煤系氣壓裂排采一體化技術(shù)研究*

□ 張 健 □ 余焱群

1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 北京 1000252.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266580

1 研究背景

隨著全球開展非常規(guī)天然氣的開發(fā),煤系氣成為國內(nèi)非常規(guī)能源發(fā)展的重點[1-2]。煤系氣指以煤為烴源巖的天然氣,主要包括煤層氣、煤系致密砂巖氣、煤系頁巖氣。現(xiàn)有地質(zhì)研究表明,我國的煤層氣資源豐富,地質(zhì)資源量大于49.06×1012m3,具有廣闊的勘探開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景[3-4]。

煤系氣具有埋藏較淺或中等埋深、滲透率較低、儲層疊置等特點,儲存特性決定了煤系氣的產(chǎn)量一般較低、壓力也較低,因此,依靠氣井自身能量不能實現(xiàn)壓裂液的返排[5]。另外,煤層氣需要排水降壓解吸生產(chǎn),壓裂后下入生產(chǎn)管柱來保證煤層氣的連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)[6]。而致密氣維持高產(chǎn)期的時間較短[7-8],且儲層伴有產(chǎn)水,一般2～4個月后需要下泵人工舉升排水采氣。煤系氣開采時,經(jīng)歷壓裂、關(guān)井憋壓、提液返排、下管生產(chǎn)等作業(yè)過程,壓井作業(yè)對儲層傷害嚴(yán)重,會使致密氣產(chǎn)量驟降35%～60%,并且增加作業(yè)量。可見,針對目前煤系氣的生產(chǎn)工藝,減小對儲層的傷害,降低生產(chǎn)作業(yè)成本,具有重要的工程意義。

2 壓裂排采一體化工藝

根據(jù)煤系氣地層特征與產(chǎn)氣特點,筆者設(shè)計了基于滑套封堵的煤系氣壓裂排采一體化工藝。

壓裂作業(yè)完成后,需要設(shè)計關(guān)鍵結(jié)構(gòu)壓裂滑套,關(guān)閉噴砂口,實現(xiàn)壓裂管柱用于常規(guī)生產(chǎn)管柱的工藝效果。基于滑套封堵的煤系氣壓裂排采一體化工藝主要包括壓裂流程、滑套作業(yè)流程、煤系氣井口安裝流程、下泵流程、煤系氣生產(chǎn)流程等。煤系氣壓裂排采一體化工藝流程如圖1所示。

3 壓裂排采一體化管柱

煤系氣壓裂排采一體化管柱整體結(jié)構(gòu)主要由井口裝置和井下裝置兩部分組成,如圖2所示。

井口裝置為煤層氣井口采油樹,主要包括井口四通、油管頭總成、光桿密封器、井口閥總成等。井口四通與油管、套管環(huán)空相通,作為煤系氣井的出氣通道。

井下裝置與常規(guī)有桿泵排采結(jié)構(gòu)的區(qū)別主要在于游動閥與固定閥之間設(shè)計了壓裂滑套結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了壓裂端口由通暢到封堵的轉(zhuǎn)換。

▲圖1 煤系氣壓裂排采一體化工藝流程

4 壓裂滑套結(jié)構(gòu)

壓裂滑套是煤系氣壓裂排采一體化管柱中的關(guān)鍵部件,壓裂時提供通道,壓裂后封堵噴砂口,滿足壓裂、返排、生產(chǎn)的作業(yè)要求。

壓裂滑套主要由滑套本體、密封圈、內(nèi)滑套、球座等部件組成。壓裂滑套結(jié)構(gòu)如圖3所示。

壓裂滑套安裝在固定閥上方,隨泵筒入井。初始狀態(tài)時,內(nèi)滑套在滑套本體內(nèi)處于上位,壓裂端口通暢,開展壓裂作業(yè)。壓裂后,從井口向油管內(nèi)投擲密封球,密封球坐封球座,井口輸入壓力液,剪斷限位銷,球座推動內(nèi)滑套下行,內(nèi)滑套下行至下接頭位置卡死,關(guān)閉噴砂口。密封球的材料為鋁鎂合金,密度為1.8～1.85 g/cm3,承壓強(qiáng)度為83 MPa。密封球具有可溶性,溶解液為3%氯化鉀溶液,投球加壓時間為2～3 h,壓裂時間為2～3 h。溶解時間可控,溶解后壓裂管柱轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)管柱。試驗井為φ140 mm井筒,壓裂滑套結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表1。

▲圖2 煤系氣壓裂排采一體化管柱整體結(jié)構(gòu)

▲圖3 壓裂滑套結(jié)構(gòu)

表1 壓裂滑套結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

5 密封球受力分析

壓裂作業(yè)完成后,從井口向油管內(nèi)投擲密封球,密封球坐封球座,順利下行剪斷限位銷。建立密封球與球座的簡化模型,密封球受力分析如圖4所示。

密封球密封條件為:

▲圖4 密封球受力分析

Pπr2=N+2F(sinα+μcosα)

(1)

式中:P為密封球上方壓力;r為球座與密封球接觸處內(nèi)徑;N為密封球下方綜合作用力;F為密封球與球座接觸點法向正壓力;μ為摩擦因數(shù);α為密封球接觸面錐角。

壓裂滑套通過密封球坐封,實現(xiàn)密封球上下通道封隔。通過赫茲接觸面間壓力公式進(jìn)行分析[9-10],接觸點法向正壓力F為:

(2)

密封球與密封球座之間的最大接觸長度a為:

(3)

式中:k1為密封球與材料彈性模量、泊松比有關(guān)的常數(shù);k2為球座與材料彈性模量、泊松比有關(guān)的常數(shù);r1為密封球半徑;r2為球座接觸面半徑。

忽略密封球重力,只考慮密封球所承受的壓力,最大接觸長度amax可表示為:

(4)

式中:E1為密封球材料彈性模量;E2為球座材料彈性模量。

密封球與球座間的最大接觸壓力為σmax:

(5)

通過式(4)、式(5),得到接觸長度與最大接觸壓力之間的關(guān)系為:

(6)

按照煤層氣的現(xiàn)場測試井相關(guān)數(shù)據(jù),得出井口加壓11.62 MPa為壓裂滑套的下滑條件。在20.35 MPa外壓15 MPa內(nèi)壓的壓裂工況下,壓裂滑套結(jié)構(gòu)應(yīng)用良好。

基于上述研究,按照圖3和表1制造的壓裂滑套樣機(jī)如圖5所示。經(jīng)過現(xiàn)場試驗表明,這一壓裂滑套能夠?qū)崿F(xiàn)壓裂、返排、生產(chǎn)一體化作業(yè)要求。

▲圖5 壓裂滑套樣機(jī)

6 結(jié)束語

筆者對煤系氣壓裂排采一體化技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了基于滑套封堵的煤系氣壓裂排采一體化技術(shù),實現(xiàn)了壓裂、返排、生產(chǎn)的一體化作業(yè)。在研究中,建立了密封球和球座的力學(xué)模型,分析得到了壓裂密封條件,確認(rèn)所設(shè)計的壓裂滑套結(jié)構(gòu)能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)施工要求。