连续油管在排水采气中的力学分析

郑伟

（中石化四机石油机械有限公司，湖北 荆州 434023）

1 概述

在大量含水的气田，处于开采中、后期阶段，由于井底地层压力下降、气井产出水量逐渐增加，并且部分生产管柱配置不合理，作业管柱携液性能下降，导致井下的水越来越多，如果不能及时排出这些水，会引起气井自喷能力下降，甚至无法作业，严重制约了气井的正常作业。随着连续油管在修井、钻井、完井、采油、压裂等施工作业中的广泛应用，优势也更加明显。相比常规设备作业，通过下入连续油管作为作业管柱，可以避免因为压井造成的气层伤害、油管损伤等风险，整体来说，操作简单快捷，可以较快地恢复气井生产，相比常规作业装备优势明显

2 井下作业的工艺原理分析

连续油管的排水采气作业，首先先关闭井口采气阀，然后在气井的井口安装防喷器，主要是1 个单闸板防喷器或者1个双闸板防喷器、4.06"防喷管，并根据井下工具的长度确定加重管柱的长度，最终与连续油管连接，装进4.06"防喷管内，然后将闸板防喷器、4.06" 防喷管，防喷盒等管柱装在注入头下部，通过打开井口顶部的主阀，检查密封，确认密封无误后，可以向井内下入连续油管。在下入过程中，要严格控制连续油管的下放速度，仔细观察作业管柱指重表的读数，确保指重表的读数逐渐增加，一直到连续油管下入到指定的深度为止。然后根据工艺文件，按比例配置好发泡剂，将发泡剂通过连续油管注入到井底。完成所有发泡剂注入后，根据工艺文件，将连续油管缓慢提升出井口，仔细观察指重表读数，确保读数缓慢变化，直至井下工具完全起出为止，关闭井口顶部主阀。然后按顺序，拆卸防管管柱，以及各种配套件。对拆除的工具进行检查，维护保养，检查腐蚀情况，最后恢复设备。将使用过的防喷系统送至有资质的厂家，对密封进行检测，更换损坏的密封件，维护保养后，送回井场为下次作业准备。

3 排水采气作业管柱的优选

气田的地层压力低，产量低，使得采气管柱内非常难以形成产生持续的连续液流，所以，连续油管作业管柱内天然气的流速，是直接影响气田中井口排液能力的最关键因素之一。天然气流速越大，连续油管作业管柱的排液能力越强。连续油管作业管柱中的天然气流速计算公式如下所示：

公式中：淄—天然气的流速，m·s-1；P —气井的地层压力，MPa；Z—天然气的压缩比例因子；T—气井的井底温度，K；Q—天然气的流量，m3·s-1；d—连续油管作业管柱的内部直径，mm。

由上述公式可以分析出，当气井生产出的天然气体积相同时，天然气在井口的流速与连续油管作业管柱的内径的平方成反比，所以，连续油管作业管柱的内径越小，天然气的流速会越大。连续油管作业管柱所需要配置的内径，可依据Turner 公式，进行理论分析计算得出，公式如下：

公式中：γ—天然气的比重值。

依据公式的理论分析计算，就可以初步确定连续油管作业管柱的内径值，再通过现场试验验证结果，就可以优选出最适宜的连续油管作业管柱。

4 连续油管作业管柱的力学分析

连续油管是连续油管作业机的最重要组件之一，连续油管的质量直接决定了井下作业的工艺、井下工具串的配置。

4.1 弯曲次数对连续油管寿命的影响

连续油管在作业过程中，每完成一个起出、下入井下的周期过程，连续油管都会在进入、卷出滚筒、鹅颈管的作业过程中，受到一个由弯曲-拉伸、拉伸-弯曲的过程。

入井过程：离开滚筒时，受到弯曲-拉伸的影响；进入鹅颈管时，受到拉伸-弯曲的影响；离开鹅颈管时，受到弯曲-拉伸的影响。

起出过程：进入鹅颈管时，受到拉伸-弯曲的影响；离开鹅颈管时，受到弯曲-拉伸的影响；进入滚筒时，受到拉伸-弯曲的影响。

由于连续油管每完成一个起下过程，将经历三次弯曲-拉伸和三次拉伸-弯曲，导致连续油管出现弯曲-拉伸和拉伸-弯曲疲劳现象，缩短了连续油管的使用寿命。

4.2 连续油管弯曲半径限制

连续油管在起下井的过程中，每起下一次，将分别经历三次弯曲-拉伸和三次拉伸-弯曲过程。若滚筒和鹅颈管的半径过小，将导致连续油管出现弯曲-拉伸、拉伸-弯曲的周期性疲劳破坏，严重制约了连续油管的使用周期和寿命。

连续油管作为作业管柱最小弯曲半径的计算公式：

Ry—连续油管最小弹性弯曲半径，in；r0—连续油管外半径，in；E—杨氏弹性模量，27×106psi；δy—连续油管屈服强度，psi；

4.3 内屈服压力和挤毁压力

在计算内屈服压力时，假定无外部压力。其轴向压力δa，周向应力δh和径向应力δr为：

式中：Pi—施加在连续油管上的内压力，psi；F—施加在连续油管上的拉伸力，lbf；ID-连续油管内径，in；OD—连续油管外径，in。

将上述方程代入von Mises 方程：

则，内屈服压力：

假定内压力为0，外压力为P0，则挤毁压力：

5 结论

在不同工况的气井进行排水采气作业时，各工艺文件有各自工况的特性，具有不同的适用性和经济性。在把连续油管作为作业管柱进行排水采气修井作业时，可以根据地层压力的不同、井眼轨迹的不同等特点, 对排水采气的工艺文件进行可行性分析及施工方案优选。和常规作业设备相比，通过连续油管进行带压作业，使用连续油管作为生产作业管柱，可有效地避免因为常规设备进行额外的压井作业对产气地层压力平衡造成的破坏，连续油管作业工艺简单，对气井的地层压力平衡破坏小，更容易恢复生产。通过连续油管作为带压作业管柱，进行深井排水采气，在作业工作中，可保证原生产管柱保持不变的情况下，重新进行修井作业，使用连续油管作为作业管柱不仅对气井地层的破坏降到了最低标准，还使作业的时间大幅度的缩短，最终降低了修井作业的成本和周期。