CN108035702B - 一种可拆装套管保护坐封注水管柱及结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种可拆装套管保护坐封注水管柱，属于注水管柱技术领域。包括油管(9)，其特征在于：所述油管(9)上设有卡接装置，油管(9)外部套装套管(7)，在套管(7)与油管(9)之间通过多个卡接装置可拆卸的套装有水力锚(1)、封隔器、配水器和底球(6)。本发明将安装在油管外部的其他部件采用可拆卸的方式安装，在油管上设置拆装用的卡接装置，通过卡接装置可快速的安装拆卸油管外部连接的其他部件，也可通过卡接装置灵活调整不同尺寸的安装部件，可以将各个结构按照不同的尺寸要求进行组装，从而提高其应用性，同时也可形成整体式结构的注水管柱，无需捞投死芯子，现场操作简单；能够适应多种工况，适应性强，从而降低工作成本。

Description

一种可拆装套管保护坐封注水管柱及结构优化方法
技术领域
一种可拆装套管保护坐封注水管柱及结构优化方法，属于注水管柱技术领域。
背景技术
油田注水管柱在油田的开采工作中扮演着十分重要的角色，但是，其封隔器的磨损问题、管柱蠕动现象等都是目前亟待解决的重要问题。近年来，一些新提出的改进方案正在逐渐解决这些问题，但效果并不好。
常规卡封分层注水管柱在现场应用过程中发现，一方面，井下注水压力波动及其他原因造成的管柱蠕动容易使套筒管柱上端封隔器的胶筒受损，从而降低了封隔器的密闭性，使得注水工作无法正常进行，管柱的使用寿命也被大大的削弱；另一方面，常规的配水工具需要带死芯子下井，但在封隔器打压坐封完毕后，需要捞出死芯子才能进行注水，这使得整个注水过程变得很繁琐，无法流畅进行，浪费了大量的时间；此外，目前已经出现了一种一体化的注水管柱，但是由于封隔器、配水器、水力锚等部件位置的相对固定，使得该装置无法应对所有的注水工况，应用价值不高。
对注水井管柱的失稳和受力进行了分析和研究，并提出了一些改进的措施，包括采用小直径管柱等方法，如中国专利CN206158707U、CN206158709U及CN203756146U等，其中，CN206158707U中记载的技术方案，是通过增加卡封来提高注水效果，实质上是一种通过增加量来提升效果的方法，仅仅对密封有一定的帮助，但结构上形式复杂，成本较高。
CN206158709U中记载的技术方案，是通过增加了一个补偿器，使得管柱在防蠕动方面产生了一定的改进效果，但结构更加复杂，成本有一定的增加，但由于管柱蠕动的原因较多，仅仅依靠补偿器无法应对多种工况，实际的效果并不是特别明显。
CN203756146U中记载的技术方案，是将整个注水管柱一体化，从而在根源上解决管柱蠕动所造成的一系列影响，但是，各部件之间的相互固定使得结构的适应性大大的降低，也间接的增加了使用的成本。由此可见，现有技术中的技术方案虽对注水管柱进行了改进，但是它们都是针对具体蠕动原因，无法适应各种工况，结构复杂，成本高。但这些措施对于管柱的蠕动、封隔器的密封以及对工况的适应并不能起到很好的改进效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种的可拆卸、能够适应多种工况，适应性强，使密封、防蠕动等效果达到最佳的可拆装套管保护坐封注水管柱及结构优化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可拆装套管保护坐封注水管柱，包括油管，其特征在于：所述油管上设有卡接装置，油管外部套装套管，在套管与油管之间通过多个卡接装置可拆卸的套装有水力锚、封隔器、配水器和底球。
本发明改变了传统的注水管柱的结构及安装形式，将安装在油管外部的其他部件采用可拆卸的方式安装，在油管上设置拆装用的卡接装置，通过卡接装置可快速的安装拆卸油管外部连接的其他部件，也可通过卡接装置灵活调整部件安装顺序及位置，可以将各个结构按照不同的工况需求进行组装，从而提高其应用性，同时也可形成整体式结构的注水管柱，无需捞投死芯子，现场操作简单；能够适应多种工况，适应性强，从而降低工作成本，而且结构简单，还能够保证良好的密封效果。
本发明同时解决了以下三大问题，首先解决管柱蠕动的问题：由于传统的注水管柱各部件连接并不紧密，会产生错位等问题，也就是所说的蠕动，本专利将各部件紧密连接，相当于注水管柱的一体化，从而解决了蠕动的问题。
第二，解决封隔器的密封问题：这一问题就是由于管柱蠕动产生的，井下注水压力波动及其他原因造成的管柱蠕动容易使套筒保护管柱上端封隔器的胶筒受损，从而降低了封隔器的密闭性，使得注水工作无法正常进行，管柱的使用寿命也被大大的削弱，本专利的一体化解决了蠕动的问题也就解决了密封的问题。
第三，对工况的适应：一体化的注水管柱由于封隔器、配水器、水力锚等部件位置的相对固定，使得该装置无法应对所有的注水工况，应用价值不高，可拆卸的话，就能根据具体的注水工况，即实际油层深度等要求来重新组合注水管柱，从而达到适应各种工况的目的。
所述的卡接装置包括设置在油管外壁上的卡接键槽及安装在键槽内的键。
现有的一体化的注水管柱由于封隔器、配水器、水力锚等部件位置的相对固定，使得该装置无法应对所有的注水工况，应用价值不高，可拆卸的话，就能根据具体的注水工况，即实际油层深度等要求来重新组合注水管柱，从而达到适应各种工况的目的，多种工况是指各油田地层结构、深度等不同形成，此外，可拆卸也有利于各个部件的更换和维修，由于各个零部件的使用寿命、强度不同，导致一些部件损坏，一些部件仍可以继续使用，可拆卸就可以有针对性的更换和维修这些零部件。
通过键槽和键的配合安装，可灵活调整不同尺寸的安装部件的安装位置及连接关系，能够适应多种工况，从而降低工作成本。
所述的卡接装置沿油管轴向设有多个，多个卡接装置并排设置在油管的同一侧。
所述的卡接装置沿油管轴向设有多个，多个卡接装置分成左右两组设置在油管的两侧。
所述的封隔器和配水器分别设有上下两组。
所述的键槽的轴向截面积为1.24cm×1.38cm，键槽在油管上的深度为0.85cm。
相邻两键槽之间的间距为1.05cm。
一种可拆装套管保护坐封注水管柱的结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、建立初始参数下的注水管柱数学模型；
min f(x)
Figure GDA0002747390770000031
Figure GDA0002747390770000032
min f(x)
Figure GDA0002747390770000033
s.t.0.2≤x1(键的长度)≤1.2；0.1≤x2(键的宽度)≤0.9
0.1≤x3(键槽深度)≤0.8；0.2≤x4(键槽间距)≤10
0≤x5(配合程度)≤1
其中
Figure GDA0002747390770000034
其中，x＝(x1，x2，L，xn)T为决策变量，包括键的长度、键的宽度、键槽深度、键槽间距和配合程度；Si(x)为隐含决策变量的参数，包括键的强度、键的变形量和平均接触应力；f(x)为目标函数，为键的长、宽、键槽深度、键槽间距；
Figure GDA0002747390770000035
为参数变量的边界条件，
Figure GDA0002747390770000036
为设计变量的变化范围；已知数值为封隔器、配水器、水力锚(1)和底球(6)的高度；
2)、首先选取初始群体，即根据限制选取x的值，然后对x进行编码，可以采用二进制码，接下来对x值进行交叉、变异处理；
3)、采用遗传算法确定优化变量，进一步选择出下一代群体，不断循环，得到f(x)最小值对应的数据即最优数据。
步骤3)所述的最优数据是通过判断循环目标函数是否收敛来确定。
本发明的优化方法上述的拆分结构进行优化设计，采用优化算法对新型管柱拆分结构进行了优化设计，得到使密封、防蠕动等效果最佳的结构、影响因素以及具体的设计，平衡管柱受力减小了管柱蠕动对封隔器胶筒密闭性的影响。通过优化得到键连接的最优尺寸以及固定该部件所需键数，从而使各部件之间的连接更加稳固可靠，能够达到一体化的需求。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
本发明改变了传统的注水管柱的结构及安装形式，将安装在油管外部的其他部件采用可拆卸的方式安装，在油管上设置拆装用的卡接装置，通过卡接装置可快速的安装拆卸油管外部连接的其他部件，也可通过卡接装置灵活调整部件安装顺序及位置，可以将各个结构按照不同的工况需求进行组装，从而提高其应用性，同时也可形成整体式结构的注水管柱，无需捞投死芯子，现场操作简单；能够适应多种工况，适应性强，从而降低工作成本，而且结构简单，还能够保证良好的密封效果。
本发明同时解决了一下三大问题，首先解决管柱蠕动的问题：由于传统的注水管柱各部件连接并不紧密，会产生错位等问题，也就是所说的蠕动，本专利将各部件紧密连接，相当于注水管柱的一体化，从而解决了蠕动的问题。
第二，解决封隔器的密封问题：这一问题就是由于管柱蠕动产生的，井下注水压力波动及其他原因造成的管柱蠕动容易使套筒保护管柱上端封隔器的胶筒受损，从而降低了封隔器的密闭性，使得注水工作无法正常进行，管柱的使用寿命也被大大的削弱，本专利的一体化解决了蠕动的问题也就解决了密封的问题。
第三，对工况的适应：一体化的注水管柱由于封隔器、配水器、水力锚等部件位置的相对固定，使得该装置无法应对所有的注水工况，应用价值不高，可拆卸的话，就能根据具体的注水工况，即实际油层深度等要求来重新组合注水管柱，从而达到适应各种工况的目的。
附图说明
图1为可拆装套管保护坐封注水管柱结构示意图。
图2为油管外部结构示意图。
图3为图2的俯视图示意图。
图4为油管与卡接装置连接关系示意图。
图5为可拆装套管保护坐封注水管柱的结构优化流程图。
其中，1、水力锚 2、上封隔器 3、上轨道配水器 4、下封隔器 5、下轨道配水器 6、底球 7、套管 8、键 9、油管 10、键槽。
具体实施方式
图1～5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～5对本发明做进一步说明。
参照附图1：一种可拆装套管保护坐封注水管柱，包括油管9，油管9上设有卡接装置，油管9外部套装套管7，在套管7与油管9之间通过多个卡接装置可拆卸的套装有水力锚1、封隔器、配水器和底球6。底球6通过油管9与下轨道配水器5连接，下轨道配水器5通过油管9与下封隔器4连接，下封隔器4通过油管9与上轨道配水器3连接，上轨道配水器3通过油管9与上封隔器2连接，上封隔器2直接与水力锚1连接，水力锚1上与油管9连接至井口。
卡接装置包括设置在油管9外壁上的卡接键槽10及安装在键槽10内的键8，同时，在水力锚1、封隔器、配水器等各个套装在油管9上的部件内壁上对应设有用于对接键8的键槽。卡接装置沿油管9轴向设有多个，多个卡接装置并排设置在油管9的同一侧。也可，将卡接装置沿油管9轴向设有多个，多个卡接装置分成左右两组设置在油管9的两侧。键8可为平键，在安装时，首先，将平键放进轴的键槽10中，将封隔器、配水器、水力锚1等部件，从轴向装进油管9上；再将各个部件孔上的键槽10，对正轴上的平键，安装进去，即可。
优选的，为了保证油管9的强度，不影响油管9的受力，从而平衡管柱受力，减小管柱蠕动对封隔器胶筒密闭性的影响，可在原来油管9的基础上增加油管9的壁厚，增加的壁厚的数值大于等于键槽10在径向的深度数值。
封隔器和配水器分别设有上下两组。键槽10的轴向截面积为1.24cm×1.38cm，键槽10在油管9上的深度为0.85cm。相邻两键槽10之间的间距为1.05cm。键8伸出键槽10的高度为0.65cm。
一种可拆装套管保护坐封注水管柱的结构优化方法，包括以下步骤：
1)、建立初始参数下的注水管柱数学模型；
min f(x)
Figure GDA0002747390770000051
Figure GDA0002747390770000052
min f(x)
Figure GDA0002747390770000053
s.t.0.2≤x1(键的长度)≤1.2；0.1≤x2(键的宽度)≤0.9
0.1≤x3(键槽深度)≤0.8；0.2≤x4(键槽间距)≤10
0≤x5(配合程度)≤1
其中
Figure GDA0002747390770000061
其中，x＝(x1,x2,L,xn)T为决策变量，包括键的长度、键的宽度、键槽深度、键槽间距和配合程度；Si(x)为隐含决策变量的参数，包括键的强度、键的变形量和平均接触应力；f(x)为目标函数，为键的长、宽、键槽深度、键槽间距；
Figure GDA0002747390770000062
为参数变量的边界条件，
Figure GDA0002747390770000063
为设计变量的变化范围；已知数值为封隔器、配水器、水力锚1和底球6的高度；
2)、首先选取初始群体，即根据限制选取x的值，然后对x进行编码，可以采用二进制码，接下来对x值进行交叉、变异处理；
3)、采用遗传算法确定优化变量，进一步选择出下一代群体，不断循环，得到f(x)最小值对应的数据即最优数据。
可拆装套管保护坐封注水管柱的工作原理与工作过程：
装配，通过上述测量得出的相关数据，对整个注水管柱进行装配，形成一体化管柱。
下井，套管7中液体通过底球6向油管9内向上流动，形成油套连通。
坐封，井口油管闸门打压，0.5MPa水力锚1撑开与套管7内壁接触，8MPa封隔器剪断坐封剪钉开始挤压胶筒，12MPa轨道配水器进入短轨道，20MPa时稳压3min，使封隔器完全坐封。
注水，封隔器坐封完毕后，油管泄压水力锚1锚爪收回，封隔器胶筒紧贴套管不收回，仍然处于压缩状态，配水器换向进入长轨道，油管再次打压时，水力锚1锚爪撑开，配水器出水，整套注水工艺形成锚定卡封分层注水管柱。
反洗井，来水进入油套环空，水力锚1锚爪收回，配水器弹簧推动活塞关闭其出水孔，封隔器洗井通道开启，通道过水经底球6从油管9返出至井口。
测试时，下入流量计在各级配水器之间就可以测得各层的实际注水量；调配时，通过投捞配水芯子更换水嘴的大小就可以调节各层注水量。
通过对结构进行优化，提高了封隔器的密封可靠性，延长卡封管柱的使用寿命；坐封注水一体化时可以使现场操作更加简单，提高工作效率，减小工作强度；拆装装置使其能够充分适应各种工况，携带灵活，维修方便。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种可拆装套管保护坐封注水管柱，包括油管(9)，其特征在于：所述油管(9)上设有卡接装置，油管(9)外部套装套管(7)，在套管(7)与油管(9)之间通过多个卡接装置可拆卸的套装有水力锚(1)、封隔器、配水器和底球(6)；所述的卡接装置包括设置在油管(9)外壁上的卡接键槽(10)及安装在键槽(10)内的键(8)。
2.根据权利要求1所述的一种可拆装套管保护坐封注水管柱，其特征在于：所述的卡接装置沿油管(9)轴向设有多个，多个卡接装置并排设置在油管(9)的同一侧。
3.根据权利要求1所述的一种可拆装套管保护坐封注水管柱，其特征在于：所述的卡接装置沿油管(9)轴向设有多个，多个卡接装置分成左右两组设置在油管(9)的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种可拆装套管保护坐封注水管柱，其特征在于：所述的封隔器和配水器分别设有上下两组。
5.根据权利要求1所述的一种可拆装套管保护坐封注水管柱，其特征在于：所述的键槽(10)的轴向截面积为1.24cm×1.38cm，键槽在油管(9)上的深度为0.85cm。
6.根据权利要求1所述的一种可拆装套管保护坐封注水管柱，其特征在于：相邻两键槽(10)之间的间距为1.05cm。
7.根据权利要求1所述的一种可拆装套管保护坐封注水管柱的结构优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、建立初始参数下的注水管柱数学模型；
min f(x)
Figure FDA0002747390760000011
s.t.0.2≤x1(键的长度)≤1.2；0.1≤x2(键的宽度)≤0.9
0.1≤x3(键槽深度)≤0.8；0.2≤x4(键槽间距)≤10
0≤x5(配合程度)≤1；
其中
Figure FDA0002747390760000012
其中，x＝(x1，x2，L，xn)T为决策变量，包括键的长度、键的宽度、键槽深度、键槽间距和配合程度；f(x)为目标函数，为键的长、宽、键槽深度、键槽间距；已知数值为封隔器、配水器、水力锚(1)和底球(6)的高度；x1～x5的单位为cm；
2)、首先选取初始群体，即根据限制选取x的值，然后对x进行编码，可以采用二进制码，接下来对x值进行交叉、变异处理；
3)、采用遗传算法确定优化变量，进一步选择出下一代群体，不断循环，得到f(x)最小值对应的数据即最优数据。
8.根据权利要求7所述的一种可拆装套管保护坐封注水管柱的结构优化方法，其特征在于：步骤3)所述的最优数据是通过判断循环目标函数是否收敛来确定。
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