水平井篩管充填通道建立適應(yīng)性研究

王新濤，邢洪憲，劉 鵬，鞠少棟，王世強(qiáng)，李清濤

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

油井高含水帶來的老油田穩(wěn)產(chǎn)、油田節(jié)能減排等問題，現(xiàn)已非常嚴(yán)峻，其中治理難度較大的水平井高含水問題尤為突出。在生產(chǎn)油田部分水驅(qū)油藏逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期，無論是單井還是油田綜合含水均較高。針對(duì)業(yè)內(nèi)水平井控水難題，逐步形成了“封隔體控水”新工藝，極大降低了對(duì)見水分析精度的要求，具備較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。南海西部大部分在生產(chǎn)水平井水平段長(zhǎng)度300～700m且采用簡(jiǎn)易篩管防砂，因“封隔體控水”工藝要對(duì)篩管外部進(jìn)行充填，故需開展篩管充填通道建立的攻關(guān)工作，以提升工藝適應(yīng)性。通過理論加試驗(yàn)評(píng)價(jià)的方法優(yōu)化開孔工藝，形成一套水平井篩管充填通道建立的工藝技術(shù)。

1 充填通道建立工藝及試驗(yàn)

1.1 開孔工藝技術(shù)優(yōu)選

目前常用的應(yīng)用在套管井中的井下開孔工藝技術(shù)分為三種，分別是：火工品射孔、水力噴砂射孔和機(jī)械式?jīng)_孔?；鸸て飞淇妆容^常用[1-2]，技術(shù)成熟，且油管輸送射孔（TCP）可采用多種引爆方式，可實(shí)現(xiàn)正、負(fù)壓射孔等射孔條件。水力噴砂射孔工藝較成熟，常用于解堵和壓裂工藝中，適用于定向井和水平井，但噴砂定向射孔技術(shù)暫時(shí)無應(yīng)用。機(jī)械式?jīng)_孔技術(shù)主要利用機(jī)械式液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行沖孔開窗，實(shí)現(xiàn)井筒與地層間的有效連通，目前純機(jī)械式?jīng)_孔開窗技術(shù)在國(guó)內(nèi)外尚無大規(guī)模成功應(yīng)用的案例。

優(yōu)選火工品射孔工藝，針對(duì)6-5/8″星孔篩管、5-1/2″復(fù)合篩管和射孔槍選型進(jìn)行分析，確定開孔臨界尺寸，通過理論計(jì)算得出適合星孔篩管和復(fù)合篩管的射孔孔徑不大于18mm。同時(shí)，為保證篩管的防砂效果，確定射孔原則：星孔篩管開孔時(shí)，射開1個(gè)孔導(dǎo)致星孔過濾網(wǎng)脫落個(gè)數(shù)不超過2 個(gè)；復(fù)合篩管開孔時(shí)，射開1 個(gè)孔連通篩管基管孔個(gè)數(shù)不超過2個(gè)。

1.2 模擬分析

取長(zhǎng)度2m分別建立6-5/8″星孔篩管基管模型[3]及40 孔/m、射孔尺寸?16mm 的射孔槍射穿同尺寸套管后的模型。對(duì)比兩個(gè)模型，用兩個(gè)模型中篩管基管星孔和射孔的重合情況來分析在射孔過程中星孔過濾網(wǎng)脫落比例。兩個(gè)模型中分別含有333 個(gè)篩管基管星孔和80個(gè)射孔。部分重合模型如圖1所示。

圖1 篩管基管星孔模型和射孔模型圖

分析得出，基管星孔和射孔重合度為1/2以上的占篩管總孔數(shù)的14/333，1/4 以上的占34/333，則在該條件下星孔篩管射孔過程中約有4.2%～10.2%的星孔過濾網(wǎng)會(huì)脫落；定向射孔時(shí)射孔弧面角度取240°，則脫落數(shù)將減少1/3，約有2.8%～6.8%的星孔出現(xiàn)脫落，若孔密降低，星孔過濾網(wǎng)脫落數(shù)也會(huì)降低。

1.3 射孔試驗(yàn)

對(duì)6-5/8″星孔篩管和5-1/2″復(fù)合篩管進(jìn)行打靶試驗(yàn)，部分試驗(yàn)圖片如圖2和圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 星孔篩管打靶試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 復(fù)合篩管打靶試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 6-5/8″星孔篩管打靶試驗(yàn)圖

圖3 5-1/2″復(fù)合篩管打靶試驗(yàn)圖

（1）對(duì)于6-5/8″星孔篩管，114mm 水平定向射孔器裝配BH64RDX49-2 型射孔彈時(shí)，射孔后會(huì)出現(xiàn)射孔形成的孔眼與篩管基管孔眼連通現(xiàn)象，形成巨大的孔眼；將114mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25 型射孔彈，并對(duì)藥罩的配方和厚度進(jìn)行調(diào)整，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出：當(dāng)射孔孔徑小于15.5mm 時(shí)，星孔篩管不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)基管星孔同時(shí)與射孔孔眼相連的情況，當(dāng)射孔孔徑超過15.5mm時(shí)，星孔篩管會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)基管星孔同時(shí)與射孔孔眼相連的情況，會(huì)導(dǎo)致星孔過濾網(wǎng)脫落；

（2）對(duì)于5-1/2″復(fù)合篩管，89mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25-2 型大孔徑射孔彈，射孔后孔徑規(guī)則，孔眼平均直徑為14.2～16.3mm；

（3）星孔過濾網(wǎng)脫落的臨界重合度約為1/4。

2 射孔后篩管基管強(qiáng)度分析及試驗(yàn)

2.1 模擬分析

對(duì)不同射孔參數(shù)的篩管基管部件進(jìn)行三維立體建模，取篩管基管外徑5-1/2″、內(nèi)徑4.892″、篩管基管孔徑0.4″、射孔孔徑16mm。為模擬在水平井內(nèi)篩管基管受上下弧面的擠壓力，取上下弧面的受力弧度為60°，考慮數(shù)值模擬的需要，在基管上、下弧面上增加兩塊同弧度的剛體作為受力體[4-6]，所建基管受力模型如圖4所示。

圖4 篩管基管受力模型圖

N80 套管的屈服強(qiáng)度取552MPa，調(diào)整載荷數(shù)值，觀察等效應(yīng)力云圖中等效應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度的區(qū)域，使基管整體達(dá)到塑性變形的狀態(tài)，確定此時(shí)的載荷。

將基管模型導(dǎo)入ANSYS軟件，根據(jù)N80套管的性能參數(shù)定義材料屬性，為獲得更高精度的求解，選擇網(wǎng)格尺寸為3mm 劃分網(wǎng)格生成單元。對(duì)基管模型定義約束條件：對(duì)下部托盤施加固定約束，位移為零，在上部托盤施加垂直于托盤向下的載荷，且上下托板與篩管基管間為摩擦接觸。

未射孔篩管基管、4孔/m篩管基管、8孔/m篩管基管、12孔/m篩管基管及同尺寸套管的載荷施加情況及等效應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 載荷施加情況及等效應(yīng)力云圖

調(diào)整向下的載荷數(shù)值，在等效應(yīng)力云圖中觀察應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度552MPa的區(qū)域達(dá)到塑性形變狀態(tài)，記錄此時(shí)的載荷數(shù)值及最大形變量，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

2.2 物模試驗(yàn)

根據(jù)數(shù)值模擬的模型，加工成試驗(yàn)樣件。調(diào)試巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，將托板及篩管基管依次置于試驗(yàn)臺(tái)上，確保上下托板處于平行位置。打開操作軟件控制下試驗(yàn)臺(tái)按設(shè)定速度勻速緩慢上移，在上試驗(yàn)臺(tái)與上托板接觸后，載荷出現(xiàn)并自動(dòng)記錄，觀察位移—負(fù)荷關(guān)系曲線[7-9]，直到篩管基管出現(xiàn)塑性變形，試驗(yàn)結(jié)束。物模試驗(yàn)圖如圖6所示。

圖6 物模試驗(yàn)圖

未射孔篩管基管、4孔/m篩管基管、8孔/m篩管基管、12孔/m篩管基管及同尺寸套管的位移與負(fù)荷的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 位移—負(fù)荷關(guān)系曲線圖

位移增加，負(fù)荷的增速變緩，當(dāng)隨著位移的增加負(fù)荷不再增加時(shí)認(rèn)為該試件出現(xiàn)塑性變形，達(dá)到此狀態(tài)時(shí)篩管作用失效[10-11]。記錄分析出現(xiàn)塑性變形時(shí)的位移與負(fù)荷數(shù)值，如表4所示。

表4 物模試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)值模擬及物模試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出：

（1）篩管基管在射孔前后不同孔密對(duì)應(yīng)的最大抗壓載荷變化較??；

（2）在達(dá)到塑性形變狀態(tài)時(shí)，不同孔密的篩管基管最大形變量或位移差值較小。

3 結(jié)果分析

（1）對(duì)于5-1/2″復(fù)合篩管，89mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25-2型大孔徑射孔彈，射孔后，孔徑規(guī)則，孔眼平均直徑為14.2～16.3mm。

（2）對(duì)于 6-5/8″星孔篩管，114mm 水平定向射孔器裝配BH43RDX25 型射孔彈，當(dāng)射孔孔徑小于15.5mm 時(shí)，星孔過濾網(wǎng)無脫落；當(dāng)射孔孔徑超過15.5mm 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致星孔過濾網(wǎng)脫落；星孔過濾網(wǎng)脫落的臨界重合度為1/4。

（3）篩管基管在發(fā)生塑性變形時(shí)，射孔前后的最大負(fù)荷相差均小于3%，說明篩管基管在射孔前后整體的強(qiáng)度變化范圍較小，射孔后篩管承載力仍滿足篩管強(qiáng)度要求，符合Q/HS 6007.3-2011篩管技術(shù)規(guī)范。

4 結(jié)束語

選取經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠的火力射孔作為篩管內(nèi)開孔技術(shù)，確定開孔臨界尺寸、射孔原則，并與射孔設(shè)備進(jìn)行匹配。通過數(shù)值模擬及物模試驗(yàn)分析水平井篩管基管在不同射孔參數(shù)下射孔前后的強(qiáng)度變化，驗(yàn)證了射孔后基管的整體強(qiáng)度變化符合技術(shù)規(guī)范，承載力滿足篩管強(qiáng)度要求，為“封隔體控水”新工藝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了理論及數(shù)據(jù)支撐。