一種注采一體化管柱及其設計方法
【技術領域】
[0001]一種注采一體化管柱及其設計方法，屬于油井注蒸汽熱采采油管柱技術領域。
【背景技術】
[0002]中國稠油資源較為豐富，陸上稠油資源約占石油總資源的20%以上，稠油的有效開采對保證油田穩產、增產具有重要意義。由于這類原油的粘度很高，采用注蒸汽熱采新技術，陸續開發了一批稠油油田，打開了新局面。稠油熱采方法主要包括:蒸汽吞吐、蒸汽驅、火燒油層、熱水驅等。其中蒸汽吞吐應用的最為廣泛，產油量占到總稠油產量的78%左右，并且呈繼續增加的趨勢。熱采過程中，為了提高熱采效果，一般采用臨界、超臨界壓力蒸汽，注汽壓力和溫度分別達到22MPa和374°C以上，溫度的升高降低了管柱系統的強度，使管柱、抽稠泵、熱敏封隔器等結構產生很大的熱應力，與此同時，對于油管-封隔器系統，由于注汽過程中隔熱管柱的熱膨脹和自重伸長，使熱敏封隔器在注汽過程中常出現移動、斷脫、失效，甚至導致管柱變形，失效破壞，將停工停產，造成巨大經濟損失，甚至發生人員傷亡等惡性事故。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種能夠減小管柱彎曲變形的新型注采一體化管柱以及配套的優化設計方法。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:該注采一體化管柱，其特征在于:包括上端隔熱油管、末端隔熱油管和伸縮管，所述的伸縮管連接在上端隔熱油管和末端隔熱油管之間；末端隔熱油管內自上而下依次設有抽油桿、抽稠泵、注氣平衡閥、篩管和絲堵。
[0005]所述上端隔熱油管、伸縮管和末端隔熱油管整體安裝于套管內，末端隔熱油管下部在注氣平衡閥和篩管之間的高度上設有熱敏封隔器，在注入高溫蒸汽時熱敏封隔器與套管實現密封。
[0006]在熱采作業時，由管柱注入過熱蒸汽，加熱稠油油層，隨著油層溫度升高，熱敏封隔器溫度上升，實現座封，并通過伸縮管調節管柱應力；當油層蒸汽壓力達到一定數值后，注氣平衡閥打開，使油層以及隔熱油管內的多余的高壓向套管環空釋放，保證管柱內外壓差恒定，使熱敏封隔器上下截面所受壓力差一定，有效調節管柱受力。在油層流動性達標后，即可開展抽稠作業。
[0007]所述的伸縮管設有多段。可以根據管柱在自身重力和受熱變形下的伸長量，適當的調整伸縮管的段數，達到最佳的調節效果。
[0008]所述的末端隔熱油管設有多段，多段末端隔熱油管的總重力G滿足Fp-G1-G^f-Fs
<G < Fp-GfGff+Fs，其中G1為抽稠泵的重力，G2為熱敏封隔器與注氣平衡閥的總重力，f為熱敏封隔器與套管間的摩擦力，Fp為熱敏封隔器兩端的壓差力，Fs為伸縮管的伸縮預緊力。選擇最佳的末端隔熱油管所需的段數，既保證伸縮管不會閉合而能夠起到調整應力的作用，又保證伸縮管不會在末端隔熱油管的重力下將伸縮管與末端隔熱油管拉開，以將伸縮管安裝在最佳的位置。
[0009]一種針對上述的注采一體化管柱的設計方法，其特征在于，設計步驟為:
1)先確定滿足管柱伸長量的伸縮管數目Ntf；
2)計算可避免管柱彎曲的末端隔熱油管數量區間，再確定靠自重拉開伸縮管所需的末端隔熱油管數目Ns;
3)伸縮管安裝在末端隔熱油管最頂部，在確定末端隔熱油管的數量后，即可明確伸縮管的安裝位置。
[0010]本發明涉及的管柱設計方法，重點針對管柱在注氣過程中存在的彎曲問題進行分析，確定伸縮管和熱敏封隔器之間的末端隔熱油管數量。
[0011 ] 首先分析隔熱油管在重力作用的下的變形以及在高溫環境下的熱變形，確定管柱總體伸長量，再結合單根伸縮管的伸長量，確定管柱安裝伸縮管的數目Ntf。
[0012]步驟I中確定N#的具體步驟為:
1.1)首先計算下列數據，隔熱油管(上端隔熱油管和下端隔熱油管)在自重作用下的伸長量h。，隔熱油管(上端隔熱油管和下端隔熱油管)在高溫蒸汽作用下的熱變形hg，單根伸縮管可達到的伸長量H;
1.2)并由下式確定管柱安裝伸縮管的數目Ntf，
N伸=(hc+hg)/Ho
[0013]步驟2中確定N隔的具體步驟為:
確定伸縮管的啟動壓力，將此壓力換算為拉力，即相當于施加拉力可將伸縮管內管拉出。末端隔熱油管連接在伸縮管下方，當末端隔熱油管的自重大于伸縮管的啟動壓力，即可將伸縮管拉開。對于單根隔熱油管，假設在空氣中的重力為ms，在水中的浮力，則水中末端隔熱油管的重力為(ms-mff)g。當二者相等時，可得靠自重拉開伸縮管所需的最小末端隔熱油管數。
[0014]2.1)測定下列數據，將伸縮管從隔熱油管內拉出所需的拉力單根隔熱油管在空氣中的重力ms g ;單根隔熱油管在水中的浮力1% g ；
計算靠自重拉開伸縮管所需的最小末端隔熱油管數N’ fflin:
N，空-m浮)g]；
當注汽壓力過大時，熱敏封隔器上移，造成上部伸縮管閉合，熱膨脹量無法通過伸縮管來平衡。與此同時，熱敏封隔器上下端面的壓強差造成整個管柱承受兩端壓力，在熱膨脹產生的應力與壓差力的共同作用下，注氣管柱會產生彎曲。要使管柱在正常工況注氣時不產生彎曲，則要保證熱敏封隔器兩端的壓差力不會使熱敏封隔器沿套管壁向上滑移造成伸縮管閉合。
[0015]2.2)測定下列數據，伸縮管的伸縮預緊力Fs，單根隔熱油管受到的重力Gtl,抽稠泵受到的重力G1，熱敏封隔器與注氣平衡閥受到的總重力G2，熱敏封隔器與套管間的摩擦力f，熱敏封隔器兩端的壓差力Fp;
當熱敏封隔器兩端的壓差力Fp大于伸縮管以下的結構重力(G，Gl, G2)與摩擦力f的合力時，壓差力向上使伸縮管有閉合的趨勢，所以此時伸縮預緊力^方向向下，摩擦力f方向也向下。由臨界條件，進行分析f^G+Gi+Gdf+F^GfN+Gi+Gff+Fs;
計算熱敏封隔器與伸縮管之間的末端隔熱油管數量的區間下界Nmin:Nfflin= (Fp-Gr^-f-Fs)/G0；
為了避免管柱在下井的過程中，伸縮管閉合這種情況的發生造成管柱變形，所以在計算最小管柱數量時不考慮伸縮管的預緊力，Nmin= (Fp-G1-G2I)/Gtl ；
當熱敏封隔器與伸縮管之間管柱受到的重力大于壓差力Fp和摩擦力f的合力時，伸縮管有拉開的趨勢，此時伸縮預緊力變為方向向上，摩擦力方向也是向上。在此臨界狀態，對其受力分析 AzG+Gi+G^f-FfGfN+Gi+Gff-Fs ；
計算熱敏封隔器與伸縮管之間的末端隔熱油管數量的區間上界Nmax:Nfflax= (Fp-GrG2+f+Fs)/G05
2.3)確定熱敏封隔器與伸縮管之間末端隔熱油管根數的范圍:[N’ min，Nmin]max< N H
<Nfflax，在該區間內確定末端隔熱油管數目Ns。
[0016]與現有技術相比，本發明的一種注采一體化管柱及其設計方法所具有的有益效果是:本發明的管柱中應用注氣平衡閥，調節隔熱油管內外兩側的壓力，避免熱敏封隔器上下兩端截面承受過大的壓力差，從而控制管柱所受軸向壓力，改善管柱受力，延長使用期限。本發明的管柱依靠末端隔熱油管自重拉開伸縮管內管，在油層加壓后，通過熱敏封隔器的兩端壓差，調節伸縮管縮短，改善管柱受力。本發明設計方法，預測工作條件下管柱的受力情況，結合隔熱油管的伸長計算，提出合適的伸縮管數量，再計算注汽過程中管柱、抽稠泵及熱敏封隔器的應力分布規律，結合伸縮管的伸縮預緊力，隔熱油管自重，泵筒受到的重力，熱敏封隔器和平衡閥受到的重力以及封隔器和套管間的摩擦力來確定避免管柱彎曲的最優末端隔熱油管數量區間，進而確定伸縮管安裝位置。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的一種注采一體化管柱結構示意圖。
[0018]圖2下臨界管柱受力分析圖。
[0019]圖3上臨界管柱受力分析圖。
[0020]其中:1、抽油桿2、抽稠泵3、注氣平衡閥4、篩管5、絲堵6、塞面7、砂面8、人工井底9、末端隔熱油管10、熱敏封隔器11、伸縮管12、上端隔熱油管13、套管。
【具體實施方式】
[0021]圖1是本發明的注采一體化管柱結構最佳實施例，下面結合附圖1~3對本發明的注采一體化管柱做進一步說明。
[0022]參照附圖1:本發明的一種注采一體化管柱，包括上端隔熱油管12、伸縮管11、末端隔熱油管9和末端隔熱油管9內自上而下依次設置的抽油桿1、抽稠泵2、注氣平衡閥3、篩管4和絲堵5 ;管柱整體安裝于套管13內，套管13底部自上而下依次設有塞面6、砂面7、人工井底8，上端隔熱油管12和末端隔熱油管9上下連接構成管柱的主體，伸縮管11連接在上端隔熱油管12和末端隔熱油管9之間，可通過伸縮管調節管柱應力；伸縮管11設有多段，可以