一种注采一体化管柱及其设计方法
【技术领域】
[0001]一种注采一体化管柱及其设计方法，属于油井注蒸汽热采采油管柱技术领域。
【背景技术】
[0002]中国稠油资源较为丰富，陆上稠油资源约占石油总资源的20%以上，稠油的有效开采对保证油田稳产、增产具有重要意义。由于这类原油的粘度很高，采用注蒸汽热采新技术，陆续开发了一批稠油油田，打开了新局面。稠油热采方法主要包括:蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等。其中蒸汽吞吐应用的最为广泛，产油量占到总稠油产量的78%左右，并且呈继续增加的趋势。热采过程中，为了提高热采效果，一般采用临界、超临界压力蒸汽，注汽压力和温度分别达到22MPa和374°C以上，温度的升高降低了管柱系统的强度，使管柱、抽稠泵、热敏封隔器等结构产生很大的热应力，与此同时，对于油管-封隔器系统，由于注汽过程中隔热管柱的热膨胀和自重伸长，使热敏封隔器在注汽过程中常出现移动、断脱、失效，甚至导致管柱变形，失效破坏，将停工停产，造成巨大经济损失，甚至发生人员伤亡等恶性事故。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种能够减小管柱弯曲变形的新型注采一体化管柱以及配套的优化设计方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该注采一体化管柱，其特征在于:包括上端隔热油管、末端隔热油管和伸缩管，所述的伸缩管连接在上端隔热油管和末端隔热油管之间；末端隔热油管内自上而下依次设有抽油杆、抽稠泵、注气平衡阀、筛管和丝堵。
[0005]所述上端隔热油管、伸缩管和末端隔热油管整体安装于套管内，末端隔热油管下部在注气平衡阀和筛管之间的高度上设有热敏封隔器，在注入高温蒸汽时热敏封隔器与套管实现密封。
[0006]在热采作业时，由管柱注入过热蒸汽，加热稠油油层，随着油层温度升高，热敏封隔器温度上升，实现座封，并通过伸缩管调节管柱应力；当油层蒸汽压力达到一定数值后，注气平衡阀打开，使油层以及隔热油管内的多余的高压向套管环空释放，保证管柱内外压差恒定，使热敏封隔器上下截面所受压力差一定，有效调节管柱受力。在油层流动性达标后，即可开展抽稠作业。
[0007]所述的伸缩管设有多段。可以根据管柱在自身重力和受热变形下的伸长量，适当的调整伸缩管的段数，达到最佳的调节效果。
[0008]所述的末端隔热油管设有多段，多段末端隔热油管的总重力G满足Fp-G1-G^f-Fs
<G < Fp-GfGff+Fs，其中G1为抽稠泵的重力，G2为热敏封隔器与注气平衡阀的总重力，f为热敏封隔器与套管间的摩擦力，Fp为热敏封隔器两端的压差力，Fs为伸缩管的伸缩预紧力。选择最佳的末端隔热油管所需的段数，既保证伸缩管不会闭合而能够起到调整应力的作用，又保证伸缩管不会在末端隔热油管的重力下将伸缩管与末端隔热油管拉开，以将伸缩管安装在最佳的位置。
[0009]一种针对上述的注采一体化管柱的设计方法，其特征在于，设计步骤为:
1)先确定满足管柱伸长量的伸缩管数目Ntf；
2)计算可避免管柱弯曲的末端隔热油管数量区间，再确定靠自重拉开伸缩管所需的末端隔热油管数目Ns;
3)伸缩管安装在末端隔热油管最顶部，在确定末端隔热油管的数量后，即可明确伸缩管的安装位置。
[0010]本发明涉及的管柱设计方法，重点针对管柱在注气过程中存在的弯曲问题进行分析，确定伸缩管和热敏封隔器之间的末端隔热油管数量。
[0011 ] 首先分析隔热油管在重力作用的下的变形以及在高温环境下的热变形，确定管柱总体伸长量，再结合单根伸缩管的伸长量，确定管柱安装伸缩管的数目Ntf。
[0012]步骤I中确定N#的具体步骤为:
1.1)首先计算下列数据，隔热油管(上端隔热油管和下端隔热油管)在自重作用下的伸长量h。，隔热油管(上端隔热油管和下端隔热油管)在高温蒸汽作用下的热变形hg，单根伸缩管可达到的伸长量H;
1.2)并由下式确定管柱安装伸缩管的数目Ntf，
N伸=(hc+hg)/Ho
[0013]步骤2中确定N隔的具体步骤为:
确定伸缩管的启动压力，将此压力换算为拉力，即相当于施加拉力可将伸缩管内管拉出。末端隔热油管连接在伸缩管下方，当末端隔热油管的自重大于伸缩管的启动压力，即可将伸缩管拉开。对于单根隔热油管，假设在空气中的重力为ms，在水中的浮力，则水中末端隔热油管的重力为(ms-mff)g。当二者相等时，可得靠自重拉开伸缩管所需的最小末端隔热油管数。
[0014]2.1)测定下列数据，将伸缩管从隔热油管内拉出所需的拉力单根隔热油管在空气中的重力ms g ;单根隔热油管在水中的浮力1% g ；
计算靠自重拉开伸缩管所需的最小末端隔热油管数N’ fflin:
N，空-m浮)g]；
当注汽压力过大时，热敏封隔器上移，造成上部伸缩管闭合，热膨胀量无法通过伸缩管来平衡。与此同时，热敏封隔器上下端面的压强差造成整个管柱承受两端压力，在热膨胀产生的应力与压差力的共同作用下，注气管柱会产生弯曲。要使管柱在正常工况注气时不产生弯曲，则要保证热敏封隔器两端的压差力不会使热敏封隔器沿套管壁向上滑移造成伸缩管闭合。
[0015]2.2)测定下列数据，伸缩管的伸缩预紧力Fs，单根隔热油管受到的重力Gtl,抽稠泵受到的重力G1，热敏封隔器与注气平衡阀受到的总重力G2，热敏封隔器与套管间的摩擦力f，热敏封隔器两端的压差力Fp;
当热敏封隔器两端的压差力Fp大于伸缩管以下的结构重力(G，Gl, G2)与摩擦力f的合力时，压差力向上使伸缩管有闭合的趋势，所以此时伸缩预紧力^方向向下，摩擦力f方向也向下。由临界条件，进行分析f^G+Gi+Gdf+F^GfN+Gi+Gff+Fs;
计算热敏封隔器与伸缩管之间的末端隔热油管数量的区间下界Nmin:Nfflin= (Fp-Gr^-f-Fs)/G0；
为了避免管柱在下井的过程中，伸缩管闭合这种情况的发生造成管柱变形，所以在计算最小管柱数量时不考虑伸缩管的预紧力，Nmin= (Fp-G1-G2I)/Gtl ；
当热敏封隔器与伸缩管之间管柱受到的重力大于压差力Fp和摩擦力f的合力时，伸缩管有拉开的趋势，此时伸缩预紧力变为方向向上，摩擦力方向也是向上。在此临界状态，对其受力分析 AzG+Gi+G^f-FfGfN+Gi+Gff-Fs ；
计算热敏封隔器与伸缩管之间的末端隔热油管数量的区间上界Nmax:Nfflax= (Fp-GrG2+f+Fs)/G05
2.3)确定热敏封隔器与伸缩管之间末端隔热油管根数的范围:[N’ min，Nmin]max< N H
<Nfflax，在该区间内确定末端隔热油管数目Ns。
[0016]与现有技术相比，本发明的一种注采一体化管柱及其设计方法所具有的有益效果是:本发明的管柱中应用注气平衡阀，调节隔热油管内外两侧的压力，避免热敏封隔器上下两端截面承受过大的压力差，从而控制管柱所受轴向压力，改善管柱受力，延长使用期限。本发明的管柱依靠末端隔热油管自重拉开伸缩管内管，在油层加压后，通过热敏封隔器的两端压差，调节伸缩管缩短，改善管柱受力。本发明设计方法，预测工作条件下管柱的受力情况，结合隔热油管的伸长计算，提出合适的伸缩管数量，再计算注汽过程中管柱、抽稠泵及热敏封隔器的应力分布规律，结合伸缩管的伸缩预紧力，隔热油管自重，泵筒受到的重力，热敏封隔器和平衡阀受到的重力以及封隔器和套管间的摩擦力来确定避免管柱弯曲的最优末端隔热油管数量区间，进而确定伸缩管安装位置。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的一种注采一体化管柱结构示意图。
[0018]图2下临界管柱受力分析图。
[0019]图3上临界管柱受力分析图。
[0020]其中:1、抽油杆2、抽稠泵3、注气平衡阀4、筛管5、丝堵6、塞面7、砂面8、人工井底9、末端隔热油管10、热敏封隔器11、伸缩管12、上端隔热油管13、套管。
【具体实施方式】
[0021]图1是本发明的注采一体化管柱结构最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明的注采一体化管柱做进一步说明。
[0022]参照附图1:本发明的一种注采一体化管柱，包括上端隔热油管12、伸缩管11、末端隔热油管9和末端隔热油管9内自上而下依次设置的抽油杆1、抽稠泵2、注气平衡阀3、筛管4和丝堵5 ;管柱整体安装于套管13内，套管13底部自上而下依次设有塞面6、砂面7、人工井底8，上端隔热油管12和末端隔热油管9上下连接构成管柱的主体，伸缩管11连接在上端隔热油管12和末端隔热油管9之间，可通过伸缩管调节管柱应力；伸缩管11设有多段，可以