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煤層氣分段壓裂壓縮式裸眼封隔器技術(shù)與應(yīng)用

2019-09-19 11:35:20
關(guān)鍵詞:卡簧膠筒防突

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266580 中石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101 德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司,山東德州253005)

中國是世界上煤層氣資源儲量比較豐富的國家之一,特別是在山西晉城地區(qū),煤層氣早期開發(fā)技術(shù),多借鑒常規(guī)油氣井的壓裂開發(fā)工藝,初步形成了直井分層壓裂、水平井分段壓裂、重復(fù)壓裂等多項開發(fā)工藝。在當(dāng)今能源供求矛盾日趨嚴(yán)重的新形勢下,為改變單井產(chǎn)能較低的現(xiàn)狀,擴大單井泄壓面積,多采用連續(xù)油管拖動壓裂、分簇射孔、使用復(fù)合橋塞壓裂技術(shù)[1~3]。在增大單井經(jīng)濟效益的同時,最大限度地降低單井完井工藝設(shè)備成本、簡化完井作業(yè)工序等新問題日益突出。水平井壓縮式裸眼封隔器分段壓裂技術(shù),是一項先進的新型完井技術(shù)[4~6]。裸眼封隔器的性能好壞,對完井壓裂作業(yè)流程的成敗,直接起到了決定性的作用[7~9]。國外Baker Hughes、Halliburton等公司均開發(fā)了配套封隔器技術(shù),達到了生產(chǎn)封隔器整體性能的更高要求[10~12],但結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜,不適用于煤層氣開發(fā)應(yīng)用。國內(nèi)對裸眼封隔器的研究主要集中在擴張式裸眼封隔器方面,工具設(shè)計整體結(jié)構(gòu)較長,容易發(fā)生工具下入困難等問題,對壓縮式裸眼封隔器的研究還處于起步階段。為此,筆者針對煤層氣井壓裂管柱設(shè)計特點,開展了適用于煤層氣井水平壓裂的?140mm壓縮式裸眼封隔器的研制,優(yōu)化了防突機構(gòu)和鎖緊機構(gòu),進行了環(huán)空高壓密封試驗。在完成地面性能試驗的基礎(chǔ)上,在山西晉城地區(qū)煤層氣井進行了現(xiàn)場入井試驗,封隔效果良好。

1 ?140mm壓縮式裸眼封隔器

?140mm壓縮式裸眼封隔器主要由剛性本體、卡簧、液缸、整體式膠筒、內(nèi)支撐環(huán)、防突環(huán)、擋環(huán)、擋塊等單元組成,如圖1所示。為提高裸眼封隔器的高效封隔能力,縮小工具外徑,采用整體式膠筒密封結(jié)構(gòu);將液缸和優(yōu)選的鎖緊機構(gòu)采取一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計,配合端面防突功能,增強工具入井的可靠性;優(yōu)化液缸內(nèi)外徑結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)封隔器設(shè)計單元緊湊,提高工具入井的適應(yīng)性。

1.1 工作原理

裸眼封隔器隨完井管柱下至設(shè)計井深位置,壓裂過程中通過憋壓,壓力通過傳壓孔傳入液缸,在液壓作用下驅(qū)動裸眼封隔器坐封。當(dāng)壓力升至液缸剪釘設(shè)計數(shù)值時,剪斷剪釘,推動液缸發(fā)生軸向移動,同時壓縮整體式膠筒,迫使膠筒發(fā)生徑向擴張,填充環(huán)空間隙,膠筒貼緊裸眼井壁后發(fā)生擠壓,產(chǎn)生接觸應(yīng)力,從而實現(xiàn)封堵封隔器與裸眼井壁之間環(huán)空的功能。在液缸發(fā)生軸向移動時,同步帶動鎖緊機構(gòu)移動,在防退卡簧裝置的作用下不產(chǎn)生回退,從而保證了裸眼封隔器密封效果的可靠性和封隔環(huán)空的長久性。

圖1 ?140mm壓縮式裸眼封隔器

1.2 技術(shù)特點

1)防退鎖緊機構(gòu)。由防退卡簧套和防退卡簧2部分組成。相比常規(guī)的防退鎖緊機構(gòu),優(yōu)選的雙面螺紋卡簧結(jié)構(gòu),在內(nèi)外表面分別設(shè)計有不同螺距、不同大小的倒齒螺紋,防退卡簧套與液缸設(shè)計為一體式,內(nèi)表面螺紋與本體上的鋸齒螺紋鎖緊實現(xiàn)防退,外表面螺紋則是通過卡簧套施加到螺紋錐面的作用力產(chǎn)生對卡簧的徑向抱緊力,提高防退效果。該結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊,安裝方便,在卡簧套上設(shè)計剪釘孔,將卡簧套與封隔器本體固定在一起,防止封隔器在下入過程中受井壁的刮擦而提前坐封。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是坐封后回彈距離較小,且卡簧及本體受力均勻,防退承載能力更強。

2)整體式膠筒防突機構(gòu)。包括整體式膠筒、三套防突環(huán)和內(nèi)支撐環(huán)。3個防突環(huán)組合,可有效支撐膠筒,防止膠筒膨脹過程中出現(xiàn)肩部突出,影響密封效果。防突環(huán)Ⅲ裝于膠筒兩側(cè),在封隔過程中起到支撐保護膠筒作用;防突環(huán)Ⅰ和防突環(huán)Ⅱ設(shè)計為C形結(jié)構(gòu),且開口處成180°對置,采用凹凸槽平面配合,在膠筒膨脹的過程中,為保護膠筒提供軸向支撐與限位作用,阻止膠筒受軸向載荷作用下朝套管與井壁的環(huán)形間隙內(nèi)“流動”,迫使膠筒呈均勻壓縮狀態(tài)處在一個密閉空間內(nèi),從而達到提高與井壁保持較高接觸應(yīng)力的目的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是起到了擴大封隔支撐面的作用,保護膠筒免受油、氣侵蝕,從而延長封隔膠筒的使用壽命。

3)設(shè)計技術(shù)參數(shù)。設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計技術(shù)參數(shù)

2 性能分析

2.1 雙面螺紋鎖緊機構(gòu)有限元分析

圖2 鎖緊機構(gòu)有限元模型及受力云圖

封隔器在承受環(huán)空高壓時,作用在密封元件上的力會傳遞到鎖緊機構(gòu)上。通過對鎖緊機構(gòu)建立有限元模型(見圖2(a))進行分析,在本體、卡簧、卡簧套所涉及的彈性模量E=2.06×105MPa、泊松比μ=0.3、屈服強度σs=758MPa的參數(shù)下,在卡簧套下表面施加70MPa的軸向載荷后,應(yīng)力數(shù)值分別為:本體應(yīng)力最大值168.3MPa,卡簧應(yīng)力最大值406.7MPa,卡簧套應(yīng)力最大值286.7MPa,計算分析安全系數(shù)都大于1.5,結(jié)構(gòu)強度,滿足要求。雙面螺紋鎖緊機構(gòu)整體應(yīng)力均勻,沒有應(yīng)力集中,且各零部件最大Mises應(yīng)力較小,雙面螺紋鎖緊機構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(見圖2(b))。

2.2 整體式膠筒防突試驗分析

將封隔器膠筒放置在有軸向支持的模擬井眼內(nèi),如圖3所示。通過液壓方式對封隔膠筒進行壓縮坐封,壓縮后的膠筒在鎖緊機構(gòu)的作用下位置鎖定,有效防止膠筒后退,保持膠筒壓縮狀態(tài),無松弛現(xiàn)象,維持膠筒與井壁的高接觸應(yīng)力狀態(tài),在實現(xiàn)環(huán)空高壓封隔的情況下,檢驗防突機構(gòu)性能。

1)組裝?140mm裸眼封隔器,膠筒末端未安裝防突環(huán),將封隔器裝入模擬井眼內(nèi)徑為?216mm試驗裝置,放入90℃的水浴加熱裝置中,分別正向反向打壓至11、21、30、40、50、61、71MPa,各穩(wěn)壓5min。未安裝防突環(huán)的封隔器膠筒末端出現(xiàn)了以壓碎和撕裂為主的破壞。

圖3 整體試驗裝置

圖4 試驗后的膠筒

2)重新組裝?140mm裸眼封隔器,膠筒末端安裝防突環(huán),采取第1次試驗的方式,分別正向反向打壓至21、35、50、65、70MPa,各穩(wěn)壓5~8min。安裝防突環(huán)的封隔器膠筒無破損,防突環(huán)均勻脹開,未出現(xiàn)整體式膠筒破損的現(xiàn)象,如圖4所示。

2.3 裸眼封隔器高溫高壓性能試驗

將裸眼封隔器裝入設(shè)計內(nèi)徑為216mm井眼的套管內(nèi),進行密封能力和膠筒承壓能力試驗。把試驗工具放入150、155、170℃的油浴加熱裝置中,如圖5、圖6、圖7所示。分別加熱2h,將封隔器連接電動試壓泵,打壓至20MPa剪釘剪斷,之后分別環(huán)空正向打壓30、40、50、60、70MPa,均穩(wěn)壓5min無壓降。試驗結(jié)束后,測量封隔器本體無變形,整體式膠筒膨脹均勻無破損。

圖5 封隔器試驗裝置

圖6 不同加熱溫度

圖7 170℃條件下封隔器環(huán)空試壓情況

使用同樣的試樣方法,把裸眼封隔器裝入內(nèi)徑為?226mm(井徑擴大率5%)和?237mm(井徑擴大率10%)模擬井眼進行膠筒封隔試驗,觀察封隔器變化。重新試制滿足?171.5mm井眼的最大外徑為165mm,最小內(nèi)徑為121mm的改進型壓縮式裸眼封隔器,按照同樣的試驗方法,對封隔器的膠筒密封能力進行了地面測試。試驗結(jié)果表明,研發(fā)的壓縮式裸眼封隔器在內(nèi)徑為?216mm的模擬井眼內(nèi)的封隔能力達到70MPa以上,在5%井徑擴大率井眼內(nèi)封隔能力達到70MPa,在10%井徑擴大率井眼內(nèi)封隔能力達到50MPa,在?171.5mm模擬井眼內(nèi)封隔能力達70MPa。工具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,裝配方便,卡簧防退效果良好,防突機構(gòu)設(shè)計合理,完全滿足煤層氣井壓裂封隔技術(shù)要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

以山西晉城沁水盆地上的一口煤層氣對接井為例。該地區(qū)煤層硬度高、瓦斯含量高等[13]。該井設(shè)計為三開制井身結(jié)構(gòu),完鉆井深1444.5m,井眼設(shè)計為水平井,水平位移1147m,最大井斜97.2°,全井在500~540m,600~610m,650~660m,990~1000m,1280~1290m井段存在狗腿度較大的問題,最大狗腿度11.71°/30m。一開采用?381mm鉆頭鉆至35m,下?273mm套管固井;二開采用?241.3mm鉆頭鉆至513m,下?193.7mm技術(shù)套管494m完成固井;三開采用?171.5mm鉆頭鉆至1444.5m,計劃下入?139.7mm套管采取“回接壓裂+懸掛封隔+壓縮式裸眼封隔器+壓差滑套”分段壓裂工藝完井,壓裂區(qū)間1044m。壓裂管柱結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 壓裂管柱結(jié)構(gòu)圖

3.1 施工工藝

1)預(yù)置完井管柱。根據(jù)該井水平段的長度及地質(zhì)狀況,設(shè)計壓裂段數(shù)為5級,設(shè)計預(yù)置管柱并進行地面檢查編號,分段壓裂完井工具性能參數(shù)及入井?dāng)?shù)量詳見表2。

2)現(xiàn)場施工。組織適應(yīng)?193.7mm套管的刮壁器,對距離二開套管鞋30m以上套管進行刮壁處理;使用單螺旋扶正器模擬管串結(jié)構(gòu):?171.5mm牙輪鉆頭+雙母+?88.9mm斜坡鉆桿1根+?168mm螺旋扶正器1個+?88.9mm斜坡鉆桿+加重鉆桿+鉆桿,通井至井底;在做好井筒準(zhǔn)備工作、檢查所有設(shè)備確認完好后,按照預(yù)制管柱設(shè)計進行下完井壓裂管柱作業(yè);管柱下至預(yù)定位置后,對管柱進行稱重;完成懸掛器封隔器坐掛,環(huán)空試壓檢測密封性,泄壓打開閘板防噴器,完成丟手操作;下入回接壓裂管柱,調(diào)整方余,為壓裂施工做好準(zhǔn)備。

表2 改造完井工具數(shù)量及技術(shù)參數(shù)

3.2 壓裂情況

該井壓裂施工前期,通井及投球滑套和壓縮式裸眼封隔器等工具管串下入正常,懸掛封隔器坐掛、丟手、環(huán)空密封試驗均很正常,回接壓裂管柱插入正常。壓裂過程中,壓差式滑套和投球式滑套均按照設(shè)計值正常打開,期間出現(xiàn)的偏高施工壓力證明了壓縮式裸眼封隔器具備良好的封隔性能,施工壓力正常趨勢明顯,無竄層等異?,F(xiàn)象發(fā)生。

目前規(guī)格為?140mm高性能壓縮式裸眼封隔器先后在煤層氣成功應(yīng)用4口井,共計完成壓裂20段次,累計應(yīng)用該型號封隔器40余套。在壓裂過程中瞬時最高壓力35MPa,壓裂期間無泄漏現(xiàn)象,保證了壓裂施工的順利進行,表明該壓縮式裸眼封隔器技術(shù)安全可靠,施工工藝設(shè)計合理,滿足現(xiàn)場需求。

4 結(jié)論

1)研發(fā)的高性能壓縮式裸眼封隔器,通過應(yīng)力分析,鎖緊機構(gòu)強度足夠,地面試驗防突效果理想,驗證了工具結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,滿足壓裂密封要求。

2)通過在不同井徑擴大率井眼中的高溫高壓分層封隔模擬試驗,驗證了壓縮式裸眼封隔器在不同井徑條件下同樣具有良好的封隔、密封能力。

3)現(xiàn)場通過大狗腿度、長水平段、窄間隙等復(fù)雜井況的應(yīng)用,表明壓縮式裸眼封隔器具備良好的通過性和適應(yīng)性,層段壓裂成功率100%,工具施工安全可靠,滿足了復(fù)雜井況作業(yè)需求。

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