連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估技術研究與軟件開發(fā)*

于志軍 王文軍 黃立華 劉 丹 徐云喜 王保國 湯清源

(中石油江漢機械研究所有限公司)

0 引 言

近年來，隨著連續(xù)管技術[1-2]廣泛應用于油藏縱深向(二次)開發(fā)，連續(xù)管作業(yè)井深越來越深，井況也越來越復雜，如何確保連續(xù)管作業(yè)更安全成為了人們關注的焦點。

傳統(tǒng)連續(xù)管作業(yè)出現(xiàn)異常情況時，預判故障風險主要依靠主操人員經(jīng)驗，這對主操人員技能要求極高，現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)預判不及時或處置不當?shù)惹闆r[3]。目前國內(nèi)連續(xù)管作業(yè)安全評估相關技術研究主要限于數(shù)據(jù)采集和單個參數(shù)預警等，僅能實現(xiàn)異常后預警，無法實現(xiàn)作業(yè)狀況評估預測，在降低操作人員素質(zhì)要求和作業(yè)風險方面作用極其有限。

在水平井作業(yè)過程中，連續(xù)管所需推力隨入井深度增加而逐漸增大，連續(xù)管所受的附加管壁接觸力和附加摩擦力相應增大[4-5]。當發(fā)生連續(xù)管遇阻或遇卡等緊急狀況時，地面懸重會呈現(xiàn)異常變化， 因此地面懸重的變化可作為作業(yè)狀況評估的重要參考。基于此，本文研究了連續(xù)管作業(yè)過程中地面懸重等參量的變化與連續(xù)管作業(yè)狀況的關系，并開發(fā)了相應軟件，實現(xiàn)了連續(xù)管作業(yè)的安全評估。

1 理論研究

連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估技術的實現(xiàn)思路為：根據(jù)連續(xù)管參數(shù)、作業(yè)井參數(shù)和工具串參數(shù)等，分析連續(xù)管起下受力狀況和連續(xù)管受力極限；采用模糊算法將理論分析結(jié)果與實時作業(yè)采集參數(shù)進行對比，將對比結(jié)果作為作業(yè)安全評估的依據(jù)。若要實現(xiàn)作業(yè)安全評估，則需要進行連續(xù)管起下受力分析以及連續(xù)管安全極限受力分析、實時作業(yè)數(shù)據(jù)對比評估分析的研究，具體如下。

1.1 連續(xù)管起、下受力分析

假設在水平井中，連續(xù)管起、下受力不受溫度和井筒變形等的影響。分析過程采用微元思想，以井底工具串受力作為邊界條件，可以迭代計算出連續(xù)管地面懸重(即井口位置連續(xù)管的軸向拉力)[5-6]。如圖1所示，連續(xù)管受力受到井眼軌跡、黏滯阻力、井筒摩阻力及連續(xù)管起下狀態(tài)等因素的影響。根據(jù)井眼軌跡井斜角的不同，可以將井筒分為垂直段、斜井段和水平段3部分。不同井段的連續(xù)管主要受力存在較大差異，在垂直段連續(xù)管受井筒摩阻力極小，而在水平段連續(xù)管受自身浮重的影響較小。

圖1 連續(xù)管分段受力分析圖Fig.1 Schematic diagram of segmental force analysis of coiled tubing

1.1.1 水平段與斜井段連續(xù)管受力分析

通常將井斜角大于15°的井段認定為非垂直段，取非垂直井段連續(xù)管微元段進行受力分析[7-8]。當連續(xù)管上提時，微元段受力如圖2所示。根據(jù)連續(xù)管微元段受力平衡，可得如下公式：

Ft,s+1=Ft,s+FG,scosθs-Ff,s+Fin,s-Fout,s

(1)

圖2 非垂直井段上提連續(xù)管微元段受力Fig.2 Forces on the micro-element section of the coiled tubing in the non-vertical well section when tripping out

當連續(xù)管處于下放狀態(tài)時，微元段受力如圖3所示。根據(jù)微元段受力平衡，可得如下公式：

Ft,s+1=Ft,s+FG,scosθs+Ff,s+Fin,s-Fout,s

(2)

1.1.2 直井段連續(xù)管受力分析

通常將井斜角小于15°的井段認定為垂直段，取垂直段連續(xù)管微元段進行受力分析。井筒摩擦力可忽略不計，則微元段受力如圖4所示。根據(jù)連續(xù)管微元段受力平衡，可得如下公式：

Ft,s+1=Ft,s+FG,scosθs+Fin,s-Fout,s

(3)

式中：s表示微元段編號，當s=1時，表示井底連續(xù)管微元段受力；Ft,s表示連續(xù)管第s個微元段底部軸向力；Ft,s+1表示連續(xù)管第s個微元段頂部軸向力；FG,s表示連續(xù)管第s個微元段浮重；θs表示連續(xù)管第s個微元段平均井斜角；Ff,s表示連續(xù)管第s個微元段井筒摩擦阻力；Fin,s表示連續(xù)管內(nèi)流體正循環(huán)時，第s個微元段所受的管內(nèi)流體摩擦力；Fout,s表示連續(xù)管內(nèi)流體正循環(huán)時，第s個微元段所受環(huán)空流體摩擦力。

圖3 非垂直井段下放連續(xù)管微元段受力Fig.3 Forces on the micro-element section of the coiled tubing in the non-vertical well section when tripping in

圖4 垂直井段連續(xù)管微元段受力Fig.4 Forces on the micro-element section of the coiled tubing in the vertical well section

針對各分力進一步推導得式(4)、式(5)、式(6)和式(7)。

FG,s=ρctg(Ao-Ai)+ρigAi-ρogAo

(4)

式中：ρct表示連續(xù)管密度；ρi表示連續(xù)管管內(nèi)流體密度；ρo表示井筒環(huán)空流體密度；Ao表示連續(xù)管外徑對應的圓面積；Ai表示連續(xù)管內(nèi)徑對應的圓面積；g表示重力加速度。

Ff,s=CfNn,sΔLs

(5)

式中：Cf表示連續(xù)管與井筒間的摩阻系數(shù)；Nn，s表示第s個微元段上單位長度連續(xù)管與井壁間等效法向接觸力；ΔLs表示第s個微元段長度。

(6)

(7)

式中：di表示連續(xù)管內(nèi)徑；do表示連續(xù)管外徑；fi,s、fo,s分別表示第s個微元段管內(nèi)、外環(huán)空流體摩阻系數(shù)；ρi,s、ρo,s分別表示第s個微元段管內(nèi)、外環(huán)空流體密度；vi,s、vo，s分別表示第s個微元段管內(nèi)、外環(huán)空流體流速。

將式(4)、式(5)、式(6)和式(7)分別代入式(1)、式(2)和式(3)，則可以獲得起、下不同狀態(tài)各井段連續(xù)管軸向受力。

1.2 連續(xù)管安全極限特性分析

連續(xù)管在井下作業(yè)過程中，需要承受流體壓力、井筒環(huán)空壓力和軸向拉壓力的綜合作用，不同拉壓狀態(tài)可承受的極限內(nèi)外壓差也不相同[8]。通過分析連續(xù)管應力狀況，可以計算其安全極限。如圖5所示，連續(xù)管主要承受的應力有徑向應力、環(huán)向應力和軸向應力[9]。

圖5 連續(xù)管應力分析示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress analysis of coiled tubing

當連續(xù)管內(nèi)壓大于外壓時，徑向應力最大位置位于連續(xù)管內(nèi)表面，σr=pi，其中pi表示連續(xù)管內(nèi)部壓力。環(huán)向應力最大值可由公式(8)計算，軸向應力由公式(9)計算。

(8)

(9)

式中：ro和rt分別表示連續(xù)管外徑和內(nèi)徑；Ft表示軸向力；po表示連續(xù)管外部流體壓力。

根據(jù)Von Mises屈服準則，當Mises等效應力σvme等于材料屈服強度σy時，連續(xù)管處于受力極限狀態(tài)[10]。但是連續(xù)管作業(yè)過程中，通常當連續(xù)管σvme達到材料屈服強度的80%，便認為連續(xù)管接近作業(yè)安全極限，因此可得其受力極限狀態(tài)公式為：

(10)

1.3 連續(xù)管作業(yè)安全評估技術

根據(jù)連續(xù)管作業(yè)安全評估技術，判定連續(xù)管作業(yè)是否安全的依據(jù)包括2項內(nèi)容：①連續(xù)管實時載荷變化是否符合力學分析結(jié)果；②連續(xù)管作業(yè)過程中受力是否超過或接近其可承受的極限壓力。

表1 特定深度i實時載荷模糊化Table 1 Real-time load fuzzification of specific depth i

定義作業(yè)安全指數(shù)模糊集H={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，對應隸屬度表達式為：

(11)

根據(jù)最大隸屬度原則[12-13]計算作業(yè)評估結(jié)果，當安全指數(shù)模糊集H中NB隸屬度最大時，判定作業(yè)載荷相對于理論值極小，作業(yè)安全風險高；NM隸屬度最大，判定作業(yè)載荷相對理論值小，作業(yè)安全風險中；NS隸屬度最大，判定作業(yè)載荷相對理論值偏小，作業(yè)安全風險低；ZO隸屬度最大，判定作業(yè)載荷未偏離理論值，無作業(yè)安全風險；PS隸屬度最大，判定作業(yè)載荷相對于理論值偏大，作業(yè)安全風險低；PM隸屬度最大，判定作業(yè)載荷相對值理論值大，作業(yè)安全風險中；PB隸屬度最大，判定作業(yè)載荷相對于理論值極大，作業(yè)安全風險高。

作業(yè)過程中，連續(xù)管受力或受壓接近作業(yè)安全極限會直接造成安全作業(yè)風險，因此連續(xù)管安全極限特性要求連續(xù)管任意位置Mises等效應力滿足σvme<0.8σy，如果管體某位置不能滿足，說明連續(xù)管已處于不安全作業(yè)狀態(tài)。

2 作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估系統(tǒng)設計

2.1 硬度設計

結(jié)合連續(xù)管作業(yè)裝備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估技術，開發(fā)了作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)實時安全評估，為連續(xù)管現(xiàn)場作業(yè)保駕護航。

作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能拓展升級，其硬件結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)類似，如圖6所示，主要由傳感器組、參數(shù)儀、數(shù)據(jù)采集箱和配套軟件等組成。其主要作用是將連續(xù)管作業(yè)裝備狀態(tài)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)顯示、存儲和分析，提供現(xiàn)場操作的人機交互接口。

1—參數(shù)儀；2—路由器；3—采集箱；4—載荷傳感器；5—循環(huán)和井口壓力傳感器；6—流量傳感器；7—附加壓力傳感器；8—編碼器；9—發(fā)動機ECU。圖6 硬件組成Fig.6 Hardware composition

2.2 軟件設計

系統(tǒng)配套軟件運行在參數(shù)儀或筆記本上，實現(xiàn)連續(xù)管作業(yè)參數(shù)實時采集和存儲，并將作業(yè)參數(shù)與連續(xù)管力學分析結(jié)果進行對比，評估實時作業(yè)的安全性。如圖7所示，軟件由實時數(shù)據(jù)獲取、力學分析結(jié)果導入、實時數(shù)據(jù)安全評估、作業(yè)安全極限實時判斷和結(jié)果輸出等功能模塊組成。軟件提前引入連續(xù)管力學分析結(jié)果，運行時實時數(shù)據(jù)獲取模塊會實時獲取載荷和井口壓力等數(shù)值，實時數(shù)據(jù)安全評估和作業(yè)安全極限實時判斷模塊根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)[14]，實時評估整個作業(yè)起下過程是否處于安全狀態(tài)，連續(xù)管受力是否接近安全作業(yè)極限。

圖7 軟件功能圖Fig.7 Software function diagram

3 試驗情況

2020年3—5月，將連續(xù)管作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估系統(tǒng)在長慶和新疆等地區(qū)共進行30井次試驗。本文以寧H井為例介紹試驗情況。寧H井井深5 450 m，井筒最內(nèi)層套管內(nèi)徑115.5 mm，套管安裝深度5 450 m，井筒平均摩擦因數(shù)0.3。寧H井井眼軌跡數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 寧H井井眼軌跡Table 2 Hole trajectory of Well Ning H

作業(yè)時選用CT110型等壁厚連續(xù)管，外徑50.8 mm，壁厚5.2 mm,長度5 900 m，連續(xù)管材料密度7 800 kg/m3,屈服強度758.42 MPa。

作業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括：連續(xù)管起下速度20 m/min，滾筒張力(下入、起出)1.36 kN，井口壓力1.38 MPa(200 psi)，流體流速79.5 L/min。井內(nèi)流體為清水。

將以上數(shù)據(jù)代入式(4)、式(5)、式(6)和式(7)，可以計算出任意制定深度地面連續(xù)管軸向力(即地面懸重)及起下載荷，如表3所示。

表3 起下載荷隨深度的變化數(shù)據(jù)Table 3 Data table of load variation with depth when tripping out and tripping in

同理，將以上數(shù)據(jù)代入式(8)、式(9)和式(10)，可以計算出連續(xù)管安全的受力極限，結(jié)果如表4所示。

表4 連續(xù)管安全受力極限Table 4 Safety load limit of coiled tubing

將表3和表4數(shù)據(jù)導入安全評估系統(tǒng)軟件，作為寧H井作業(yè)的評估依據(jù)，效果如圖8所示。

圖8 連續(xù)管起下載荷曲線Fig.8 Load curve of tripping out and tripping in

連續(xù)管下入安全評估系統(tǒng)試驗過程：

(1)將作業(yè)數(shù)據(jù)安全評估系統(tǒng)軟件與安全評估系統(tǒng)硬件連接，載荷清零、深度清零；

(2)連續(xù)管持續(xù)下入，實時獲取載荷和壓力，軟件會根據(jù)速度變化判別管體下放和起出狀態(tài)，根據(jù)深度變化進行安全評估與安全極限判定，如圖9所示，管體下入3 500 m過程中，地面懸重曲線會實時獲取載荷，并以紅色*標注在圖標上，隨著深度變化載荷數(shù)值被刷新；

(3)根據(jù)式(11)所述方法，利用模糊處理評估整個作業(yè)下入過程，結(jié)果顯示載荷偏小，作業(yè)安全風險小；

(4)用同樣的方法評估起出3 500 m連續(xù)管過程，結(jié)果顯示載荷偏大，作業(yè)安全風險小。

整個起、下過程中，安全評估系統(tǒng)顯示標注點未超出或接近橢圓邊界，視為安全。

圖9 連續(xù)管安全評估與安全極限判定Fig.9 Safety assessment and safety limit determination

4 結(jié) 論

本文通過研究連續(xù)管起、下管柱受力狀況和連續(xù)管擠毀受力狀況，形成了連續(xù)管作業(yè)安全評估技術，依照此技術成功開發(fā)了連續(xù)管作業(yè)安全評估系統(tǒng)，并進行了30井次現(xiàn)場試驗，得到主要結(jié)論如下：

(1)系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與作業(yè)工藝設計相關聯(lián)，實時判定作業(yè)過程中連續(xù)管是否存在安全擠毀風險，有效降低了作業(yè)風險。

(2)系統(tǒng)實現(xiàn)了連續(xù)管起、下狀況實時安全評估，可評估作業(yè)過程的可靠程度，功能可替代現(xiàn)場人員依靠經(jīng)驗預判的模式，具有重要現(xiàn)實意義和較高的推廣應用價值。