連續(xù)油管水力噴射壓裂管柱下入過(guò)程力學(xué)分析

張　毅

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)①

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連續(xù)油管水力噴射壓裂管柱下入過(guò)程力學(xué)分析

張毅

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)①

摘要：水力噴砂射孔分段壓裂工藝與連續(xù)油管配合，極大地提高了水力噴射壓裂作業(yè)的工作效率。在壓裂過(guò)程中，封隔器能否準(zhǔn)確下入到指定位置對(duì)壓裂生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)人工地面測(cè)量方法成本較高、影響因素多、曲線解釋困難。為了解決連續(xù)油管水力噴射壓裂管柱下入過(guò)程中封隔器定位不準(zhǔn)確問(wèn)題，對(duì)管柱下入過(guò)程中受力以及變形進(jìn)行理論分析計(jì)算，并對(duì)測(cè)量井下工具下入位置的關(guān)鍵工具——機(jī)械定位器進(jìn)行分析研究，使其能準(zhǔn)確測(cè)量井下工具的下入位置。通過(guò)測(cè)量值與計(jì)算值對(duì)比證明，其偏差小于9%。通過(guò)兩種方式的結(jié)合可以準(zhǔn)確定位井下工具位置，為后續(xù)壓裂施工提供了可靠的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：連續(xù)油管；壓裂管柱；水力噴射；井下工具

近年來(lái)，大慶油田外圍低滲透儲(chǔ)層水平井越來(lái)越多，為了提高產(chǎn)量，采用水力噴砂射孔分段壓裂工藝進(jìn)行改造。水力噴砂射孔分段壓裂工藝與連續(xù)油管配合，是集射孔、壓裂、隔離一體化的新型增產(chǎn)措施。在管柱下入過(guò)程中，由于井下管柱長(zhǎng)度一般都有上千米，管柱要受到管柱自重力、液體粘滯摩擦阻力、液體壓力、管柱與井壁的摩擦力等力的綜合作用。管柱的軸向力隨著深度的變化將會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，由于井下溫度等因素的影響，管柱長(zhǎng)度將會(huì)發(fā)生變化，這將嚴(yán)重影響井下工具的定位密封。因此，必須準(zhǔn)確定位壓裂管柱的下入位置，對(duì)測(cè)量其下入位置的關(guān)鍵工具——機(jī)械定位器進(jìn)行分析，并對(duì)影響管柱長(zhǎng)度變化的因素進(jìn)行分析計(jì)算。

1連續(xù)油管水力噴射壓裂井下管柱結(jié)構(gòu)

連續(xù)油管水力噴射壓裂井下管柱結(jié)構(gòu)主要由連續(xù)油管、套管以及井下工具串3部分組成。其中，井下工具串由安全接頭、扶正器、整體噴槍、單流閥、平衡閥、封隔器、彈性扶正器、機(jī)械定位器、導(dǎo)向頭等組成。井下工具串連接后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—安全接頭；2—扶正器；3—噴槍；4—單流閥；5—平衡閥；6—Y211封隔器；7—彈性扶正器；8—機(jī)械定位器；9—導(dǎo)向頭。

圖1連續(xù)油管水力噴射壓裂管柱結(jié)構(gòu)示意

2井下管柱下入過(guò)程受力分析

2.1管柱下入受力狀況分析

管柱的下入過(guò)程(如圖2所示)可認(rèn)為管柱下端為自由端，不受約束。管柱下入為動(dòng)態(tài)過(guò)程，可將管柱下入的過(guò)程假設(shè)為靜態(tài)過(guò)程，管柱每下入1 m計(jì)算管柱的受力，得到管柱每下入1 m時(shí)所受的軸向載荷。

圖2　管柱下入過(guò)程受力狀況

2.2下入管柱過(guò)程中受力計(jì)算

下入管柱工況中，管柱以一定速度逐漸由井口下入至預(yù)定深度，下放過(guò)程中，管柱主要受到管柱自重力、液體粘滯摩擦阻力、液體壓力、管柱與井壁的摩擦力等力的綜合作用。

下入過(guò)程中數(shù)據(jù)如表1～3。

表1　連續(xù)油管參數(shù)

表2　套管參數(shù)

表3　壓裂施工參數(shù)

2.2.1仿真分析結(jié)果

通過(guò)仿真分析計(jì)算，油管下入過(guò)程管柱軸向力與下入深度之間的關(guān)系如圖3。從圖3中看出，在最底端處由于套管內(nèi)無(wú)液體連續(xù)油管受壓力為0；又因摩擦力的存在，其方向與油管下入方向相反。因此，油管下入到水平段時(shí)，隨下入井深的增加，需要克服更多的摩擦力，達(dá)到最大值10.06 kN；在直井段油管重力逐漸抵消壓力，在1 433 m左右時(shí)達(dá)到最小值0；在井深小于1 433 m時(shí)，管柱所受軸向力為拉力，且隨著距離井口距離的減小而增加，在井口處達(dá)到最大值77.45 kN。

圖3　軸向力隨下入井深的變化曲線

3壓裂管柱下入位置確定

3.1機(jī)械定位器研制

長(zhǎng)期以來(lái)，井下管柱下入深度主要通過(guò)人工地面測(cè)量，這種方法成本較高、影響因素多、曲線解釋困難，基于以上原因，研發(fā)了井下機(jī)械定位器。機(jī)械定位器主要由摩擦體、導(dǎo)向頭和銷釘組成(如圖4所示)。其最大直徑為130 mm，超過(guò)管壁內(nèi)徑124.3 mm，在井下由于摩擦體與管壁之間的相互作用可能會(huì)出現(xiàn)摩擦體形變以及某些節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響定位器的使用精度，因此應(yīng)通過(guò)仿真分析，找出應(yīng)力集中位置，并進(jìn)行工具改進(jìn)。

圖4　摩擦體三維示意

利用Abaqus裝配模塊對(duì)摩擦體和管筒進(jìn)行裝配仿真(如圖5所示)。摩擦體材料60Si2Mn，彈性模量206 GPa，泊松比0.28，密度7.85 g/cm3，考慮到摩擦體與管道接觸相互作用時(shí)主要是前者發(fā)生形變，因此將管道約束成剛體，觀察摩擦體受力情況。

a　摩擦體剛進(jìn)入套筒

b　套筒剛接觸到摩擦體斜面

c　摩擦體斜面最高處進(jìn)入套筒

d　摩擦體斜面全部進(jìn)入套筒

通過(guò)模型的數(shù)值計(jì)算，最終得出摩擦體與套管管壁接觸過(guò)程不同時(shí)間段的應(yīng)力云圖和位移云圖。通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在如圖6所示的位置，最大值為992.2 MPa。可以對(duì)該處進(jìn)行倒角處理以減小應(yīng)力集中帶來(lái)的材料失效問(wèn)題，從而提高定位器定位精度。

圖6　最大應(yīng)力位置

3.2壓裂管柱下入過(guò)程中軸向變形分析

現(xiàn)場(chǎng)主要依靠機(jī)械定位器來(lái)測(cè)量壓裂管柱伸長(zhǎng)量，但由于實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，不可能達(dá)到每口井都配備該測(cè)量?jī)x器，因此，建立有效的壓裂管柱伸長(zhǎng)量預(yù)測(cè)方法是必要的。壓裂管柱在下入過(guò)程中受到重力、摩擦力、管柱內(nèi)外液體壓力等復(fù)雜載荷的作用會(huì)存在伸長(zhǎng)(縮短)。另外，溫度變化也會(huì)影響管柱的變形。

3.2.1軸向變形因素

1)溫度效應(yīng)。

壓裂管柱在復(fù)雜的三維井眼中，由于溫度變化的熱力作用，管柱的長(zhǎng)度會(huì)隨之改變。壓裂管柱受冷會(huì)縮短，受熱會(huì)伸長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。由于溫度效應(yīng)而產(chǎn)生變形為：

式中：uT(l)為由溫度變化引起的伸長(zhǎng)量，m；η為材料的熱膨脹系數(shù)，m/℃；ΔT(l)為溫度差，℃ /m。

2)鼓脹效應(yīng)。

由于管柱內(nèi)外壁上的壓力作用引起的效應(yīng)為鼓脹效應(yīng)。壓裂管柱發(fā)生鼓脹效應(yīng)時(shí)，如果壓裂管柱的軸向伸縮受到約束，壓裂管柱將無(wú)法縮短，這將使壓裂管柱產(chǎn)生一個(gè)軸向的拉力。

由于鼓脹效應(yīng)引起的管柱長(zhǎng)度變化為：

式中：v為壓裂管柱的泊松比；D為壓裂管柱外徑，m；pin為壓裂管柱內(nèi)的壓力，MPa；d為壓裂管柱內(nèi)徑，m；pout為壓裂管柱外的壓力，MPa；l為三維井眼的深度，m；E為壓裂管柱彈性模量，N/m2。

3)軸力效應(yīng)。

壓裂管柱在下入復(fù)雜的三維井眼中受到自重力、摩擦力和液體壓力等載荷作用，壓裂管柱將產(chǎn)生拉伸變形。由于軸力效應(yīng)引起的管柱長(zhǎng)度變化為：

式中：Fτ(l)為真實(shí)軸向力，N；Aout為壓裂管柱外圓面積，m2；Ain為壓裂管柱內(nèi)圓面積，m2。

3.2.2軸向變形計(jì)算

根據(jù)表1～3中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真分析計(jì)算出在各種因素下管柱的變形量與下入深度之間的關(guān)系(如圖7～9所示)以及總變形量與下入深度之間的關(guān)系(如圖10所示)。

圖8　溫度效應(yīng)產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量與下入深度之間的關(guān)系

圖9　鼓脹效應(yīng)產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量與下入深度之間的關(guān)系

圖10　總伸長(zhǎng)量與下入深度之間的關(guān)系

通過(guò)仿真分析可以看出，在直井段管柱主要承受重力作用，隨著下入深度的增加，變形量與下入深度呈線性增加關(guān)系，進(jìn)入彎曲段后摩擦力占據(jù)主要作用，隨著下入深度的增加，變形量減小。由于溫度效應(yīng)和鼓脹效應(yīng)引起的變形量均隨著下入深度的增加而增加。

3.3伸長(zhǎng)量分析

表4給出了某井壓裂管柱下入條件下壓裂管柱伸長(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果及測(cè)量結(jié)果，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值偏差小于9%，計(jì)算精度滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

表4　下入工況的壓裂管柱伸長(zhǎng)量　mm

4結(jié)論

1)針對(duì)連續(xù)油管水力噴射壓裂管柱下入過(guò)程進(jìn)行了理論分析，得到了管柱軸向力與下入深度之間的關(guān)系。

2)根據(jù)管柱下入過(guò)程中的軸向變形影響因素，得到管柱在不同因素影響下變形量與下入深度之間的關(guān)系。

3)對(duì)測(cè)量下入位置的關(guān)鍵工具——機(jī)械定位器需要進(jìn)行進(jìn)一步分析優(yōu)化，以提高其定位精度。

4)理論計(jì)算數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較接近，應(yīng)用此方法可以將井下工具準(zhǔn)確下入施工層位，為壓裂施工提供理論指導(dǎo)。

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文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0056-04

收稿日期：①2016-12-21

作者簡(jiǎn)介：張毅(1983-)，男，甘肅酒泉人，工程師，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油工程、壓裂工藝技術(shù)等研究工作，E-mail：zhangyi001@petrochina.com.cn。

中圖分類號(hào)：TE934.201

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.012

Mechanical Analysis of the Running Process of the Coiled Tubing in Hydrojet-fracturing String

ZHANG Yi

(OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldCo.，Ltd.，Daqing163453，China)

Abstract：The technique of hydraulic sand blasting perforation in staged fracturing coordinates with coiled tubing can improve the frac efficiency.During fracturing，packers are tripped in determinative site，which plays a vital role in fracturing operation，and classic method of artificial ground surveying can lead to higher cost，more related factors and more difficult curve interpretation.During coiled tubing hydrojet frac columns are tripped in，theoretical analysis and calculation of the stress and deformation can solve inaccuracy of packers’ positioner.The setting location of subsurface tool can be accurately measured through researching the mechanical fixture，and the key tool of measuring setting location of subsurface tool contrasting measurements with calculated value proves its deviation is less than 9%.The setting location of subsurface tool can be accurately located through the combination of the two methods，which can provide reliable technical support for subsequent fracturing construction.

Keywords：coiled tubing；tubing string in fracturing；hydraulic jetting；downhole tools