柴國興,劉 松,王慧莉,李繼志

(中國石油大學機電工程學院,山東東營 257061)

新型水平井不動管柱封隔器分段壓裂技術

柴國興,劉 松,王慧莉,李繼志

(中國石油大學機電工程學院,山東東營 257061)

通過分析水平井分段壓裂技術現(xiàn)狀,提出一種新型水平井不動管柱封隔器分段壓裂工藝技術。介紹新型工藝技術的管柱結構、工藝原理及創(chuàng)新點,并利用ABAQUS有限元分析軟件對工藝管柱進行力學分析。結果表明:新型分段壓裂工藝管柱能達到力學設計要求;新技術的創(chuàng)新點在于能夠?qū)崿F(xiàn)一趟管柱完成 2～3層段分段壓裂,設計封隔器長膠筒摩擦錨定,降低安全事故的發(fā)生,設計工具擋砂傳液機構,有效避免工具內(nèi)腔進砂引起的事故,管柱無卡瓦錨定,可以反洗井,整個壓裂施工可以在一天內(nèi)完成,施工簡單,可以有效節(jié)省作業(yè)時間和作業(yè)費用。

油井生產(chǎn);采油設備;壓裂;分段壓裂;水平井;封隔器隔離;有限元分析

低滲透油氣藏在世界范圍內(nèi)儲量豐富,以勝利油田為例,至 2007年底,低滲透油藏探明儲量 7.31億 t,占全油區(qū)探明儲量的 15.4%,年產(chǎn)油量 338萬t,占油田產(chǎn)量的 12.2%,平均采收率 18.6%。利用水平井開發(fā)低滲透油氣藏已經(jīng)成為油氣勘探開發(fā)界的共識,20世紀 80年代,國內(nèi)外開始研究水平井的壓裂增產(chǎn)技術,在分段壓裂施工工藝技術與井下配套工具等方面也取得了一定進展,但總體配套完善不足,與生產(chǎn)實際需求存在較大差距[1-14]。針對這種情況,筆者研究水平井不動管柱封隔器分段壓裂技術,以有效解決砂卡洗井、卡瓦式工具卡鉆等問題。

1 水平井分段壓裂工藝技術現(xiàn)狀分析

國內(nèi)外研究人員在水平井分段壓裂方面都做了大量的研究和試驗工作。國外研制出了許多相關的新技術,如 Halliburton(哈里伯頓)公司的水力噴射分段壓裂技術[1-3](國內(nèi)李根生[13-14]等人也做過這方面的研究),BJ(必捷)公司的水力射孔與封隔器分段壓裂技術[7],斯倫貝謝公司的分段壓裂技術(其工具是美國 Packer Plus Energy Services公司[4-6]的產(chǎn)品)等,這些新技術在中國地區(qū)也進行了現(xiàn)場試驗。分析認為,這些技術也存在一些局限性和不足:斯倫貝謝公司的分段壓裂技術一般只能用于裸眼井中,分段壓裂完成后壓裂管柱不能起出,一般只能用于氣井,在油井中應用存在許多限制條件;水力噴射分段壓裂技術摩擦阻力大,施工壓力高,環(huán)空壓裂對套管損傷大,深井應用受到一定限制。

國內(nèi)也有許多關于套管完井水平井封隔器分段壓裂工藝的研究和試驗,例如吐哈油田李軍[11]等設計的水平井機械隔離分段壓力技術利用封隔器 +機械橋塞的分段進行分段,需要水力錨錨定和打撈橋塞等;大慶油田的雙封單卡分段壓裂管柱也需要卡瓦錨定,每段壓裂結束后需要上提管柱再進行上段壓裂,存在作業(yè)工序相對復雜、卡瓦工具易遇卡等問題和不足[12]。

總之,對于卡瓦錨定工具 +封隔器的水平井分段壓裂工藝,分段越多,壓裂施工中發(fā)生事故的概率越高,如封隔器密封漏失、卡瓦錨定工具不能解卡、砂堵洗井困難等,甚至造成大修事故。總體來說我國該工藝技術不完善、不配套,現(xiàn)場試驗應用中也出現(xiàn)了許多技術問題,特別在水平井分段壓裂工藝和井下工具等方面,與我國實際生產(chǎn)需求還存在較大的差距[9]。

2 新型水平井不動管柱封隔器分段壓裂工藝管柱設計

該水平井封隔器分段壓裂管柱是針對套管完井的水平井而設計的,可滿足常規(guī) 13.97 cm套管和17.78 cm套管工藝要求,較好解決了卡瓦錨定工具壓后不能解卡和砂堵不能洗井的問題,通過投低密度球方式實現(xiàn) 2～3層逐層上返壓裂的目的。該工藝不需要下入水力錨等卡瓦錨定工具,壓裂施工中管柱的錨定力主要由擴張式長膠筒封隔器的摩擦力提供,施工中可以進行反洗井作業(yè)。

2.1 工藝管柱設計

為了解決卡瓦式錨定工具在壓裂施工后不易解卡的問題,設計用密封件與套管之間的靜摩擦力提供管柱的錨定。劉清友[10]曾經(jīng)研究分析了壓縮式長膠筒封隔器膠筒在水平井酸化中起到錨定功能。為保證管柱的錨定可靠,上部增加一級 SPK344長膠筒擴張式封隔器增加摩擦錨定。整個壓裂管柱可以實現(xiàn)砂堵時進行反洗井作業(yè)?；组_關通過投低密度球液壓打開,壓裂施工結束返排時隨液體帶出,也可以反洗井帶出球體。

工藝管柱主要由 SPK344擴張式封隔器、系列滑套開關、SPY341液壓封隔器等工具組成,管柱示意圖見圖1。

圖 1 水平井封隔器分段壓裂管柱Fig.1 Staged fracturing string with packer isolation in horizontal well

2.2 工藝原理

管柱下至設計位置后,裝好壓裂井口等裝置,反洗井,正加液壓使底部閥關閉。管內(nèi)增壓至 SPY341封隔器坐封壓力,使封隔器坐封。套管加液壓,檢驗油套環(huán)空的密封性。

壓裂施工時,開始壓裂層 1。投一對應低密度球,泵送至相應滑套開關上,加液壓打開滑套,即可進行層 1段的壓裂。相同步驟逐級上返直至完成全部井段。最后全井返排,帶出所有球體,需要時可以反洗井。需要起出井內(nèi)壓裂管柱時,上提下放管柱解封封隔器,然后起出整個管柱。

3 新型水平井分段壓裂管柱力學分析

3.1 壓裂管柱動力學基本方程

3.1.1 運動平衡方程

取桿微元受力(圖 2所示),運動狀態(tài)如圖 3所示。其中 F表示桿管柱的內(nèi)力,h表示單位長度上的外力,M表示桿管柱的內(nèi)力矩,m表示單位長度桿管柱上的外力對桿管柱中心 O2的矩,H表示單位長度桿管柱對井眼中心 O1的動量矩。通過受力分析,建立運動平衡方程

式中,A為管柱的截面積,m2;ρ為管柱材料密度, kg/m3;t為時間,s;Ω為管柱繞井眼中心公轉角速度矢量,rad/s;ω為管柱自轉角速度矢量,rad/s;I0為單位長度管柱繞自身軸線的轉動慣量,(kg· m2)/m;Ro為管柱外半徑,m;Ri為管柱內(nèi)半徑,m;et為管柱變形線切線方向的單位向量;r0為井眼中心的矢徑,m。

3.1.2 本構方程

設桿管柱的抗彎剛度為 EI,抗扭剛度為 GJ,忽略剪力的影響,則本構方程為

式中,E為彈性模量,Pa;I為截面慣矩,m4;G為剪切彈性模量,Pa;J為截面極慣矩,m4;γ為桿管柱的扭轉角,rad;Ft為桿管柱的軸向拉力,N;T為溫度的增量,℃;ε為線膨脹系數(shù),℃-1;Mt為桿管柱的扭矩,N ·m。

3.2 受力分析

油管柱有效軸向力主要是油管自重產(chǎn)生的拉力、浮力、摩擦力、摩阻力、彎矩和完井后井內(nèi)溫度、壓力變化產(chǎn)生的附加軸向力以及封隔器引起的壓縮力等的綜合軸向力。

圖 4所示為水平井井眼軌跡垂直剖面圖。Hk為造斜點深,Hv為垂深,入靶點 (D)處水平位移為 L1,靶體DE段長度為L2,整個油氣井(井眼)斜深為L。

式中,W為整個油管在空氣中的自重,N;Th為井口拉力,N;qs為油管線重,N/m;Ws為整個管柱在井內(nèi)的重力,N。

圖 4 水平井井眼軌跡垂直剖面圖Fig.4 W ell track vertical section of horizontal well

水平井中,油管柱在水平段產(chǎn)生的垂向拉力為零,造斜段產(chǎn)生的垂向拉力也小于造斜段油管的總重力。在造斜段BDE曲線上任意取一微小段ΔLi,其重力為Wi,則沿軌跡線的軸向拉力為 Ti,與井壁法向正壓力為Ni,井斜角為αi。圖 5是其力學模型,有

則

式中,TB為B點油管的軸向拉力,N;TA為井口 A點油管在空氣中的實際拉力,N。

圖 5 水平井壓裂管柱力學模型Fig.5 M echan icalmodel of horizontal well fracturing string

3.3 水平井分段壓裂管柱有限元力學分析

利用有限元軟件ABAQUS對管柱力學模型進行有限元分析,采用軸對稱模型對其簡化,建立的管柱模型及網(wǎng)格劃分如圖6所示。膠筒材料為橡膠,材料常數(shù) C10=1.87 MPa,C01=0.47 MPa;其余材料定義為鋼,其彈性模量 E=206 GPa,泊松比μ=0.3;網(wǎng)格劃分中心管、套管和護套采用CAX4R單元,膠筒采用CAX4RH單元劃分;定義中心管與壓縮式封隔器的護套摩擦系數(shù)為 0.1,其他接觸摩擦系數(shù)定義為 0.3;擴張式封隔器的護套與中心管定義為綁定約束,護套與長膠筒的頂部和底部也定義為綁定約束。

圖 6 模型裝配圖(左)及網(wǎng)格劃分(右)Fig.6 Assembly drawi ng of model and grid map of seal rubber

管柱力學分析分兩步進行,加載方式為先在長膠筒的內(nèi)部逐漸施加 30～50MPa的內(nèi)壓力,使擴張式長膠筒與套管接觸密封,管柱錨定套管不動。膠筒與套管的接觸應力值如圖 7所示,最大接觸壓力為 33.3 MPa。然后對管柱進行加載,包括管柱的內(nèi)部壓力和管外壓力,以及封隔器對管柱的摩擦力,封隔器附近中心管的應力值如圖 8所示。

圖 7 長膠筒接觸應力曲線Fig.7 Contact stress curve of long rubber

從圖 8應力曲線可以看出,中心管在與封隔器接觸處的應力值最大,中心管的最大應力值為168.2MPa,發(fā)生在封隔器與中心管的結合處。壓裂施工時該部位最容易被拉斷,因此在工具設計時對該類部件選取高強度材料 (選用 35Cr Mo材料),增加抗拉強度。

圖 8 中心管處應力曲線Fig.8 Stress curve of central tube

4 創(chuàng)新點與優(yōu)點

4.1 創(chuàng)新點

(1)工藝管柱的無卡瓦錨定設計,設計封隔器長膠筒摩擦錨定,降低了安全事故的發(fā)生,可有效避免卡瓦式錨定工具卡鉆的問題。

(2)密封膠筒內(nèi)加入了特殊材料,增強密封耐壓性能和抗疲勞破壞性能。

(3)設計工具擋砂傳液機構,有效避免了工具內(nèi)腔進砂引起的事故。

(4)綜合應用不動管柱 +分段壓裂 +可洗井等技術。

4.2 技術優(yōu)點

(1)可以在不動管柱的情況下,實現(xiàn)水平井 2～3段的分段壓裂;可以對水平井的長井段進行均勻布酸和有效的措施改造,大大提高水平井的壓裂措施效益。

(2)一般情況,整個壓裂施工可以在 1 d內(nèi)完成,節(jié)省了泵注時間和費用,加快了返排時間,降低了殘酸或壓裂液對油層的污染傷害,有利于保護油氣層。

(3)管柱具有反洗井功能,砂卡時可以進行反洗井作業(yè)。

5 結束語

力學分析證明該新型水平井封隔器分段壓裂工藝管柱達到設計要求,其中心管在與封隔器接觸處的應力值最大,是應力破壞薄弱處,設計時進行了充分考慮。該技術提高了我國套管完井水平井分段壓裂的工藝技術水平和配套工具水平,具有良好的推廣應用前景。

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(編輯 修榮榮)

New single-trip staged fracturing technology with packer isolation in horizontal wells

CHA I Guo-xing,L IU Song,WANG Hui-li,L IJi-zhi
(College of Electromechanical Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

By analyzing the status of horizontal staged fracturing technology,a new type of single-trip staged fracturing technologywith packer isolation in horizontalwellswas proposed,and its string structure,process principle and innovation were given.The mechanical analysis for the stringwas carried out by usingABAQUS finite element analysis software.The results show that the new fracturing string can achieve fracturing process design requirements.The innovations of the new technology is to complete 2-3 layers staged fracturing in single-trip,design a packerwith a long rubber to fix the string and reduce the occurrence of accidents,design anti-sand toolpart to effectively prevent sand from going into tool and causing fracturing accident.W ith non-slip anchor tool,counter-washingwells can be realized,and thewhole fracturingwith simple construction can be completed in one day,which can effectively save time and operating costs.

oilwell production;oil production equipment;fracturing;staged fracturing;horizontalwell;packer isolation; finite element analysis

TE 355

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.028

1673-5005(2010)04-0141-05

2010-03-20

柴國興(1968-),男(漢族),山東昌樂人,高級工程師,博士研究生,從事采油工程和井下工具的研究。