过对常规分注管柱受力分析以及工况变化移动计算，提出了以下两种锚定式分层注水工艺管柱。
1、底部锚定分注管柱：管柱结构：主要由Y341-115封隔器、KPX-114偏心配水器、永久式底部锚定器、KSL-94水力循环凡尔、KDL-94单流阀以及密封插管组成。
管柱优点：
①管柱依靠底部锚定器锚定，可避免工况变化引起的管柱蠕动，提高分注管柱的使用寿命；②管柱寿命长（不低于3年），承受压差高（35MPa以上）；③上部管柱冲检时不用起出底部锚定器；④完井后管柱处于张力状态，可大大减少投捞工具串的卡阻现象；⑤可反洗井；
缺点：多增加一趟起下钻作业，增加了作业费用。
2、上部锚定分注管柱
方案一
管柱结构：主要由固定式工作筒、Y411封隔器、Y341封隔器、偏心配水器以及水力循环凡尔组成。
管柱特点：
①采用Y411封隔器锚定管柱，避免了注水封隔器解封及注水过程中的管柱蠕动，可有效提高管柱的使用寿命；②可反洗井、但洗井深度不到管脚；③Y411封隔器锚牙对套管损伤较小。
方案二
管柱结构：主要由高效水力锚、Y341封隔器、偏心配水器以及水力循环凡尔组成。
管柱特点：
①采用高效水力锚锚定管柱，避免了注水封隔器解封及注水过程中的管柱蠕动，可有效提高管柱的使用寿命；②可反洗井、且洗井深度可洗至管脚；③高效水力锚的锚牙对套管损伤较小。
（二）锚定方式的选择：以下从管柱蠕动情况、受力情况、寿命等几方面对上述两种锚定方式的分注工艺管柱进行了比较，比较结果见表1。
表1：两种锚定方式工艺管柱性能比较情况表
从表1比较结果表明，两种方案都可消除管柱蠕动，虽然底部锚定分注管柱比上部锚定分注管柱寿命长，但由于吐哈油田油藏改造频繁，管柱寿命达到2.5年可以满足油田分注要求，而前者单井作业费用、管柱成本比后者高出约2万元/井次，因此从节约成本出发，若想大范围推广应用锚定分注管柱，宜优先考虑应用上部锚定方式的分注工艺管柱，所以我们选择上部锚定方式的三种分注工艺管柱方案。
三、现场施工方案编制与实施
（一）施工方案编制：上部锚定方式分注工艺管柱的三种管柱设计方案对吐哈油田的现场应用都具有一定的适用性。根据单井分注地质设计和锚定方式的实际选择情况，可设计出适合本井的施工方案。
（二）现场实施及效果：该技术的研究与试验应用始于2010年，去年在温米油田共实施了2口井的上部锚定分注管柱，其中1口井以Y411-115封隔器作为锚定工具，另1口井用高效水力锚作为锚定工具。2011年在温米油田共实施了6口井，其中2口井以机械锚作为锚定工具，另4口井用高效水力锚作为锚定工具。
评价上部锚定分注管柱试验效果的方法很多：
一是准确录取、掌握每次投捞测试资料，根据封隔器的密封情况评价管柱的锚定效果。二是采用井下流量测试来判断封隔器的密封情况，进而评价管柱的锚定效果。三是采用“电子压力计分注管柱封隔器验漏验封技术”。该技术为分注管柱封隔器验封提供了一种实用而有效的手段，为油田实现“注够水、注好水”的目标提供了重要的技术保障，对提高油田分注效果具有十分重要的意义。四是采用磁定位校深，通过对常规分注管柱和上部锚定分注管柱在不同工况下管柱情况的测定，比较测试结果，从而确定锚定分注管柱的锚定效果。
从阶段效果来看，目前管柱锚定状况和封隔器的密封情况均为良好，达到了预期的应用效果。但是延长免修期的试验应用本身需要较长时间的观察，才能对该项技术的效果作最终的评价。从目前的应用情况看，可以把分注井的免修期延长至2～3年，以满足油田开发的需要。
四、结论
1、目前吐哈油田普遍采用的悬挂式深井多层偏心分注管柱，无锚定机构，工况变化会引起管柱蠕动，容易导致封隔器失效，从而缩短分注管柱的使用寿命。2、该技术所设计的工艺管柱是在目前吐哈成熟的悬挂式深井多层偏心分注工艺管柱的基础上研制的，能满足吐哈油田现场分注施工作业技术的要求。3、该技术所设计的延长分注井免修期工艺管柱能解决吐哈油田分注井的管柱蠕动问题。4、从阶段效果来看，管柱锚定效果和封隔器的密封情况均良好，可以延长分注井的免修期，满足油田开发对分注技术的要求。
【参考文献】
[1]机械设计手册，1、3、4卷，机械工业出版社，北京，1991.1
[2]工程流体力学，袁恩熙著，石油工业出版社，北京，1991.5
[3]Y341-115注水封隔器移动的计算和防止，程智远等著，钻采工艺，1999年第22卷、第2期
[4]自由移动封隔器管柱变形量计算分析，李钦道等著，钻采工艺，2002年第25卷、第1期
【关键词】分注管柱；延长免修期；分注工
从国内外分层注水技术发展趋势来看，当井深超过2000米时，国外一般都采用锚定式的分注管柱。国内限于井下工具的制约，还处于探索试验阶段；对于由于工况变化引起管柱伸缩的研究，虽有一定的理论基础，但缺少有力的试验数据，所以采取的针对措施一直不力，但总的发展方向仍然是解决管柱的“平衡、锚定、补偿”等几个问题；国内部分油田正在进行这方面的研究试验工作。
一、常规分注管柱失效分析
当前吐哈油田分注管柱普遍使用无锚定偏心分注管柱，主要由偏心配水器和Y341压缩式、可反洗井注水封隔器配套组成，在现场使用过程中，这种管柱工作寿命短，作业冲检较频繁，部分井免修期不到一年。通过对分注管柱配套工具及分注管柱工作时压力、温度对井下工具影响的分析认为，封隔器失效原因：一是当封隔器在井下高温高压条件下长时间工作时，胶筒很容易老化、从而破损脱落，造成分注管柱失效；二是停、开井及注水压力波动时，由于压力效应和温度效应的影响，造成分注管柱在井下蠕动，从而带动封隔器在套管里上下移动，使封隔器胶筒极易被磨损、撕裂，失去密封性能，造成分注管柱失效。而管柱蠕动是造成目前分注管柱工作寿命短、作业冲检频繁的主要原因。因此，研究管柱锚定技术，延长管柱寿命非常必要。
下面以常规二级二层分注管柱作为研究对象，选取目前普遍使用的2-7/8 UP TBG油管（油管弹性模量E=206GPa）进行分析研究。
（一）受力分析：以长度L=2500m的常规二级分注管柱作为研究对象，选取目前普遍使用的2-7/8（∮73mm）油管，对常规分注管柱进行受力分析。
1、完井投注至注水正常时：完井时，管柱的自重、井口悬挂力、井筒液体对管柱的上浮力处于平衡状态。
2、测试上层时（下层停注）：测试上层时，由于下层堵死停注，与正常注水时受力相比较，上顶力消失，在内应力、向下顶力和2f的作用下管柱重新失去平衡而伸长。
3、停注时：井下介质温度上升，上顶力消失，管柱重新伸长至与投注前相一致，封隔器重新回到原完井时位置。
（二）结论
1、从受力分析及计算中可以看出，当注水井工况（压力、温度）发生变化时，引起管柱受力状况发生变化，因而导致管柱发生蠕动，从而带动封隔器胶筒的蠕动，使胶筒工作条件变差，影响分注管柱寿命。2、管柱收缩或伸长，对于上提或下放解封的注水封隔器，有可能使封隔器解封。
二、延长免修期分注工艺研究
为克服分注管柱蠕动，延长管柱寿命，深入开展了锚定分注管柱技术研究。
（一）锚定分注管柱技术研究：通过对常规分注管柱受力分析以及工况变化移动计算，提出了以下两种锚定式分层注水工艺管柱。
1、底部锚定分注管柱：管柱结构：主要由Y341-115封隔器、KPX-114偏心配水器、永久式底部锚定器、KSL-94水力循环凡尔、KDL-94单流阀以及密封插管组成。
管柱优点：
①管柱依靠底部锚定器锚定，可避免工况变化引起的管柱蠕动，提高分注管柱的使用寿命；②管柱寿命长（不低于3年），承受压差高（35MPa以上）；③上部管柱冲检时不用起出底部锚定器；④完井后管柱处于张力状态，可大大减少投捞工具串的卡阻现象；⑤可反洗井；
缺点：多增加一趟起下钻作业，增加了作业费用。
2、上部锚定分注管柱
方案一
管柱结构：主要由固定式工作筒、Y411封隔器、Y341封隔器、偏心配水器以及水力循环凡尔组成。
管柱特点：
①采用Y411封隔器锚定管柱，避免了注水封隔器解封及注水过程中的管柱蠕动，可有效提高管柱的使用寿命；②可反洗井、但洗井深度不到管脚；③Y411封隔器锚牙对套管损伤较小。
方案二
管柱结构：主要由高效水力锚、Y341封隔器、偏心配水器以及水力循环凡尔组成。
管柱特点：
①采用高效水力锚锚定管柱，避免了注水封隔器解封及注水过程中的管柱蠕动，可有效提高管柱的使用寿命；②可反洗井、且洗井深度可洗至管脚；③高效水力锚的锚牙对套管损伤较小。
（二）锚定方式的选择：以下从管柱蠕动情况、受力情况、寿命等几方面对上述两种锚定方式的分注工艺管柱进行了比较，比较结果见表1。
表1：两种锚定方式工艺管柱性能比较情况表
从表1比较结果表明，两种方案都可消除管柱蠕动，虽然底部锚定分注管柱比上部锚定分注管柱寿命长，但由于吐哈油田油藏改造频繁，管柱寿命达到2.5年可以满足油田分注要求，而前者单井作业费用、管柱成本比后者高出约2万元/井次，因此从节约成本出发，若想大范围推广应用锚定分注管柱，宜优先考虑应用上部锚定方式的分注工艺管柱，所以我们选择上部锚定方式的三种分注工艺管柱方案。
三、现场施工方案编制与实施
（一）施工方案编制：上部锚定方式分注工艺管柱的三种管柱设计方案对吐哈油田的现场应用都具有一定的适用性。根据单井分注地质设计和锚定方式的实际选择情况，可设计出适合本井的施工方案。
（二）现场实施及效果：该技术的研究与试验应用始于2010年，去年在温米油田共实施了2口井的上部锚定分注管柱，其中1口井以Y411-115封隔器作为锚定工具，另1口井用高效水力锚作为锚定工具。2011年在温米油田共实施了6口井，其中2口井以机械锚作为锚定工具，另4口井用高效水力锚作为锚定工具。
评价上部锚定分注管柱试验效果的方法很多：
一是准确录取、掌握每次投捞测试资料，根据封隔器的密封情况评价管柱的锚定效果。二是采用井下流量测试来判断封隔器的密封情况，进而评价管柱的锚定效果。三是采用“电子压力计分注管柱封隔器验漏验封技术”。该技术为分注管柱封隔器验封提供了一种实用而有效的手段，为油田实现“注够水、注好水”的目标提供了重要的技术保障，对提高油田分注效果具有十分重要的意义。四是采用磁定位校深，通过对常规分注管柱和上部锚定分注管柱在不同工况下管柱情况的测定，比较测试结果，从而确定锚定分注管柱的锚定效果。
从阶段效果来看，目前管柱锚定状况和封隔器的密封情况均为良好，达到了预期的应用效果。但是延长免修期的试验应用本身需要较长时间的观察，才能对该项技术的效果作最终的评价。从目前的应用情况看，可以把分注井的免修期延长至2～3年，以满足油田开发的需要。
四、结论
1、目前吐哈油田普遍采用的悬挂式深井多层偏心分注管柱，无锚定机构，工况变化会引起管柱蠕动，容易导致封隔器失效，从而缩短分注管柱的使用寿命。2、该技术所设计的工艺管柱是在目前吐哈成熟的悬挂式深井多层偏心分注工艺管柱的基础上研制的，能满足吐哈油田现场分注施工作业技术的要求。3、该技术所设计的延长分注井免修期工艺管柱能解决吐哈油田分注井的管柱蠕动问题。4、从阶段效果来看，管柱锚定效果和封隔器的密封情况均良好，可以延长分注井的免修期，满足油田开发对分注技术的要求。
【参考文献】
[1]机械设计手册，1、3、4卷，机械工业出版社，北京，1991.1
[2]工程流体力学，袁恩熙著，石油工业出版社，北京，1991.5
[3]Y341-115注水封隔器移动的计算和防止，程智远等著，钻采工艺，1999年第22卷、第2期
[4]自由移动封隔器管柱变形量计算分析，李钦道等著，钻采工艺，2002年第25卷、第1期