張尚君,柴國興,王登慶

(1.勝利油田集興石化安裝有限公司,山東東營257000;2.中國石油大學(xué)(華東),山東東營257061; 3.中國石化勘探開發(fā)研究院,北京100083;4.中石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000) *

新型壓裂用防砂水力錨試驗(yàn)研究

張尚君1,柴國興2,3,王登慶4

(1.勝利油田集興石化安裝有限公司,山東東營257000;2.中國石油大學(xué)(華東),山東東營257061; 3.中國石化勘探開發(fā)研究院,北京100083;4.中石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000)*

概述了新型水力錨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、擋砂性能試驗(yàn)研究及工具性能特點(diǎn)。利用工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了新型防砂水力錨,提高了工具安全性能;該工具可以有效過濾細(xì)砂,擋砂精度達(dá)到60～100μm,能廣泛應(yīng)用于直井、斜井及水平井中,滿足壓裂以及采油、注水的工藝要求。

水力錨;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);防砂機(jī)構(gòu)

由于壓裂管柱承受復(fù)雜力的作用,需要用水力錨(或其他卡瓦式錨定工具)錨定管柱[1-5]。常規(guī)水力錨[6-7]結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由錨體、錨爪、彈簧等部件組成。壓裂施工時(shí),內(nèi)部液壓力推動(dòng)錨爪伸出錨體,錨定到套管上固定管柱。由于常用水力錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的缺陷,錨爪內(nèi)腔很容易進(jìn)砂和存砂,特別應(yīng)用于大斜度井和水平井中時(shí),工具是平躺在水平段,液體中的雜質(zhì)、地層砂及壓裂支撐劑(壓裂砂等)會(huì)沉淀,錨爪內(nèi)腔進(jìn)砂、存砂更為嚴(yán)重,影響工具使用性能,工具解卡時(shí)影響錨爪復(fù)位,造成水力錨解卡困難,甚至造成大修事故。

圖1 常規(guī)水力錨結(jié)構(gòu)

陳廣超、王掌洪等人設(shè)計(jì)過用于油井采油管柱錨定的錨定工具,具有管柱錨定和泄油的功能,但是不能用于壓裂等工藝中[8-9]。祝慶遠(yuǎn)設(shè)計(jì)過一種用于注水井中管柱錨定工具,可以減輕工具內(nèi)部結(jié)垢影響,是一種帶錐體的水力卡瓦,也不適合壓裂工藝[10]。陳振杰等優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種可用于壓裂工藝中的水力錨,對(duì)水力錨的防砂卡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造[11]:錨爪孔底部采用錐形結(jié)構(gòu),在錨體與內(nèi)部襯管間的空隙內(nèi)充填黃油,提高了解卡時(shí)錨爪的復(fù)位能力;但是在大斜度井、水平井以及深井壓裂使用時(shí),井內(nèi)壓力溫度變化大,工具受力復(fù)雜,該改造不能從根本上解決水力錨內(nèi)腔進(jìn)砂引起解卡困難的問題。

筆者研制了新型壓裂用防砂水力錨,可以有效解決以上問題。

1 結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

針對(duì)常規(guī)水力錨存在的問題,進(jìn)行工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。新型水力錨結(jié)構(gòu)如圖2所示,基本結(jié)構(gòu)包括錨定機(jī)構(gòu)(包括錨爪、彈簧、橡膠密封等)、錨體和防砂機(jī)構(gòu)3部分。

增加了防砂機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)由多層金屬氈濾砂網(wǎng)、帶孔芯管、中心襯管以及橡膠密封等組成,與錨爪組成一個(gè)封閉的錨爪內(nèi)腔,進(jìn)出錨爪內(nèi)腔的液體只能通過擋砂濾砂網(wǎng),可以有效過濾進(jìn)入錨爪內(nèi)腔的液體;同時(shí),由錨體和下接頭傳遞管柱的拉、壓力和扭矩,防砂機(jī)構(gòu)不承受極限力的作用,保證了工具的安全性能。

圖2 新型防砂水力錨結(jié)構(gòu)

所有進(jìn)出錨體內(nèi)腔的液體都要經(jīng)過防砂機(jī)構(gòu)的多層金屬氈濾砂網(wǎng)。室內(nèi)試驗(yàn)研究表明:該濾砂網(wǎng)具有很好的液體滲透性,能夠保證工具技術(shù)性能和使用性能,同時(shí)可以有效防止地層砂、壓裂支撐劑及其他雜質(zhì)進(jìn)入錨體內(nèi)腔,提高工具安全性能,該機(jī)構(gòu)擋砂精度高,可以有效過濾細(xì)砂,多層金屬氈濾砂網(wǎng)過濾精度可以達(dá)到60～100μm。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

工具有5個(gè)系列,主要參數(shù)如表1。

表1 防砂水力錨技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)研究

2.1 擋砂性能試驗(yàn)

多層金屬氈濾砂網(wǎng)的擋砂精度試驗(yàn)所用的主要設(shè)備器材為:驅(qū)替擋砂試驗(yàn)裝置、激光粒度分析儀、篩分粒度儀、量筒、秒表、直尺、千分尺、燒瓶、金屬氈樣品。

2.1.1 擋砂精度試驗(yàn)步驟

a) 用千分尺測(cè)出金屬氈樣品直徑D、厚度L,計(jì)算滲流面積A(4.948 cm2)。

b) 將樣品小樣與襯筒固定,襯筒內(nèi)填滿地層砂,放入夾持器內(nèi),上緊,加圍壓pw。

c) 開泵加液壓,調(diào)節(jié)柱塞泵轉(zhuǎn)速,待穩(wěn)定后記錄壓力表壓力 p,用量筒和秒表分別計(jì)量液體體積v和時(shí)間t,計(jì)算流量Q,取水樣待化驗(yàn)。

d) 由小到大調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)柱塞泵轉(zhuǎn)速,記錄穩(wěn)定后各轉(zhuǎn)速的 p、V、t、Q,取水樣待化驗(yàn)。

e) 利用激光粒度分析儀對(duì)所取水樣進(jìn)行粒度分析,測(cè)量其擋砂精度。

2.1.2 擋砂精度試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)液體為清水,粘度μ=1 mPa·s;圍壓pw= 0.4 MPa;液柱高度 H=3.5 cm,即壓差Δp= 3.43×10-4MPa。利用篩分粒度儀對(duì)試驗(yàn)用地層砂進(jìn)行篩析,測(cè)得其粒度中值為123.5μm。

金屬氈小樣擋砂精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及粒度檢測(cè)結(jié)果 如表2。

從表2可以看出,在不同流量Q情況下試驗(yàn)5次,該新型水力錨試驗(yàn)擋砂精度為 63.51～75.19 μm,流量Q大小對(duì)擋砂精度基本無影響,擋砂精度取值75.19μm。通常,壓裂支撐劑的顆粒粒徑要大于地層砂,例如,我國常用的壓裂用石英砂和陶粒的顆粒平均粒徑為0.606～0.980 mm[1],遠(yuǎn)大于本次試驗(yàn)用地層砂的粒徑(123.5μm),因此,壓裂施工時(shí),該新型防砂水力錨可以有效防止地層砂及壓裂支撐劑進(jìn)入錨爪內(nèi)腔。

2.2 性能特點(diǎn)

a) 良好的擋砂防砂性能。該工具防砂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)多層金屬氈濾砂網(wǎng),具有很好的液體滲透性,在保證工具各項(xiàng)性能指標(biāo)和使用性能的同時(shí),可以有效防止臟物進(jìn)入工具內(nèi)腔,提高了工具安全性能,極大降低了水力錨砂卡事故發(fā)生的概率。

b) 工具系列配套,可以滿足 ?114.3～ 142.875 mm(英寸)套管的工藝技術(shù)要求,使用成本低,易于推廣應(yīng)用。

c) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,防砂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有獨(dú)創(chuàng)性,使用簡單方便,安全可靠。

d) 適用范圍廣。既可用于壓裂酸化措施工藝中,也可用于采油生產(chǎn)和注水工藝中;滿足直井、斜井及水平井的工藝要求,特別在大斜度井和水平井中應(yīng)用具有更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

1) 新型防砂水力錨配套應(yīng)用于采油、注水以及措施改造中,可大幅度降低水力錨不能解卡造成事故的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 工具擋砂精度高,可以有效過濾細(xì)砂,多層金屬氈濾砂網(wǎng)過濾精度可以達(dá)到60～100μm。配套應(yīng)用于水平井分段壓裂工藝中,具有良好前景。

3) 該設(shè)計(jì)理念可推廣到其他工具的防砂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。

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Development of a New Type of Hydraulic Anchor Used in Fracturing String

ZHANG Shang-jun1,CHAI Guo-xing2,3,WANG Deng-qing4
(1.J ixing Petrochemical Installation Co.,Ltd.,Shengli Oilf ield,Dongying257000,China; 2.China University ofPetroleum,Dongying257061,China; 3.Ex ploration&Production Research Institute,Sinopec,Beijing100083,China; 4.Oil Production Research Institute,Shengli Oilf ield Company,Dongying257000,China)

The new hydraulic anchor structure,experimental study of anti-sand part and technical features of the tool are presented.Combining lab testing and tool design,the new type of anti-sand hydraulic anchor could effectively solve these problems and improve tool safety,effectively filter fine sand,and sand filtering precision is about 60μm-100μm.The tool can be used in vertical wells,deviated and horizontal wells to meet the oil production,water injection and fracturing.

hydraulic anchor;structure design;anti-sand device

1001-3482(2010)12-0054-03

TE931.2

A

2010-06-23

張尚君(1972-),女,四川岳池人,助理工程師,主要從事油田設(shè)備工具的檢測(cè)工作。