艾 池 米潔翰 付 虹 張 軍

東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室, 黑龍江 大慶 163318

封隔器間距對壓裂管柱下入摩阻力的影響

艾 池 米潔翰 付 虹 張 軍

東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室, 黑龍江 大慶 163318

壓裂管柱下入到井斜角較大井段時,管柱所受摩阻力會產(chǎn)生極大值,摩阻力遠大于管柱自重,管柱無法下入到設計的井段。為保證多封隔器壓裂管柱順利下入到目的層位,應分析壓裂管柱下入過程遇阻的影響因素。應用管柱力學理論分析帶封隔器管柱下入時的摩阻力,建立了考慮多封隔器間距對壓裂管柱剛度影響的摩阻力計算模型,對壓裂管柱所帶封隔器數(shù)目及封隔器間距離進行優(yōu)化,降低壓裂管柱所受摩阻力,確保帶封隔器管柱順利下入到目的層位。

多級壓裂；封隔器間距；井斜角；摩阻力

0 前言

水平井分段多級壓裂技術(shù)是提高水平井產(chǎn)能的重要手段,由于水平井造斜段井眼曲率大,壓裂管柱下入過程中,管柱與井壁間的接觸點增多[1-5],管柱所受摩阻力明顯增大,導致壓裂管柱下入困難[6-8]。為保證壓力管柱順利下入到設計井段,應對壓裂管柱下入遇阻因素進行分析。2007年付建紅等人[9]采用有限元軟件,計算剛性扶正器處的接觸力,得到套管柱在水平井的摩阻力；2010年閆鐵等人[10]利用分段計算方法,建立水平井鉆柱摩阻力扭矩計算模型,對井眼曲率變化較大的加重鉆桿進行修正；2015年練章華等人[11]根據(jù)水平井多段壓裂工藝管柱受力特點,建立懸掛封隔器的力學模型。為保證管柱順利下入,需分析井眼軌跡、封隔器數(shù)量和封隔器間距對管柱下入摩阻力的影響,并根據(jù)靜力學平衡方程,建立壓裂管柱下入的摩阻力計算模型。通過優(yōu)化壓裂管柱所帶封隔器數(shù)目和封隔器間距離,降低壓裂管柱所受摩阻力,保證管柱下入到設計井段,為壓裂管柱順利下入提供新方法[12-20]。

1 壓裂管柱力學模型

1.1 兩個接觸點間管柱彎曲模型

為研究壓力管柱在井筒中的變形情況,將封隔器及滑套視為鉸鏈。見圖1,管柱與井壁的接觸點將管柱分為n段,假設Di、Di+1兩點為管柱第i段的兩個端點,過兩端點建立坐標系。

圖1 管柱彎曲模型

y軸方向彎矩方程:

(1)

式中:ωi(x)為距Di+1點x處管柱y軸方向彎曲產(chǎn)生的撓度,m。

管柱彎曲撓曲角為:

(2)

式中:αi為x軸與水平面夾角。F1xi為支點Di受到x方向的支持力,N；F1yi為支點Di受到y(tǒng)方向的支持力,N；F2xi為支點Di+1受到x方向的支持力,N；F2yi為支點Di+1受到y(tǒng)方向的支持力,N；M1i為支點i處管柱的彎矩,N·m；M2i為支點i+1處管柱的彎矩,N·m；q為管柱線密度,N/m,l為Di、Di+1點間管柱長度,m。

1.2 全井管柱受力模型

兩接觸點間任意位置管柱撓曲程度可通過F1xi、F1yi、F2xi、F2yi、M1i、M2i6個力結(jié)合式(2)求解。管柱下入過程認為是勻速運動,滿足靜力平衡方程:

F1xi+F2xi+qlsinα-μ(F1yi+F2yi)=0

(3)

管柱軸向力:

(4)

管柱第i段的受力和彎矩可以通過式(3)、(4)求解。計算時,先計算第一段管柱受力和彎矩,然后依次從第二段向上計算,逐漸求解至管柱中性點。中性點上部管柱主要處于垂直段和彎曲段前端,幾乎無摩阻力,可采用軟桿模型進行求解。

1.3 管柱摩阻力與大鉤載荷計算

管柱下入過程摩阻力及井口大鉤載荷計算方法如下:

1)令初始下入深度為零；

2)每次開始運算時增加相同的深度,假設管柱中的封隔器、滑套等井下工具為管柱與井壁的接觸點；

3)將已選取并計算完成的基本數(shù)據(jù)代入相關基本公式中,取i=1；

4)計算第i段管柱受力與彎曲情況,判斷該段中管柱是否與井壁產(chǎn)生新的接觸點；

5)其余管柱的摩阻力采用軟桿模型計算,井口處管柱軸向拉力即為井口大鉤載荷；

6)記錄計算出的井口大鉤載荷,重復計算至管柱下入井底。

2 壓裂管柱下入計算實例

根據(jù)式(4),用VB編寫出計算管柱載荷的程序,可計算不同影響因素對摩阻力的影響。本文以紅平某井為實例,得出完井裸眼封隔器管柱下入時,當管柱下入2 550m、3 180m時發(fā)生不同程度遇阻。通過多次提放管柱的方法,使完井管柱順利下入。下入過程中,實測與程序計算大鉤載荷對比見圖2。

圖2 某井實測與程序計算大鉤載荷對比

通過實測及程序計算大構(gòu)載荷對比發(fā)現(xiàn),本文模型計算完井管柱大鉤載荷雖然比實測大鉤載荷稍大,考慮到本文僅針對管柱長度對管住摩阻力的影響,忽略井底溫度、壓力、封隔器的活塞效應等因素對管柱摩阻力的影響,可以認為本模型符合計算分析。

3 封隔器管柱優(yōu)化設計實例

3.1 管柱長度對摩阻力影響分析

封隔器滑套產(chǎn)生的附加摩阻集中在彎曲段內(nèi),為了分析單封隔器、滑套間距對管柱摩阻力的影響,以某井井眼軌跡數(shù)據(jù)為基礎,在沒有軸向力的前提下分5種情況對管柱摩阻力進行分析,即管柱長度分別為10、15、20、25、30m分析管柱在不同井斜角下的摩阻力分布,見圖3:

圖3 不同管柱長度摩阻力變化趨勢線

從圖3中可以看出,在同一管柱長度下,摩阻力隨井斜角的增加而緩慢增加,當井斜角達到40°時,摩阻力開始急劇增加,在井斜角達到60°時得到最大值,而后在井斜角達到75°時急劇減小到接近于0。并且當單段管柱長度小于20m時,摩阻力已經(jīng)遠遠大于管柱自重,當管柱長度從20m增加到50m時,摩阻力會逐漸減小。所以,設計壓裂管柱結(jié)構(gòu)時,應控制管柱長度在20～50m之間,過小則無法下入,過大則會影響水平井段的壓裂效果。

3.2 完井管柱封隔器下入數(shù)量優(yōu)化

某井管柱結(jié)構(gòu)從井底到最上端滑套,井下工具共有26個,其中浮鞋+壓差滑套1個,錨定封隔器1個,裸眼封隔器12個,投球滑套12個,其間連入套管71根,總長度804.62m。依據(jù)井下工具間距的設計方案,對完井管柱封隔器、滑套數(shù)量進行優(yōu)化計算。在保證最上端滑套位置不變的基礎上優(yōu)化封隔器、滑套數(shù)量。利用程序計算出不同封隔器、滑套數(shù)量時某井不同封隔器大鉤載荷見圖4。

圖4 某井不同封隔器大鉤載荷

某井在原設計方案下,增加1、2個封隔器及滑套時,管柱下入過程中,大鉤剩余載荷較大,管柱可以安全下入。增加3個封隔器、3個滑套時,大鉤載荷在管柱下入后期明顯減小,下入可能發(fā)生遇阻現(xiàn)象。增加4個封隔器、4個滑套時,大鉤載荷在管柱下入3 120m時減小至10t以下,管柱無法安全下入。某井施工時,實際裸眼封隔器下入數(shù)為13個,用模型計算得出的極限封隔器下入數(shù)量為15個,因此,最多可以增加的封隔器數(shù)量為2個。

4 結(jié)論

1)相同井斜角時摩阻力隨管柱長度的增加而減小,單段管柱長度小于20m時,摩阻力已經(jīng)遠遠大于管柱自重,當管柱長度從20m增加到50m時,摩阻力會逐漸減小。

2)套管下入過程受封隔器下入位置對管柱所受摩阻力影響較大。管柱下入到彎曲井段時，封隔器距管柱前端距離越近，管柱所受摩阻力越大；管柱下入到井底時，封隔器距管柱前端距離越近，管柱所受摩阻力越小。

3)該井完井裸眼封隔器極限下入數(shù)量分別為15個,計算模型可預測裸眼封隔器下入極限數(shù)量,為今后完井管柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供必要的依據(jù)。

[1] 屈 靜,劉 斌.水平井全通徑分段壓裂工藝的研究和應用[J].天然氣與石油,2014,32(5):61-63.QuJing,LiuBin.ResearchandApplicationofHorizontalWellFullBoreSegregatedFracturingTechnology[J].NaturalGasandOil, 2014, 32 (5): 61-63.

[2]付大其,程運甫.BS區(qū)塊大斜度井分段壓裂工藝研究與應用[J].天然氣與石油,2013,31(5):58-61.FuDaqi,ChengYunfu.StudyonStagedFracturingProcessforHighlyDeviatedWellsinBlockBSandItsApplication[J].NaturalGasandOil, 2013, 31 (5): 58-61.

[3]張光明,曹 暢,王 軍,等.頂封條件下注水套管受力的有限元模擬分析[J].天然氣與石油,2015,33(1):59-61.ZhangGuangming,CaoChang,WangJun,etal.AnalysisonFiniteElementSimulationofCasingStressUnderUpperPackerWaterInjectionCondition[J].NaturalGasandOil, 2015, 33 (1): 59-61.

[4]楊金華,朱桂清,張煥芝,等.值得關注的國際石油工程前沿技術(shù)(Ⅰ)[J].石油科技論壇,2012,31(4):43-50.YangJinhua,ZhuGuiqing,ZhangHuanzhi,etal.NotableAdvancedInternationalPetroleumEngineeringTechnology(Ⅰ) [J].OilForum, 2012, 31 (4): 43-50.

[5]苑偉民.摩阻系數(shù)方程對比研究[J].天然氣與石油,2014,32(6):21-24.YuanWeimin.ComparativeStudyonFrictionFactorEquations[J].NaturalGasandOil, 2014, 32 (6): 21-24.

[6]張應安.松遼盆地致密砂巖氣藏水平井多級壓裂現(xiàn)場實踐—以長深D平2井為例[J].天然氣工業(yè),2011,31(6):46-48.ZhangYingan.MultiStageFracTreatmentinHorizontalWellsofTightSandstoneGasReservoirsintheSongliaoBasin:ACaseHistoryoftheHorizontalWellChangshenD2 [J].NaturalGasIndustry, 2011, 31 (6): 46-48.

[7]檀朝東,閆學峰,楊喜柱,等.大位移水平井完井管柱力學分析研究[J].石油礦場機械,2008,37(2):20-24.TanChaodong,YanXuefeng,YangXizhu,etal.StudyofTubingStringMechanicalAnalysisinExtendedReachHorizontalWellCompletion[J].OilFieldEquipment, 2008, 37 (2): 20-24.

[8]楊 富,鄒國曙,馬得華,等.蘇里格氣田蘇平36-6-23井裸眼完井分段壓裂技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2010,32(4):46-50.YangFu,ZouGuoshu,MaDehua,etal.OpenHoleCompletionStagedFracturingTechnologyforSuping36-6-23WellinSuligeGasField[J].OilDrilling&ProductionTechnology, 2010, 32 (4): 46-50.

[9]付建紅,龔龍翔,胡順渠,等.基于ANSYS的水平井下套管摩阻分析計算[J].石油鉆采工藝,2007,,29(4):32-35.FuJianhong,GongLongxiang,HuShunqu,etal.CalculationofFrictionalDragBasedonANSYS[J].OilDrilling&ProductionTechnology, 2007, 29 (4): 32-35.

[10]閆 鐵,李慶明,王 巖,等.水平井鉆柱摩阻扭矩分段計算模型[J].大慶石油學院學報,2011,35(5):69-72.YanTie,LiQingming,WangYan,etal.SegmentalCalculationModelforTorqueandDragofDrillStringinHorizontalWells[J].JournalofDaqingPetroleumInstitute, 2011, 35 (5): 69-72.

[11]練章華,張 穎,趙 旭,等.水平井多級壓裂管柱力學、數(shù)學模型的建立與應用[J].天然氣工業(yè),2015,35(1):85-91.LianZhanghua,ZhangYing,ZhaoXu,etal.EstablishmentandApplicationofMechanicalandMathematicalModelsforMulti-StageFracturingStringsinaHorizontalWells[J].NaturalGasIndustry, 2015, 35 (1): 85-91.

[12]柴國興,劉 松,王慧莉,等.新型水平井不動管柱封隔器分段壓裂技術(shù)[J].中國石油大學學報(自然科學版),2010,34(4):141-145.ChaiGuoxing,LiuSong,WangHuili,etal.NewSingleTripStagedTechnologywithPackerIsolationinHorizontalWells[J].JournalofChinaUniversityofPetroleum(EditionofNaturalScience), 2010, 34 (4): 141-145.

[13]高德利,高寶奎.水平井段管柱屈曲與摩阻分析[J].石油大學學報(自然科學版),2000,24(2):1-3.GaoDeli,GaoBaokui.EffectsofTubularBucklingTorqueandDraginHorizontalWell[J].JournalofUniversityofPetroleum,China(EditionofNaturalScience), 2000, 24 (2): 1-3.

[14]易 浩,唐 波,練章華,等.考慮接頭的鉆柱摩阻扭矩分析[J].西南石油學院學報,2006,28(4),85-89.YiHao,TangBo,LianZhanghua,etal.AnalysisofDragandTorqueofDrillingStringwithConnectors[J].JournalofSouthwestPetroleumInstitute, 2006, 28 (4), 85-89.

[15]呂占國.水平井多封隔器管柱力學及安全性分析[D].西安:西安石油大學,2014.LüZhanguo.MechanicsandSafetyAnalysisforMultiPackerStringsinHorizontalWell[D].Xi’an:Xi’anShiyouUniversity, 2014.

[16]張應安.水平井多封隔器壓裂管柱通過性力學關鍵問題研究[D].大慶:東北石油大學,2011.ZhangYingan.ResearchonKeyProblemsofMechanicsforMulti-PackersFracturingStringsPassAbilityinHorizontalWell[D].Daqing:NortheastPetroleumUniversity, 2011.

[17]黨黎明.深井壓裂封隔器力學分析及優(yōu)化設計[D].大慶:東北石油大學,2014.DangLiming.MechanicalAnalysisandOptimizationDesignoftheDeeplyFracturingPacker[D].Daqing:NortheastPetroleumUniversity, 2014.

[18]詹鴻運,劉志斌,程智遠,等.水平井分段壓裂裸眼封隔器的研究與應用[J].石油鉆采工藝,2011,33(1):123-125.ZhanHongyun,LiuZhibin,ChengZhiyuan,etal.ResearchonOpenHolePackerofStagedFracturingTechniqueinHorizontalWellsandItsApplication[J].OilDrilling&ProductionTechnology, 2011, 33 (1): 123-125.

[19]趙明宸.分層注水管柱封隔器受力分析[J].長江大學學報(自然科學版),2011,8(4):59-62.ZhaoMingchen.AnalysisofForceAppliedonZoningWaterInjectionPacker[J].JournalofYangtzeUniversity(NaturalScienceEdition), 2011, 8 (4): 59-62.

[20]滕春鳴,杜澤宏,施凌麗,等.水平井裸眼封隔器多級分段壓裂技術(shù)在蘇75區(qū)塊的應用[J].鉆采工藝,2012,35(6):31-33.TenChunming,DuZehong,ShiLingli,etal.ApplicationofOpenHolePackerMulti-StageFracturingTechnologyinHorizontalWellofSU75Block[J].Drilling&ProductionTechnology, 2012, 35 (6): 31-33.

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.012

2016-05-16

國家自然科學基金“基于混沌理論煤層氣井壓裂孔隙分形演化與滲流特征研究”(51274067)；中國石油集團公司重大科技專項“重大工程關鍵技術(shù)裝備研究與應用”之課題七“儲層改造工作液與關鍵工具研發(fā)”(2013 E-38-07)

艾 池(1957-),男,吉林洮南人,教授,博士,從事油氣井固井工藝研究工作。