付 強(qiáng),董社霞,李英松,李 越,程文佳
(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300459)
水平井分段壓裂技術(shù)是伴隨著頁巖氣、致密氣、致密油等非常規(guī)油氣開發(fā)而發(fā)展起來的一項工程技術(shù)[1-2]。目前最常用的技術(shù)是裸眼水平井封隔器+滑套技術(shù),其通過投入不同直徑的球來打開壓裂滑套,實施壓裂作業(yè)[3-4]。目前的分段壓裂技術(shù)存在不足:
1) 需要投入不同直徑的球與球座配合,實現(xiàn)滑套開啟,分段級數(shù)有限。
2) 管柱無法實現(xiàn)全通徑,增大了壓裂液在管柱中流動時產(chǎn)生的摩阻。
3) 后續(xù)修井施工時需要鉆除滑套的球座,施工復(fù)雜,增加了危險性[5-6]。
為了克服現(xiàn)有壓裂技術(shù)的不足,研制了一種機(jī)械或液壓觸發(fā)無限級分段壓裂滑套。通過對現(xiàn)有的滑套結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),實現(xiàn)管柱全通徑,降低壓裂液在管柱中流動時產(chǎn)生的摩阻,并且提供后期修井作業(yè)的無障礙通道。相同尺寸的壓裂球可開啟全部滑套,避免分段數(shù)量受球徑的級差限制[7-8]。
本技術(shù)的核心是對壓裂井內(nèi)的滑套結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),通過設(shè)計可縮放的彈性套、可變形的可變徑球座,以及改進(jìn)彈性套和可變徑球座周圍零件結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)采用同一尺寸的低密度壓裂球開啟若干級滑套,按指定順序進(jìn)行壓裂,壓裂完成后呈現(xiàn)全通徑狀態(tài)。該技術(shù)使得壓裂段數(shù)無限增加,實現(xiàn)儲層的精細(xì)化改造。
彈性套結(jié)構(gòu)如圖1所示。彈性套結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新在于巧妙的解決了全通徑滑套的技術(shù)難點,即,既要使球能通過,又能為后面的投球做準(zhǔn)備。彈性套連續(xù)相對的凸塊與滑套管壁內(nèi)的凹槽[9]相對應(yīng),在未打開滑套時,始終呈現(xiàn)一端凸塊收縮,而另一端凸塊彈開進(jìn)入凹槽的狀態(tài)。這樣的結(jié)構(gòu),當(dāng)球過來時,始終有一端凸塊能接住球,在液體沖擊下,推動彈性套移動,從而使一端凸塊彈開,而另一端凸塊再收縮。然后重復(fù)動作,使壓裂球通過的同時,彈性套也按既定順序被激發(fā),移動規(guī)定的距離,直到把需要壓裂的的層位所對應(yīng)的滑套頂開,從而開始壓裂作業(yè)。此時,彈性套的兩端凸塊也同時落在了管壁凹槽內(nèi),處于彈開狀態(tài),并呈無縮徑狀態(tài)。
圖1 彈性套結(jié)構(gòu)
可變徑球座外形如圖2所示。球座的創(chuàng)新在于實現(xiàn)了壓裂后球座能變徑縮回凹槽,從而實現(xiàn)全通徑要求。當(dāng)內(nèi)滑套被頂開的同時,此球座也被內(nèi)滑套推動,使球座的變徑爪收縮至管壁內(nèi),形成球座,從而能接住壓裂球,實現(xiàn)壓裂作業(yè)。當(dāng)壓裂結(jié)束后返排時,球座在彈簧的作用下被推回,彈性爪縮回管壁凹槽,從而實現(xiàn)全通徑。
圖2 可變徑球座外形
全通徑分段壓裂滑套的外部由上接頭、壓裂球、彈性套等組成,如圖3所示。在壓裂施工中,全通徑滑套的內(nèi)部零件是一個連續(xù)的動作過程,在設(shè)計中充分考慮了內(nèi)部各種零件的工作狀態(tài),和相互之間的運(yùn)動關(guān)系。
1-上接頭;2-壓裂球;3-彈性套;4-內(nèi)滑套;5-密封圈;6-鎖塊;7-外殼;8-可變徑球座;9-復(fù)位彈簧;10-球座滑套;11-塞環(huán);12-外套;13-下接頭。圖3 全通徑分段壓裂滑套。
以2級滑套為例,對滑套的動作全過程進(jìn)行圖例說明,如圖4a所示,第1個球在彈性套上部,彈性套上部彈爪收縮,下部彈爪打開;如圖4b所示,第1個球在彈性套中部,彈性套上部彈爪打開,下部彈爪收縮;如圖4c所示,第1個球過彈性套后,到達(dá)下級滑套,彈性套上部彈爪收縮,下部彈爪打開;如圖4d所示,第2個球在彈性套上部,彈性套上部彈爪收縮,下部彈爪打開;如圖4e所示,第2個球在彈性套中部,彈性套上部彈爪打開,下部彈爪收縮,內(nèi)部滑套被推動;如圖4f所示,第2個球過了彈性套,彈性套上部和下部的彈爪全部打開,實現(xiàn)彈性套位置全通徑,內(nèi)部滑套內(nèi)孔和外套的內(nèi)孔相對,實現(xiàn)油管內(nèi)部和環(huán)空貫通,內(nèi)部滑套推動下部可變徑球座變形收縮成1個閉合的球座;如圖4g所示,受壓力影響,球推動可變徑球座持續(xù)向下移動,塞環(huán)打開卡住球座滑套;如圖4h所示,球被返排液推到上層,受彈簧作用,可變徑球座被向上推動,彈開到自由狀態(tài),實現(xiàn)滑套內(nèi)部全通徑。
圖4 兩級滑套在壓裂過程中的動作示意
壓裂滑套內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有兩個零件具有彈爪結(jié)構(gòu),分別是可變徑球座和彈性套。
1) 可變徑球座彈爪變形分析。
可變徑球座的結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸如圖5所示。
圖5 可變徑球座結(jié)構(gòu)
彈臂變形如圖6所示。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三卷第十二篇第十章片彈簧中的表12-10-3計算彈臂的工作變形量[10]。設(shè)計中,由于外形尺寸限制,可變徑球座彈臂的變形量為δ=8 mm。
圖6 彈臂變形示意
彈臂的最大變形計算公式為:
式中:δmax為彈臂的最大變形;E為材料的彈性模量;h為彈臂的厚度;b為彈臂的寬度;L為彈臂的長度;σP為材料的許用應(yīng)力;Fmax為最大徑向載荷;J為截面慣性矩。
彈性爪的材料為65Mn硅錳鋼,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》,取E=205 800 MPa,σP=637 MPa。由圖5得,彈臂的厚度h=4 mm,彈臂的長度L=207 mm。
計算得
上述計算的彈臂最大變形量為δmax=22.1 mm,大于設(shè)計值δ=8 mm。因此,可變徑球座收縮變形后會彈開到自由狀態(tài),此處變形設(shè)計為可靠設(shè)計。
2) 可變徑球座回退力計算。
計算可變徑球座變形后從球座滑套回退時所需要的力。首先計算出單個彈臂對球座滑套的徑向工作載荷,然后再乘以彈臂的數(shù)量和摩擦因數(shù),便可以得出可變徑球座回退軸向力(也就是復(fù)位彈簧的工作彈力)。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》第三卷第十二篇第十章片彈簧中的表12-10-3計算彈臂的最大工作載荷[10]。根據(jù)其變形量,求出單個彈臂的工作載荷。
式中:Fmax為彈臂在最大工作極限時的載荷;W為截面斷面系數(shù);b為彈臂的寬度,由圖5知b=(12.71+14.79)÷2=13.75 mm。
計算得
彈臂對球座滑套內(nèi)壁的壓力為:
式中:F為彈臂觸頭對球座滑套內(nèi)壁的壓力。
可變徑球座共有12個彈臂,以上計算的為單個彈臂對球座滑套內(nèi)壁的壓力,全部彈臂與球座滑套內(nèi)壁摩擦力計算公式為:
f=12μF
式中:μ為摩擦因數(shù),取μ=0.15。
計算得:
f=12μF=12×0.15×40.84=73.5 N
所以,可變徑球座在球座滑套中被拉出時所需要的力為73.5 N。
3) 彈性套受力分析。
結(jié)合圖7對彈性套進(jìn)行受力分析。彈性套在殼體內(nèi)由左向右運(yùn)動,左邊彈爪受到壓縮,對內(nèi)壁產(chǎn)生1個向外的彈力。彈性套向右移動時要克服上接頭內(nèi)壁對左側(cè)彈爪的摩擦力,以及溝槽對右側(cè)彈爪的阻力。
圖7 彈性套動作結(jié)構(gòu)
計算左側(cè)彈臂的最大工作極限載荷:
式中:Fmax1為左側(cè)彈臂最大工作極限載荷;b1為彈臂寬度,且b1=13.835 mm;h1為彈臂厚度,且h1=4 mm;L1為彈臂長度,且L1=161.5 mm。
計算左側(cè)彈臂的最大變形量:
彈性套左側(cè)的彈臂實際變形量δ1=8 mm,則計算單個彈臂對上接頭內(nèi)壁的彈力為:
彈性套左側(cè)彈臂共有8瓣,計算左側(cè)彈臂摩擦力為:
f1=8μF1=8×0.15×86.5=103.8 N
則,為克服左側(cè)彈臂摩擦力所需推力為:
Fl=f1=103.8 N
下面計算右側(cè)單個彈臂從溝槽中拉出來所需要的推力Fr。
根據(jù)右側(cè)彈臂向右運(yùn)動的過程畫出受力分析圖,如圖8所示。
圖8 彈臂運(yùn)動過程受力分析
右側(cè)彈臂移動到上接頭內(nèi)壁所受的力F2和左側(cè)彈臂彈力一致,即F2=F1=86.5 N。
要使彈臂觸頭能夠從溝槽內(nèi)被拉出,拉力Fr1要克服Fr2和F22對A點產(chǎn)生的摩擦力和F21的合力。列出力的平衡方程:
μ(Fr2+F22)+F21=Fr1
其中:
F21=F2×cosβ
F22=F2×sinβ
Fr2=Fr×cosβ
Fr1=Fr×sinβ
式中:β為溝槽斜面角度,β取45°。
帶入已知量,求得Fr=117 N。
根據(jù)以上,計算彈性套從左向右移動所需要的力為:
F3=Fl+8Fr=103.8+8×117=1 039.8 N
4) 彈性套應(yīng)力有限元分析。
建立彈性套的有限元模型,分析得到應(yīng)力云圖,如圖9所示。彈性套從凹槽收縮回原位置時只受到彈性套自身的回復(fù)力,不會超出屈服極限。因此,只分析從原位置到凹槽的過程中所受到的最大應(yīng)力值。由圖9知,上接頭和彈性套的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力,即,彈性套在這個運(yùn)動過程中應(yīng)力是在安全范圍內(nèi)。
圖9 彈性套的有限元應(yīng)力云圖
由于節(jié)流產(chǎn)生壓降的影響因素十分復(fù)雜,目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流壓降的計算方法。所以,在求解之前,進(jìn)行如下假設(shè)[11]:
1) 模型中壓裂球以及彈性爪在沒有移動時為剛體。當(dāng)兩邊壓差達(dá)到一定值后,壓裂球立即脫離彈性爪,脫離時間極小。
2) 外殼內(nèi)流量變化可看做準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程,即流量隨時間的變化梯度為一極小值。
3) 壓裂球與彈性爪接觸面之前外殼內(nèi)流體壓力均相等,接觸面之后外殼內(nèi)流體壓力均相等。
4) 忽略重力作用。
將彈性套結(jié)構(gòu)簡化,建立模型如圖10所示。壓裂球與彈性爪接觸面之前外殼內(nèi)流體壓力為p1,流量為Q1,接觸面之后外殼內(nèi)流體壓力為p2,流量為Q2。
圖10 彈性套的模型簡化
根據(jù)2.1節(jié)計算結(jié)果,當(dāng)推力F3=1 039.8 N時,彈性套可移動。物體所受壓力的等效面積等于物體在垂直壓力面的投影面積。由圖10知,受力面積SP為總面積減去過流面積的差值,即
SP=S-Sg
式中:S為上接頭過流面積,S=8 167.14 mm2;Sg為彈性爪閉合狀態(tài)下客觀存在的過流通道等效面積,在三維建模軟件SolidWorks中,通過做截面并對截面屬性進(jìn)行測量得到Sg=808.24 mm2。
則:
SP=8 167.14-808.24=7 358.9 mm2
將推力F3換算成壓差Δp為:
根據(jù)連續(xù)性方程可知:
Q1=Q2=vgSg
式中:vg為過流速率。
根據(jù)節(jié)流壓降公式:
式中:α為阻力系數(shù),將孔口簡化為圓柱形孔口,取α=0.5;ρ為液體密度,以水的密度計算則ρ=1×103kg/m3。
由以上兩式,可得:
滑套開啟時,液體推動球,球在液體作用下推動彈性套,彈性套再推動內(nèi)滑套,完成開啟動作。為了防止內(nèi)滑套在其他施工過程中因節(jié)流壓差推動誤開啟,在內(nèi)滑套上安裝了剪切銷釘。因此,滑套開啟時,彈性套要克服2個力作用,分別是2.1節(jié)中的彈性套自身移動的力和內(nèi)滑套上剪釘剪切力。
根據(jù)壓裂施工最大排量360 m3/h計算并選取剪釘,最終確定剪切力為F4=259 N?;组_啟時,彈性套受力為:
F5=F3+F4=1 039.8+259=1 298.8 N
計算節(jié)流壓差為:
計算滑套打開所需排量:
在可變徑球座位置設(shè)計復(fù)位彈簧。彈簧作用是將可變徑球座從球座滑套中拉出,其克服第2.1節(jié)中計算出的力f=73.5 N。
參照圖11a,彈簧的安裝高度為178 mm,彈簧絲直徑為?7 mm,彈簧的中徑取值?105 mm。參照圖11b,壓裂球推動球座滑套到極限位置后,最大工作載荷時彈簧的高度為83.5 mm。參照圖11c,壓縮彈簧推動可變徑球座從極限位置到最小工作載荷位置,此時彈簧的高度為132.5 mm。
圖11 彈簧受力分析
根據(jù)以上計算并確定彈簧的基本參數(shù)如下[10]:
彈簧的旋向 右旋
彈簧的材料 65 Mn
彈簧的自由高度 185 mm
彈簧的鋼絲直徑 7 mm
彈簧的中徑 105 mm
有效圈數(shù) 5.5圈
彈簧的結(jié)構(gòu) 兩端壓緊磨平,支撐圈數(shù)1圈
彈簧的熱處理硬度 HRC43~48
彈簧的有限元應(yīng)力分析結(jié)果如圖12所示。
圖12 彈簧的應(yīng)力云圖
復(fù)位彈簧最大應(yīng)力值出現(xiàn)在靠近上端第3圈附近,且未超過其屈服強(qiáng)度,強(qiáng)度滿足要求。
機(jī)械驅(qū)動過球試驗裝置如圖13所示。通過機(jī)械驅(qū)動過球試驗,驗證分段壓裂滑套的動作完整性。試驗步驟為:
1) 依次把4個滑套連接在一起,安放在上扣機(jī)中,并用上扣機(jī)夾緊。
2) 用連桿將4只球連接起來,然后與上扣機(jī)的推拉機(jī)構(gòu)連接。
3) 用推拉機(jī)構(gòu)將壓裂球推送進(jìn)滑套內(nèi),觀察4個滑套是否按順序依次開啟。
按既定方案連接好滑套,把壓裂球用剛性連桿串接,然后與拉力傳感器連接,再與上扣機(jī)的推拉機(jī)構(gòu)連接,測得打開滑套的力為1 050 N,4個滑套全部開啟。
壓裂液開啟滑套試驗裝置如圖14所示。試驗步驟為:
圖13 機(jī)械驅(qū)動過球試驗裝置
1) 依次把4個滑套連接在一起,通過變扣與壓裂泵連接。
2) 開泵,從排量1 m3/min開始觀察,直到看見滑套本體出口開始出液為止,記錄此時泵的排量和壓力。
3) 一旦觀察到一級滑套開啟并開始出液,停泵,卸開工具與泵連接位置。然后,把第2個壓裂球投入管串中(如果有投球口,可直接從投球口中投入壓裂球),再接上泵。開泵,以不低于上一步打開滑套的排量進(jìn)行試驗,直到看到二級滑套的出口有液體排出,停泵。
4) 繼續(xù)投球,依次重復(fù)作業(yè),直到所有滑套開啟并有液體排出,試驗即可結(jié)束,功能試驗完成。
圖14 壓裂液開啟滑套試驗裝置
按既定方案連接好滑套,并將滑套與泵連接。所用壓裂液參數(shù)為:清潔壓裂液,黏度110 mPa·s,壓裂砂粒徑為30~50目[12]。試驗結(jié)果表明,滑套全部開啟時排量為80 m3/h。
1) 分段壓裂滑套沒有級差縮徑,整個壓裂管柱使用同一種尺寸的壓裂球來打開滑套,理論上分段數(shù)量不受限制。
2) 通過理論計算和有限元分析,滑套關(guān)鍵零部件滿足強(qiáng)度要求。
3) 室內(nèi)試驗驗證了滑套開啟性能。通過混砂壓裂液驅(qū)動開啟滑套試驗,滑套需要的最小開啟排量為80 m3/h,該數(shù)值與理論計算值相吻合。
4) 該裝置及其配套工藝管柱為無限級分段壓裂提供了一項新技術(shù),可廣泛應(yīng)用于海上低滲和陸上非常規(guī)油氣藏壓裂增產(chǎn)作業(yè)。