礫石充填服務(wù)管柱防竄力學(xué)分析及解決方案

劉傳剛 包陳義 左凱 鞠少棟 董健中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

礫石充填服務(wù)管柱防竄力學(xué)分析及解決方案

劉傳剛 包陳義 左凱 鞠少棟 董健
中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

海上礫石充填完井防砂作業(yè)中，井下工具的相對位置是影響其功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。為了保證內(nèi)層服務(wù)管柱與外層管柱的位置準(zhǔn)確性、選擇合適的井下負(fù)荷定位工具及最佳壓載噸位，對充填作業(yè)中及作業(yè)后的服務(wù)管柱進(jìn)行了受力分析，建立了充填流體作用于完井管柱的力學(xué)模型，并推導(dǎo)出井下負(fù)荷定位工具的最佳壓載噸位，模型假設(shè)井下負(fù)荷定位工具為承載點(diǎn)，管柱軸向竄動負(fù)載受流體循環(huán)壓差、管柱熱脹冷縮以及管柱彎曲等因素的影響。試驗(yàn)井模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)例分析表明，管柱力學(xué)模型與實(shí)際作業(yè)情況基本吻合，驗(yàn)證了在礫石充填作業(yè)過程中使用配套井下負(fù)荷定位工具的必要性，為現(xiàn)場作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持，并對異常情況進(jìn)行預(yù)判。

礫石充填；負(fù)荷定位工具；循環(huán)壓差；最優(yōu)壓載噸位；力學(xué)模型

在海上礫石充填完井防砂過程中，不管是單層礫石充填作業(yè)，還是一趟多層礫石充填作業(yè)，井下工具相對位置的準(zhǔn)確和穩(wěn)定可靠是保證其功能實(shí)現(xiàn)的必要條件。目前海上作業(yè)一般面臨井段深、井斜大、狗腿度大等復(fù)雜問題，在大排量、長時(shí)間充填時(shí)，流體壓差、井況溫度、管柱彎曲等因素會使充填服務(wù)工具的充填孔相對于封隔器密封筒、充填滑套等外層管柱發(fā)生軸向竄動，使鉆桿內(nèi)循環(huán)壓力增大，導(dǎo)致無法提高排量進(jìn)行循環(huán)充填，嚴(yán)重影響作業(yè)成功率；管柱竄動還會引起漏壓，突然壓降則會造成灌腸、砂卡等災(zāi)難性后果［1-4］。此外，一趟多層礫石充填作業(yè)涉及多個(gè)充填位置，防砂工具現(xiàn)場找位置困難，存在極大的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。國外部分完井作業(yè)服務(wù)公司已在礫石充填管柱中應(yīng)用配套的井下負(fù)荷定位工具，不僅解決了防砂作業(yè)時(shí)工具找位困難的問題，還可以同時(shí)確定下壓負(fù)荷噸位，解決了管柱在大排量礫石充填作業(yè)時(shí)的各種風(fēng)險(xiǎn)［5］。

1 礫石充填管柱模型Model of gravel-packing string

1.1建立模型

Model building

在大排量循環(huán)充填過程中，防砂完井管柱的外層管柱受力載荷通過封隔器負(fù)載在套管壁上，服務(wù)管柱與封隔器順利脫手后主要承受管體重力、流體壓力和井口活動管柱的推力［6］，如圖1所示。其中Fc為流體壓差產(chǎn)生的軸向力，F(xiàn)f為管柱與套管的滑動摩阻；P1為循環(huán)充填過程泵頭壓力；P2為充填孔上端壓力；P3為充填孔下端壓力；P4為充填孔外部壓力；Pk為套管環(huán)空頂部壓力。

圖1　礫石充填完井管柱受力分析Fig. 1 Forces on gravel-packing completion string

1.2流體對管柱軸向力影響

Effects of fluids on axial force of string

循環(huán)充填過程中，受流體壓差影響對鉆柱產(chǎn)生的軸向力Fc為［7］

式中，AZI為鉆桿內(nèi)徑橫截面積，m2；ACS為套管內(nèi)徑橫截面積，m2；AZO為鉆桿外徑橫截面積，m2；Phyd為靜液柱壓力，Pa。

即

式中，DZI為鉆桿內(nèi)徑，m；DCS為套管內(nèi)徑，m；DZO為鉆桿外徑，m；Pfz為鉆桿循環(huán)摩阻，Pa；Pfc為充填轉(zhuǎn)換工具循環(huán)摩阻，Pa；Pft為套管循環(huán)摩阻，Pa。

循環(huán)充填過程中，流體因黏滯性與管柱產(chǎn)生管內(nèi)摩擦力為

式中，F(xiàn)fi為管內(nèi)摩擦力，N；ρi為管內(nèi)液體密度，kg/ m3；g為重力系數(shù)；λ為沿程阻力系數(shù)；L為管柱長度，m；vZI為鉆桿內(nèi)流體速度，m/s。

管外摩擦力Ffo為

式中，F(xiàn)fo為管外摩擦力，N；ρo為管外液體密度，kg/ m3；vZO為鉆桿外流體速度，m/s。

出現(xiàn)脫砂壓力時(shí)，服務(wù)工具管柱受流體壓差影響對鉆柱產(chǎn)生的軸向力F'c為

式中，Prt為脫砂壓力，Pa；Pc為儲層壓力，Pa。

1.3管柱附加載荷變形量

Deformation of additional loads on string

服務(wù)工具管柱在礫石循環(huán)充填過程中和出現(xiàn)脫砂時(shí)的壓力，主要受循環(huán)流體壓差、黏滯摩阻和溫度差等因素的影響，使管柱產(chǎn)生附加軸向力及軸向變形［8-10］。對于沒有井下負(fù)荷定位工具且尺寸較小的作業(yè)管柱影響尤為突出，主要體現(xiàn)在下部充填服務(wù)工具受載后，使上部管柱產(chǎn)生軸向拉伸或壓縮［11-12］。根據(jù)虎克定律，附加載荷產(chǎn)生的管柱伸縮量ΔL為

式中，ΔLc為管柱受循環(huán)流體壓差影響產(chǎn)生的伸縮量，m；ΔLf為管柱受黏滯摩阻影響產(chǎn)生的伸縮量，m；ΔLT為管柱受熱脹冷縮影響產(chǎn)生的伸縮量，m；E為彈性模量。

循環(huán)充填過程中因?yàn)榫跍囟容^低，當(dāng)循環(huán)至井底高溫井段時(shí)會使下部鉆桿發(fā)生熱脹冷縮，特別是冬季低溫和高速水大排量循環(huán)的作業(yè)影響尤為突出，壓縮量為［13］

式中，β為膨脹系數(shù)，1/℃；ΔT為溫度差，℃。

故防砂完井作業(yè)過程中服務(wù)工具管柱因循環(huán)流體等附加載荷使鉆柱產(chǎn)生的變形量為［14］：

循環(huán)充填過程中

出現(xiàn)脫砂壓力時(shí)

2 解決方案Solutions

為了有效解決礫石充填作業(yè)過程中的管柱竄動問題，選用合適的井下負(fù)荷定位工具是比較好的選擇［15］。在服務(wù)工具管柱適當(dāng)位置加裝井下負(fù)荷定位工具，通過其與外層管柱定位臺肩的配合，將服務(wù)管柱自重作用于外管柱上，用于抵消循環(huán)充填過程或出現(xiàn)脫砂壓力時(shí)鉆柱產(chǎn)生的變形，防止管柱竄動。液壓鎖定器和機(jī)械定位器結(jié)構(gòu)不同、功能不同，但都能解決礫石充填作業(yè)服務(wù)工具的防竄問題，如圖2、圖3所示。

圖2　液壓鎖定器Fig.2 Structure of hydraulic lock

圖3　機(jī)械定位器Fig.3 Structure of mechanical positioner

液壓鎖定器連接在服務(wù)工具的充填短節(jié)下端，工具到位以后，在充填作業(yè)前進(jìn)行環(huán)空打壓，利用活塞上下面積差，使活塞向上運(yùn)動，在中心管的斜面引導(dǎo)下，鎖塊、磁杯、鎖塊沿徑向向外運(yùn)動卡在與其配套的密封筒上；此時(shí)，井中管柱可向下加壓，管柱被鎖定在液壓鎖定器的設(shè)計(jì)位置上，進(jìn)而可以進(jìn)行充填作業(yè)。工作結(jié)束后，上提管柱，中心管向上運(yùn)動，活塞因鎖塊的鎖定作用暫不能動，進(jìn)而使活塞與上接頭的鋸齒扣回位到初始狀態(tài)，鎖塊在磁力的作用下，沿徑向中心管移動，恢復(fù)到工具的初始狀態(tài)［16］。

機(jī)械定位器是將現(xiàn)有負(fù)荷顯示器和液壓鎖定器功能合二為一的新型井下負(fù)荷定位工具［17］。機(jī)械定位器連接在服務(wù)工具的充填短節(jié)下端，通過下壓管柱，上外套可以沿著中心管上圓周對稱的換向J型槽進(jìn)行換向，從而帶動工作筒旋轉(zhuǎn)，工作筒與下心軸相配合，從而達(dá)到外工作筒座掛在外層管柱上、液壓鎖定器下壓定位的功能，或者上提管柱能夠負(fù)荷顯示并順利通過密封筒的負(fù)荷顯示器功能。

負(fù)荷定位工具在管柱的位置如圖1所示。首先根據(jù)適用井況和完井工藝選擇不同的井下負(fù)荷定位工具（機(jī)械定位器或液壓鎖定器），然后在作業(yè)中下壓服務(wù)管柱使負(fù)荷定位工具坐落在外層管柱的定位臺肩上，同時(shí)保證此處的下壓載荷大于管柱上竄的力量，即可實(shí)現(xiàn)在循環(huán)、大排量充填、壓裂、擠注測試中管柱準(zhǔn)確定位。

3 試驗(yàn)井模擬驗(yàn)證Simulation of test well for verification

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和機(jī)械定位器的可靠性，選擇了井深1 800 m、套管?177.8 mm試驗(yàn)井進(jìn)行單層礫石充填大排量循環(huán)測試，主要驗(yàn)證在循環(huán)過程中，井下負(fù)荷定位工具在防止管柱竄動方面起到的作用。試驗(yàn)分2次進(jìn)行，試驗(yàn)管柱組成、試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)步驟完全一樣，不同之處是第一次試驗(yàn)過程不使用負(fù)荷定位工具，以便對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化。試驗(yàn)過程使用?88.9 mm鉆桿下入防砂管柱，封隔器坐封位置井深1 350 m，攜砂液密度為1.006 g/ cm3，循環(huán)充填測試的最大排量為0.986 m3/min。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用負(fù)荷定位工具進(jìn)行循環(huán)作業(yè)時(shí)，泵頭壓力不會有明顯變化，且服務(wù)工具不會產(chǎn)出明顯的上竄，壓力比較平穩(wěn)，有效提高了作業(yè)的安全有效性。

4 實(shí)例分析Analysis of living example

根據(jù)完井管柱力學(xué)模型，對渤海渤中區(qū)塊某井進(jìn)行了防砂作業(yè)分析，該井井深為4 525 m，套管直徑為?177.8 mm，最大井斜81.6°，完井井段為4 198 ～ 4 258 m，采用單層礫石充填防砂作業(yè)，設(shè)計(jì)采用高速水充填，因其管柱下入較深，循環(huán)排量較大，循環(huán)充填位置的活動余量較少，沒有采用井下定位工具；通過與以往完井?dāng)?shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，此次作業(yè)存在懸重明顯降低，泵壓明顯偏高的問題，判斷管柱有較大的管柱竄動。

4.1完井管柱基本參數(shù)

The basic parameters of completion string

完井段套管為?177.8 mm，使用?88.9 mm鉆桿下入防砂管柱，封隔器坐封位置斜深4 198 m，垂深1 804 m，攜砂液密度為1.018 g/cm3，循環(huán)充填測試的最大排量為0.843 m3/min，鉆桿泵頭壓力為15.6 MPa，環(huán)空返出口壓力為1.95 MPa，測得鉆柱壓耗為3.4 MPa，充填服務(wù)工具壓耗為0.7 MPa，套管壓耗為2.1 MPa，脫砂時(shí)鉆桿泵頭壓力為25.4 MPa，地層破裂壓力為16.8 MPa，充填時(shí)鉆桿泵頭波動最高壓力為24 MPa，鉆桿與套管的滑動摩阻為30 kN。

4.2工況分析

Working condition analysis

根據(jù)服務(wù)工具管柱受力分析模型，計(jì)算得出循環(huán)充填過程中服務(wù)工具管柱受流體壓差影響，鉆柱產(chǎn)生的上竄軸向力Fc為99 kN，該軸向力所引起?88.9 mm鉆桿的軸向伸縮量ΔL為0.66 m，出現(xiàn)脫砂壓力時(shí)，服務(wù)工具管柱受流體壓差影響，鉆柱產(chǎn)生向上的軸向力Fc為1.1 kN，該作用力相對管柱重量非常小，故可判斷在起脫砂壓力時(shí)管柱會釋放上竄余量，鉆柱緩慢恢復(fù)至初始找位位置。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，循環(huán)壓差會造成該管柱在循環(huán)礫石充填作業(yè)過程中上竄0.66 m，再考慮溫度差和黏滯摩阻分別造成的ΔLT和ΔLc變形量，服務(wù)工具上竄行程將進(jìn)一步增大。與此同時(shí)，現(xiàn)場操作找位時(shí)，要求采用上提管柱找到服務(wù)管柱與外層工具的相對位置，再進(jìn)行循環(huán)充填作業(yè)（一般要求上提0.6～1.5 m），考慮鉆桿拉伸量，應(yīng)適當(dāng)多提一定高度以確保服務(wù)管柱與外層工具相對位移大于0.6 m。綜合上述因素，該井循環(huán)充填作業(yè)受服務(wù)管柱上竄影響，使得服務(wù)管柱的軸向活動余量只有0.6～0.84 m，現(xiàn)場操作難度大，無法實(shí)現(xiàn)。

在該井作業(yè)過程中，因上提服務(wù)管柱行程大于0.84 m，使得服務(wù)工具的充填孔在循環(huán)充填過程中部分進(jìn)入封隔器密封筒，則只能通過增大充填轉(zhuǎn)換工具的循環(huán)摩阻Pfc，以便服務(wù)管柱在充填孔未完全進(jìn)入密封筒的過程中達(dá)到受力平衡，直至充填完成，因此充填過程發(fā)現(xiàn)鉆桿波動壓力遠(yuǎn)高于循環(huán)測試壓力，以致充填排量無法提高，攜砂能力明顯降低，很大程度上制約了充填效果和作業(yè)效率。

針對上述分析，該井礫石充填作業(yè)選用機(jī)械定位器，根據(jù)分析計(jì)算得到服務(wù)管柱上竄的最大軸向力Fc為101 kN，即可設(shè)定井口處下壓鉆桿載荷為Fc與Ff之和131 kN，同時(shí)考慮一定的安全附加載荷約50 kN，最終設(shè)定下壓鉆桿載荷為180 kN。按照上述參數(shù)再次施工，作業(yè)過程泵壓平穩(wěn)，管柱懸重正常，未發(fā)生管柱竄動。

5 結(jié)論Conclusions

（1）考慮循環(huán)壓差、溫度和黏滯摩阻影響因素，建立了循環(huán)充填過程中和出現(xiàn)脫砂壓力時(shí)流體循環(huán)壓差、溫度和黏滯摩阻與服務(wù)工具對鉆柱產(chǎn)生的軸向力和軸向位移的力學(xué)模型，為分析服務(wù)管柱在不同作業(yè)工況下受力狀態(tài)和防竄設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

（2）通過管柱力學(xué)分析和配套使用定位工具防止管柱竄動的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，首先應(yīng)根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算服務(wù)管柱的軸向竄動載荷和位移，同時(shí)考慮鉆桿與套管的滑動摩阻，然后選用功能合適的定位工具，最后根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)并考慮一定的安全附加載荷給定最終的設(shè)定壓載，保證作業(yè)過程管柱不發(fā)生竄動。

（3）試驗(yàn)井模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)例分析表明，力學(xué)分析模型與實(shí)際狀況基本吻合，可以依據(jù)此方法計(jì)算得出作業(yè)過程管柱變形量及載荷，為現(xiàn)場作業(yè)提供指導(dǎo)。復(fù)雜井完井難以用力學(xué)模型準(zhǔn)確分析時(shí)，建議完井管柱設(shè)計(jì)時(shí)盡量增大許用的管柱拉伸/壓縮余量，同時(shí)根據(jù)活動管柱的位置極限在充填孔下端增加足夠的密封短節(jié)，在管柱中加裝不同類型的負(fù)荷定位工具，以確保管柱出現(xiàn)最大竄動時(shí)不發(fā)生意外。

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（修改稿收到日期 2016-02-15）

〔編輯李春燕〕

Mechanical analyses on and solutions to anti-channeling for gravel-packing completion string

LIU Chuangang， BAO Chenyi， ZUO Kai， JU Shaodong， DONG Jian
CNOOC EnterTech-Drilling & Production Co.， Tianjin 300452， China

During sand control for offshore gravel-packing completion， the performance of downhole tools is predominantly affected by their relative positions. In order to maintain accurate positions of inner string & outer string， and select proper downhole load positioning tool & optimal loading tonnage， forces on the completion string during and after gravel-packing operation were analyzed. Then， a mechanical model of interaction of packing fluids on the completion string was established and used to derive the optimal loading tonnage of donwhole load positioning tool. The model assumes the downhole load positioning tool as loading point and the axial channeling load of the string to be subject to circulating pressure differential of fluid， thermal expansion of string， bending of string， and other factors. Simulation tests of wells and studies of field applications indicate that the mechanical model basically tallies actual operation conditions and proves the necessity that appropriate downhole load positioning tool should be used in gravel-packing operation. This model can be used to provide supporting data for field operations and anticipate any abnormal condition， thus effectively contributing to the higher success of operations.

gravel-packing； load positioning tool； circulating pressure differential； optimal loading tonnage； mechanical model

LIU Chuangang， BAO Chenyi， ZUO Kai， JU Shaodong， DONG Jian. Mechanical analyses on and solutions to antichanneling for gravel-packing completion string［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 176-180.

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10.13639/j.odpt.2016.02.009

國家科技重大專項(xiàng)“完井防砂工具系列化及現(xiàn)場應(yīng)用”（編號：2011ZX05057-002-004）。

劉傳剛（1982-），2007年畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，現(xiàn)從事鉆完井工藝及工具研究工作，高級工程師。通訊地址：（300452）天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號鉆采工藝實(shí)驗(yàn)室。電話：022-25803048。E-mail：liuchg@cnooc.com.cn

引用格式：劉傳剛，包陳義，左凱，鞠少棟，董健.礫石充填服務(wù)管柱防竄力學(xué)分析及解決方案［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：176-180.