卜偉娜，董 平，樊湘鵬，曹翠翠，陳寶國

（新疆大學(xué)，烏魯木齊 830047）

新型采油井定向壓裂技術(shù)關(guān)鍵部件的設(shè)計及性能分析

卜偉娜，董 平，樊湘鵬，曹翠翠，陳寶國

（新疆大學(xué)，烏魯木齊 830047）

針對低滲透油氣田難開采的境況，另辟新思路，建立新型定向輪壓，壓裂工藝配套工裝管柱，新的配套工裝管柱滿足原有設(shè)備的功能并具備自己獨特優(yōu)勢。針對所設(shè)計的壓裂工具，首先基于目標(biāo)井況和新工藝參數(shù)要求，利用有限元平臺，對所設(shè)計的設(shè)備進行有限元分析其力學(xué)性能。其次，對設(shè)備進行簡化建模，利用振動學(xué)基本方程和響應(yīng)分析策略，建立振動基本方程，對新型的壓裂管住進行橫向振動分析，并依據(jù)條件進行振動響應(yīng)求解。

低滲透；定向輪壓；力學(xué)性能；振動分析

0　引言

隨著我國油氣田開采年限的增加，低滲透油氣田所占的比例越來越大，目前國內(nèi)主要油氣田已進入中、高含水期的開發(fā)階段[1]，從油井方面來看單一方向甚至是所有方向的滲透率變得越來越低，與此同時在采油過程中產(chǎn)生過多的能量浪費，從而使應(yīng)力分布更加的不均勻，致使高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的難度越來越大。急需以技術(shù)進步來扭轉(zhuǎn)我國重復(fù)壓裂成功率低、增產(chǎn)量低、滲透率低、巖層破壞大、有效時間持續(xù)段、科研落后于現(xiàn)場施工等一系列被動局面。

目前油田大多數(shù)工具進行水力壓裂時主要采用全方向的方式，但是由于各向異性，形成的裂縫太少，存在大片的空白區(qū)域[2]。對于低滲透油氣田來說，不能增加有效地滲透體積，即擴展最小應(yīng)力方向的體積改造，也無法持久的提高滲透率、改善應(yīng)力分布不均勻性以及減少對巖層破壞，亦無法達到較高的油氣采收率，直接提高了油氣采收成本和能耗。

針對目前壓裂過程中存在的上述問題，設(shè)計一種定向輪流壓裂工藝，即輪流在每個射孔方向上進行單一壓裂，當(dāng)在主應(yīng)力方向進行單一射孔壓裂時，可以利用高導(dǎo)流延長主應(yīng)力方向的主裂縫，然后利用低導(dǎo)流形成網(wǎng)狀裂縫，減少了壓裂空白區(qū)域。這樣不但完全與現(xiàn)有的理論與工藝相符，并可繼續(xù)在現(xiàn)有的工藝基礎(chǔ)上增加體積改造的區(qū)域；當(dāng)轉(zhuǎn)動至最小應(yīng)力方向進行單一射孔壓裂時，通過調(diào)節(jié)壓力形成橫切縫，并在此類橫切縫逐漸生成主應(yīng)力方向的主裂縫，然后降低壓力在主裂縫基礎(chǔ)上形成網(wǎng)狀裂縫，極大地提高儲層的體積改造的范圍。其結(jié)果是將最大應(yīng)力和最小應(yīng)力形成的網(wǎng)縫連成一個整體的體積改造，所達到的效果明顯大于僅僅通過延長主應(yīng)力方向的主裂縫，增加滲流能力的體積改造的傳統(tǒng)方法。究其原因，對于低滲透油氣田來說，增加有效地滲透體積，即擴展最小應(yīng)力方向的體積改造，可持久的提高滲透率、減少對巖層破壞以及改善應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)狀。

現(xiàn)有工具在定向輪流壓裂工藝方面存在兩個缺陷，一是體積太大，二是雖然是全向但是使用時有方向性，無法實現(xiàn)全方向壓裂。新型壓裂裝置設(shè)計目標(biāo)就是：在能使用的同時實現(xiàn)全方向壓裂，對最小應(yīng)力方向的體積改造可以將樹枝狀的網(wǎng)縫轉(zhuǎn)化為類似橢圓狀的網(wǎng)縫，同時并不影響多層分段壓裂的體積改造的效果，而且可以增加20%～40%的單層儲油層體積改造?？梢詷O大地擴展了儲層泄油體積，采收率顯著提高。這對進一步提高低滲透油氣藏開發(fā)、油氣開采過程中節(jié)能減耗、提高采收率具有重要的現(xiàn)實意義和長遠(yuǎn)意義。

目前國內(nèi)外對定向壓裂設(shè)備與工裝的研究與制造較少，此研究可為油田開采企業(yè)提供一種增加產(chǎn)能的有效裝置，并可與現(xiàn)有的壓裂工具與工藝配套使用，增加產(chǎn)能，減低采收能耗，提高采收率。也可向國內(nèi)其他油田工程服務(wù)企業(yè)推廣，最終形成一個完整的定向壓裂工藝技術(shù)鏈。

為了使最小地應(yīng)力方向生成裂縫，需要借助一定的工具，即需要研究并進行設(shè)計的工具能夠?qū)崿F(xiàn)：

1）能夠進行單一方向壓裂；

2）能夠控制水壓；

3）能夠轉(zhuǎn)向，全方向壓裂；

4）體積大小合適。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1設(shè)計原理

主要應(yīng)用棘輪機構(gòu)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、間歇運動。通過反復(fù)調(diào)節(jié)水壓來完成棘輪的轉(zhuǎn)向，從而確定水力壓裂的方向，再根據(jù)不同的地應(yīng)力，調(diào)節(jié)合適的水壓來完成水力壓裂。

1.2結(jié)構(gòu)與運動

定向輪流壓裂工具主要包括以下結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)向、定位、間歇運動。如圖2結(jié)構(gòu)簡圖所示。

圖1　機構(gòu)設(shè)計流程圖

圖2　結(jié)構(gòu)簡圖

圖3　運作程序示意圖

間歇運動、轉(zhuǎn)向是通過棘輪、彈簧實現(xiàn)的，定位是通過彈簧、擋板實現(xiàn)的。運作程序如圖3所示。

1）首先下水，注滿內(nèi)筒，水從內(nèi)筒上的孔流出，注滿外筒與內(nèi)筒之間的腔，也就是第二圈。此時水壓平穩(wěn)，不發(fā)生變化；

2）第二圈注滿水后，適當(dāng)增大水壓。彈簧1和彈簧2在水壓的作用下發(fā)生彈性形變，被壓縮。由于彈簧1的彈性模量較小，首先達到形變極限，完全被壓縮，擋板上移，外筒上的上孔露出，通道打開，水注入外筒外壁的囊里，注滿后囊與井壁貼緊，使外筒與井壁固定。此時彈簧2形變量較小，棘輪下移一定距離，但未把外筒上的下孔露出，通道未形成；

3）再次適當(dāng)增大水壓，使彈簧2達到形變極限，完全被壓縮，棘輪下移，外筒上的兩個下孔露出，形成通道。通道形成后開始進行壓裂，根據(jù)需要調(diào)節(jié)水壓來完成壓裂；

4）單一方向完成壓裂后，適當(dāng)減小水壓，彈簧2形變恢復(fù)，棘輪上移，擋住外筒上的兩個下孔。之后，再次增大水壓，彈簧2達到形變極限，完全被壓縮，棘輪在下移的同時并轉(zhuǎn)向，待棘輪運動停止時，外筒上另一方向的對應(yīng)兩孔露出，形成通道；

5）通道形成后，調(diào)節(jié)水壓進行壓裂。

總之，通過反復(fù)調(diào)節(jié)水壓來完成棘輪的轉(zhuǎn)向，從而確定水力壓裂的方向，再根據(jù)不同的地應(yīng)力，調(diào)節(jié)合適的水壓來完成水力壓裂。

1.3設(shè)計要求

1）整體結(jié)構(gòu)要求

結(jié)構(gòu)按照原理設(shè)計運行且簡單有效，穩(wěn)定持久，滿足精度。所處壓裂液壓差大于40Mpa的條件下可正常工作。

2）結(jié)構(gòu)功能要求

適用于重復(fù)壓裂注水壓裂，能夠通過棘輪機構(gòu)實現(xiàn)定向和轉(zhuǎn)向壓裂的要求。首要具備的就是定向壓裂、轉(zhuǎn)向壓裂功能。

3）技術(shù)參數(shù)要求

具體參數(shù)如表1所示。

表1　技術(shù)參數(shù)表

設(shè)計要求是需要該定轉(zhuǎn)向機構(gòu)能夠在大于40Mpa等環(huán)境比較極端的條件下能夠正常的工作，與此同時考慮到井下壓力變化需要時間比較長的情況，所以對該定轉(zhuǎn)向機構(gòu)做了壓力載荷為40Mpa的計算機數(shù)值模擬分析。通過計算壓力的模擬分析尋找此定轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的薄弱點即在較大壓力下設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，有利于更好的對其進行優(yōu)化改進。

2　分析與綜合（性能綜合）

2.1強度分析前處理

在已有的有限元平臺，對所設(shè)計的設(shè)備依次進行單元類型定義、材料參數(shù)選擇后對所建立的三維模型進行劃分網(wǎng)格。在構(gòu)建模型的過程中網(wǎng)格劃分是比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，經(jīng)過劃分網(wǎng)格把現(xiàn)有的集合模型轉(zhuǎn)換為由單元和節(jié)點組成的有限元模型[3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點和材質(zhì)等相關(guān)條件，對結(jié)構(gòu)進行合理的網(wǎng)格劃分。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過前面的準(zhǔn)備過程，進入Meshing/MeshTool模塊，然后劃分網(wǎng)格，上棘輪、下棘輪和總體棘輪的網(wǎng)格劃分，如圖4～圖6所示。圖7為棘輪機構(gòu)的棘齒接觸對在有限元平臺中的初始狀態(tài)。

圖4　上棘輪網(wǎng)格劃分圖

圖5　下棘輪網(wǎng)格劃

圖6　總體棘輪網(wǎng)格劃分

圖7　棘輪棘齒接觸對

2.2強度求解條件

對結(jié)構(gòu)的強度求解選用選Static求解方式。對于我們所設(shè)計的棘輪機構(gòu)，在主要性能指標(biāo)中定轉(zhuǎn)向機構(gòu)要求能夠在大于40Mpa的壓力下正常工作。對其施加約束，正上方加力45Mpa，而在凹槽部分的力為5MP，這樣也就是正面加載在正上方的壓力為40MPa。這是邊界條件設(shè)立的主要出發(fā)點。

經(jīng)過對接觸的定義和約束外，還要對施加載荷進行約束。由于下面的棘輪機構(gòu)是固定不動的，因此對其約束就是固定。而上面棘輪機構(gòu)的受力主要就是由水壓引起了，故其所受壓的面就是棘輪機構(gòu)的上平面和凹槽的圓角處。

2.3強度分析結(jié)果

通過前面單位類型、材料選擇、劃分網(wǎng)格等條件的定義，并且經(jīng)過實際的載荷約束施加，得出總體和x、y、z方向的所有位移量變化圖。如圖8～圖11所示。

圖8　總體位移

圖9　x方向位移

圖10　y方向位移

圖11　z方向位移

通過上面的位移量變化圖可知，隨著力的不斷向下傳遞，受力位移變形量從上往下也在逐漸的變小。高壓水柱經(jīng)過高壓管匯通過接頭經(jīng)過頂蓋進入內(nèi)筒把壓裂液帶來的壓力帶給上棘輪機構(gòu)，隨著壓裂液不斷的積聚水壓的不斷變大，上棘輪機構(gòu)其所受壓力也越來越大，由于下棘輪機構(gòu)是固定的，其實際的位移量變化不是很大。最終壓裂液帶來的最大壓力也就是40Mpa。其所受壓裂傳遞正好如圖形所表示的那樣，這樣符合力的傳遞和設(shè)計要求。

3　橫向振動研究

在實際應(yīng)用中，連接管柱并注入高壓流體的過程中，結(jié)構(gòu)一直處于復(fù)雜的振動狀態(tài)[4,5]，尤其是管柱的橫向振動，文中將所設(shè)計結(jié)構(gòu)視為鉸支結(jié)構(gòu)，整體微元化，設(shè)為均質(zhì)等截面彈性管，如圖12所示。設(shè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部液體流速為v（m/s），內(nèi)壓為pi（MPa），環(huán)空壓力為po（MPa），軸向應(yīng)力為F（kN），微元段單位質(zhì)量ms（kg），內(nèi)部流體單位長度質(zhì)量為mf（kg），管柱的抗彎剛度為EI（N.m2）。運動方程的推導(dǎo)基于以下假設(shè)[6]。

圖12　結(jié)構(gòu)微元橫向振動示意圖

1）流體是理想流體，即無粘性且不可壓縮；

2）管道運動滿足小變形假設(shè)；

3）管道考慮成BemouUi-Euler梁模型，即忽略管道的旋轉(zhuǎn)慣性與剪切變形；

4）重力與材料阻尼忽略不計。

取微元段dx為研究對象，則該微元段在橫向彎曲振動過程中動能與彎曲變形能的增量分別為：

總勢能E=T-U為：

E為y(x,t)的泛函，根據(jù)Hamilton原理[7]，對E進行變分整理并將F、piAi、poAo視為常數(shù)，得到結(jié)構(gòu)橫向彎曲振動方程[8,9]為：

邊界條件為：

對偏微分方程(4)采用分離變量法求解，引入如下參數(shù)(5)對方程式(4)進行整理：

偏微分方程式為：

繼續(xù)改寫：

式中，F(xiàn)0(x,t)與成正比，考慮為作用力。

對式(7)分離變量求解，對于長度為l的兩端簡支梁在自由振動時，振型[10]可表示為：

通過對所設(shè)計設(shè)備的振動建模和分析求解，以壓裂液流速為變量，得到管柱的一、二階固有振動頻率與管內(nèi)液體流速的關(guān)系圖，如圖13、圖14所示。

圖13　一階固有頻率與壓裂液流速關(guān)系

圖14　二階固有頻率與壓裂液流速關(guān)系

通過對設(shè)計結(jié)構(gòu)的橫向固有頻率近似分析可以看出，注入流體的流動速度不僅影響管柱類設(shè)備的橫向固有頻率，而且對所流經(jīng)的管道類設(shè)備的穩(wěn)定性有較大影響，嚴(yán)重時候會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生彎曲失穩(wěn)，因此在注入時，應(yīng)注意排量控制，針對本設(shè)備而言，在給定范圍的流速下，所設(shè)計設(shè)備橫向振動最大一階固有頻率0.142rad/s，橫向振動最大二階固有頻率0.592rad/s，在可接受范圍內(nèi)。

4　結(jié)論

低滲透、超低滲透油田的開采和中后期油氣田的持續(xù)開采中，壓裂技術(shù)獨具價值，在具體分析現(xiàn)有壓裂工藝的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，另辟新思路，建立新型定向輪壓壓裂工藝配套工裝管柱，既繼承了傳統(tǒng)壓裂工具的優(yōu)點，有克服其缺點，實用性更強。

針對所設(shè)計的壓裂工具，基于目標(biāo)井況和新工藝參數(shù)要求，對所設(shè)計的設(shè)備進行有限元分析其力學(xué)性能，驗證其綜合力學(xué)性能，滿足設(shè)計要求。

利用振動學(xué)原理，對設(shè)備進行簡化建模，基于振動學(xué)基本方程和響應(yīng)分析策略，建立振動基本方程，對新型的壓裂管住進行橫向振動分析，并依據(jù)條件進行振動響應(yīng)求解，從振動角度驗證了設(shè)備的安全性能。

[1] 唐波,唐志軍,耿應(yīng)春,唐洪林.國內(nèi)低滲透油氣田高效開發(fā)鉆完井關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].天然氣工業(yè),2013,02:65-70.

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The design and performance analysis of the new production wells directional fracturing technology key components

PU Wei-na, DONG Ping, FAN Xiang-peng, CAO Cui-cui, CHEN Bao-guo

TE28

A

1009-0134(2016)02-0105-05

2015-08-29

國家自然科學(xué)基金項目（11462021）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（201410755033）；新疆科技重大專項（201130110）

卜偉娜（1992 -），女，本科，研究方向為機械設(shè)計與計算仿真。