新型采油井定向壓裂技術關鍵部件的設計及性能分析

卜偉娜，董 平，樊湘鵬，曹翠翠，陳寶國

（新疆大學，烏魯木齊 830047）

新型采油井定向壓裂技術關鍵部件的設計及性能分析

卜偉娜，董 平，樊湘鵬，曹翠翠，陳寶國

（新疆大學，烏魯木齊 830047）

針對低滲透油氣田難開采的境況，另辟新思路，建立新型定向輪壓，壓裂工藝配套工裝管柱，新的配套工裝管柱滿足原有設備的功能并具備自己獨特優勢。針對所設計的壓裂工具，首先基于目標井況和新工藝參數要求，利用有限元平臺，對所設計的設備進行有限元分析其力學性能。其次，對設備進行簡化建模，利用振動學基本方程和響應分析策略，建立振動基本方程，對新型的壓裂管住進行橫向振動分析，并依據條件進行振動響應求解。

低滲透；定向輪壓；力學性能；振動分析

0　引言

隨著我國油氣田開采年限的增加，低滲透油氣田所占的比例越來越大，目前國內主要油氣田已進入中、高含水期的開發階段[1]，從油井方面來看單一方向甚至是所有方向的滲透率變得越來越低，與此同時在采油過程中產生過多的能量浪費，從而使應力分布更加的不均勻，致使高產、穩產的難度越來越大。急需以技術進步來扭轉我國重復壓裂成功率低、增產量低、滲透率低、巖層破壞大、有效時間持續段、科研落后于現場施工等一系列被動局面。

目前油田大多數工具進行水力壓裂時主要采用全方向的方式，但是由于各向異性，形成的裂縫太少，存在大片的空白區域[2]。對于低滲透油氣田來說，不能增加有效地滲透體積，即擴展最小應力方向的體積改造，也無法持久的提高滲透率、改善應力分布不均勻性以及減少對巖層破壞，亦無法達到較高的油氣采收率，直接提高了油氣采收成本和能耗。

針對目前壓裂過程中存在的上述問題，設計一種定向輪流壓裂工藝，即輪流在每個射孔方向上進行單一壓裂，當在主應力方向進行單一射孔壓裂時，可以利用高導流延長主應力方向的主裂縫，然后利用低導流形成網狀裂縫，減少了壓裂空白區域。這樣不但完全與現有的理論與工藝相符，并可繼續在現有的工藝基礎上增加體積改造的區域；當轉動至最小應力方向進行單一射孔壓裂時，通過調節壓力形成橫切縫，并在此類橫切縫逐漸生成主應力方向的主裂縫，然后降低壓力在主裂縫基礎上形成網狀裂縫，極大地提高儲層的體積改造的范圍。其結果是將最大應力和最小應力形成的網縫連成一個整體的體積改造，所達到的效果明顯大于僅僅通過延長主應力方向的主裂縫，增加滲流能力的體積改造的傳統方法。究其原因，對于低滲透油氣田來說，增加有效地滲透體積，即擴展最小應力方向的體積改造，可持久的提高滲透率、減少對巖層破壞以及改善應力分布不均勻的現狀。

現有工具在定向輪流壓裂工藝方面存在兩個缺陷，一是體積太大，二是雖然是全向但是使用時有方向性，無法實現全方向壓裂。新型壓裂裝置設計目標就是：在能使用的同時實現全方向壓裂，對最小應力方向的體積改造可以將樹枝狀的網縫轉化為類似橢圓狀的網縫，同時并不影響多層分段壓裂的體積改造的效果，而且可以增加20%～40%的單層儲油層體積改造。可以極大地擴展了儲層泄油體積，采收率顯著提高。這對進一步提高低滲透油氣藏開發、油氣開采過程中節能減耗、提高采收率具有重要的現實意義和長遠意義。

目前國內外對定向壓裂設備與工裝的研究與制造較少，此研究可為油田開采企業提供一種增加產能的有效裝置，并可與現有的壓裂工具與工藝配套使用，增加產能，減低采收能耗，提高采收率。也可向國內其他油田工程服務企業推廣，最終形成一個完整的定向壓裂工藝技術鏈。

為了使最小地應力方向生成裂縫，需要借助一定的工具，即需要研究并進行設計的工具能夠實現：

1）能夠進行單一方向壓裂；

2）能夠控制水壓；

3）能夠轉向，全方向壓裂；

4）體積大小合適。

1　結構設計

1.1設計原理

主要應用棘輪機構來實現轉向、間歇運動。通過反復調節水壓來完成棘輪的轉向，從而確定水力壓裂的方向，再根據不同的地應力，調節合適的水壓來完成水力壓裂。

1.2結構與運動

定向輪流壓裂工具主要包括以下結構：轉向、定位、間歇運動。如圖2結構簡圖所示。

圖1　機構設計流程圖

圖2　結構簡圖

圖3　運作程序示意圖

間歇運動、轉向是通過棘輪、彈簧實現的，定位是通過彈簧、擋板實現的。運作程序如圖3所示。

1）首先下水，注滿內筒，水從內筒上的孔流出，注滿外筒與內筒之間的腔，也就是第二圈。此時水壓平穩，不發生變化；

2）第二圈注滿水后，適當增大水壓。彈簧1和彈簧2在水壓的作用下發生彈性形變，被壓縮。由于彈簧1的彈性模量較小，首先達到形變極限，完全被壓縮，擋板上移，外筒上的上孔露出，通道打開，水注入外筒外壁的囊里，注滿后囊與井壁貼緊，使外筒與井壁固定。此時彈簧2形變量較小，棘輪下移一定距離，但未把外筒上的下孔露出，通道未形成；

3）再次適當增大水壓，使彈簧2達到形變極限，完全被壓縮，棘輪下移，外筒上的兩個下孔露出，形成通道。通道形成后開始進行壓裂，根據需要調節水壓來完成壓裂；

4）單一方向完成壓裂后，適當減小水壓，彈簧2形變恢復，棘輪上移，擋住外筒上的兩個下孔。之后，再次增大水壓，彈簧2達到形變極限，完全被壓縮，棘輪在下移的同時并轉向，待棘輪運動停止時，外筒上另一方向的對應兩孔露出，形成通道；

5）通道形成后，調節水壓進行壓裂。

總之，通過反復調節水壓來完成棘輪的轉向，從而確定水力壓裂的方向，再根據不同的地應力，調節合適的水壓來完成水力壓裂。

1.3設計要求

1）整體結構要求

結構按照原理設計運行且簡單有效，穩定持久，滿足精度。所處壓裂液壓差大于40Mpa的條件下可正常工作。

2）結構功能要求

適用于重復壓裂注水壓裂，能夠通過棘輪機構實現定向和轉向壓裂的要求。首要具備的就是定向壓裂、轉向壓裂功能。

3）技術參數要求

具體參數如表1所示。

表1　技術參數表

設計要求是需要該定轉向機構能夠在大于40Mpa等環境比較極端的條件下能夠正常的工作，與此同時考慮到井下壓力變化需要時間比較長的情況，所以對該定轉向機構做了壓力載荷為40Mpa的計算機數值模擬分析。通過計算壓力的模擬分析尋找此定轉向結構的薄弱點即在較大壓力下設計的薄弱環節，有利于更好的對其進行優化改進。

2　分析與綜合（性能綜合）

2.1強度分析前處理

在已有的有限元平臺，對所設計的設備依次進行單元類型定義、材料參數選擇后對所建立的三維模型進行劃分網格。在構建模型的過程中網格劃分是比較關鍵的環節，經過劃分網格把現有的集合模型轉換為由單元和節點組成的有限元模型[3]。根據結構本身的特點和材質等相關條件，對結構進行合理的網格劃分。這種結構經過前面的準備過程，進入Meshing/MeshTool模塊，然后劃分網格，上棘輪、下棘輪和總體棘輪的網格劃分，如圖4～圖6所示。圖7為棘輪機構的棘齒接觸對在有限元平臺中的初始狀態。

圖4　上棘輪網格劃分圖

圖5　下棘輪網格劃

圖6　總體棘輪網格劃分

圖7　棘輪棘齒接觸對

2.2強度求解條件

對結構的強度求解選用選Static求解方式。對于我們所設計的棘輪機構，在主要性能指標中定轉向機構要求能夠在大于40Mpa的壓力下正常工作。對其施加約束，正上方加力45Mpa，而在凹槽部分的力為5MP，這樣也就是正面加載在正上方的壓力為40MPa。這是邊界條件設立的主要出發點。

經過對接觸的定義和約束外，還要對施加載荷進行約束。由于下面的棘輪機構是固定不動的，因此對其約束就是固定。而上面棘輪機構的受力主要就是由水壓引起了，故其所受壓的面就是棘輪機構的上平面和凹槽的圓角處。

2.3強度分析結果

通過前面單位類型、材料選擇、劃分網格等條件的定義，并且經過實際的載荷約束施加，得出總體和x、y、z方向的所有位移量變化圖。如圖8～圖11所示。

圖8　總體位移

圖9　x方向位移

圖10　y方向位移

圖11　z方向位移

通過上面的位移量變化圖可知，隨著力的不斷向下傳遞，受力位移變形量從上往下也在逐漸的變小。高壓水柱經過高壓管匯通過接頭經過頂蓋進入內筒把壓裂液帶來的壓力帶給上棘輪機構，隨著壓裂液不斷的積聚水壓的不斷變大，上棘輪機構其所受壓力也越來越大，由于下棘輪機構是固定的，其實際的位移量變化不是很大。最終壓裂液帶來的最大壓力也就是40Mpa。其所受壓裂傳遞正好如圖形所表示的那樣，這樣符合力的傳遞和設計要求。

3　橫向振動研究

在實際應用中，連接管柱并注入高壓流體的過程中，結構一直處于復雜的振動狀態[4,5]，尤其是管柱的橫向振動，文中將所設計結構視為鉸支結構，整體微元化，設為均質等截面彈性管，如圖12所示。設結構內部液體流速為v（m/s），內壓為pi（MPa），環空壓力為po（MPa），軸向應力為F（kN），微元段單位質量ms（kg），內部流體單位長度質量為mf（kg），管柱的抗彎剛度為EI（N.m2）。運動方程的推導基于以下假設[6]。

圖12　結構微元橫向振動示意圖

1）流體是理想流體，即無粘性且不可壓縮；

2）管道運動滿足小變形假設；

3）管道考慮成BemouUi-Euler梁模型，即忽略管道的旋轉慣性與剪切變形；

4）重力與材料阻尼忽略不計。

取微元段dx為研究對象，則該微元段在橫向彎曲振動過程中動能與彎曲變形能的增量分別為：

總勢能E=T-U為：

E為y(x,t)的泛函，根據Hamilton原理[7]，對E進行變分整理并將F、piAi、poAo視為常數，得到結構橫向彎曲振動方程[8,9]為：

邊界條件為：

對偏微分方程(4)采用分離變量法求解，引入如下參數(5)對方程式(4)進行整理：

偏微分方程式為：

繼續改寫：

式中，F0(x,t)與成正比，考慮為作用力。

對式(7)分離變量求解，對于長度為l的兩端簡支梁在自由振動時，振型[10]可表示為：

通過對所設計設備的振動建模和分析求解，以壓裂液流速為變量，得到管柱的一、二階固有振動頻率與管內液體流速的關系圖，如圖13、圖14所示。

圖13　一階固有頻率與壓裂液流速關系

圖14　二階固有頻率與壓裂液流速關系

通過對設計結構的橫向固有頻率近似分析可以看出，注入流體的流動速度不僅影響管柱類設備的橫向固有頻率，而且對所流經的管道類設備的穩定性有較大影響，嚴重時候會導致設備發生彎曲失穩，因此在注入時，應注意排量控制，針對本設備而言，在給定范圍的流速下，所設計設備橫向振動最大一階固有頻率0.142rad/s，橫向振動最大二階固有頻率0.592rad/s，在可接受范圍內。

4　結論

低滲透、超低滲透油田的開采和中后期油氣田的持續開采中，壓裂技術獨具價值，在具體分析現有壓裂工藝的優劣的基礎上，另辟新思路，建立新型定向輪壓壓裂工藝配套工裝管柱，既繼承了傳統壓裂工具的優點，有克服其缺點，實用性更強。

針對所設計的壓裂工具，基于目標井況和新工藝參數要求，對所設計的設備進行有限元分析其力學性能，驗證其綜合力學性能，滿足設計要求。

利用振動學原理，對設備進行簡化建模，基于振動學基本方程和響應分析策略，建立振動基本方程，對新型的壓裂管住進行橫向振動分析，并依據條件進行振動響應求解，從振動角度驗證了設備的安全性能。

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The design and performance analysis of the new production wells directional fracturing technology key components

PU Wei-na, DONG Ping, FAN Xiang-peng, CAO Cui-cui, CHEN Bao-guo

TE28

A

1009-0134(2016)02-0105-05

2015-08-29

國家自然科學基金項目（11462021）；國家級大學生創新創業計劃項目（201410755033）；新疆科技重大專項（201130110）

卜偉娜（1992 -），女，本科，研究方向為機械設計與計算仿真。