川渝高压致密气储层多段压裂管柱关键技术

王金友 许永权 宫磊磊 赵一泽 姚金剑

王金友,许永权,宫磊磊,赵一泽,姚金剑. 川渝高压致密气储层多段压裂管柱关键技术[J]. 石油钻采工艺,2022,44(0):1-7
引用本文: 王金友,许永权,宫磊磊,赵一泽,姚金剑. 川渝高压致密气储层多段压裂管柱关键技术[J]. 石油钻采工艺,2022,44(0):1-7
WANG Jinyou, XU Yongquan, GONG Leilei, ZHAO Yize, YAO Jinjian. Key technologies of multi-stage fracturing string in Sichuan-Chongqing high-pressure tight gas reservoirs[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(0): 1-7
Citation: WANG Jinyou, XU Yongquan, GONG Leilei, ZHAO Yize, YAO Jinjian. Key technologies of multi-stage fracturing string in Sichuan-Chongqing high-pressure tight gas reservoirs[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(0): 1-7

川渝高压致密气储层多段压裂管柱关键技术

详细信息
    作者简介:

    王金友(1965-),2010年毕业于东北石油大学石油工程与天然气专业,获博士学位,现从事分层采油和油气藏改造技术研究工作,教授级高级工程师。通讯地址:(163453)黑龙江省大庆市让胡路区西宾路采油工程研究院。E-mail:wangjinyou@petrochina.com.cn

    通讯作者:

    许永权(1979-),2014年毕业于浙江大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,现从事气井压裂完井技术研究工作,高级工程师。通讯地址:(163453)黑龙江省大庆市让胡路区西宾路9号采油工程研究院。E-mail:xuyongquan@petrochina.com.cn

  • 中图分类号: TE357.1

Key technologies of multi-stage fracturing string in Sichuan-Chongqing high-pressure tight gas reservoirs

  • 摘要: 川渝地区致密气储层老井需要通过油管多段压裂工艺开发潜力,现有工艺管柱不能满足高压、大砂量冲蚀、钻井液条件下坐封及压裂后可取等复杂要求,为此开展了高压致密气储层多段压裂技术攻关。通过自主研制Y344型导压喷砂封隔器,集喷砂和封隔功能于一体,缩短了工具尺寸,提升多层压裂管柱通过性;利用有限元分析软件优化封隔器喷砂体和胶筒结构,优选42CrMo高强度材料,提高承压性能;开展了材料耐冲蚀和磨蚀研究,数值模拟方法分析流态,优化硬质合金零件布局,解决喷砂口等区域磨损大的问题;水力锚等工具均设计“进液防砂”结构,满足钻井液环境使用要求。室内实验表明,整体工艺管柱满足90 MPa高压要求,现场单层加砂量达到160 m3,为解决类似储层高压多段油管压裂问题提供了有效的技术手段。
  • 图  1  跨距间管柱屈曲临界载荷、弯矩、弯曲应力计算流程

    Figure  1.  Flow chart of critical load, bending moment and bending stress for string between spans

    图  2  Y344导压喷砂封隔器

    Figure  2.  Y344 pressure-steering sandblasting packer

    图  3  喷射式冲蚀实验和管流式冲蚀实验

    Figure  3.  Jet erosion experiment and tubular erosion experiment

    图  4  封隔器喷砂体内总压力云图

    Figure  4.  Cloud map of total pressure in the sand blasting body of the packer

    图  5  耐气浸、耐高温高压复合橡胶分子式

    Figure  5.  Molecular formula of compound rubber resistant to gas immersion, high temperature and high pressure

    图  6  胶筒角度优化前后对比

    Figure  6.  Comparison of rubber cylinder angle before and after optimization

    图  7  硬质合金水力锚结构

    Figure  7.  Structure of cemented carbide hydraulic anchor

    表  1  不同施工参数模拟分析结果

    Table  1.   Simulation analysis results under different fracturing parameters

    井口参数上封隔器处参数悬挂封隔器
    所受上顶力/kN
    泵压/MPa外压/MPa轴力/kN等效应力/MPa安全系数轴力/kN等效应力/MPa安全系数
    9008065641.512685421.57456
    90107585041.692194581.86425
    90207114521.881723802.24349
    90306634062.11253022.82295
    90406153672.32782273.75241
    下载: 导出CSV

    表  2  实验拟合参数数据统计

    Table  2.   Statistical table of experiment fitting parameters

    材料knA1A2A3A4B1B2
    42CrMo1.40×10−41.26−0.020.003−4.66×10−52.34×10−70.02−6.88×10−5
    YG66.99×10−60.60−0.020.003−4.69×10−52.40×10−70.01−8.19×10−5
    下载: 导出CSV

    表  3  胶筒结构尺寸

    Table  3.   Structural size of rubber cylinder

    部位外径/mm内径/mm长度/mm残余变形量%
    承压前承压后承压前承压后承压前承压后
    上胶筒113.00116.0073.0073.3085.0077.902.65
    中胶筒113.00117.4073.1073.8070.3063.603.89
    下胶筒113.00116.0073.0073.3085.2079.002.65
    下载: 导出CSV

    表  4  胶筒硬度

    Table  4.   Rubber cylinder hardness

    测试部位上胶筒中胶筒下胶筒
    邵氏硬度/HA浸前928392
    浸后918292
    下载: 导出CSV
  • [1] 张华光, 桂捷, 张丽娟, 等. 苏里格气田机械封隔器连续分层压裂技术[J]. 石油钻采工艺, 2013, 35(4):85-87. doi:  10.3969/j.issn.1000-7393.2013.04.023

    ZHANG Huaguang, GUI Jie, ZHANG Lijuan, et al. Continuously separate layer fracturing technology by using mechanical packer in Sulige gas ifeld[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2013, 35(4): 85-87. doi:  10.3969/j.issn.1000-7393.2013.04.023
    [2] 韩永亮, 冯强, 杨晓勇, 等. 大规模压裂用Y344封隔器及工艺管柱关键技术[J]. 油气井测试, 2019, 28(6):21-26. doi:  10.19680/j.cnki.1004-4388.2019.06.004

    HAN Yongliang, FENG Qiang, YANG Xiaoyong, et al. Key technologies of Y344 packer and string technology for large-scale fracturing[J]. Well Testing, 2019, 28(6): 21-26. doi:  10.19680/j.cnki.1004-4388.2019.06.004
    [3] 王克林, 张波, 李超, 等. 库车山前深层高温高压气井多封隔器分层压裂工艺[J]. 石油钻采工艺, 2021, 43(2):239-243. doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.016

    WANG Kelin, ZHANG Bo, LI Chao, et al. Multi-packer separate layer fracturing technology for deep, high temperature and high pressure gas wells in Kuqa piedmont[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(2): 239-243. doi:  10.13639/j.odpt.2021.02.016
    [4] 刘洪涛, 沈新普, 刘爽, 等. 高温高压气井多封隔器管柱完整性分析方法及应用实例[J]. 天然气工业, 2020, 40(7):83-89. doi:  10.3787/j.issn.1000-0976.2020.07.010

    LIU Hongtao, SHEN Xinpu, LIU Shuang, et al. Integrity analysis method of multi-packer string in HTHP gas wells and its application cases[J]. Natural Gas Industry, 2020, 40(7): 83-89. doi:  10.3787/j.issn.1000-0976.2020.07.010
    [5] 刘祥康, 丁亮亮, 朱达江, 等. 高温高压深井多封隔器分段改造管柱优化设计[J]. 石油机械, 2019, 47(2):91-95. doi:  10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.02.014

    LIU Xiangkang, DING Liangliang, ZHU Dajiang, et al. Design optimization of multistage stimulation string with multi-packer for high temperature and high pressure deep well[J]. China Petroleum Machinery, 2019, 47(2): 91-95. doi:  10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.02.014
    [6] 窦益华, 吕维平, 张福祥, 等. 支撑式跨隔测试管柱力学分析及其应用[J]. 石油钻采工艺, 2007, 29(4):106-109. doi:  10.3969/j.issn.1000-7393.2007.04.032

    DOU Yihua, LV Weiping, ZHANG Fuxiang, et al. Mechanical analysis of support anchor straddle packer test tubular string and its application[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2007, 29(4): 106-109. doi:  10.3969/j.issn.1000-7393.2007.04.032
    [7] 许永权, 费璇, 王鹏, 等. 徐深气田压裂完井一体化技术研究及应用[J]. 采油工程, 2021(2):63-67,97-98.

    XU Yongquan, FEI Xuan, WANG Peng, et al. Research and application of fracturing & completion integrated technology in Xushen Gas Field[J]. Oil Production Engineering, 2021(2): 63-67,97-98.
    [8] 马明新, 王绍先, 侯婷, 等. 分段压裂球座耐冲蚀性能评价[J]. 石油机械, 2016, 44(1):67-70. doi:  10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.01.015

    MA Mingxin, WANG Shaoxian, HOU Ting, et al. Erosion-resistant performance evaluation of ball seat for staged fracturing[J]. China Petroleum Machinery, 2016, 44(1): 67-70. doi:  10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2016.01.015
    [9] 李强, 董社霞, 路振兴, 等. 投球式滑套球座冲蚀磨损及评价方法研究[J]. 润滑与密封, 2016, 41(7):115-119,142. doi:  10.3969/j.issn.0254-0150.2016.07.021

    LI Qiang, DONG Shexia, LU Zhenxing, et al. Research on erosion wear and evaluation methods of sliding sleeve tee[J]. Lubrication Engineering, 2016, 41(7): 115-119,142. doi:  10.3969/j.issn.0254-0150.2016.07.021
    [10] 杨志鹏, 刘大伟, 许永权, 等. 压缩式胶筒肩部突出变形试验研究[J]. 润滑与密封, 2012, 37(2):103-105. doi:  10.3969/j.issn.0254-0150.2012.02.024

    YANG Zhipeng, LIU Dawei, XU Yongquan, et al. The experimental study on the edge protrusive deformation of the compression packing element[J]. Lubrication Engineering, 2012, 37(2): 103-105. doi:  10.3969/j.issn.0254-0150.2012.02.024
    [11] 许永权, 徐德奎, 杨志鹏, 等. 深层气井多层压裂用耐气浸和耐高温及高压胶筒的研制[J]. 采油工程, 2015(2):1-4,79.

    XU Yongquan, XU Dekui, YANG Zhipeng, et al. The research of multi-stage fracturing packing element resistant to gas influx, high temperature and high pressure[J]. Oil Production Engineering, 2015(2): 1-4,79.
    [12] 张智, 祝效华, 许建波. 基于正交试验的压缩式封隔器胶筒的结构参数优化[J]. 天然气工业, 2019, 39(3):80-84. doi:  10.3787/j.issn.1000-0976.2019.03.010

    ZHANG Zhi, ZHU Xiaohua, XU Jianbo. Structural parameters optimization of compression packer rubber based on orthogonal test[J]. Natural Gas Industry, 2019, 39(3): 80-84. doi:  10.3787/j.issn.1000-0976.2019.03.010
    [13] 闫志远, 张斌, 吴永朝, 等. 新型高温高压封隔器组合式胶筒结构设计及试验[J]. 石油矿场机械, 2021, 50(1):99-104. doi:  10.3969/j.issn.1001-3482.2021.01.016

    YAN Zhiyuan, ZHANG Bin, WU Yongchao, et al. Structural design and test of a new type of combined rubber barrel for high temperature and high pressure pacher[J]. Oil Field Equipment, 2021, 50(1): 99-104. doi:  10.3969/j.issn.1001-3482.2021.01.016
    [14] 王金友, 王澈, 潘啸天, 等. 致密油气藏分层压裂用柔性密封件的适应性研究[J]. 采油工程, 2015(4):6-10,76.

    WANG Jinyou, WANG Che, PAN Xiaotian, et al. Study on the adaptability of flexible sealing element for separate layer fracturing in tight oil and gas reservoirs[J]. Oil Production Engineering, 2015(4): 6-10,76.
  • [1] 邓正强, 兰太华, 林阳升, 何涛, 黄平, 罗宇峰, 王君, 谢显涛.  川渝地区防漏堵漏智能辅助决策平台研究与应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2021.04.008
    [2] 李宪文, 李喆, 肖元相, 陈宝春, 张燕明, 史华.  苏里格致密气水平井完井压裂技术对比研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2021.01.008
    [3] 韩烈祥.  川渝地区超深井钻完井技术新进展 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2019.05.001
    [4] 崔璐, 黄少璞, 康文泉, 窦益华, 王治国, 冉亚楠.  射孔工况下多喷嘴水力喷射工具冲蚀研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2018.05.014
    [5] 丁宇奇, 兰乘宇, 刘巨保, 迟云萍, 董春鹏.  分层压裂管柱冲蚀特性数值模拟与实验分析 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2017.02.019
    [6] 李博睿, 王静.  大规模多级压裂用全通径导喷封隔器 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2016.05.030
    [7] 田启忠.  复合坐封式注气封隔器的研制 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2015.02.032
    [8] 练章华, 魏臣兴, 宋周成, 丁亮亮, 李锋, 韩玮.  高压高产气井屈曲管柱冲蚀损伤机理研究 . 石油钻采工艺,
    [9] 桑涛, 张新山, 乔荣娜, 赵阳, 张宏杰, 吴亚.  GPZK344-98高膨胀比挤入封隔器的研制与应用 . 石油钻采工艺,
    [10] 黎明志, 陈俊国, 王志清, 甘树明, 李炜.  堵水管柱封隔器逐级验封技术 . 石油钻采工艺,
    [11] 林铁军, 练章华, 陈世春, 李敏, 陈峰.  气体钻井中气体携岩对钻杆的冲蚀机理研究 . 石油钻采工艺,
    [12] 辛林涛, 孙鑫宁, 刘海涛, 周旭, 李三平.  新型压差丢手Y445型封隔器的研制与应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2006.03.023
    [13] 李卫忠, 陈铁铮, 张岩.  FO-152型稠油注汽热采封隔器 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2002.01.024
    [14] 王增林.  膨胀式长胶筒封隔器及其应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2000.04.010
    [15] 檀朝东, 周晓东, 饶鹏.  一次多层压裂封隔器的研制及应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1999.04.023
    [16] 向瑜章.  Z331系列封隔器 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1996.04.022
    [17] 夏青.  浅析Y441-114(2)型封隔器的现场坐封压力 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1994.03.015
    [18] 张书瑞, 徐少敏, 崔已男.  牙轮钻头冲蚀原因的分析与建议 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1993.02.009
    [19] 冯建华, 罗铁军, 金学锋.  双封隔器复合管柱受力分析方法及应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1993.02.011
    [20] 王瑞和, 沈忠厚.  PDC钻头冲蚀机理分析与研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1992.03.001
  • 加载中
图(7) / 表 (4)
计量
  • 文章访问数:  0
  • HTML全文浏览量:  2
  • PDF下载量:  2
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 修回日期:  2022-06-11
  • 网络出版日期:  2022-08-16

川渝高压致密气储层多段压裂管柱关键技术

    作者简介:

    王金友(1965-),2010年毕业于东北石油大学石油工程与天然气专业,获博士学位,现从事分层采油和油气藏改造技术研究工作,教授级高级工程师。通讯地址:(163453)黑龙江省大庆市让胡路区西宾路采油工程研究院。E-mail:wangjinyou@petrochina.com.cn

    通讯作者: 许永权(1979-),2014年毕业于浙江大学控制理论与控制工程专业,获硕士学位,现从事气井压裂完井技术研究工作,高级工程师。通讯地址:(163453)黑龙江省大庆市让胡路区西宾路9号采油工程研究院。E-mail:xuyongquan@petrochina.com.cn
  • 中图分类号: TE357.1

摘要: 川渝地区致密气储层老井需要通过油管多段压裂工艺开发潜力,现有工艺管柱不能满足高压、大砂量冲蚀、钻井液条件下坐封及压裂后可取等复杂要求,为此开展了高压致密气储层多段压裂技术攻关。通过自主研制Y344型导压喷砂封隔器,集喷砂和封隔功能于一体,缩短了工具尺寸,提升多层压裂管柱通过性;利用有限元分析软件优化封隔器喷砂体和胶筒结构,优选42CrMo高强度材料,提高承压性能;开展了材料耐冲蚀和磨蚀研究,数值模拟方法分析流态,优化硬质合金零件布局,解决喷砂口等区域磨损大的问题;水力锚等工具均设计“进液防砂”结构,满足钻井液环境使用要求。室内实验表明,整体工艺管柱满足90 MPa高压要求,现场单层加砂量达到160 m3,为解决类似储层高压多段油管压裂问题提供了有效的技术手段。

English Abstract

王金友,许永权,宫磊磊,赵一泽,姚金剑. 川渝高压致密气储层多段压裂管柱关键技术[J]. 石油钻采工艺,2022,44(0):1-7
引用本文: 王金友,许永权,宫磊磊,赵一泽,姚金剑. 川渝高压致密气储层多段压裂管柱关键技术[J]. 石油钻采工艺,2022,44(0):1-7
WANG Jinyou, XU Yongquan, GONG Leilei, ZHAO Yize, YAO Jinjian. Key technologies of multi-stage fracturing string in Sichuan-Chongqing high-pressure tight gas reservoirs[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(0): 1-7
Citation: WANG Jinyou, XU Yongquan, GONG Leilei, ZHAO Yize, YAO Jinjian. Key technologies of multi-stage fracturing string in Sichuan-Chongqing high-pressure tight gas reservoirs[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(0): 1-7
  • 大庆油田为实现“十四五”天然气快速上产的目标,在川渝流转区块部署了老井复查工作。该区块属于致密气藏,储层渗透率低,早期受工艺水平限制,采用常规压裂,加砂量和施工排量较低,未取得预期效果,本次计划采用大规模体积压裂工艺,以实现提高单井产能、评价储层潜力的目的。目前,国内外致密气储层多段压裂主要采用封隔器坐压多层以及暂堵转向等工艺,而封隔器坐压多层工艺更适用于具备机械分层条件的储层。另外,为实现纵向储层分别单独试气评价,管柱需具备可取功能,多段高压施工条件下压裂管柱可取回收难度加大。早期文献记载多层压裂工艺包括机械封隔器连续分压技术,Y344封隔器及工艺管柱进行大规模压裂,库车山前深层高温高压气井多封隔器分层压裂工艺[1-3],但采用的工艺管柱在承压和可取性方面无法满足川渝高压致密气储层的施工要求,需要进行高压为100 MPa、大砂量150 m3、大排量7~9 m3/min、可取式多段压裂工艺管柱的科研攻关。

    • 目前,国内外高压多段压裂封隔器以70 MPa永久式封隔器(不可取)类型为主,压裂后直接试气。然而,川渝地区大规模体积压裂施工压力预计达到90 MPa以上(地面压力超过100 MPa)、单层加砂规模可达150 m3、施工排量7~9 m3/min,常规高压多段压裂封隔器无法满足其现场应用要求。同时,不同层系间跨距比较大,跨距范围为1 500~3 000 m,无法一趟管柱实现纵向所有层的压裂、试气,需要压裂后将管柱取出,暂堵储层后,上返压裂。针对川渝地区多层系评价的要求,工具管柱的性能要求:(1)工艺管柱耐温和承压需满足地质及施工工艺要求;(2)封隔器满足多段压裂,同时考虑到老井井身可能存在套管变形的可能,需要考虑管柱串的下入问题;(3)为实现体积压裂,工艺管柱需要同时满足排量和大砂量的磨蚀要求;(4)为满足钻井液条件下的使用要求,封隔器需要考虑钻井液防护措施,同时考虑替钻井液过程中的施工安全,避免因钻井液与压井液之间密度差过大,导致封隔器提前坐封。

    • 多封隔器工艺管柱对完整性要求较高,针对上述一系列技术需求,单独一种措施工艺无法满足全部施工要求,需要综合考虑施工工艺、工具材料、结构等问题,针对关键问题逐一解决。

      (1)在工艺管柱承压方面,需要进行各工况条件下管柱受力分析。早期文献提出了管柱力学全长分析与封隔器芯轴三维有限元分析结合的综合分析方法[4],对于高温高压油气井分段改造工艺,考虑了油管内流动和井筒传热特点,建立了数学模型,形成了一套多封隔器分段改造管柱设计方法[5],针对高压大排量工艺管柱需要进行严格的受力分析,保证核心压裂封隔器等工具满足承压要求。

      (2)考虑方便工具下入因素,要求工具减小外径、缩短长度。另外可突破常规管柱工艺,集成封隔器和封隔器的功能,将2种工具集成在一起,这样就可以简化管柱串结构,显著缩短工具长度,对于多段压裂来说,工具长度的缩短可以更有利于管柱的下入,降低了提前坐封的风险,同时也减少了工具连接时间,提高施工效率。

      (3)解决施工排量的问题,需要保证工具内通径增大、摩阻减小。解决加砂量的问题,主要考虑材质的耐磨性能,另外,结构需要进行优化,流态变化处要重点考虑进行缓变径的优化设计;通过开展材料耐冲蚀和磨蚀的研究,用数值模拟方法分析流态,优化硬质合金的零件布局,增强工具耐磨性。

      (4)解决钻井液问题,首先需要考虑防止固体颗粒进入封隔器的内部,为此优化设计了“进液防砂”机构,同时封隔器的坐封力设计为连续可调方式,根据现场钻井液的液体密度进行调整。

    • 工艺管柱主要由压裂油管、安全接头、水力锚、多级导压喷砂封隔器以及坐封球座、配套可溶球等组成。压裂施工前先对压裂层段刮削通井。然后下入工具串,到位后地面施加泵压,坐封封隔器,观察环空返液情况,确认环空无液体返出,满足施工条件后压裂第1层,之后逐级投球完成全井压裂,压裂之后直接返排压裂液,试气。整体工艺管柱可耐温120 ℃、承压90 MPa,单层加砂可达150 m3,油管压裂施工排量可满足9 m3/min,管柱具有工艺简单、高效,不动管柱最高压裂6层的特点,可根据生产需要压裂后取出管柱。

    • 井下管柱力学分析的目的就是计算管柱在下入、替液、坐封、射孔、压裂、开关井等压裂与完井投产过程中的载荷、应力和变形情况,以此来了解管柱的可下入性、管柱及封隔器在井下的状态和安全性,指导管柱设计和施工参数的选择。在坐封载荷及高泵压虚构力和生产压差所形成的活塞力作用下,跨距间管柱常常会失稳弯曲,甚至发生塑性变形,导致压裂失败。经典的无限长管柱力学理论不再适用于两端受到封隔器约束的有限长跨隔段管柱,考虑井眼和封隔器的约束,对跨隔段有限长管柱的弯曲行为重新进行分析[6]

      屈曲临界载荷公式为

      $$ {F_{\rm{c}}} = \sqrt {\frac{{{\text{4}}EI{q_{\rm{e}}}{\text{sin}}\phi }}{\delta }} $$ (1)

      弯矩表达式为

      $$ M = EI\delta {\left ( \theta \right)^2} $$ (2)

      最大弯曲应力为

      $$ {\sigma _{\rm{b}}} = \frac{{MD}}{{2I}} = \frac{1}{2}ED\delta {\left ( \theta \right)^2} $$ (3)

      式中,$ {{{F}}_{\rm{c}}} $为临界载荷,N;$ {{E}} $为管材弹性模量,Pa;$ {{I}} $为管柱横截面极惯性矩,m4$ {{{q}}_{\rm{e}}} $为单位长度管柱等效重量,kg;$ \phi $为井眼轴线偏离垂直方向的角度,°;$ \delta $为管柱与井壁间的径向间隙,m;$ M $为弯矩,KN·m;$ \theta $为转角,°;${\sigma_{\rm{b}}}$为最大弯曲应力,Pa;$ {{D}} $为管柱外径,m。

      根据上述跨距间管柱屈曲临界载荷、弯矩、弯曲应力计算公式,可以在已知跨距、管柱组合、坐封力、泵压或生产压差的情况下计算跨距间管柱、工具的强度。计算流程如图1所示。

      图  1  跨距间管柱屈曲临界载荷、弯矩、弯曲应力计算流程

      Figure 1.  Flow chart of critical load, bending moment and bending stress for string between spans

      式中,$ {{{F}}_1} $为跨距间管柱正弦弯曲临界力,N;$ {{{F}}_2} $为螺旋弯曲临界力,N;${{{F}}_{\textit{z}}}$为跨距间管柱受到的轴向压力,N;$ {{\Delta }}p $为生产压差,Pa;$ {A_{\rm{h}}} $为环空面积,m2$ {{{F}}_{\rm{f}}} $为有效坐封力,N;$ \sigma $为危险截面处的应力,Pa;$ {{A}} $为危险截面处管柱或工具的有效承载面积,m2$ \left[ \sigma \right] $为危险截面处许用应力,Pa;[Δpg]为跨距间管柱及工具强度所允许泵压或生产压差,Pa。

      根据松辽地区实际施工井的现场数据,利用图1中管柱强度计算流程进行了数值模拟分析,模拟结果如表1所示,与现场试验结果一致。有表1可知,此方法同样可用于川渝地区高压致密气储层,从理论分析层面,突破了卡距内油管施工压力不能超过70 MPa,一旦超过将导致油管断脱的常规管柱压裂工艺,将管柱限压提高到90 MPa,可有效指导工艺管柱的组配及施工参数的确定。

      表 1  不同施工参数模拟分析结果

      Table 1.  Simulation analysis results under different fracturing parameters

      井口参数上封隔器处参数悬挂封隔器
      所受上顶力/kN
      泵压/MPa外压/MPa轴力/kN等效应力/MPa安全系数轴力/kN等效应力/MPa安全系数
      9008065641.512685421.57456
      90107585041.692194581.86425
      90207114521.881723802.24349
      90306634062.11253022.82295
      90406153672.32782273.75241
    • Y344导压喷砂封隔器是压裂工艺的核心工具,集成了封隔器和喷砂器的功能,用于封隔不同压裂层段并进行喷砂压裂。如图2所示,Y344导压喷砂封隔器主要由上接头、滤网、节流嘴、球座、喷砂体、胶筒、活塞套、剪断销钉、下接头等组成。该封隔器采用节流压差式坐封。从油管加液压,通过封隔器喷砂体进液通道进液,推动活塞、压缩胶筒,实现坐封。压裂施工时,向封隔器中心管内投球,剪切滑套销钉,推动滑套下移,开启喷砂孔,提供压裂液及加砂通道,实现压裂目的。液压卸掉后,封隔器自动解封。

      图  2  Y344导压喷砂封隔器

      Figure 2.  Y344 pressure-steering sandblasting packer

      为了实现多段压裂,确保投球堵塞中心通道的情况下,下部封隔器胶筒处于正常坐封状态,设计了侧壁导压结构,可绕过球座及压裂球,通过侧壁设计的轴向导压通道将压力传导至活塞套内部,使胶筒处于工作状态,并精细设计了活塞面积,使压裂过程中胶筒上下压力处于平衡状态,保证胶筒密封可靠性。同时,为了避免钻井液里的重晶石等固体颗粒进入封隔器内部,导致导压通道堵塞以及活塞、滑套等零件无法运动,设计了“进液防砂”结构,需要进行钻井液防护的零件采用了线切割方式,同时导压通道上部设计了防砂滤网,通过内外部综合考虑,可有效保证封隔器工作正常。

    • 在材料选择方面,对42CrMo和硬质合金YG6材质耐冲蚀性能进行评价。如图3所示,依据喷射式冲蚀实验原理和管流式冲蚀实验原理,模拟现场施工条件,通过数据回归得出模型参数[7]

      图  3  喷射式冲蚀实验和管流式冲蚀实验

      Figure 3.  Jet erosion experiment and tubular erosion experiment

      根据实验结果,建立了冲蚀速率模型为

      $$ E = {E_{\rm{r}}}f\left ( \theta \right) f\left ( \lambda \right) $$ (4)
      $$ {{{E}}_{\rm{r}}} = {{k}}{{{v}}^{{n}}} $$ (5)
      $$ f\left ( \theta \right) = \sum\limits_{i = 1}^4 {{A_i}} {\theta _i} $$ (6)
      $$ f(\lambda )={\displaystyle \sum _{j=1}^{2}{B}_{j}{\lambda }_{j}} $$ (7)

      式中,$ {{E}} $为材料的冲蚀速率,mm/h;$ {{{E}}_{\rm{r}}} $为90°时材料的冲蚀速率随流速变化关系;${{v}}$为流速,m/s;k为模型系数、n为速度指数,数值与材料特性、液体特性以及颗粒特性有关;θ为液体冲击角度,°;λ为钻井液含砂量;AB为实验系数,实验数据无量纲化后拟合得出。

      实验结果见表2,由表可得出42CrMo和硬质合金YG6冲蚀规律:小角度冲击时,42CrMo属于韧性材料,45°冲击角度时,水平微切削和垂直锻打协同作用,使得材质的冲蚀速率达到最大;硬质合金YG6属于脆性材料,90°角冲击的冲蚀最大。随着流速的增加,颗粒动能增加,冲蚀速率增大;随着颗粒浓度增加,冲蚀速率逐渐趋于稳定。

      表 2  实验拟合参数数据统计

      Table 2.  Statistical table of experiment fitting parameters

      材料knA1A2A3A4B1B2
      42CrMo1.40×10−41.26−0.020.003−4.66×10−52.34×10−70.02−6.88×10−5
      YG66.99×10−60.60−0.020.003−4.69×10−52.40×10−70.01−8.19×10−5
    • 依据前期现场经验,导压喷砂封隔器冲蚀磨损最大的区域主要包括喷砂口内外区域。在上述得出材料参数的基础上,采用40/60目砂粒,粒径变化范围最小0.25 mm,最大0.42 mm,平均粒径0.335 mm,携砂液为排量4 m3/min、质量分数0.2 %的胍胶压裂液,利用幂律流体模型进行数值模拟分析。如图4所示,通过封隔器喷砂体内总压力模拟、封隔器喷砂体各台肩壁面冲蚀速率模拟的分析结果可知,封隔器喷砂体结构多处变化,使得流体流过装置内部时在不同位置产生不同程度的冲蚀,最大冲蚀速率发生在直冲肩,并在喷砂口处产生涡流,流态变化对本体冲蚀增加,单纯依靠42CrMo材质耐磨性差,与早期文献记载对球座等耐冲蚀性分析规律一致[8-9],为此考虑采用内部嵌套硬质合金材料,提高工具内部抗冲磨蚀性。

      图  4  封隔器喷砂体内总压力云图

      Figure 4.  Cloud map of total pressure in the sand blasting body of the packer

    • 胶筒是封隔器的核心部件,尤其对于高压气井,胶筒的材料、结构以及肩部保护等均需要细致的研究,早期文献记载分别就上述问题进行了详细分析[10-13]。研究针对储层特点重点在材料优选和结构优化方面进行了研究。

    • 研制的封隔器需要承受90 MPa高压,且用于气井,因此封隔器胶筒采用耐气胶料,为降低成本,降低价格昂贵的全氟醚用量,沿用了自主研制的全氟醚、聚丙氟、氟硅、纳米充填复合材料等。通过材料配方复配,引进高性能稳定树脂,提高胶筒弹性,增加了封隔器解封的可靠性,最终形成了耐气浸、耐高温高压的复合橡胶,其分子式如图5所示。

      图  5  耐气浸、耐高温高压复合橡胶分子式

      Figure 5.  Molecular formula of compound rubber resistant to gas immersion, high temperature and high pressure

    • 优化中胶筒密封结构角度如图6所示,改变了肩部角度尺寸,压缩式胶筒活动端边胶筒受力小,固定端边胶筒受力大,中胶筒受力随着承受压力的增加逐步增大,密封作用增强。文献[14]以及自身有限元分析均验证了承受上下压不同时,固定端胶筒受力大,活动端胶筒受力小,由于多段压裂胶筒双向承压,通过增加中胶筒尺寸可提高承压性能,综合考虑工具长度的承压关系,增加套管接触面积8%,通过了高压实验验证。

      图  6  胶筒角度优化前后对比

      Figure 6.  Comparison of rubber cylinder angle before and after optimization

    • 水力锚对于管柱的稳定具有至关重要的作用,一旦压裂过程中封隔器失封,还能起到防止管柱上顶的作用,设计了高锚定力的硬质合金水力锚。如图7所示,水力锚主要由上接头、主体、硬质合金块、锚爪、压板、下接头等组成。携砂压裂液流过水力锚时,由于水力锚内部结构变化,会造成局部阻力突然增大,管柱内壁的压力也会发生波动。通过模拟分析,水力锚内壁最大冲蚀速率发生在直冲肩,流体高速撞击直冲台肩,在流体急转弯处出现压力突变点。水力锚内壁结构突变形成绕流,导致该处湍流能聚集。流体产生较强的漩涡,漩涡不断的产生和剥落,一方面加剧腐蚀性介质的传质过程,使得此处的腐蚀加剧;另一方面会造成液固两相流体在此处的壁面剪切应力达到最大,导致腐蚀产物膜以及材料本体的冲蚀加剧。基于上述分析结果对水力锚结构进行了改进。

      图  7  硬质合金水力锚结构

      Figure 7.  Structure of cemented carbide hydraulic anchor

    • 首先对封隔器胶筒耐温承压性能进行了检验,在导热油介质中进行,最大程度地避免柴油介质对胶筒性能的影响。对胶筒加温至120 ℃、浸泡2 h后,通过控制中心进行打压,分别进行60、70、80及90 MPa阶梯打压,各稳压10 min,胶筒不渗不漏,重复试验3组,外观完好。实验数据见表3表4,实验结果表明封隔器满足压裂指标要求。

      表 3  胶筒结构尺寸

      Table 3.  Structural size of rubber cylinder

      部位外径/mm内径/mm长度/mm残余变形量%
      承压前承压后承压前承压后承压前承压后
      上胶筒113.00116.0073.0073.3085.0077.902.65
      中胶筒113.00117.4073.1073.8070.3063.603.89
      下胶筒113.00116.0073.0073.3085.2079.002.65

      表 4  胶筒硬度

      Table 4.  Rubber cylinder hardness

      测试部位上胶筒中胶筒下胶筒
      邵氏硬度/HA浸前928392
      浸后918292

      对封隔器整体性能进行了室内实验,将封隔器放入高压实验间,中心管打压、坐封完成后分别进行上下压检验,分别进行60、70、80、90 MPa阶梯打压,各稳压10 min,满足承压要求,达到设计指标。

    • 首先进行了水力锚承内压实验:水力锚上接头与打压头相连接,下接头与丝堵连接,用套管短接把锚爪全部覆盖,台钳夹紧套管短接,放入油浸实验铁板房内,依次打压30、50、70、80、90 MPa,分别稳压10 min;稳压性能良好。之后开展了锚定力实验:连接好水力锚、锚定力实验工装及套管,分别进行60、70、80、90 MPa阶梯打压,各稳压10 min,满足承压要求,达到设计指标。

    • (1)针对致密气储层多段压裂工具的使用条件进行了需求分析,研制了川渝致密气多层压裂工艺技术,管柱可耐温120 ℃、承压90 MPa、一趟管柱坐压6层,单层加砂超过100 m3,施工排量9 m3/min,压裂后工具可取,可满足川渝多层系压裂试气需求。

      (2)研制了新型高压、大砂量、大排量Y344型导压喷砂封隔器和硬质合金水力锚。封隔器通过了90 MPa、120 ℃室内实验评价,承压后解封顺利;水力锚通过了90 MPa高压和150 t锚定力实验;研究成果为加快天然气快速上产提供了技术手段。

参考文献 (14)

目录

    /

    返回文章
    返回