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        TCP負壓射孔工具對真實負壓值的影響研究

        2019-08-27 09:48:26蔡金亮
        石油工業(yè)技術監(jiān)督 2019年8期
        關鍵詞:環(huán)空射孔聯(lián)通

        蔡金亮

        中海石油(中國)有限公司 天津分公司(天津 300459)

        油管輸送射孔的基本原理是把每一口井所要射開的油氣層的射孔(以下簡稱TCP)器全部串連在一起聯(lián)接在油管柱的尾端,形成一個硬連接的管串下入井中。為實現(xiàn)負壓射孔,在引爆前使射孔井段液柱壓力低于地層壓力,以保護射開的油氣層。渤海油田常見的TCP負壓射孔工具串結(jié)構(gòu)為鉆桿、震擊器、安全接頭、RTTS封隔器、鉆桿、鉆桿同位素、鉆桿、油管短節(jié)、流量閥、油管短節(jié)、壓力開孔、油管短節(jié)、負壓閥、油管短節(jié)、機械壓力點火頭、射孔槍。

        負壓射孔作業(yè)過程中,RTTS封隔器以下射孔管柱環(huán)空液體處于密閉和相對壓縮狀態(tài)。點火時井口投點火棒,點火棒砸穿負壓閥后環(huán)空壓縮液體通過負壓閥體上的4個聯(lián)通孔向管內(nèi)流動,形成泄壓過程。傳統(tǒng)TCP負壓射孔工藝理論認為負壓閥砸通瞬間完成泄壓,點火棒繼續(xù)下落撞擊點火頭引爆射孔槍,進而實現(xiàn)環(huán)空負壓狀態(tài)下的射孔。但實際RTTS封隔器以下環(huán)空壓縮液體很難短時間內(nèi)完成泄壓過程,有可能出現(xiàn)泄壓尚未完成即引爆射孔槍的情況,環(huán)空負壓值未達到設計值即建立了環(huán)空與地層的聯(lián)通,進而導致真實射孔負壓值小于設計負壓值,引起射孔孔道的清潔程度不佳,污染帶厚度大,產(chǎn)量達不到配產(chǎn)要求等一系列問題。因此有必要對負壓閥聯(lián)通孔處流體泄壓壓力變化與時間的對應關系,以及點火棒在砸穿負壓閥至撞擊機械壓力點火頭這段區(qū)間內(nèi)下落速度與時間關系進行相關分析和研究。

        1 數(shù)學模型建立

        1.1 基本假設

        ①負壓閥小孔開啟方式為瞬間全開;②忽略泄壓瞬間流體摩阻和壓力波動;③負壓閥聯(lián)通孔處泄壓時流體流態(tài)為紊流;④射孔液、完井液滿足牛頓內(nèi)摩擦定律;⑤井筒溫度取同深度地層溫度;⑥忽略射孔管柱接頭內(nèi)壁處附加摩阻系數(shù)。

        1.2 負壓閥聯(lián)通孔流體流動模型

        1.2.1 射孔段井液壓縮系數(shù)

        液體的壓縮系數(shù)定義為單位體積液體體積隨壓力的變化率。在不同的溫度、壓力下,其數(shù)值不同。確定液體壓縮系數(shù)有圖版法和經(jīng)驗公式法2種,為方便計算采用經(jīng)驗公式法。

        由于射孔時井內(nèi)液體為完井液和射孔液,其液體性質(zhì)與地層流體相似,這里采用地層水的壓縮系數(shù)公式[1]計算環(huán)空液體壓縮量。

        其中:A=3.854 6-1.943 5×10-2P;

        B=-1.052×10-2+6.918 3×10-5P;

        C=3.926 7×10-5-1.276 3×10-7P。

        式中T為地層溫度,℃;P為地層壓力,MPa;Rsw為天然氣在水中的溶解度,m3/m3。

        1.2.2 負壓閥泄壓過程各參數(shù)模型公式

        負壓閥上聯(lián)通孔直徑通常為25 mm,厚度一般不大于5 mm。負壓閥砸通后,環(huán)空液體通過聯(lián)通孔進入管內(nèi),液體具有一定流速,能形成射流,孔口邊緣厚度的變化對液體出流不產(chǎn)生影響,出流水股表面與孔壁可視為環(huán)線接觸,且孔厚度與孔徑之比(長徑比)≤0.5,因此負壓閥聯(lián)通孔可視為薄壁孔口。流體出流后,水股先收縮后擴散,滿足薄壁孔口淹沒出流條件。

        將負壓閥聯(lián)通孔的泄壓泄流問題歸為薄壁小孔上流體淹沒出流問題,單個薄壁小孔流量公式為:

        C1為薄壁小孔淹沒出流的流量系數(shù),可由實驗測得。在雷諾數(shù)較大的情況下[2-3],該系數(shù)取值為0.60~0.61。

        隨著負壓閥聯(lián)通孔打開,管外環(huán)空液體向管內(nèi)流動,此時聯(lián)通孔內(nèi)外壓差為:

        其中:

        環(huán)空壓縮液體在泄壓流動過程中,其壓縮量不斷減小,環(huán)空壓縮系數(shù)也在不斷變化:

        其中:V2=4

        管內(nèi)液體高度:

        負壓閥外環(huán)空壓力:

        負壓閥位置管內(nèi)壓力:

        井筒環(huán)空液體的瞬時壓力即為射孔槍點火時的真實壓力,在環(huán)空泄壓過程當中觸發(fā)點火時的真實負壓值這里定義為當量負壓值:

        式中:S1為負壓閥小孔面積,m3;C1為流動系數(shù);ΔP為小孔內(nèi)外壓差,MPa;ρw為井液密度,g/cm3;h為環(huán)空壓力當量高度,m;L為管內(nèi)液柱垂直長度,m;k為環(huán)空液體瞬時壓縮系數(shù),無因次;V1為管外環(huán)空總體積,m3;V2為累計小孔通過體積,m3;h2為負壓閥小孔位置垂深,m;h3為負壓閥小孔與油層中部垂距,m;g為重力加速度,m/s2;Pa為設計負壓值,MPa;R為鉆桿內(nèi)徑,m;Pd為負壓閥外環(huán)空壓力,MPa;Pc為負壓閥位置管內(nèi)壓力,MPa;PZ為當量負壓值,MPa。

        1.3 點火棒下落速度模型

        1.3.1 模型公式推導

        井口投棒后,點火棒在鉆桿和油管內(nèi)下落的中后期處于近似勻速運動。對點火棒勻速下落過程進行受力分析,計算砸通負壓閥到撞擊點火頭過程中的下落速度。

        點火棒勻速下落過程主要受重力G、浮力Ff、滑動摩擦阻力f、管壁支持力N、流體黏滯阻力FN和壓差阻力FΔ作用,受力平衡如圖1所示。

        圖1 點火棒在下落過程中受力圖

        點火棒下落過程中,其表面受流體黏滯阻力的作用。由于完井液、射孔液為低分子化合物溶液,其流體性質(zhì)接近清水,剪切應力與剪切速率之間的關系滿足牛頓內(nèi)摩擦定律[4],則黏滯阻力為:

        流體經(jīng)過點火棒本體發(fā)生附面層的分離,產(chǎn)生旋渦并消耗機械能,在棒上下兩端形成壓力差,從而產(chǎn)生壓力差阻力,根據(jù)修正牛頓—雷廷格阻力公式[5-6]可以得:

        渤海油田井型多為定向井,點火棒在下落過程中緊貼射孔管柱內(nèi)壁,受摩擦力作用:

        在軸向上,點火棒受力平衡,有:

        聯(lián)立公式(11)、(12)、(13)、(14)求得點火棒下落終了速度u:

        式中:μ為動力黏度,Pa·s;R0為鉆桿內(nèi)半徑,m;Ri為點火棒半徑,m;u為流速,m/s;L為點火棒長度,m;C為擾流阻力系數(shù),無量綱;λ為滑動摩擦系數(shù),無量綱。

        1.3.2 模型公式驗證

        以渤海油田某口完井施工數(shù)據(jù)為例,鉆桿內(nèi)半徑R0=0.035 1 m,點火棒半徑Ri=0.016 m,點火棒長度L=2.656 m,點火棒材料密度ρm=8 900 kg/m3,重力加速度g=9.81 m/s2,斜井段平均井斜角α=43°,井液動力黏度μ=1.01×10-3Pa·s,鉆桿內(nèi)壁與點火棒間滑動摩擦系數(shù)λ=0.15,擾流阻力系數(shù)C=0.44~0.50。射孔管柱點火頭頂部斜深3 019 m。

        將以上數(shù)據(jù)分別代入公式(15)中,求得點火棒終了勻速下落速度為17.54 m/s。點火棒實際下落用時3 min 25 s,實際下落速度為20.82 m/s。模型計算結(jié)果與實際數(shù)值誤差為15.75%。

        2 實例計算

        通過建立的數(shù)學計算模型模擬實際完井射孔作業(yè)中井底真實負壓情況。以渤海油田某區(qū)塊一口177.8 mm尾管射孔井為例,人工井底3 480.79 m;負壓閥垂深2 617 m,RTTS斜深2 507.90 m,設計負壓值9.21 MPa,射孔槍長175.70 m,RTTS封隔器以下油管長度19.71 m,槍底至人工井底深度84.67 m,88.9 mm鉆桿斜深范圍2 510.09~3 202.90 m,177.8 mm尾管掛頂深2 573.77 m,244.5 mm套管內(nèi)容積38.19 L/m,177.8 mm尾管內(nèi)容積19.38 L/m,88.9 mm鉆桿與244.5 mm套管環(huán)容31.7 L/m,88.9 mm鉆桿與177.8 mm套管環(huán)容12.9 L/m,177.8 mm套管與射孔槍環(huán)容9.12 L/m,負壓閥小孔直徑24 mm,負壓閥段井斜41°,短油管長度9 m。

        模擬點火棒砸穿負壓閥瞬間,管內(nèi)外建立聯(lián)通,負壓閥管內(nèi)壓力、負壓閥管外環(huán)空壓力及負壓閥內(nèi)外壓差,如圖2所示。

        圖2管內(nèi)及環(huán)空理論壓力變化曲線

        圖2 可以看出,負壓閥聯(lián)通孔砸通后,理論上環(huán)空壓力由26.4 MPa逐漸降低至17.4 MPa。由于液體進入量較小,液柱高度改變不大,管柱內(nèi)壓力略微升高。管內(nèi)外壓差在0.8 s內(nèi)由9.21 MPa降至0 MPa,即負壓閥聯(lián)通孔在給定條件下需要0.8 s時間完成全部泄壓過程。

        隨著管外環(huán)空液體向管內(nèi)補充,環(huán)空與地層壓力差值即實際負壓值也逐漸接近設計負壓值。點火棒砸穿負壓閥至撞擊點火頭過程中,負壓值變化如圖3所示。

        圖3 負壓值與時間關系曲線

        點火棒下落速度為17.92 m/s,砸穿負壓閥至撞擊機械壓力點火頭行程時間為0.50 s,即在0.50 s時刻,觸發(fā)射孔槍點火。此時負壓閥泄壓還未完成,真實負壓值為7.70 MPa,小于設計值9.21 MPa,要達到設計負壓值還需要0.3 s再觸發(fā)點火。

        3 模型分析

        給定參數(shù)條件,人工井底2 500 m;負壓閥垂深2 100 m,RTTS斜深2 000 m,設計負壓值7 MPa,射孔槍長280 m,RTTS以下油管長度50 m,槍底至人工井底深度30 m,套管內(nèi)容積39.55 L/m,套管與油管環(huán)容35.34 L/m,套管與射孔槍環(huán)容14.67 L/m,負壓閥小孔直徑24 mm,鉆桿內(nèi)徑121 mm。鉆桿內(nèi)半徑0.035 m,點火棒半徑0.016 m,點火棒長度2.656 m,點火棒材料密度8 900 kg/m3,重力加速度9.81 m/s2,井液動力黏度1.01×10-3Pa·s。

        投棒點火過程中,影響點火棒下落速度的最大不確定性因素為投棒井的井眼軌跡,尤其是負壓閥上部附近井斜大小,因此找到井斜與點火棒終了下落速度關系有利于分析點火棒從負壓閥到點火頭的運動時間,最終確定射開油層段真實負壓值的大小。如圖4所示,井斜越大點火棒終了速度越小。

        圖4 井斜角與點火棒終了下落速度關系曲線

        當井斜、環(huán)空容積發(fā)生變化時,需要負壓閥以下短油管最短長度如表1所示。

        表1 短油管最短長度與井斜、環(huán)容關系表

        由短油管最短長度與井斜、環(huán)空容積關系表可以看出,井斜越小環(huán)空容積越大,需要的短油管越長。渤海油田TCP負壓射孔現(xiàn)場負壓閥至點火頭之間普遍采用的3根累計9 m長的短油管,很多條件下9 m長的短油管并不完全滿足現(xiàn)場負壓射孔的要求,需要根據(jù)實際情況調(diào)整短油管長度以滿足射孔負壓值的最低要求。例如,射孔管柱RTTS封隔器以下環(huán)空容積9 m3,負壓閥附近井斜20°時,需要至少9.8 m的短油管,才能滿足點火棒在短油管內(nèi)下落時間不大于負壓閥聯(lián)通孔泄壓時間的需求。

        渤海油田套管射孔多為244.5 mm套管射孔和177.8 mm尾管射孔,其中177.8 mm尾管射孔由于受井身結(jié)構(gòu)和射孔工具限制,其RTTS封隔器以下環(huán)空容積通常較大,現(xiàn)場大多使用的3根9 m短油管不滿足實際需求。

        4 結(jié)論

        1)渤海油田TCP負壓射孔負壓閥與點火頭之間的短油管存在長度不足現(xiàn)象,其在設計原理上忽視了射孔段環(huán)空液體的壓縮性,導致可能出現(xiàn)點火過程中環(huán)空泄壓不及時,真實負壓值達不到設計負壓值等問題。

        2)通過建立的數(shù)學模型,計算分析了TCP負壓射孔過程中局部壓力變化、瞬時當量負壓、點火棒下落時間等,并通過一口井的實際數(shù)據(jù)模擬了各參數(shù)變化規(guī)律,驗證了該口井射孔理論真實負壓值未達到設計值要求。

        3)目前渤海油田常用的負壓閥至機械壓力點火頭之間3根累計9 m長度的短油管,在很多情況下尤其是228.6 mm套管懸掛177.8 mm尾管射孔的井身結(jié)構(gòu),其理論計算的發(fā)生負壓值大多都不滿足設計負壓值要求,需根據(jù)每口井的實際井身結(jié)構(gòu)、環(huán)空容積對短油管長度進行調(diào)整。

        4)綜合考慮TCP負壓射孔工藝、工具的特點,通過對數(shù)學模型的推導、分析和實例計算,為渤海油田TCP負壓射孔負壓值設計和現(xiàn)場計算提供更準確的理論指導。

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