蘭乘宇, 劉巨保, 楊 明, 岳欠杯, 劉玉喜, 王 勇

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318; 2.中國石油大慶油田井下作業(yè)分公司,黑龍江大慶 163453)

非常規(guī)油氣資源的高效開采已成為各國油氣田增產(chǎn)的主體,而支撐這些特殊油氣層開采的核心技術(shù)之一就是水力壓裂[1-4]。其中不動管柱壓裂技術(shù)對目的層分級進(jìn)行壓裂施工,可大幅縮短施工周期,有效避免壓裂液對儲層的二次污染,實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和高效施工,目前已被廣泛應(yīng)用[5-6]。但中國油田限于油氣層壓裂改造成本和工藝技術(shù),不動管柱多級壓裂技術(shù)普遍采用階梯式滑套結(jié)構(gòu)[7-8],孔徑逐級縮小,局部節(jié)流損失大,無法滿足規(guī)?？p網(wǎng)壓裂大排量、大砂量、連續(xù)多段壓裂的施工要求[9]。全通徑不動管柱多級壓裂技術(shù)可滿足這種需求而得到了快速發(fā)展,采用該技術(shù)壓裂可使全井壓裂管柱保持最大全通徑,提升壓裂液排量,滿足級數(shù)多、排量大的壓裂井需求[10-11]。但在全通徑不動管柱多級壓裂工藝中,壓裂工具內(nèi)部勢必存在復(fù)雜流道,還沒有較為成熟的沖蝕理論和統(tǒng)一的壓力損失計(jì)算公式,影響了壓裂施工工藝和工具設(shè)計(jì)。針對上述技術(shù)問題,筆者結(jié)合大慶油田壓裂技術(shù)現(xiàn)狀,提出周向分級設(shè)計(jì)理念,通過配合使用隼翼開關(guān)和隼槽式噴砂封隔器實(shí)現(xiàn)壓裂油管內(nèi)無縮徑節(jié)流,通過優(yōu)化導(dǎo)流結(jié)構(gòu)提高滑套抗沖蝕能力,并對不動管柱工具內(nèi)部復(fù)雜流道進(jìn)行數(shù)值模擬修正攜砂液壓力損失計(jì)算公式,研發(fā)一種全通徑隼槽式滑套工具和多級壓裂管柱結(jié)構(gòu)及工藝,有助于非常規(guī)油氣資源的高效開采。

1 隼槽式全通徑壓裂管柱及工具研制

管柱設(shè)計(jì)是在保證工藝性能的前提下,以操作方法簡單、工作可靠為原則。為此,設(shè)計(jì)隼槽式滑套管柱,使多級噴砂器實(shí)現(xiàn)全通徑,以滿足特低滲透儲層增產(chǎn)改造需要。

1.1 隼槽式全通徑壓裂管柱

隼槽式全通徑多級壓裂不動管柱主要由多級全通徑橋式導(dǎo)壓噴砂封隔器、擴(kuò)張式封隔器、水力錨、安全接頭和絲堵等組成[12],如圖1所示。其中全通徑橋式導(dǎo)壓噴砂封隔器由噴砂器和封隔器組成,而噴砂器主要由上接頭、導(dǎo)壓主體、隼槽式滑套等組成。

圖1 隼槽式全通徑多級壓裂不動管柱結(jié)構(gòu)示意圖

管柱工作原理:壓裂施工時,壓裂車組小排量起車,工作液通過最下級無套導(dǎo)壓噴砂器,形成節(jié)流壓降,油管內(nèi)壓力高于油套環(huán)空壓力。當(dāng)內(nèi)外壓差達(dá)到封隔器初封壓差以上時,整趟管柱的所有封隔器膠筒膨脹,坐封在套管內(nèi)壁。這時地面車組按照壓裂施工工序表完成本級壓裂施工。本級壓裂施工結(jié)束,投隼翼開關(guān),坐在上一級全通徑橋式導(dǎo)壓噴砂封隔器的隼槽滑套上,地面泵車加壓,噴砂器滑套下行,本級橋式導(dǎo)壓噴砂封隔器的出砂口打開,繼續(xù)加壓,底堵脫開,封堵下面的油管通道,即可壓裂施工。依此類推,一趟不動管柱可完成多段壓裂施工,最終形成全通徑不動管柱多級壓裂技術(shù)。

1.2 隼槽式滑套

隼槽式等通徑噴砂封隔器結(jié)構(gòu)和隼翼開關(guān)如圖2(a)、(b)所示。當(dāng)隼槽式工具隨管柱下入井內(nèi),選擇與壓裂層相匹配的隼翼開關(guān)投入壓裂管柱內(nèi),靠自重或泵送下入,通過隼翼開關(guān)與隼槽式滑套座的識別與封堵,實(shí)現(xiàn)坐壓多層。工藝原理是:當(dāng)隼翼開關(guān)工具上的鍵寬度小于滑套上的鍵槽寬度時,開關(guān)工具可順利通過滑套,直至到達(dá)對應(yīng)級滑套;當(dāng)鍵的寬度大于鍵槽的寬度時,隼翼開關(guān)工具上的鍵和滑套上的鍵槽結(jié)構(gòu)形成配合,此時管內(nèi)繼續(xù)憋壓,打開滑套。通過調(diào)整滑套鍵槽寬度和開關(guān)的鍵寬度以及鍵的數(shù)量可形成級差控制,每一級滑套的內(nèi)徑相同,只是鍵槽的寬度不同,由上往下鍵槽的寬度逐漸減小,沒有造成內(nèi)徑上的損失,形成了全通徑,從理論上可實(shí)現(xiàn)無限級壓裂。

如圖2(c)所示,隼槽式滑套為帶有一定厚度的管體,管下端為與噴砂器內(nèi)套相連接的外螺紋結(jié)構(gòu),管內(nèi)壁為多個具有一定厚度的傘形鍵結(jié)構(gòu),鍵軸向總長140 mm,鍵尖部軸向長70 mm,鍵的環(huán)向?qū)挾群蛡€數(shù)為級數(shù)識別參數(shù),鍵槽結(jié)構(gòu)上下均為斜面,起導(dǎo)向作用,通過調(diào)整識別參數(shù)可實(shí)現(xiàn)滑套的分級。

圖2 噴砂封隔器、隼翼開關(guān)和隼槽式滑套結(jié)構(gòu)示意圖

2 隼槽式滑套抗沖蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于壓裂施工中壓裂液排量較大,且攜帶大量石英石、陶粒等顆粒,對隼槽式滑套結(jié)構(gòu),特別是導(dǎo)向鍵尖部位,產(chǎn)生顯著的沖蝕,進(jìn)而影響隼翼開關(guān)與滑套的導(dǎo)向,導(dǎo)致滑套無法打開,壓裂層無法實(shí)施壓裂作業(yè)。為解決沖蝕磨損造成的影響,對隼槽式滑套進(jìn)行抗沖蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要通過導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變傘鍵附近流場,避免攜砂液直接沖蝕鍵尖部位[13]。在抗沖蝕導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,經(jīng)反復(fù)篩選設(shè)計(jì)出方形擋板和弧形擋板兩種導(dǎo)流結(jié)構(gòu),如圖3所示。為了分析兩種方案的抗沖蝕效果,采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析。

圖3 傘鍵防沖蝕導(dǎo)流結(jié)構(gòu)方案

2.1 隼槽式滑套內(nèi)兩相流數(shù)值分析模型

以3個傘鍵的隼槽式滑套為例,取滑套內(nèi)流體域的三分之一進(jìn)行離散建模,為了提高計(jì)算精度,在壁面、變截面、鍵結(jié)構(gòu)附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。選取滑溜水為沖蝕液體,混砂體積分?jǐn)?shù)為3%,排量為10 m3/min,顆粒取石英砂,粒徑分布在0.425～0.85 mm的加權(quán)平均數(shù)為0.65 mm,彈性模量為1.79×1010Pa,泊松比為0.27,稠化劑質(zhì)量濃度取3 kg/m3。計(jì)算域入口為速度邊界,出口為壓力邊界,流體在壁面為無滑移邊界,壓裂液顆粒與流體初始速度相同,兩相流模型采用雙流體模型[14],湍流模型選取RNGk-ε模型,沖蝕模型選用Huser等的壁面碰撞沖蝕模型[15]。

2.2 導(dǎo)流結(jié)構(gòu)沖蝕特性

經(jīng)數(shù)值計(jì)算可以得到滑套內(nèi)流場及沖蝕率密度,如圖4所示。

圖4 傘鍵沖蝕率密度云圖

由圖4可知,帶有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)沖蝕率整體下降很多,鍵尖被擋板保護(hù)較好,受到的沖蝕很小。為了定量評價傘鍵結(jié)構(gòu)的抗沖蝕特性,沿傘鍵側(cè)面建立沖蝕率密度提取路徑,如圖5(a)中紅色線所示。原傘鍵結(jié)構(gòu)、方形擋板結(jié)構(gòu)和弧形擋板結(jié)構(gòu)的沖蝕率密度沿傘鍵路徑變化如圖5(b)所示。由圖5可知,方形擋板結(jié)構(gòu)與弧形擋板結(jié)構(gòu)的沖蝕規(guī)律基本相同,在鍵尖位置處沖蝕率密度下降約4個數(shù)量級,在傘鍵長約50 mm位置沖蝕率密度下降約2個數(shù)量級,在73～143 mm段沖蝕率密度也下降約2個數(shù)量級。由圖5中也可以看出弧形擋板對傘鍵側(cè)面的保護(hù)略有加強(qiáng),主要原因是弧形擋板結(jié)構(gòu)具有上窄下寬特征,改變了流速分布。

圖5 沖蝕率密度路徑及其變化曲線

改變弧形擋板與傘鍵距離Z,得到的沖蝕率密度沿路徑變化曲線,見圖6。

圖6 弧形擋板不同位置處導(dǎo)流結(jié)構(gòu)沖蝕率密度曲線

由圖6可知,隨著Z的增大,對傘鍵的保護(hù)范圍逐漸減小,但沖蝕率密度并不隨著Z的增大而變嚴(yán)重。當(dāng)Z=10 mm時,傘鍵側(cè)面平均沖蝕率密度為Z=0 mm時的1.5倍;當(dāng)Z=5 mm和Z=15 mm時,傘鍵側(cè)面平均沖蝕率密度為Z=0 mm時的2倍和2.5倍。由此可知,當(dāng)擋板與傘鍵的距離為0時,擋板對傘鍵的保護(hù)能力最強(qiáng),最終優(yōu)選出擋板與傘鍵距離Z=0 mm的弧形擋板式導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。

3 隼槽式全通徑多級壓裂不動管柱的壓力損失

3.1 全通徑多級壓裂不動管柱及工具的流道特征

隼槽式全通徑多級壓裂不動管柱工具內(nèi)部存在復(fù)雜流道,沒有較為統(tǒng)一的壓力損失計(jì)算公式,影響了壓裂施工工藝和工具設(shè)計(jì)。為了采用變徑管結(jié)構(gòu)的壓力損失計(jì)算公式來近似計(jì)算這些工具的壓力損失,根據(jù)工具內(nèi)部流道結(jié)構(gòu),簡化為圖7所示的突縮管、突擴(kuò)管、縮擴(kuò)管和擴(kuò)縮管的組合結(jié)構(gòu),但這種簡化方法及壓力損失計(jì)算的誤差和適用性仍需研究。為此,定義突縮管直徑比為d/D1;突擴(kuò)管直徑比為d/D2;縮擴(kuò)管直徑比為d/(D1/2+D2/2),變徑長為Ld/(D1/2+D2/2);擴(kuò)縮管直徑比為(d1/2+d2/2)/D,變徑長為LD/D,采用數(shù)值模擬方法對簡化的直徑進(jìn)行修正。

圖7 全通徑多級壓裂不動管柱及工具典型流道特征

3.2 全通徑多級壓裂不動管柱壓力損失計(jì)算方法

壓裂液在直管內(nèi)的壓力損失[16-17]為

Δpf=δΔpw.

(1)

其中

式中,Δpf為直管內(nèi)壓裂液壓力損失,Pa;Δpw為直管內(nèi)清水壓力損失,Pa;δ為直管內(nèi)壓裂液降阻比;D為直管內(nèi)徑,m;Q為排量;CHPG為稠化劑質(zhì)量濃度,kg/m3;Cp為砂比即總砂量與凈液量的比,%。

壓裂液在彎曲段壓力損失計(jì)算公式[18]為

(2)

其中

a=(lgn+3.93)/50,b=(1.75-lgn)/7.

式中,Δpb為彎曲段內(nèi)壓裂液壓力損失,Pa;ρ為流體密度,kg/m3;v為流體速度,m/s;L為管長度,m;f為摩阻系數(shù);Ref為壓裂液雷諾數(shù);Rc為曲率半徑,m;K為稠度系數(shù),Pa·sn;n為流性指數(shù)。

突縮管、突擴(kuò)管、縮擴(kuò)管和擴(kuò)縮管4種變徑管內(nèi)壓裂液壓力損失計(jì)算公式[19-23]為

(3)

其中

全通徑多級壓裂不動管柱的壓力損失Δp由直管、彎管和變徑管的壓力損失組成,計(jì)算公式為

(4)

3.3 工具內(nèi)復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)壓力損失的數(shù)值分析

在全通徑多級壓裂不動管柱中,噴嘴座傘鍵位置、噴砂口關(guān)閉時噴砂口位置、噴砂口打開時噴砂口位置、噴砂器無套時噴砂口位置均為復(fù)雜流道,若通過面積等效為變徑管,并由公式(4)求解,而得到的壓力損失準(zhǔn)確性難于保證,只有通過數(shù)值模擬才能開展評價和修正。現(xiàn)取噴嘴座傘鍵、噴砂口關(guān)閉和噴砂口打開狀態(tài)以及噴砂器無套時的流道內(nèi)流體為研究對象,數(shù)值模型如圖8所示,排量取4、5、6、7、8 m3/min,砂比取7%、14%、21%、28%、35%,壓裂液黏度為40 mPa·s。

圖8復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

兩種傘鍵結(jié)構(gòu)甲1(鍵槽寬H=11 mm)和甲2(鍵槽寬H=27 mm)在不同排量和砂比下的壓力損失曲線見圖9,最大砂比工況時的傘鍵壓力分布見圖10。由圖10可知,傘鍵位置處壓力小于其他位置壓力,入口側(cè)一段距離內(nèi)壓力較高,出口側(cè)一段距離內(nèi)壓力較低;傘鍵鍵尖到傘鍵根部,壓力由高到低變化是產(chǎn)生壓力損失的主要原因。壓力損失曲線中未修正等效直徑的變徑管,采用公式(3)得到的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差約為40%。因此可采用數(shù)值模擬得到的傘鍵壓力損失對傘鍵結(jié)構(gòu)等效的當(dāng)量直徑進(jìn)行修正。通過對不同傘鍵結(jié)構(gòu)和不同工況參數(shù)下的數(shù)值模擬,并將壓力損失計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步回歸處理,修正后的噴嘴座傘鍵位置等效面積對應(yīng)的當(dāng)量直徑des為

圖10 甲1最大砂比時傘鍵壓力分布

(5)

式中,des為修正后的傘鍵結(jié)構(gòu)當(dāng)量直徑,mm。

將修正后的當(dāng)量直徑代入式(3)計(jì)算傘鍵壓力損失,由圖9中可以看出,其結(jié)果與數(shù)值模擬值的相對誤差均小于10%,表明傘鍵結(jié)構(gòu)修正后的當(dāng)量直徑完全可以采用公式(3)進(jìn)行此類結(jié)構(gòu)的壓力損失計(jì)算。

圖9 傘鍵壓力損失曲線

噴砂口關(guān)閉、噴砂口打開和噴砂器無套時噴砂口流道可以等效為擴(kuò)縮管結(jié)構(gòu),不同排量和砂比下3種工況的壓力損失曲線見圖11。依據(jù)面積等效直徑,3種工況由公式(3)計(jì)算的壓力損失與數(shù)值模擬值誤差也均較大,同樣采用數(shù)值模擬得到的傘鍵壓力損失值,對傘鍵結(jié)構(gòu)等效的當(dāng)量直徑進(jìn)行修正,噴砂口關(guān)閉時噴砂口位置的等效當(dāng)量直徑為66 mm,修正后得到的等效當(dāng)量直徑為69 mm;噴砂口打開時噴砂口位置的等效當(dāng)量直徑為108 mm,修正后得到的等效當(dāng)量直徑為123 mm;噴砂器無套時噴砂口位置的等效當(dāng)量直徑為50 mm,修正后得到的當(dāng)量直徑為57 mm。將修正后的當(dāng)量直徑代入式(3)計(jì)算噴砂口壓力損失,由圖11中可以看出,其結(jié)果與數(shù)值模擬值的相對誤差均小于10%,表明噴砂口修正后的當(dāng)量直徑也完全可以采用式(3)進(jìn)行壓力損失計(jì)算。

圖11 傘鍵壓力損失曲線

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 全通徑多級壓裂不動管柱及工具的現(xiàn)場試驗(yàn)

在低滲透油田3口井中開展隼槽式全通徑不動管柱多級壓裂現(xiàn)場試驗(yàn),其中高127-更44井設(shè)計(jì)施工壓裂三層,管柱由K344-116HD封隔器(2個)、導(dǎo)壓噴砂封隔器(2個,隼槽滑套耐磨處理)、導(dǎo)壓噴砂器(1個不帶套)、隼翼開關(guān)(2個)組成,設(shè)計(jì)施工累積液量為760 m3,累積砂量為118 m3。

起出壓裂管柱觀察,導(dǎo)壓噴砂器本體完好,出砂口有輕微磨損,各級滑套均打開到位。該井全通徑噴砂器單體最大過砂量達(dá)到60 m3,整體管柱過砂量為118 m3,達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹Ｔ谠囼?yàn)中,第二層隼槽式開關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行耐磨處理,施工排量5 m3/min,最高施工壓力35 MPa,共施工49 min,加砂28 m3,壓后取出的隼翼開關(guān)和滑套的形貌如圖12(a)、(b)所示,經(jīng)耐磨處理后有一定效果,但還存在一定程度的磨損失效。在第三層中,隼槽式滑套工具進(jìn)行耐磨處理,并增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu),前置液施工排量為8 m3/min,加砂排量為5 m3/min,最大施工壓力為39 MPa,施工46 min,加砂30 m3,如圖12(c)所示,隼槽開關(guān)及滑套外部觀察不到?jīng)_蝕空坑,滑套內(nèi)部也只有輕微沖蝕。增加的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對隼槽式滑套和開關(guān)起到了很好的抗沖蝕作用,使磨蝕導(dǎo)致工具壽命低、工作可靠性差的問題得以有效解決,確保了隼槽式滑套工具能夠滿足多級壓裂的需要。

圖12 施工后隼翼開關(guān)和滑套的形貌

4.2 全通徑多級壓裂不動管柱壓力損失試驗(yàn)

在低滲透油田3口井中開展管柱壓力損失現(xiàn)場試驗(yàn),選取高127-更44井為例,油管內(nèi)徑為62 mm,設(shè)計(jì)施工累積液量為310 m3,累積砂量為28 m3,根據(jù)井口泵壓記錄數(shù)據(jù)和井底壓力計(jì)采集壓力pb值,可得壓裂施工時每一層段的管柱壓力損失,即

Δpex=pp+ph-pb.

(6)

式中,Δpex為管柱測試壓力損失,MPa;pp為井口泵壓,MPa;pb為井底壓力計(jì)采集的壓力,MPa;ph為靜液柱壓力,MPa。

通過前述計(jì)算方法,根據(jù)施工參數(shù)和管柱結(jié)構(gòu)求得管柱壓力損失的理論值,結(jié)果見表1。由表1可知,理論計(jì)算與現(xiàn)場測試得到的壓力損失結(jié)果相對誤差最大值為13.26%,而在分析的15種工況下,有10種工況的相對誤差低于10%,表明本文中給出的壓力損失計(jì)算公式完全可以用于全通徑多級壓裂不動管柱的壓力損失計(jì)算。

表1 高127-更44井壓力損失測試和理論計(jì)算結(jié)果

由隼槽滑套工具研發(fā)、壓裂管柱設(shè)計(jì)及管柱壓力損失計(jì)算而形成的隼槽式全通徑不動管柱多級壓裂技術(shù),已在大慶油田累積推廣應(yīng)用386口井。一趟管柱坐壓最多8層,最大施工排量8.5 m3/min,最高施工壓力59 MPa,整體應(yīng)用工藝成功率99.4%,設(shè)計(jì)符合率99.9%,為高效低成本開采大慶外圍低滲透油田提供了一項(xiàng)新的壓裂技術(shù)。

5 結(jié)束語

突破傳統(tǒng)滑套逐級縮徑投球的“徑向分級”思維,提出了周向分級設(shè)計(jì)理念,研制了逐級全通徑的隼槽式滑套工具。建立了滑套內(nèi)含砂壓裂液兩相流體模型,得到了傘鍵結(jié)構(gòu)的流場和沖蝕密度,優(yōu)選出抗沖蝕能力較好的弧形擋板導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。通過噴嘴座傘鍵位置、噴砂口關(guān)閉和打開位置、無套時噴砂口位置流道的數(shù)值模擬研究,得到了適用于特殊流道結(jié)構(gòu)的攜砂液壓力損失計(jì)算方法。通過現(xiàn)場試驗(yàn),驗(yàn)證了隼槽式滑套和工具的可靠性以及壓力損失計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,為全通徑不動管柱多級壓裂提供了一項(xiàng)新技術(shù)。