頁巖氣井壓裂工況試驗模擬

戈　曉，孫　宇，郝玉華（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

頁巖氣井壓裂工況試驗模擬

戈曉，孫宇，郝玉華
（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

為模擬國內頁巖氣開采過程中的壓裂施工工況，并評價套管接頭在壓裂施工后的密封性，設計了一套套管評價程序。利用該評價程序對天津鋼管集團有限公司生產的Φ139.70mm×12.34mm規格的P110 TP-CQ進行試驗評價，結果表明，產品順利通過了該評價程序該評價實驗不影響實驗套管的使用性能。

頁巖氣井；壓裂；工況；密封性；評價程序

1　引言

油氣層水力壓裂是對油氣層的一種增產技術。其基本原理是以高于地層應力和巖石張力強度的泵壓，使巖石出現破裂，形成一條裂縫，繼續不斷地注入壓裂液，使裂縫進一步延伸并擴大。為了在停泵后不閉合，使裂縫獲得高的導流能力，隨著壓裂液同時注入大顆粒的固體支撐劑（天然石英砂或人造陶粒砂）并使之停留在裂縫里，來保持裂縫內高的裂縫滲透率，從而擴大了油井的有效井徑，減少了油氣流進井底的阻力，從而提高油井的產量[1]。

在壓裂施工中，石油套管要承受多次施工壓力（內壓力），為評價這種工況對套管接頭密封性的影響，進行模擬試驗，而類似的模擬試驗在國內外尚無統一的試驗流程及規范，因此，我們設計了一套評價試驗流程，并利用TPCO（天津鋼管集團股份有限公司）生產的Φ139.70 mm×12.34mm套管進行了試驗驗證。

2　評價程序設計

2.1試樣選取

試樣應加工成最苛刻過盈配合，即低密封過盈配合[2]；庫存隨機取樣。若選擇第二種取樣方式，需與用戶協商。

2.2上扣試驗

上扣扭矩應選擇最小可允許扭矩，選擇與推薦油田現場一致的螺紋脂，上扣設備必須在有效計量周期內。為模擬油田下套管作業，只進行一次上扣。

2.3烘烤

套管入井后，隨著深度的增加，接頭溫度逐漸升高，其涂層和螺紋脂的密封性能都會受到影響，因此利用烘烤來模擬接頭受到的溫度的影響。溫度選擇ISO13679標準中的最高溫度180℃，保溫12 h[2]。

2.4壓裂模擬

利用靜水壓試驗來模擬壓裂施工，考慮到油田現場壓裂施工時的壓力波動，靜水壓試驗壓力選擇壓裂壓力加15 MPa，保載時間選擇2 h，試驗次數定為10次。需要說明的是，利用靜水壓試驗來模擬壓裂施工，與實際施工還是有很大差別的，首先管體未射孔，其次未考慮來自地層的非均勻壓力。

2.5密封性試驗

經過壓裂模擬后的試樣，進行接頭內壓密封和外壓密封性能評價。內壓試驗壓力應達到名義內屈服壓力，外壓試驗壓力應達到名義抗擠毀壓力值，為保證試驗的安全性，可以將名義壓力值乘以安全系數0.95，來作為試驗壓力值。除用名義壓力值來定試驗壓力外，也可根據API5C3公式，用實測材料性能和實測試樣尺寸來計算內屈服壓力和抗擠毀壓力值，并乘以安全系數0.95，來作為試驗壓力值。通常，采用第二種方法所獲得的試驗壓力值較高。若選擇第一種方法計算試驗壓力需與用戶協商。密封性試驗保載2 h認為是合適的。關于試驗介質，需結合具體工況，選擇水或干燥氮氣，一般地層中含有氣（天然氣、硫化氫、二氧化碳）的必須用干燥氮氣。

2.6材料力學性能檢測

對氣密封試驗后的試樣進行材料力學性能檢測，與試驗前的材料力學性能對比，評價試驗前后力學性能的變化。

2.7試驗安全

全尺寸壓力試驗必須在封閉場所進行；試驗樣必須填充芯棒來減少試驗介質總量，以降低試樣失效時釋放的能量[2]；近距離觀察泄漏情況時，必須降低壓力至安全范圍。

3　評價程序實踐

結合某油田頁巖氣井壓裂工況，隨機選取TPCO生產的5.5 in TP-CQ套管產品，進行壓裂工況模擬。據了解，這個油田壓裂施工時的壓力為90 MPa，我們制定模擬該工況的試驗壓力為105 MPa。結合試樣信息（見表1），制定了密封性評價試驗方案（見表2）。

表1　試樣信息

表2　密封性評價試驗方案

4　試驗結果及分析

圖1　試樣上扣扭矩-圈數曲線

4.1上扣試驗及試樣烘烤

上扣曲線見圖1。分析曲線可知，最終扭矩為13394ft-bls（18 159 N·m），符合上扣扭矩要求，曲線平滑，拐點明顯，上扣效果較好。烘烤曲線見圖2。烘烤溫度控制在（180±5）℃，烘烤時間大于12 h。

4.2 10次靜水壓試驗

模擬壓裂工況的靜水壓試驗壓力選定為105 MPa，該壓力約為管體內屈服的90%，為施工壓力的116%，既滿足施工要求，又留有安全系數。10次壓力循環過程中，壓力穩定，接頭未發現泄漏現象。靜水壓試驗曲線見圖3。

4.3氣密封試驗

內壓最高試驗壓力選定為110MPa，約達到管體內屈服的94%；外壓最高試驗壓力達到管體抗擠毀值的95%。試驗介質為干燥氮氣。內壓氣密封試驗曲線見圖4；外壓氣密封試驗曲線見圖5。內外壓試驗過程中，壓力穩定，接頭未發生泄漏現象，說明接頭密封性能良好。

4.4試驗前后材料性能對比

為評價整管試驗對試驗樣材料性能的影響，對經過靜水壓、內外壓試驗后的試樣進行了材料性能測試，測試結果見表3。結果表明，整管試驗后，對力學性能幾乎無影響，其各項指標仍符合API5CT標準要求，仍屬合格產品。

圖2　試樣烘烤溫度-時間曲線

圖4　內壓氣密封試驗曲線

圖5　外壓氣密封試驗曲線

表3　試驗樣力學性能測試結果

5　結論

目前國內尚無針對頁巖氣井壓裂工況的評價程序或試驗規范，本文結合試驗室相關評價規范及多年來的實踐經驗，并結合頁巖氣井實際壓裂工況，設計了一套評價程序。該程序在試樣選取、接頭上扣、接頭烘烤、壓裂工況模擬、密封性試驗及試驗前后材料性能對比等各試驗環節上給出了規范性指導，值得在業內交流推廣。天津鋼管集團股份有限公司生產的Φ139.70 mm×12.34 mm P110 TP-CQ套管執行了該評價程序，并順利通過試驗驗證，獲得用戶好評。

[1]鉆井手冊編寫組.鉆井手冊（甲方）[M].北京：石油工業出版社，2000：369.

[2]ISO13679:2002，Petroleum and natural gas industries-Procedures for testing casing and tubing connections[S].

Fracturing Working Condition Simulation of Shale Gas Well

GE Xiao,SUN Yu and HAO Yu-hua
(Tianjin Pipe [Group] Corporation, Tianjin 300301, China)

In order to simulate the fracturing working conditions during shale gas extraction and to evaluate the tightness of oil casing connector after fracturing,a set of evaluation process was designed, by whichΦ139.70 mm×12.34 mm P110 TP-CQ pipe produced by Tianjin Pipe Group Corporation was tested and evaluated.The results showed the product smoothly passed the evaluation process and the evaluation process has no influences on the usability of tested pipes.

shale gaswell;fracturing;working conditions;tightness;evaluation process

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.002

2015-10-13

2015-11-02

戈曉（1981—），男，工程師，主要從事從事管材性能、失效分析及評價試驗等工作。