海上壓裂—測(cè)試聯(lián)作管柱分析

張俊斌，魏裕森，賀占國(guó)，王 偉

（1.中海石油〈中國(guó)〉有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉，北京102249）

海上壓裂—測(cè)試聯(lián)作管柱分析

張俊斌*1，魏裕森1，賀占國(guó)1，王 偉2

（1.中海石油〈中國(guó)〉有限公司深圳分公司，廣東深圳518067；2.中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉，北京102249）

聯(lián)作工藝涉及的井下工具多、操作復(fù)雜，因此工藝管柱的優(yōu)選十分重要。針對(duì)海上某區(qū)塊壓裂—測(cè)試聯(lián)作作業(yè)，從工藝管柱結(jié)構(gòu)和管柱尺寸2方面進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析。對(duì)3種結(jié)構(gòu)管柱綜合對(duì)比后認(rèn)為，帶伸縮節(jié)的管柱更適合該海上油田的壓裂—測(cè)試聯(lián)作；為降低海上作業(yè)費(fèi)用，采用單一或復(fù)合結(jié)構(gòu)的鉆桿作為主管柱能夠滿足作業(yè)要求。管柱受力分析表明，壓裂工況是管柱強(qiáng)度安全最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)給予全面強(qiáng)度校核。管柱軸向變形分析表明，根據(jù)壓裂、測(cè)試2個(gè)工況下的最大變形量就可以確定伸縮節(jié)選擇方案。

聯(lián)作；測(cè)試；壓裂；軸向力；變形

1 背景介紹

油氣資源緊張導(dǎo)致不得不開采劣質(zhì)油氣藏。技術(shù)進(jìn)步和成本壓力兩方面因素促成了目前聯(lián)作工藝施工日益增多[1-3]。在聯(lián)作工藝中，一趟管柱完成多項(xiàng)井下作業(yè)，相應(yīng)地需要井下工具和操作手段。因此管柱和井下工具的設(shè)計(jì)、流程安排、操作參數(shù)設(shè)定等，需要綜合考慮。在進(jìn)行管柱安全分析時(shí)，必須考慮施工整個(gè)過程，找到施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵工程參數(shù)，不能有任何遺漏，否則就可能出現(xiàn)問題。

作為較復(fù)雜的聯(lián)作方式，“射孔—測(cè)試—壓裂”聯(lián)作是目前需要深入研究的內(nèi)容之一[4]。這種聯(lián)作方式對(duì)管柱和工藝設(shè)計(jì)要求較嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在如下方面：

（1）設(shè)計(jì)階段，地層溫度、壓力、產(chǎn)物性質(zhì)、破裂壓力等都不準(zhǔn)確。

（2）下井工具多，管串結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（3）油管內(nèi)肩負(fù)射孔、誘噴、注壓裂液等工作；油管外擔(dān)負(fù)開關(guān)井、加背壓、循環(huán)壓井等工作。

（4）壓裂過程中，油管溫度降低、內(nèi)壓增大，軸向要縮短；測(cè)試放噴時(shí)，油管溫度升高，軸向要伸長(zhǎng)。

在中國(guó)陸上及海上壓裂施工中，由于區(qū)塊地層巖石性質(zhì)差異，壓裂施工參數(shù)的初始設(shè)定存在極大隨意性。尤其是泵壓與排量的預(yù)估值，往往超出施工中可能范圍，二者與井深、管徑的匹配性出現(xiàn)較大偏差，給施工安全分析造成混亂。吐哈油田3000m深地層，壓裂時(shí)泵壓達(dá)到100MPa而沒有排量。對(duì)于給定結(jié)構(gòu)的管柱，在設(shè)定最大泵壓時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)應(yīng)的排量，才能算準(zhǔn)沿程壓力分布和摩擦阻力，從而達(dá)到安全分析目的。

壓裂泵壓、排量等的不確定性給管柱的選擇帶來很大麻煩，級(jí)別選高了造成浪費(fèi)，級(jí)別選低了風(fēng)險(xiǎn)增加，因此對(duì)每種影響因素進(jìn)行綜合對(duì)比分析，具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。尤其對(duì)海上油氣田，運(yùn)輸、供給都不方便，合理的前期設(shè)計(jì)尤為重要[5]。以海上測(cè)試—壓裂聯(lián)作管柱設(shè)計(jì)為例，尋求聯(lián)作管柱結(jié)構(gòu)的選擇依據(jù)，并重點(diǎn)研究了伸縮節(jié)管柱的受力變形特點(diǎn)。

2 聯(lián)作管柱受力變形計(jì)算模型

2.1 聯(lián)作管柱結(jié)構(gòu)特征

聯(lián)作管柱可能由主管柱及十幾件井下工具組成，但是從管柱安全校核角度，可以簡(jiǎn)化為主管柱（包括鉆桿、鉆鋌和油管等）、封隔器（必用）、伸縮節(jié)（選用）。其它工具可先簡(jiǎn)化為管柱段或集中載荷（如井下測(cè)試閥），待管柱整體受力變形計(jì)算完成后，再對(duì)具體每一件工具進(jìn)行單獨(dú)分析。

不失一般性，目前常用的聯(lián)作管柱可以簡(jiǎn)化為3種基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

針對(duì)以上3種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1（伸縮節(jié)管柱）將管柱上、下端設(shè)定為固定邊界，伸縮節(jié)處管柱斷開；結(jié)構(gòu)2（插入密封管柱）將管柱上端設(shè)定為固定邊界，下端為軸向位移自由邊界；結(jié)構(gòu)3（硬連接管柱）將管柱上、下端設(shè)定為固定邊界。

圖1 3種基本管柱結(jié)構(gòu)

2.2 基本計(jì)算模型

2.2.1 流動(dòng)摩阻

混合流體流動(dòng)在改變壓力的同時(shí)，還對(duì)管柱施加軸向摩擦力?；居?jì)算內(nèi)容是流體的流動(dòng)壓降。下面以注入壓裂液的流動(dòng)壓降為例，確定流動(dòng)影響。

壓裂施工的壓力預(yù)測(cè)準(zhǔn)確與否將直接影響到壓裂工藝的設(shè)計(jì)（壓裂施工中對(duì)井底壓力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工判斷起著重要的作用），壓裂施工過程中管柱摩阻的大小，是確定井底壓力以及井口施工壓力非常重要的數(shù)據(jù)，也是關(guān)系到壓裂施工成功與否的一個(gè)主要因素。以往預(yù)測(cè)管柱摩阻，大多數(shù)均采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行估算，其預(yù)測(cè)結(jié)果往往很難與實(shí)際情況相符合，更不能對(duì)攜砂液階段不同砂比情況下的管柱摩阻進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。為解決針對(duì)管柱摩阻預(yù)測(cè)的問題，許多專業(yè)文獻(xiàn)研究了壓裂液流動(dòng)阻力計(jì)算方法，下面采用經(jīng)過改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)公式法[6-7]。

清水摩阻損失ΔPW回歸公式：

式中：D——壓裂油管內(nèi)徑，mm；

Q——施工過程泵注排量，m3/min；

L——油管長(zhǎng)度，m。

結(jié)合Lord的回歸公式和中國(guó)四川的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到壓裂液計(jì)算壓裂液降阻比δ的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：CP——支撐劑的濃度，kg/m3；

CH——稠化劑的濃度，kg/m3。

利用上2式得到壓裂液的摩阻損失：

認(rèn)為流動(dòng)阻力在管壁上均勻分布，則可以得到相應(yīng)的流體對(duì)管柱軸向的作用力。

2.2.2 溫度效應(yīng)

設(shè)油管某一井深位置溫度升高ΔT，其引起的油管局部軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：α——油管線熱漲系數(shù)，℃-1；

ΔT——溫差，℃。

2.2.3 膨脹效應(yīng)

膨脹效應(yīng)，就是對(duì)于插管封隔器，必須算準(zhǔn)在各操作工況下插管的插入深度，嚴(yán)防插管拔出。因此在插管下入階段就必須計(jì)算出內(nèi)外壓影響，并根據(jù)操作過程和流動(dòng)情況時(shí)計(jì)算。

由于內(nèi)外液體壓力，管柱膨脹效應(yīng)將引起軸向應(yīng)變

式中：ν——泊松比；

R——油管外徑與內(nèi)徑之比。

2.2.4 活塞效應(yīng)

活塞效應(yīng)，在油管變截面及測(cè)試閥等處，液壓會(huì)引起軸向力突變，尤其在測(cè)試過程中，油管內(nèi)外壓力的變化比較大，因此活塞效應(yīng)非常明顯。

Fv的計(jì)算公式為：

式中：Ao1,AO2,Ai1,Ai2——兩段管柱的外橫截面面積和內(nèi)橫截面面積，m2。

3 聯(lián)作管柱受力變形計(jì)算

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)

以海上某平臺(tái)井聯(lián)作為例進(jìn)行分析。

分析井例的井身結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 分析井例的井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)模擬計(jì)算，施工過程中關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)管柱溫度分布如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)管柱溫度分布

聯(lián)作管柱參數(shù)如表2所示。

表2 管柱規(guī)格

作業(yè)控制參數(shù)：

完井液密度1.03g/cm3；液墊密度1.03g/cm3，液墊面深度1500m。

壓裂液密度1.4g/cm3；注液排量3m3/min；泵壓60MPa；環(huán)空壓力20MPa。

產(chǎn)液密度1.2g/cm3；產(chǎn)液排量0.5m3/min；井口流壓6MPa；環(huán)空壓力0MPa。

3.2 3種作業(yè)管串對(duì)比分析

首先對(duì)如下3種管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析：

結(jié)構(gòu)1：5″鉆桿×2900m+3-1/2″鉆桿×540m+伸縮節(jié)+4-3/4″鉆鋌×241m+RTTS封隔器+厚壁油管+射孔槍。

結(jié)構(gòu)2：5″鉆桿×2900m+3-1/2″鉆桿×795m+2-7/8″密封插管×2m+永久性封隔器+厚壁油管+射孔槍。

結(jié)構(gòu)3：5″鉆桿×2900m+3-1/2″鉆桿×797m+ RTTS封隔器+厚壁油管+射孔槍。

針對(duì)以上結(jié)果和給定的參數(shù)，計(jì)算得到關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 壓裂時(shí)管柱受力變形

管柱安放結(jié)束后：

表中井口軸向力來源為：結(jié)構(gòu)1的是伸縮節(jié)上部管柱有效重量；結(jié)構(gòu)2是整個(gè)管柱有效重量；結(jié)構(gòu)3是滿足下放重量的要求后剩余的管柱重量。

3種結(jié)構(gòu)中，管柱對(duì)封隔器壓力與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和操作方法相關(guān)。

結(jié)構(gòu)1的優(yōu)點(diǎn)是，可以通過伸縮節(jié)來平衡管柱軸向伸縮，使配重管柱（鉆鋌）的重量壓在封隔器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)封隔器的坐封和狀態(tài)維持。坐封后上部管柱的變形不影響射孔槍位置。缺點(diǎn)是伸縮節(jié)本身具有一定缺陷。

結(jié)構(gòu)2的優(yōu)點(diǎn)是，可以通過密封插管來平衡管柱軸向伸縮，且密封插管長(zhǎng)度選取可以是任意的。缺點(diǎn)是在某些情況下管柱變形會(huì)影響射孔精度。

結(jié)構(gòu)3的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過地面儀表直接判斷下放管柱重量，可控性高。缺點(diǎn)是只能通過管柱軸向力的變化來調(diào)節(jié)管柱的伸縮效應(yīng)。

壓裂時(shí)管柱受力變形：

由于壓裂液的流動(dòng)摩阻，井口軸向力大幅度上升。

結(jié)構(gòu)1，管柱依然對(duì)封隔器有較大壓力，管柱總變形量比結(jié)構(gòu)2小。

結(jié)構(gòu)2，管柱下端軸向縮短超過2m，變形量最大。

結(jié)構(gòu)3，管柱軸向力升幅最大，其中包含了由于溫度下降導(dǎo)致的管柱縮短效應(yīng)。

測(cè)試流動(dòng)時(shí)管柱受力變形：

由于環(huán)空壓力撤除，對(duì)管柱受力變形影響較大。

結(jié)構(gòu)1，維持對(duì)封隔器的壓力，管柱伸長(zhǎng)。

結(jié)構(gòu)2，變化不大。

結(jié)構(gòu)3，管柱對(duì)封隔器壓力大幅度上升，下部管柱會(huì)發(fā)生嚴(yán)重螺旋屈曲變形。

3.3 3種管柱的優(yōu)缺點(diǎn)分析

根據(jù)聯(lián)作管柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝流程，3種管柱結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于流程中步驟多，這里僅給出關(guān)鍵幾點(diǎn)。

綜合比較分析：

（1）結(jié)構(gòu)3兩端固定管柱在壓裂、測(cè)試2種工況下的軸向力相差最大，下部管柱易發(fā)生嚴(yán)重螺旋屈曲，管柱最容易出現(xiàn)安全問題。

（2）結(jié)構(gòu)2具有自身優(yōu)勢(shì)，但總體操作相對(duì)繁瑣。

（3）結(jié)構(gòu)1具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，與使用密封插管相比，安全性差別不大。

結(jié)合海上作業(yè)，最終選擇結(jié)構(gòu)1作為工作管柱。

4 伸縮節(jié)管柱計(jì)算分析

在下面的計(jì)算中，使用的基礎(chǔ)參數(shù)與前面相同。

4.1 作業(yè)管串結(jié)構(gòu)

為對(duì)比，選擇如下3個(gè)不同尺寸的管柱組合進(jìn)行分析：

①5″鉆桿×2900m+3-1/2″鉆桿×540m+伸縮節(jié)+ 4-3/4″鉆鋌×241m+RTTS封隔器+厚壁油管+射孔槍。

②5″鉆桿×3440m+伸縮節(jié)+4-3/4″鉆鋌×241m+ RTTS封隔器+厚壁油管+射孔槍。

③3-1/2″鉆桿×3440m+伸縮節(jié)+4-3/4″鉆鋌× 241m+RTTS封隔器+厚壁油管+射孔槍。

這3個(gè)組合中，只有伸縮節(jié)以上主管柱尺寸發(fā)生變化，下面沒變。

4.2 坐封坐掛完成后管柱管柱受力

管柱安放完成后，關(guān)鍵部位受力如表4所示。

表4 關(guān)鍵工況管柱受力變形對(duì)比

受力變形結(jié)果分析：

坐封坐掛后：井口軸向力是伸縮節(jié)上部管柱有效重量；管柱對(duì)封隔器壓力是伸縮節(jié)到封隔器管柱有效重量；封隔器上下壓差實(shí)際為0；把此刻設(shè)為初始參考狀態(tài)，所以管柱總伸長(zhǎng)量設(shè)定為0。

壓裂過程中：井口軸向力大幅度升高，這與管柱結(jié)構(gòu)、施工參數(shù)密切相關(guān)；管柱對(duì)封隔器作用力與參考狀態(tài)相比變化不大；封隔器承受壓差變化明顯，這是由泵壓、排量、壓裂液密度、管柱尺寸等因素綜合作用的結(jié)果，至于地層因素，應(yīng)單獨(dú)分析；管柱總伸長(zhǎng)量相差不大，與計(jì)算模型的建立有很大關(guān)系，其中伸縮節(jié)自身特點(diǎn)不容小視。

測(cè)試過程中：井口軸向力介于前2種工況之間，所以單從主管柱抗拉強(qiáng)度看，壓裂過程最危險(xiǎn)；管柱對(duì)封隔器作用力與參考狀態(tài)相比變化不大；封隔器承受壓差變化明顯，且總體小于壓裂工況；管柱總伸長(zhǎng)量相差較明顯，都使管柱伸長(zhǎng)，而壓裂工況下管柱都縮短。

從上面的分析可知，從管柱強(qiáng)度角度看，壓裂階段是最關(guān)鍵工況，如果管柱滿足壓裂階段強(qiáng)度要求，那么就滿足所有工況的強(qiáng)度要求。從管柱變形角度來看，壓裂階段管柱縮短，測(cè)試階段管柱伸長(zhǎng)，二者之差決定了使用伸縮節(jié)的數(shù)量。從本例數(shù)據(jù)看，使用2個(gè)伸縮節(jié)完全夠用。因此可以說，壓裂工況控制管柱強(qiáng)度選取，壓裂工況與測(cè)試工況控制伸縮節(jié)選取。

5 結(jié)論

（1）“管柱+伸縮短節(jié)+固定封隔器”在作業(yè)安全性與操作方便性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在封隔器坐封—解封方便、壓裂時(shí)配重管柱可以有效保護(hù)封隔器、伸縮節(jié)開啟狀態(tài)容易控制。因此建議該海上區(qū)塊壓裂測(cè)試使用這種管柱結(jié)構(gòu)。

（2）壓裂時(shí)，管柱關(guān)鍵位置在井口附近，關(guān)鍵因素是軸向拉力大、內(nèi)壓大，對(duì)這個(gè)位置應(yīng)進(jìn)行單軸、雙軸、三軸強(qiáng)度校核。

（3）“管柱+伸縮短節(jié)+固定封隔器”結(jié)構(gòu)多數(shù)選擇機(jī)械坐封方式，所使用的伸縮節(jié)初始伸縮狀態(tài)控制比較關(guān)鍵，建議采取先坐封后坐掛工序，以便在地面通過觀測(cè)管柱懸重和提放距離來控制伸縮節(jié)初始狀態(tài)。

（4）測(cè)試階段，管柱溫度有所上升，一般情況下管柱要伸長(zhǎng)。結(jié)合壓裂階段管柱縮短特點(diǎn)，共同確定伸縮節(jié)數(shù)量。

（5）對(duì)關(guān)注區(qū)塊的壓裂測(cè)試管柱綜合分析表明，壓裂階段安全隱患最大。

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TE934

A

1004-5716(2015)04-0062-05

2014-04-08

2014-04-08

張俊斌（1972-），男（漢族），浙江金華人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鉆完井方向的研究工作。