連續(xù)油管噴砂射孔多層環(huán)空加砂壓裂管柱研制

艾白布·阿不力米提，達(dá) 勇，候啟太，趙　簽，王建磊，麥爾耶姆古麗·安外爾，張　虎，郝承志

（新疆油田公司，新疆　克拉瑪依834000）①

連續(xù)油管噴砂射孔多層環(huán)空加砂壓裂管柱研制

艾白布·阿不力米提，達(dá) 勇，候啟太，趙簽，王建磊，麥爾耶姆古麗·安外爾，張虎，郝承志

（新疆油田公司，新疆克拉瑪依834000）①

連續(xù)油管定點(diǎn)噴砂射孔多層環(huán)空加砂壓裂是噴砂射孔和環(huán)空壓裂的一體化工藝，一趟管柱可以實(shí)現(xiàn)多層射孔壓裂，適用于致密油氣藏、頁(yè)巖油氣藏等非常規(guī)油氣藏，特別是多層、薄層油氣藏進(jìn)行有效準(zhǔn)確定位射孔壓裂施工。針對(duì)新疆油田某些區(qū)塊的低壓、低產(chǎn)、低滲的特點(diǎn)，研制了一套用于連續(xù)油管定點(diǎn)噴砂射孔多層環(huán)空加砂壓裂的工藝管柱，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元計(jì)算。試驗(yàn)表明，該技術(shù)降低了射孔和壓裂施工風(fēng)險(xiǎn)，施工周期短、定位射孔準(zhǔn)確、施工后井筒清潔，可以直接下入生產(chǎn)管柱進(jìn)行生產(chǎn)。為低壓、低產(chǎn)、低滲提供了高效安全的施工方法。

連續(xù)油管；噴砂射孔；多層壓裂；工具管柱

隨著我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，儲(chǔ)層薄、低壓、低滲、高含水、儲(chǔ)采失衡等問(wèn)題日益凸現(xiàn)。這些油氣田的油氣層分散、層間跨距不規(guī)則，普通的壓裂技術(shù)無(wú)法滿足高效開(kāi)采的需求。噴砂射孔多層環(huán)空加砂壓裂工藝成為解決這類問(wèn)題的核心方法［13］。

連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂是射孔壓裂一體化工藝，一趟管柱同時(shí)進(jìn)行射孔和壓裂施工。利用小直徑噴嘴將高壓攜砂液轉(zhuǎn)化成高速射流撞擊套管和巖層實(shí)現(xiàn)射孔的目的，再通過(guò)環(huán)空進(jìn)行加砂壓裂，壓裂結(jié)束后通過(guò)上提工藝管柱解封，將工藝管柱轉(zhuǎn)移至待射孔壓裂層位坐封，再次進(jìn)行射孔壓裂。該工藝簡(jiǎn)單，施工周期短，事故風(fēng)險(xiǎn)低，成本低［46］。

1　噴砂射孔壓裂工藝管柱

噴砂射孔壓裂工藝管柱主要由扶正器、槍體總成、單流閥總成、封隔器膠筒總成、卡瓦總成、定位器總成和引鞋組成，如圖1所示。其工作狀態(tài)分為入井、坐封和解封。工藝管柱入井時(shí)處于入井狀態(tài)，在噴砂射孔和環(huán)空壓裂時(shí)處于坐封狀態(tài)，在上提轉(zhuǎn)層和定位時(shí)處于解封狀態(tài)。

圖1　工藝管柱結(jié)構(gòu)

2　工藝管柱的設(shè)計(jì)

2．1 槍體總成

槍體總成由噴槍本體、保護(hù)套、壓帽、噴嘴、保護(hù)套背帽和頂絲組成，如圖2所示，是整個(gè)壓裂管柱中關(guān)鍵部件之一。通過(guò)小直徑噴嘴，將地面泵入的高壓攜砂液轉(zhuǎn)換成高速射流，高速攜砂液沖擊套管內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)射孔的目的；通過(guò)壓帽將噴嘴安裝在本體錐形孔中，噴嘴與本體之間用錐面密封；為了減少噴砂射孔階段反擊砂子對(duì)槍體本體的沖蝕作用，在本體外圍設(shè)計(jì)了高質(zhì)合金保護(hù)套。

圖2　槍體總成

2．2 單流閥總成

單流閥總成主要由單流閥閥體、球擋環(huán)、閥球、旋轉(zhuǎn)滑塊、篩管、接箍、密封桿、密封膠筒、墊片和密封座等組成，如圖3所示。單流閥總成安裝在槍體總成下端，單流閥通過(guò)閥球和閥體內(nèi)部錐面，起到單向密封作用，地面泵入的高壓攜砂液全部從噴嘴噴出；當(dāng)需要反洗井時(shí)，通過(guò)油套環(huán)空泵入液體，這時(shí)閥球被環(huán)空液體頂開(kāi)，建立暢通的內(nèi)部通道，實(shí)現(xiàn)反洗井的目的。旋轉(zhuǎn)滑塊結(jié)構(gòu)為下部換軌坐封結(jié)構(gòu)提供360°的旋轉(zhuǎn)自由度。在施工中密封膠筒插入密封座內(nèi)孔，起控制背壓的作用。

圖3　單流閥總成

2．3 封隔器總成

封隔器總成的卡瓦為封隔器膠筒壓縮變形提供錨定，封隔器膠筒壓縮變形封隔油套環(huán)空，在分層施工時(shí)起到封隔的作用。封隔器總成如圖4所示。當(dāng)工藝管柱下入預(yù)定的位置后，上提連續(xù)油管1～1．5 m，使導(dǎo)軌進(jìn)行換軌，再下放連續(xù)油管，這時(shí)卡瓦及連接的零部件在阻尼器的作用下在套管內(nèi)壁上處于靜止?fàn)顟B(tài)，繼續(xù)下放連續(xù)油管，下壓環(huán)與卡瓦內(nèi)壁接觸撐開(kāi)卡瓦，使卡瓦外壁與套管內(nèi)壁接觸起錨定作用；這時(shí)加大下壓力，在下壓力的作用下膠筒壓縮變形與套管內(nèi)壁接觸起封隔作用。

圖4　封隔器總成

2．4 接箍定位器總成

由于連續(xù)油管存在彎曲，顯示儀顯示的深度和實(shí)際深度有一定的誤差。用接箍定位器檢測(cè)套管接箍通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的懸重變化，可以準(zhǔn)確判斷連續(xù)油管在井內(nèi)的實(shí)際深度。接箍定位器總成如圖5所示，其安裝在管柱最下端。下放連續(xù)油管工藝管柱入井時(shí)，由于定位器卡瓦倒角大端朝下，定位器卡瓦與套管接箍之間的阻力較小，當(dāng)管柱下放到表層套管下端1～2根套管深度時(shí)，上提連續(xù)油管觀察懸重變化；當(dāng)定位器卡瓦卡入套管接箍時(shí)懸重會(huì)有20～35 k N的變化，通過(guò)表層套管數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確判斷工藝管柱的實(shí)際的深度。

圖5　接箍定位器總成

3　施工工藝

3．1 工藝管柱的組裝

在施工現(xiàn)場(chǎng)組裝工藝管柱入井之前，將工藝管柱的關(guān)鍵零部件在室內(nèi)進(jìn)行安全測(cè)試，例如安全丟手、噴槍總成、單流閥總成、卡瓦總成和定位器總成。

連續(xù)油管連接器安裝完成后進(jìn)行抗拉試壓測(cè)試，測(cè)試合格后將安全丟手、扶正器、槍體、單流閥總成、封隔器膠筒總成、卡瓦換軌總成、定位器總成和引鞋連接組裝。

3．2 施工工序

1） 連續(xù)油管攜帶工藝管柱入井，在入井過(guò)程中確保下入速度控制在15～20 m／s。

2） 工藝管柱下入井內(nèi)100～200 m時(shí)進(jìn)行坐封測(cè)試，測(cè)試合格后方可繼續(xù)入井。

3） 工藝管柱下到待射孔部位時(shí)，根據(jù)井筒接箍數(shù)據(jù)確定接箍定位器的實(shí)際位置。

4） 由接箍定位器數(shù)據(jù)和連續(xù)油管深度顯示儀進(jìn)行準(zhǔn)確定位，定位后確保封隔器導(dǎo)軌處于長(zhǎng)軌狀態(tài)及下放可坐封狀態(tài)。

5） 下放連續(xù)油管進(jìn)行坐封，連續(xù)油管泵入液體進(jìn)行封隔器驗(yàn)封。

6） 打開(kāi)環(huán)空建立循環(huán)（從連續(xù)油管泵入環(huán)空外排）。

7） 連續(xù)油管加砂進(jìn)行噴砂射孔。

8） 連續(xù)油管泵入頂替液，將連續(xù)油管內(nèi)和環(huán)空內(nèi)的攜砂液全部外排干凈。

9） 環(huán)空進(jìn)行主壓裂，在環(huán)空壓裂過(guò)程中為了保護(hù)連續(xù)油管，應(yīng)確保從連續(xù)油管小排量泵入液體。

10） 環(huán)空壓裂完成后，連續(xù)油管上提解封。11） 連續(xù)油管上提至上層待射孔壓裂層位，進(jìn)行坐封。

重復(fù)5～10個(gè)工序可以實(shí)現(xiàn)一趟管柱多層射孔壓裂的目的。

4　封隔器膠筒有限元分析

4．1 數(shù)學(xué)模型

封隔器膠筒采用丁腈橡膠，材料的泊松比為0．48，可以承受很大的彈性變形，是超彈材料。超彈材料的彈性勢(shì)能函數(shù)是一個(gè)應(yīng)變或變形張量的標(biāo)量函數(shù)，該標(biāo)量函數(shù)對(duì)應(yīng)變分量的導(dǎo)數(shù)就是相應(yīng)的應(yīng)力量［7-8］。

式中：［S］為第二皮奧拉克希霍夫應(yīng)力張量；W為單位體積的應(yīng)變能函數(shù)；［E］為拉格朗日應(yīng)變張量。

拉格朗日應(yīng)變?yōu)槭街校篒為單位矩陣。［C］為柯西格林應(yīng)變張量，是變形梯度張量，為變形后的節(jié)點(diǎn)位置變量，X為初始節(jié)點(diǎn)位置適量。

應(yīng)變不變量的2個(gè)常數(shù)的MooneyRiv Lin應(yīng)變能密度函數(shù)為

式中：a10、a01為材料常數(shù)，a10＝1．87MPa，a01＝0．47MPa。

4．2 計(jì)算模型

封隔膠筒有限元分析的幾何模型如圖6所示。因?yàn)槟z筒為軸對(duì)稱，為了減少計(jì)算量及提高計(jì)算精度，選用的幾何模型為兩位軸對(duì)稱模型；分析對(duì)象為套管、內(nèi)管、上壓環(huán)、膠筒和下壓環(huán)。

圖6　膠筒幾何模型

4．3 計(jì)算結(jié)果

作用在上壓環(huán)上的坐封力為17 MPa時(shí)，膠筒與套管內(nèi)壁及內(nèi)管內(nèi)壁之間的接觸應(yīng)力如圖7所示。與套管內(nèi)壁最大接觸應(yīng)力發(fā)生在膠筒上端，最大接觸應(yīng)力為22．991 MPa；與內(nèi)管外壁最大接觸應(yīng)力發(fā)生在膠筒上端，最大接觸應(yīng)力為22．719 MPa。

圖7　接觸應(yīng)力

在不同的坐封作用力下，膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力分布如圖8所示。膠筒與套管的接觸主要發(fā)生在膠筒中間部位，坐封力為17 MPa時(shí)，膠筒中間部位與套管內(nèi)壁的接觸應(yīng)力為7．98 MPa。

圖8　不同坐封作用力下膠筒與套管的接觸應(yīng)力

坐封力為17 MPa時(shí)，膠筒的壓縮變形情況如圖9所示。最大壓縮量為42．525 mm。在坐封過(guò)程中膠筒上端與套管內(nèi)壁之間的摩擦力較大，是膠筒最容易失效的部位。

圖9　最大坐封力下膠筒位移

5　結(jié)論

研究了連續(xù)油管定點(diǎn)噴砂射孔多層環(huán)空加砂壓裂施工工藝，其工藝管柱具有射孔、封隔、壓裂一體化功能，可實(shí)現(xiàn)一趟管柱多層射孔壓裂的目的。減少了施工風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率和安全性；可有效開(kāi)采低滲和非常規(guī)難動(dòng)用油氣藏。

［1］ 孫鑫，程智遠(yuǎn)，周曉昱，等．連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂工具研制［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（6）：73-76．

［2］ 王瑤，馮強(qiáng)，劉欣，等．適用于連續(xù)油管的封隔器管串結(jié)構(gòu)及原理分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（1）：83-86．

［3］ 周建權(quán)．連續(xù)油管水力噴砂射孔深度確定方法探究［J］．中國(guó)科技信息，2008（24）：55-56．

［4］ 杜常橋，李世民，呂宏茹．封隔器膠筒應(yīng)力數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］．?dāng)鄩K油氣田，2008（2）：104-106．

［5］ 李亮，邱艷華，陳書(shū)寧．連續(xù)油管噴砂射孔分段壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013 （14）：181．

［6］ 寧，鄒剛，蔣友誼，等．連續(xù)管噴砂射孔分段壓裂工具的研究與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2012（11）：94-98．

［7］ 陳健，田播源，劉玉文．壓縮式封隔器膠筒失效因素分析及措施［J］．科技資訊，2010（31）：80-82．

［8］ 劉永輝．封隔器膠筒性能有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［D］．成都：西南石油大學(xué)，2006．

Development and Application of Coiled Tubing Fixedpoint Abrasive Perforating and
Multilayer Annulus Add－sand Fracturing Tool

Aibaibu·Abulimiti，DA Yong，HOU Qitai，ZHAO Qian，WANG Jianlei，Maieryemuguli·Anwaier，ZHANG Hu，HAO Chengzhi
（PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China）

The coiled tubing fixedpoint abrasive perforating and multilayer annulus addsand fracturing process are the technology of integrating perforating and fracturing，a tubular column can realize the purpose of multilayer perforation and fracturing one time，and it implements the exploration and development of oil and gas reservoirs such as dense reservoirs，shale reservoirs．It is particularly effective for accurate positioning perforation fracturing of multilayer and thin layer．For some Xinjiang oilfield block with low pressure，low productive and low permeability，a set of tool string used in coiled tubing fixedpoint abrasive perforating and multilayer annulus addsand fracturing was designed，and the parameters of key components and parts were calculated．Test showed that the technology reduced the risk of perforating and fracturing operation，shorten operation cycle，and positioning accurately，and the wellbore was clean after construction．Thus，it provided an efficient and safe method for low pressure，low productivity，and low permeability reservoirs．

coiled tubing；abrasive perforating；multilayer fracturing；tool string

TE934．2

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．019

1001－3482（2015）09－0076－04

①2015－03－12

艾白布·阿不力米提（1984-），男，維吾爾族，新疆托克遜人，碩士，主要從事連續(xù)油管井下工具管柱的研究，E-mail：aibaibu＠163．com。