陳鋒, 楊登波, 唐凱, 任國(guó)輝, 張清彬, 李奔馳

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司, 重慶 400021)

0　引　言

受儲(chǔ)層傾角、水平井鉆井工藝等因素的影響,部分頁巖氣水平井井眼軌跡上翹,進(jìn)行泵送分簇射孔作業(yè)存在難點(diǎn)。①泵送困難:水平段長(zhǎng)且上翹(A、B靶點(diǎn)垂深差一般為200～300 m),泵送不僅要克服管串及電纜與套管的摩阻,還需克服管串自重切向分力,導(dǎo)致泵送排量大、泵速慢。②電纜變形或射斷:井斜角通常96°～110°,橋塞坐封丟手及射孔瞬間,管串易往A靶點(diǎn)方向反沖,導(dǎo)致電纜變形受損,甚至是電纜竄入槍串與套管間隙而被射流射斷,造成管串落井。為此,有必要開展上傾井電纜泵送分簇射孔與橋塞聯(lián)作技術(shù)研究,以保障作業(yè)安全。

1　上傾井泵送管串受力分析

1.1　管串結(jié)構(gòu)及參數(shù)

典型的泵送分簇射孔管串如圖1所示,主要包括打撈矛及加重、射孔槍串、橋塞工具、坐封筒、橋塞等,由于管串含扶正接頭,因此,管串與套管的中心軸平行,管串具體參數(shù)見表1。

圖1　泵送分簇射孔管串結(jié)構(gòu)示意圖

表1　分簇射孔管串組成及參數(shù)

1.2　泵送管串受力分析

上傾井泵送管串受重力G、浮力FF、泵送推力FP、流體黏附力FS、摩擦力Ff、電纜頭張力FC等,α為井斜角,Fτ為管串在井液中的重力切向分量,FN為管壁法向支撐力(見圖2)。

圖2　上傾井泵送管串受力情況

泵送過程中,泵送推力與流體黏附力的合力須大于管串摩阻及重力切向分量。泵送到位后,若井斜角α過大,管串重力切向分量Fτ大于管串靜摩擦力Ff將導(dǎo)致管串回溜下滑。因此,有必要分析上傾井泵送橋塞與分簇射孔聯(lián)作的各個(gè)階段,并提出針對(duì)性措施。

2　上傾井泵送排量分析計(jì)算

2.1　上傾井泵送推力

上傾井泵送管串前進(jìn)動(dòng)力來源于泵液流過管串與套管間隙所產(chǎn)生的壓差推力FP和泵液流經(jīng)管串表面產(chǎn)生的黏附力FS[1-3]。泵液一般為清水,在井底其動(dòng)力黏度小于1 mPa·s,且管串表面積也很小,因此,黏附力FS可忽略不計(jì)。

泵送時(shí)管串緊貼套管內(nèi)壁,泵液在套管與管串間隙中的流動(dòng)為偏心間隙流(見圖1)。p1～p5及A1～A5分別是管串頂部、各臺(tái)階、橋塞底部的流體壓力及作用面積,泵送推力FP為

FP=p1A1+p2A2+p3A3+p4A4-p5A5

(1)

偏心間隙流的壓降公式為[4-5]

(2)

式中,μ為泵液動(dòng)力黏度;L為間隙長(zhǎng)度;h為間隙高度;ε為偏心率,ε=e/h,e為偏心距;q為間隙排量;ρ為泵液密度。假設(shè)已知p1,根據(jù)公式(2)可求得p2～p5,進(jìn)而求出FP,理論推導(dǎo)可知FP與p1大小無關(guān)。

2.2　上傾井泵送阻力

泵送阻力主要有管串重力與浮力的合力沿切線方向的分量Fτ、管串與套管間的摩擦力Ff1、電纜頭張力FC等,其中電纜頭張力主要是克服水平段電纜摩阻Ff2及泵送推力。

Fτ=(G-FF)cosα=(mg-ρgV)cosα

(3)

Ff1=f1(G-FF)sinα=f1(mg-ρgV)sinα

(4)

FC≥Ff2=f2(Gc-FFc)

(5)

式中,m、V分別為管串質(zhì)量及體積;f1、f2分別為管串、電纜與井筒的摩擦系數(shù);Gc、FFc分別為電纜自重及浮力;g為重力加速度。

2.3　上傾井泵送排量選擇

取泵液(清水)動(dòng)力黏度μ=0.55 mPa·s(50 ℃/80 MPa條件下),摩擦系數(shù)f1=0.2、f2=0.25,Φ8 mm電纜在水中的線密度為230 kg/km,假定水平段長(zhǎng)2 000 m,管串泵送速度為3 000 m/h,則可計(jì)算出Φ139.7 mm×12.34 mm套管內(nèi)泵送阻力與井斜角、泵送推力與排量關(guān)系(見圖3)。

根據(jù)圖3可得出某井斜角上傾井段泵送所需最低排量,例如最大井斜角為107°,位于水平段2 000 m處,則泵送阻力為2 808 N,推薦排量≥1.8 m3/min。

圖3　泵送阻力與井斜角、泵送推力排量的關(guān)系曲線

3　坐封橋塞及射孔時(shí)上頂排量計(jì)算及仿真分析

上傾井管串泵送到位后,在點(diǎn)火坐封橋塞及射孔時(shí),需泵注一定的上頂排量對(duì)管串產(chǎn)生上頂力,以阻止管串重力切向分量大于靜摩擦導(dǎo)致下滑趨勢(shì)。

3.1　坐封橋塞前上頂排量計(jì)算

橋塞坐封前,保持管串靜止且纜頭張力為0,則最小上頂力要能克服管串重力切向分量與靜摩擦的差值,最大不超過二者的合力,上頂力需求范圍與井斜角的關(guān)系見圖4。管串在上頂排量的作用下保持靜止,即管串速度為0,則上頂力與上頂排量關(guān)系見圖5。

圖4　上頂力需求范圍—井斜角的關(guān)系曲線

圖5　上頂力—上頂排量關(guān)系曲線

根據(jù)圖4和圖5可以得到在各種井斜角的上傾井中,為使泵送到位的管串不滑動(dòng)所需的上頂排量。例如,井斜角為105°時(shí),所需上頂力范圍為228～1 571 N,則推薦上頂排量為(0.48～1.0) m3/min。

3.2　橋塞坐封過程中的上頂力變化分析

為使管串不下滑,橋塞點(diǎn)火后仍需保持上頂排量,以上頂排量0.48 m3/min為例,上頂力隨橋塞外徑變化的關(guān)系(見圖6)。上頂力一開始以較緩增幅隨橋塞外徑增大而增大,但當(dāng)橋塞外徑增大到接近套管內(nèi)徑時(shí),上頂力急劇增大[6],將對(duì)電纜頭弱點(diǎn)造成一定的損傷或破壞。

圖6　橋塞坐封過程中的上頂力變化曲線

為保障作業(yè)安全,借助于橋塞膨脹對(duì)間隙流動(dòng)的節(jié)流作用導(dǎo)致套壓上漲,可通過設(shè)置泵車超壓值來控制在合適時(shí)機(jī)停止泵注上頂排量,超壓值一般略高于橋塞點(diǎn)火時(shí)的套壓1～2 MPa。

3.3　射孔時(shí)上頂排量計(jì)算

橋塞坐封后,若射孔井段井斜角較大,仍需泵注上頂排量來防止管串下滑,該方法僅適用于帶內(nèi)通徑的橋塞。橋塞丟手后的管串結(jié)構(gòu)及參數(shù)(見圖7和表2)。

表2　橋塞丟手后的管串組成及參數(shù)

上頂排量產(chǎn)生的管串推力FP為

FP=p1·A1+p2·A2+p3·A3+

p5·A5+p6·A6-p4·A4-p7·A7

(6)

參照3.1的方法可得到各種井斜角的上傾井中為使橋塞丟手后的管串不滑動(dòng)所需的上頂排量。例如,井斜角為105°時(shí),所需上頂力范圍為224～1 545 N,則推薦上頂排量為0.48～0.9 m3/min。

3.4　上頂力仿真分析

為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性,采用ANSYS-Fluent建立了上傾井管串上頂力仿真模型,分別計(jì)算了0.48 m3/min(見圖8)和0.6 m3/min 等2種排量的上頂力。

圖8　管串各部流體壓力云圖

提取仿真結(jié)果,將作用在管串各部分的泵液流動(dòng)推力相加,得到排量0.48 m3/min的上頂力為334.86 N,與理論計(jì)算值343 N相差2.4%;排量0.6 m3/min的上頂力為506.23 N,與理論計(jì)算值533 N相差5.0%,說明前述理論計(jì)算方法較為準(zhǔn)確,可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例

XX81-5HF井實(shí)鉆A靶點(diǎn)斜深3 203 m/垂深2 819 m,B靶點(diǎn)斜深5 238 m/垂深2 688 m,井眼軌跡上傾,其中第23段泵送橋塞位置3 469 m(井斜102°),射孔位置3 460～3 461 m、3 438～3 439 m、3 416～3 417 m(井斜102°)。

按本文所述方法計(jì)算出最大井斜處的泵送阻力為1 572 N,推薦泵送排量為1.5～1.6 m3/min;橋塞點(diǎn)火時(shí)所需上頂力范圍為43～1 403 N,推薦上頂排量≤0.98 m3/min;射孔時(shí)所需上頂力范圍為42～1 379 N,推薦上頂排量≤0.87 m3/min。實(shí)際泵送排量與壓力曲線(見圖9)。

圖9　XX81-5HF井第23段泵送排量及壓力曲線

由圖9可知,實(shí)際最大泵送排量為1.6 m3/min,坐封橋塞及射孔時(shí)的上頂排量分別為0.6 m3/min、0.48 m3/min,均在理論計(jì)算推薦范圍之內(nèi)。在橋塞點(diǎn)火前將泵車超壓設(shè)置為44 MPa(比點(diǎn)火前套壓42 MPa高出2 MPa),橋塞開始膨脹后,套壓上漲至超壓值時(shí)自動(dòng)停泵,確認(rèn)橋塞丟手后,為射孔管串泵注0.48 m3/min的上頂排量,管串在該上傾井段施工過程中未發(fā)生反沖下滑。

5　結(jié)論及建議

(1) 基于偏心間隙流理論建立了泵送推力計(jì)算模型,結(jié)合上傾井泵送阻力分析,可給出不同井斜角對(duì)應(yīng)的推薦泵送排量,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該理論計(jì)算結(jié)果可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)泵送作業(yè)。

(2) 建議上傾井分簇射孔作業(yè)采用帶內(nèi)通徑的橋塞,以便于在射孔時(shí)泵注上頂排量。

(3) 給出了坐封橋塞及射孔時(shí)的上頂排量計(jì)算方法,ANSYS-Fluent仿真分析驗(yàn)證該理論計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明該方法推薦的上頂排量可保障上傾井管串不發(fā)生反沖下滑。

(4) 上頂排量產(chǎn)生的上頂力在橋塞外徑膨脹至接近套管內(nèi)徑時(shí)急劇增大,為保障管串不反沖下滑同時(shí)不損傷電纜頭弱點(diǎn),建議密切關(guān)注張力變化,并設(shè)置泵車超壓值略高于橋塞點(diǎn)火時(shí)套壓1～2 MPa,以在合適時(shí)機(jī)停止泵注上頂排量。

參考文獻(xiàn):

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