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大庆石油学院工程硕士专业学位论文 层系调整上返封堵工艺技术研究 摘要 聚合物驱油技术是大庆油田高含水后期可持续发展的重要技术措施，已成为大庆油田进一 步提高原油采收率的有效手段。随着类油层驱替结束，驱替对象已转向二、三类油层，因此 大批注采井需要进行t 返封堵。聚合物驱层系调整e 返封堵工艺是聚合物驱油配套技术之一， 就是将下部已经驱替完毕的层位进行封堵，转而对上部层位进行开采。 大庆油田自开发以来在机械堵水方面技术逐渐发展完善，到目前为止已经形成四大多岛6 种堵水管柱，基本满足了大庆常规油田堵水的需要，但从堵水管柱的特点、性能指标以及应用 情况等方面来看，只有可钻式封隔器堵水管柱可以满足聚合物驱油层系调整匕返封堵管柱承压 高、寿命长( 般为5 6 年) 的特殊要求，但在现场应用中单井工具和旋工费用较高，限制了推 广应用规模，以及受施工单位施工条件和设备的影响，个别井存在着钻铣周期长、费用高的问 题。 本课题在分析了国内外卡瓦封隔器管柱的性能及应用情况的基础e ，针对聚合物驱层系 调整封堵的特殊要求，本着从生产实际出发，为油田提供了项性能可靠、寿命长、成本低、 工艺简单的聚合物驱层系调整e 返封堵工艺技术的原则，研究了e 返封堵工艺管柱及配套工 具的结构和原理，提出了以y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞为主要封堵工具的层系调整匕返封堵工艺管 柱，并完成了封堵用井下可钻桥塞及配套工具的设计。同时开展了y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞卡瓦 受力分析以及冲击载荷对可钻桥塞动力学特征影响的研究，提出了可钻桥塞核心元件“胶筒、 卡瓦”的设计方法，并通过y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞室内实验以及匕返封堵工艺管柱现场应用情 况的分析，验证设计方法的正确性。 该课题研究了y 4 4 3 系列可钻桥塞( 封隔器) 的一般设计原理和计算方法，对于油田勘 探、开发用锚定类工艺管柱的设计具有一定的借鉴作用。 关键词：聚合物驱油匕返封堵可钻桥塞卡瓦应力分析 l o w e r l a y e r w a t e rs h u t - o f f t e c h n o l o g yf o r l a y e r s y s t e m a d j u s t m e n t a b s t r a c t p o l y m e rf l o o d i n gt e c h n o l o g yi s 锄i m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nt h e l a t eh i g hw a t e rc u tp e r i o do ft h et ) a q i n go i l ：f i e l d , w h i c hi sa i le f f e c t i v em e 2 l g u l et oi m p r o v eo i l m m v e r yf u r t h e rf o rd a q i n g o i l f i d d w 曲t h ee n do f g o o dl a y e r sf l o o d i n g , t h e f l o o d i n go b j e c t i v e sa r e s l 】i f k dt ot h i na n dp o o rl a y e r s ；t h e r e f o r e 1 0 w e rl a y e rw a t e rs h u to f f t e c h n o l o g yi sn 刊c df o ral a r g e m m a b e ro fi n j e c t i o nw e l l sa n do i ll a y e r s t h et c c l n l o l o g yi so n eo ft h ea s s o c i a t e dt e c h n o l o g i e sf o r p o l y m e rp l o o d 吨w h i c hi s 幽j n i n go 缸妇l o w e f f l o o d e dl 掣岛a n dt h e n , p r o d u c i n gt h eu p p e ro i l h y m m e c h a n i c a lw a t e rs h u t - o f f t e c h n o l o g i e sh a v e b e e ng m d u a u yi m p r o v e ds i n c et h ed e v e l o p m e n to f 此d a q i u g o i l f i e l d t f l ln o w , f o u rc a t a g e r i e sw i t h3 6t y p e so f w a t e rs h u t - o f f s t r i n g sh a v eb e e nf o r m e d , w h i c hm e e t st h el - e q u i r e j m e n t so f c o m , c n t i o n a lw a t e rs h u t - o f f i nt h ed a q i n go i l f i e l d h o w e v e r , o r g y t h ew s i i e rs h u t - o f f 咄w i t hd r i l l a b l ep a c k e r sc a nm e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fh i gw o r k i n g p r e s s u r ea n dl o n g ? l v i c el i f e ( 5 - - 6y e a r si ng e n e s ) f r o mt h ep e r s p e 甜v eo f m e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e w a t e rs h u t - o f f s t r i n g s , p e r f o r m a n c ei n d i c e sa n da p p l i c a t i o n t o o lc o s ta n d 叩嘎撕o nc o s tp e rw e f ta r e s t i l lh i g hi n 妇f i e l da p p l i c a t i o n , w h i c hl i m i tt h ea p p l i c a t i o ns c a l e m e a n w h i l e , l n i 吨p e r i o df o r s o n l cw e l li sl o n ga n di t l i l l 崦c o s ti sh i g hd u et ot h ee f f e c to f c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o na n de q u i p m e n t b a s e do na m l y z i l l gt h ep e r f o m m c e , p r o d l l g l i o na n da p p l i c a t i o no f s l i pp a c k e ri na n do u to f c h i n a l o w e rl a y e rw a r es h u t o f fs a i u g sw i t hr e l i a b l ep e d 砬m 撇，l o n g 辨池l i f e ，l o wc o s ta n d s i m p l et e c h n i c a lp r o c e s sh a v eb e e nd e s i g n e df o rs p e d a lr e q u i r e m e n t so f w a t e rm n 电厅i i lp o l y m e r f l o o d i n g w e l l s b o t ht h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h e 矧n ga n da s s o c i a t e dt o o l sa r e s t u d i e d y 4 4 3 1 0 8d r i l l a b l eb r i d g ep i u 吕w h i c hi st h em a i nw a t e rs h u t o f ft o o l ，i sp u tf o r w a r d , i n a d d i t i o n , d o w nh o l ed r i l l a b l eb r i d g ep l u ga n da s s o c i a t e dt o o l sh a v eb e e nd e s i g n e d m e a n w h i l e , t h e f o r c ea n a l y s i s o f y 4 4 3 1 0 8d f i l l a b l e p a c k e r a n d t h e e f f e c ts t u d y o f i n d a c t l o a d t o k i n e t i cc h a r a c t e r s h a v eb e e nd o n e t h ed e s i g nm e t h o do f p a c 她d e m e n ta n ds l i p sw h i c ha r et h ek e yu n i t sf o rt h e d r i l i a b l eb r i d g ep l u gh a sb e e nd o n e b yc o r r 删- i n gt h es 嘛sa n a l y s i so fl a b ( 玳l l o i ye x p e r i m e n t s , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l da p p l i c a l i o no f l l l el o w c rw a t e r 幽m 枷疏g s ，t h ev a s t y0 f 位d e s i g n t h e o r yi sc o n f o r m e d f u r t h e r t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dc a l c u l a t i o np f o c 。d i f o ras e r i e so fy 4 4 3d r i l l a b l eb r i d g ep l u g s ( p a c k e r s ) a r es u m e du pi nt h i sl l l c 斌w h i c hi sl l c 】p 知f o rs t r i n gd e s i g no no 曲e l dd e v e l o p m e n t , p r o & _ 1 c t i o na n da n c h o r a g e k e y w o r d s ：p o l y m e r f l o o d i n g ；l o w e r l a y e r w a t e r s h u t - o t t d r i l l a b l e b r i d g e p l u g ；s l i p s ；s t r e s s a n a l y s i s 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内客外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：洫至!日期：亟红：z 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学晓有关保留、使用学位论文的规定学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学 位论文的内客缠入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：翱筋司 导师签名：7 - r 丢袈 学位论文作者签名： 惭王j 导师签名：多r 日期：扣矗歹占日期：匆口7 石、譬 大庆石油学院工程碗士专业学位论文 第一章绪论 1 1 封隔器的作用及国内、外封隔器的发展历程 封隔器是指具有弹性密封元件，并以此封隔油套管环空，隔绝产层，以控制产( 注) 液的油田用井下工具，在油气田勘探、开发中，封隔器是实施分层采油、注水，分层压 裂、酸化以及机械堵水等工艺措施的主要井下工具之一，可为油水井的正常生产和各 种井下工艺措施的顺利进行提供有效的机械手段，因此，封隔器被认为是实现油气田合 理开采的战略性工具。 在油气田勘探、开发过程中，封隔器主要用来达到下列目的： 1 隔绝井液和压力，以保护套管免受影响，从而改善套管工作条件； 2 封隔产层或施工目的层，防止层间流体和压力互相干扰，以适应各种分层开采技 术措施的需要，或便于进行堵漏、封窜等修井作业； 3 保存并充分利用地层能量( 包括溶解气能量) ，以提高油井生产效率，延长开采寿 命； 4 利于各种机械采油方式的实施( 如：为气举和水力活塞泵采油提供必要的生产通 道，或将套管封隔为吸入和排出两部分，以便于无管泵进行抽油) ： 5 用在气井中( 尾管下至射孔段以下) 可以缓和气井液面过早上升。 根据不同施工措施要求，封隔器即可用于自喷井，也可用于抽油井；即可用于水井， 也可用于油井。因此，封隔器设计水平的高低，从一个侧面反映了油田勘探开发水平的 高低。 石油工业的兴起和发展，伴随着封隔器的问世和演变。据记载，世界上最早使用的 封隔器，是美国的“种子袋”封隔器，由早期的油田经营者j 拉夫纳( r u f f n e r s ) 兄弟 等人开始应用。1 8 6 5 年，世界上第一次采用三寸半的套管，其底端所接的就是这种封 隔器。早期的封隔器结构简单，用途单一，性能较差。1 8 6 8 年，美国布赖森( b r y s o n ) 发明了裸眼封隔器。1 8 8 0 年，美国斯图尔特发明了一种单胶筒封隔器，其胶筒是在锥体 的楔入作用下膨胀的。随后，美国封隔器的研究工作又加快了步伐。前苏联于上世纪3 0 年代开始从事封隔器的研究工作，1 9 3 2 年，阿塞拜疆油田首先开始采用正反扣螺栓式封 隔器。1 9 3 6 年，阿塞拜疆矿机研究所研制成功了结构较完善的尾管式封隔器，其下入深 度为3 0 0 6 5 0 m ，但其最大有效工作压差仅为2 5 m p a 。近2 0 年来，随着钻井、完井作 业不断向高压、高温和复杂的深部地层发展，对封隔器提出了更高、更新的要求，从而 促使封隔器的研制工作趋向专业化，研制的产品日益丰富。据统计，早在上世纪6 0 年 代，见诸于国外有关产品目录上的封隔器品种已达3 0 0 多种。8 0 年代后则大大超过此数 目。因此，优化管柱结构，提高封隔器的工作性能对油田开采有着十分重大的意义。国 内、外学者非常重视封隔器的研究开发工作，针对各大油田的实际情况，在对封隔器失 效原因进行分析的基础上，不断地对其结构进行改进，研制开发了多种新型封隔器睁”1 ， 第一章绪论 并在油田开发过程中发挥了巨大的作用。同时，国内、外学者在封隔器性能参数及其计 算、封隔器工作过程中存在的问题及解决方法、密封元件的井下工作分析和试验研究、 封隔器系统受力分析与计算机仿真等方面开展了大量研究工作，取得了一些重要的研究 成果，为进一步提高采油工艺技术水平、节约油田生产成本，提高油田开采经济效益做 出了巨大的贡献。 目前美国参与封隔器研制、销售的厂商不少于2 0 家，还出现了专门从事封隔器研 制的见克、威特伏等公司。目前美国封隔器一般可耐温1 0 0 2 2 0 ，耐压7 0 1 7 0 m p a ， 而前苏联封隔器最深下到4 0 0 0 m ，耐压5 0 m p a ，耐温2 0 2 5 0 。为了科学合理地开发 多油层非均质油田，避免层间干扰和确保各层有效生产，3 0 年代末，美国和前苏联相继 开始了分层开采工艺的研究和其它分层工艺( 如分层注水、分层测试、分层采油等) 的试 验，从而促进了适应分层开采工艺技术的各种封隔器的发展。1 9 4 2 年，第一次双层完井 就使用了美国贝克( b a k e r ) 工具公司制造的封隔器。1 9 5 1 年，用于多管完井作业的双管 封隔器也相继问世。 我国于1 9 5 6 年开始封隔器的研制工作。最早的封隔器是不带卡瓦的支柱式封隔器， 主要用于新中国成立后发现的第一个大油田一克拉玛依油田的井下作业。随着大庆等油 田的陆续发现以及我国分层开采、分层注水工作的进一步深化，以封隔器为主要工具组 成的分采管柱成为我国分层开采工艺的主要技术手段。它适用于油田开发初期油井套管 尚好、不出砂，并需要定期洗井和不动管柱就能完成的多种作业，如洗井、分层注水、 分层改造、分层测试的浅井和中深井。它具有适用面广、结构简单等优点，但也存在投 捞作业频繁，且规格繁多，不便管理等不足。我国到8 0 年代末，各油田研制的封隔器 已达9 0 多种，耐温5 0 1 5 0 ，耐压i o 5 0 m p a ，下入深度最深达4 7 1 3 m ，送入方式有 管柱送入，电缆送入；坐封方式有液压、机械等。 封隔器的型号由8 部分组成，如下所示： 工作温度工作压差 钢体外经x 内经 使周功能代号 结构特征代号 解封方式代号 坐封方式代号 固定方式代号 分类代号 尽管国、内外研制的封隔器种类繁多，但基本结构相差无几。封隔器主要包括密封、 锚定、坐封、解封四大部分。当然，由于使用目的和工艺要求的不同，封隔器的各个部 分并不一定样样俱全。封隔器的工作原理是通过水力或机械作用，使胶筒在油、套管环 形空间内膨胀，把上、下油层分开，达到分采、分注的目的。卡瓦封隔器的卡瓦起到悬 挂、锚定管柱的作用。 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 为了规范封隔器设计研制工作，国家制定了相应的国家标准、企业标准。根据“中 华人民共和国石油天然气行业标准”s y 厂r 6 3 2 7 2 0 0 5 石油钻采机械产品型号编制方法 规定，对封隔器采取如上表示方法【2 0 】1 2 l l 。 1 分类代号 分类名称用第一个汉字的汉语拼音字母表示，组合式用各式的分类代号组合表示， 应符合表1 1 的规定。 表1 - 1分类代号 t a b1 - 1c l a s s i f y i n gc o d e 2 固定方式代号 固定方式代号用阿拉伯数字表示。固定方式代号应符合表1 2 的规定。 表1 - 2 固定方式代号 t a b1 5f i x i n gc o d e 3 坐封方式代号 坐封方式代号用用阿拉伯数字表示。坐封方式代号应符合表1 3 的规定。 表1 3 坐封方式代号 t a b1 - 3s e t t i n gc o d e 4 解封方式代号 解封方式代号用阿拉伯数字表示。解封方式代号应符合表l - 4 的规定。 袁1 - 4 解封方式代号 t a b1 4r e l e i n g c o d e 5 结构特征代号 结构特征代号用封隔器结构特征两个关键汉字汉语拼音的第一个大写字母表 示。如封隔器无下列结构特征，可省略结构特征代号。结构特征代号应符合表1 5 的规 定。 第一章绪论 6 使用功能代号 使用功能代号用封隔器主要用途两个关键汉字汉语拼音的第一个大写字母表 示。使用功能代号应符合表1 石的规定。 表1 - 6 使用功能代号 t 曲1 - 6f u n c t i o n so f h s cc o d e 7 钢体最大外径 钢体最大外径用阿拉伯数字表示，单位为毫米c r a m ) 。 8 工作温度 工作温度用阿拉伯数字表示，单位为摄氏度( ) 。 9 工作压差 工作压差用阿拉伯数字表示，单位为兆帕( h 仰a ) 。 1 2 国内外卡瓦封隔器设计的研究概况 上世纪3 0 年代末，在封隔器的设计上首次使用胶筒以保证其密封性，随后石油工 程师们又尝试在胶筒端部增加卡瓦以保证封隔器的锚定性能。最初的学者是将带卡瓦的 封隔器与油管一起作为一个系统来研究的。5 0 年代，a 鲁宾斯基( l u b i n s k i ) 等人第一 次对油管弯曲进行了全面分析。后来，h b 伍兹对鲁宾斯基的论文对此做了详细讨 论。1 9 7 7 1 9 8 0 年，d j 哈默林德尔先后发表了2 篇论文，按照允许封隔器管柱移动、 不允许封隔器管拄移动及允许封隔器管柱有限移动等3 种情况，分别计算了封隔器管柱 在生产井中由于受活塞效应、螺旋弯曲效应、膨胀效应及温度效应等四种效应所引起的 管柱伸长( 或缩短) 1 2 2 1 2 a 。进一步将鲁宾斯基伍兹的螺旋弯曲模型应用于复合管柱和 多封隔器管柱，从而奠定了封隔器管柱受力分析的理论基础。与此同时，为了正确而迅 速的选出封隔器类型、管柱结构和施工参数，开始利用计算机进行计算和分析。此后， 清华大学的刘风梧研究了封隔器对油管螺旋弯曲的影响分析 2 4 1 。文中主要对力螺距弯 曲相关式的一种导出方法进行了推算，同时，考虑了固定端的影响，增加了有关螺旋弯 曲的封隔器效应。李钦道2 0 0 1 2 0 0 2 年连续发表了多篇文章对油管柱受力状况及弯曲 进行了全面分析1 2 。2 7 1 ，其理论基础仍然是a 鲁宾斯基模型，文中针对不同井况分别进 行了分析计算，分别给出各种井况条件下的理论计算公式。 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 1 9 7 8 年，在美国的油田设备杂志中，详细介绍了一种带有整体式卡瓦的永久型封隔 器。该种封隔器坐封后能承受压力6 8 9 m p a ，耐温2 1 8 ，当需要取出这种封隔器时， 只需用转速为7 5 1 2 0 r p m 、钻压为2 2 k n 3 1 k n 的3 牙钻头就可将其钻掉。虽然这种 整体式卡瓦起步较晚，但由于它的可钻性能往往优于某些分瓣式卡瓦，因而其使用数量 已超过了分瓣式卡瓦。 ， 1 9 8 5 年，西安石油学院窦益华等对井下工具进行了应力分析【2 町。文中把封隔器的 分瓣式卡瓦视为弹性力学中的楔形体，对其进行静力学分析，在轴向力( 坐封力) w z 作 用下，卡瓦牙面上受压紧力幺及摩擦力的作用，卡瓦斜面上受压紧力墨及摩擦力e 的作用。利用极坐标下的相容方程和平衡方程，采用应力函数法，首先求出在幺、 见、e 单独作用下，卡瓦楔形体内的应力分布；再根据叠加原理，将上述4 个外力单 独作用下的应力值相加，即可得到卡瓦的应力分布。通过对当量应力公式进行分析和计 算，在卡瓦牙根部，当量应力取得最大值，要想降低卡瓦的应力，可采取下列措施：( 1 ) 增加卡瓦瓣数；( 2 ) 增加卡瓦宽度：( 3 ) 增加卡瓦牙面长度；( 4 ) 增大卡瓦的加工倒角 半径；( 5 ) 增大卡瓦与套管壁的摩擦角。文中提出的分析思路，统一了相同形状、不同 尺寸井下工具应力分析过程，提高了井下工具应力分析软件的通用性。根据文中思路及 公式开发的软件已在中原油田、宝鸡石油机械厂等单位推广应用，取得了良好的效果。 】9 8 9 年，中原油田赵远刚利用材料力学超静定原理俐，解出z y 2 5 1 型封隔器卡瓦 在井下锚定后，套管段圆环内任意点的轴向应力，并确定了卡瓦锚设计参数优选计 ” 算方法。其主要结论为：一般5 。套管的卡瓦瓣数胛值设计为3 4 瓣较合适：5 6 二o 套管的卡瓦瓣数n 设计为4 - - 6 瓣较合适；大于7 。套管的卡瓦瓣数玎设计为缸8 瓣较合适。 1 9 9 0 年，华北油田肖照平利用静力学原理，进行了锥体与卡瓦的受力分析、锥角大 小的确定、封隔器脱卡力的计算等工作1 3 0 。经过8 0 多项试验，取得2 0 0 多个数据，最 终确定卡瓦与锥体配合锥度为l ：3 ( 即半锥角口= 9 2 8 ) ，卡瓦和锥体的脱卡力与坐封力 ( p 压) 之比值k 约为0 2 1 o 2 8 ( 平均为o 2 5 ) ，即脱卡力为坐封力的1 4 。 1 9 9 4 年，辽河石油勘探局刘占广对卡瓦式封隔器及套管进行了受力分析【3 1 】。文中 应用静力等效方法，对卡瓦式封隔器坐封后，套管的双向应力( 环向弯曲应力和轴向弯 曲应力) 进行了计算，分析了套管内外压差对套管强度的影响。卡瓦式封隔器通过卡瓦 坐封在套管上，卡瓦按均匀间隔的分布作用在套管壁上，其力学模型应属圆柱壳承受分 散集中力作用，且同时考虑圆柱壳受集中力作用时的双向弯曲作用。由于严格地按壳体 理论分析是相当困难的，按有限元计算也相当麻烦，计算量很大，用于封隔器设计很不 方便。因此，文中建立了一个能够同时考虑双向弯曲作用的工程算法，对封隔器的设计 及应用有重要的现实意义。文中首先对卡瓦式封隔器坐封后套管内的应力进行了分析， 然后考虑液体、水泥环或地层压力对套管壁上应力的影响，对套管的双向应力进行了计 算。其结论为：( 1 ) 轴向弯曲应力为压应力；( 2 ) 套管内壁两卡瓦片中间为危险点；( 3 ) 第一章绪论 套管受力破坏的最恶劣条件是坐封段套管外无水泥环或水泥环窜槽；( 4 ) 坐封段套管外 无水泥环，套管的强度主要由环向弯曲应力决定，否则由双向弯曲应力决定；( 5 ) 一般 情况下套管内外液体压力对套管强度影响甚小，而在注气时，气体的压力必须考虑。 1 9 9 8 年，天津大学的邵立国等对卡瓦与套管咬合力进行了实验与计算混合研究【3 2 1 。 文中利用模拟装置实现了卡瓦与套管在地面上的实验，使用电测的方法测量胀卡时套管 外表面的应变。由实验数据获得计算网格节点处的应变，并通过数值法计算，得到卡瓦 各齿对套管咬合力的分布，为卡瓦的优化设计提供了可靠数据。通过实验和计算证明： 锚定装黄加工精度( 与椭圆度有关的精度) 和套管椭圆度因素对咬合力的分布影响较大， 即使同套管和锚定装置相对位置不同时，得到卡瓦咬合力分布也不尽相同( 套管各截 面的椭圆度不同) ，因此对石油套管的椭圆度提出了更高要求。若适当减小卡瓦的工作 面积，在相同加工精度的条件下，不但有利于减轻锚定装置的重量，又能改善卡瓦对套 管咬合力分布的均匀性。若热处理后进行精加工，不但可以保证加工精度，又可以保证 卡瓦咬合齿具有足够的硬度。 1 9 9 8 年，石油大学的邓民敏对封隔器用整体式卡瓦设计原理与设计方法进行了研究 【3 3 】。该文在总结以往可取封隔器所用分瓣式卡瓦理论研究的基础上，采取实验应力分析 和理论计算相结合，对整体式卡瓦进行了微观破裂机理的研究，对其从破裂前到破裂后 各个阶段的力学特征进行了较为详细的描述。同时，对由于封隔器管柱提放速度发生变 化而对底部封隔器卡瓦产生的冲击力进行了实际研究，而且对卡瓦锚定后对套管性能的 影响也进行了实验应力分析与计算。该论文通过大量实验应力分析和计算总结出的封隔 器用整体式卡瓦一般设计原理与设计方法，对油田勘探用尾管悬挂器及采油用各种工具 设计均有借鉴意义。 2 0 0 1 年，吐哈油田的刘天良等进行了封隔器卡瓦损伤套管的模拟试验研究唧】。在 模拟试验装置中，通过在套管壁周围分布位移传感器，测得卡瓦锚定后切入套管深度， 从而判断卡瓦对套管的损伤程度。封隔器卡瓦模拟加载试验装置被置于试验机上，液缸 进油带动加载横梁向下移动，中心管旎加负荷作用在受压元件上。卡瓦在轴向力作用下 便开始产生径向伸张，直至切入套管壁，切入的深度通过套管壁周围分布的位移传感器 直接读出，作用在卡瓦上的轴向力通过负荷传感器读出，两组数据得到轴向力与切入深 度之间的关系，再通过计算机实时采集和处理，绘出曲线，当液压缸旃加载荷到预定的 值后，开始卸压，上提横梁带动加载元件上移，直至加载装置完全恢复原样。通过模拟 试验研究，首先在保证封隔器良好的工作住能前提下，可以优化出封隔器多种相关的参 数，如卡瓦材质、卡瓦牙齿数量、几何形状及尺寸、相互间距、卡瓦硬度、加载方式等， 使套管的受力更加合理：其次，根据卡瓦所受轴向力与切入深度之间的关系，确定出机 械或液力坐封下，封隔器能承受的最大坐封力，在实际油井工况下既能起到良好的密封 效果又能保护好套管。因此试验结果为封隔器设计和现场使用提供了重要的理论依据， 具有十分重要的意义。 2 0 0 5 年，西南石油学院伍开松进行了封隔器卡瓦的三维接触有限元分析”1 ，文中利 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 用a n s y s 系统接触有限元方法和点组接触技术，分析了卡瓦弹性和弹塑性m i s e s 应力 分布规律，结果表明，卡瓦的牙齿齿顶的m i s e s 应力沿轴向从上到下依次减少，第5 齿 承受载荷很小，第6 齿和第7 齿几乎没有承受载荷。沿卡瓦的周向从轴对称面依次向两 侧面增加。 综上所述，目前国内、外对卡瓦式封隔器的研究现状如下： 1 上世纪5 0 - - 7 0 年代，主要对包括卡瓦式封隔器在内的油管柱进行了深入、细致 的研究，提出了著名的鲁宾斯基螺旋弯曲理论，对现场施工起到了科学的指导作用。 2 对于采用整体式卡瓦的可钻式封隔器( 或桥塞) ，由于整体式卡瓦在坐封过程中， 涉及到破裂机理的研究，因此对其研究起步较晚，开始主要以抽样试验研究为主。直到 上世纪9 0 年代末，才对整体式卡瓦进行了微观破裂机理的研究，对其从破裂前到破裂 后各个阶段的力学特征进行了较为详细的描述，且通过大量实验应力分析和计算，总结 出了封隔器用整体式卡瓦一般设计原理与设计方法。 3 从上世纪7 0 年代末，开始研究卡瓦的锚定机理，主要集中在可取式封隔器的分 瓣卡瓦上。对分瓣式卡瓦的研究，经历了以下几个过程：第一，在对分瓣式卡瓦进行受 力分析研究时，把卡瓦受力前与锥体的配合作为弹性力学中的楔形体来研究，而把卡瓦 撵开后贴紧套管内壁作为圆柱壳承受分散应力集中来考虑，推导理论公式对其进行计 算。由于卡瓦的几何特点，在坐封力的作用下，锚爪尖部极有可能发生塑变，因此把卡 瓦简化为弹性体，会对结果产生一定的误差。另外，由于对模型进行了一些简化，对计 算结果也会产生相当大的误差。第二，通过对封隔器卡瓦损伤套管的进行模拟试验研究， 可以优化出封隔器多种相关的参数，确定出机械或液力坐封下，封隔器能承受的最大坐 封力。第三，对卡瓦与套管咬合力进行实验与计算混合研究。通过实验得到卡瓦工作过 程中边界受力情况、锚爪变形分布及各种结构参数规律，以此为依据建立边界条件，进 行有限元计算，求解出卡瓦与套管的应力、应变等参数的分布规律。在上述的有限元计 算过程中，只涉及到弹性变形，没有涉及弹塑性变形的内容，这与实际状况不符。另外， 没有总结出锚爪几何参数变化时应力、正压力、当量摩擦系数等变化的规律。 4 从目前检索到的国、内外资料和本人在采油工程技术领域多年的研究经历来看， 对于卡瓦设计原理与设计方法的研究，美、英、加等国公司侧重于实验研究，而前苏联 侧重于理论研究。 1 3 本课题的目的和意义 大庆油田是世界上应用聚合物驱油规模最大的油田，截至到2 0 0 6 年年底，已投入 1 8 个聚合物驱油区块，总面积1 9 8 2 2 k i n 2 ，地质储量3 6 x1 0 8 t ，总井数3 3 3 0 口，其中 采出井1 9 2 7 口，注入井1 4 0 3 口( 1 9 9 6 年投注区块中有2 6 2 口井已经转入口续水驱) 。 实践表明，聚合物驱油技术是大庆油田高含水后期可持续发展的重要技术措施，已成为 大庆油田进一步提高采收率的有效手段。随着一类油层驱替结束，驱替对象己转向二、 三类油层，因此大批注采井需要进行上返封堵。 聚合物驱上返封堵工艺是聚合物驱油配套技术之一，就是将下部已经驱替完毕的层 第一章绪论 位进行封堵，转而对上部层位进行开采。该技术不同于常规的封堵工艺，它要求封堵管 柱承压高、寿命长( 一般为5 6 年) 。 大庆油田自开发以来技术不断进步，在机械堵水方面技术逐渐发展完善，到目前为 止已经形成四大类3 6 种堵水管柱“3 0 ( 1 ) 整体式堵水管柱( 图卜1 ) ；( 2 ) 平衡式堵水 管柱( 图卜2 ) ；( 3 ) 卡瓦悬挂式堵水管柱( 图卜3 ) ；( 4 ) 可钻式堵水管柱( 图卜4 ) 。同时 在平衡堵水管柱的基础上，将堵水和找水技术根结合，发展了机械可调层堵水技术和液 压可调层堵水技术，基本满足了大庆油田堵水的需要，但是从堵水封隔器及堵水管柱的 特点及性能指标来看，只有可钻式封隔器堵水管柱可以满足聚合物驱油层系调整上返封 堵管柱承压高、寿命长( 一般为5 6 年) 的特殊要求。从现场应用情况看可钻式封隔器 封堵管柱工艺成熟、封堵效果好、寿命长，基本满足了较小范围试验区上返封堵的工艺 要求，见到了良好的应用效果。但是，应用中还存在以下问题：一是单井工具和施工费 用高，限制了推广应用规模；二是受施工单位施工条件和设备的影响，个别井钻铣周期 长，费用高，无法满足聚合物驱大面积上返封堵的需要。 该项课题针对聚合物驱油层系调整上返封堵的特殊要求，进行封堵用井下可钻桥塞及配 套工具的设计，同时开展y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞卡瓦受力分析以及冲击载荷对可钻桥塞动 力学特征影响的研究，提出可钻桥塞核心元件“胶筒、卡瓦”的设计方法，并通过y 4 4 3 1 0 9 可钻桥塞室内实验以及上返封堵工艺管柱现场应用情况的分析，验证设计方法的正确 性，进而探索出行之有效的聚合物驱油层系调整上返封堵技术。同时，该课题的研究可 以总结出y 4 4 3 系列桥塞( 封隔器) 的一般设计原理和计算方法，对于油田勘探、开发 用锚定类工艺管柱的设计具有一定的借鉴作用 8 昌 圉 抽油囊 4 一 i ：i 符臂 生产层il li j t y l h 1 1 4 封席 i 簟术层 i ill 卯封氍墨) ，一 生产层 凰 支掉净瓦 ， 丝培 i ? 与i 图1 - 1卡瓦支撑整体堵水管柱示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd r a w i n go f o v e r a l l w a t e i - s h u t - o f f s t r i n gw i t hs l i p ss u p p o r t 亡昔 抽抽j 臣 窝 丢手接头 y 3 4 l 一11 4 壹f 隅量 生产m - 爿l 木层 i m , e t m 产量 生产j 量l弓 璋座 i 、一 筛管 ：。：丝堵 图1 - 2 平衡式堵水管柱示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd r a w i n go f e q u i l i b r i u mw a t e rs h u t - o f f s t r i n g 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 国 抽撼象 蓉 丢手接头 生产层 十叫 y 4 4 量1 “ 龟1 拿 封置嚣 簟永层 fi y m l j 4 ii 封薅器 l 伯心配产暑 生产层w 丝堵 l ； i 围i - 3 卡瓦悬挂式堵水管柱示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd r a w i n go f s l i p s - h a n g i n gw a t e rs h u t o 仃s 砷唱 ji抽油泵 r 叫，1 p 、c 叫缔管 凶 、l 埔矾口 | 1 y 4 4 3 ，i1 4 驾皤 封隔嚣 插入f 桂 培东层 剜避 插入密封& j 生产层_ * 矾口 v、j 图卜4 可钻式封隔器堵水管柱示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd r a w i n go f d r i l l a b l e p a c k e rw a t e r s h u t - o f f s t r i n g 1 4 本课题的研究内容 本课题从生产实际出发，针对聚合物驱层系调整封堵的特殊要求，进行工艺管柱及 配套工具的设计，并采用试验应力分析和理论分析相结合的方法。将理论和实践有机结 合起来，为y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞的设计提供理论基础。 本课题的主要研究工作包括以下几个方面： 1 研究聚合物驱层系调整上返封堵工艺技术，开发出新型的上返封堵工艺管柱； 2 研究上返封堵工艺管柱及配套工具的结构和工作原理； 3 完成y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞及配套工具的设计； 4 研究y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞卡瓦受力分析及计算方法； 5 ，研究冲击载荷对可钻桥塞动力学特征的影响； 6 y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞实验研究。 9 第二章上返封堵工艺管柱及配套工具的结构和原理分析 第二章上返封堵工艺管柱及配套工具的结构和原理分析 聚合物驱上返封堵工艺是聚合物驱油配套技术之一，就是将下部已经驱替完毕的层 位进行封堵，转而对上部层位进行开采。可钻式封隔器堵水管柱性能可以满足聚合物驱 油层系调整上返封堵的特殊要求，但在现场应用过程中存在单井工具和施工费用高以及 受旌工单位旋工条件和设备的影响，个别井钻铣周期长，费用高，无法满足聚合物驱大 面积应用上返封堵的实际情况，设计了以y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞为主要封堵工具的上返封 堵工艺管柱。 2 1 上返封堵工艺管柱的结构及原理 2 1 1 上返封堵工艺管柱结构 该管柱主要由y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞、桥塞坐封专用 的加力器、坐封器等配套工具以及用于环境保护的泄 压器等组成，如图2 1 所示。 2 1 2 上返封堵工艺管柱工艺原理 采用管柱投送的方式将带有y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞、 加力器、坐封器以及泄压器的可钻桥塞投送管柱下到 井内预定深度，经磁性定位校深无误后，油管内依次 加液压8m p a 】2m p a 1 5 m p a ，释放可钻桥塞，然后 井口水泥车放压归零。此时下放管柱井口拉力表归零， 上提管柱负荷超过原悬重4 0 - 5 0 k n ，证明y 4 4 3 1 0 8 可 钻桥塞已经充分坐封，然后正转油管柱1 0 - 1 5 圈， 将y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞丢手，上提起出投送管柱， 完成上返封堵施工。 描油泵 f t , m d 筛管 ；l 倒导锥 u 生产层 可糯 审召 奉尽 封堵层 图2 1 上返完井管柱示意图 f i g2 - 1s c h e m a t i cd r a w i n go f c o m p l e t i o n s t r i n gf o rl o w e rl a y e r * , v a l e t s h u t o f f 2 2 上返封堵工艺管柱配套工具结构及工作原理 上返封堵工艺管柱的配套工具主要包括 y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞，用于y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞坐封 的加力器、坐封器以及专用钻铣解封的t x 一1 0 8 套 铣工具等组成。 2 2 1y “3 1 可钻桥塞的结构及工作原理 1 结构 y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞是一种管柱投送、液压坐 1 一t - g - 瓦，2 一下锥体，3 一保护伞4 一整体 封、双向卡瓦锚定、正转油管丢手、材质可钻的 环，5 一密封元件，6 一上锥体，7 一上卡瓦， 永久式丢手桥塞。主要由密封机构、锚定机构和 8 一锿紧气2 2 可钻桥塞示意图 锁紧机构组成，主要包括坐封套，中心管，上、f i g ：2 - 2s c h e m a t i cd r a w i n go fd r i l l a b l e b r i d g ep l u g 。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 下卡瓦，锁紧环，上、下锥体，整体环、保护伞和密封元件等，如图2 - 2 所示。 2 原理 坐封：从油管内加液压，在液压的作用下，坐封器推动可钻桥塞的坐封套带动锁紧 环下行，推动上卡瓦和上锥体下行压缩胶筒，使胶筒密封油、套环形空间，同时整体环、 保护伞张开，防止胶筒外翻。压力继续升高，上锥体楔入上卡瓦并将其撑破扩张，卡紧 于套管内壁，与此同时，在加力器的作用下使中心管上提，将下卡瓦撑开并卡紧于套管 内壁。此时，锁紧环将中心管锁紧定位，使胶筒始终处于压紧状态，达到封隔油层的目 的。 丢手：上提油管柱至原悬重，正转油管1 0 1 5 圈丢手。 解封：钻铣解封。 3 特点 ( 1 ) y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞最大外径巾1 0 8 m m ，总长4 8 5 m m ，体积小、重量轻、加工 工艺简单、成本低： ( 2 ) 对于内通径大于巾l l o m m 的巾1 3 9 7 m m 套变井，不需进行套管整形既可直接 进行上返封堵施工，可减少作业施工费用； ( 3 ) 整套工具全部采用易磨铣材质，钻铣方便，同时钻铣解封时采用套铣方式， 加之桥塞长度短，体积小，钻铣工作量少，钻铣解堵周期短： ( 4 ) 采用细齿扣锁紧机构，坐封后回退量小于l m m ，加之采用整体环、保护伞的 肩部保护方式，桥塞承压高，寿命长，封堵效果好； 4 技术指标 ( 1 ) 最大外径巾l o g m m ，总长度4 8 5 m m ： ( 2 ) 承压差2 5 m p a ，耐温1 2 0 ； ( 3 ) 使用寿命6 y 以上。 5 胶筒的设计原理与设计方法 y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞要密封巾1 2 4 m m 1 2 7 m 内径的套管，其胶筒膨胀比常规封隔器 胶筒大，增加了胶筒设计的难度。影响胶筒密封性能的因素较多，包括胶料的配方、硫 化工艺及胶筒的几何结构等，改变胶料配方及硫化工艺只能在一定程度上提高胶筒的性 能，因此，胶筒的几何结构设计至关重要。 y 4 4 3 1 0 8 可钻桥塞胶筒设计为三胶筒结构( 如图2 3 所示) ，并严格规定了三个胶 筒之间的硬度级差范围( i o a ) ，使胶筒在坐封过程中，中胶筒