上翹井中可溶橋塞泵送流量和驅動力仿真分析

楊小城， 鄢 標

(四機賽瓦石油鉆采設備有限公司，湖北 荊州 434024)

目前，我國油氣資源已進入常規和非常規并重的開發階段，非常規油氣占全國累計探明油氣儲量的41%，非常規油氣產量占油氣總產量的20%。為進一步促進原油穩產增產，突破資源接替、技術創新和降低成本等多重難題，需要在頁巖氣、頁巖油等新的資源接續領域尋求戰略突破。截止2021-10-08，涪陵國家級頁巖氣示范區累計生產頁巖氣突破400億m3。吉木薩爾被批準為國家級頁巖油示范區，完鉆水平井101口，投產水平井90口，該油田2021年頁巖油全年產量42.6萬t。針對頁巖氣、頁巖油的多級、大規模體積壓裂改造需求，普遍采用泵送可溶橋塞-射孔聯作分段壓裂完井技術[1-3]。

本文分析了可溶橋塞泵送過程中流量與電纜張力的關系[4]，確保橋塞泵送過程和坐封時的安全可靠，為現場使用提供技術支撐。

1 水平井泵送橋塞管柱及參數

1.1 管柱組成及泵送工藝原理

水平井泵送橋塞管柱包括磁定位器、射孔槍、坐封工具和可溶橋塞，如圖1所示。整個管柱在直井段是由管柱自重力驅動并下移。當管柱快行進入水平段時，由地面泵車提供液體流量，推動管柱移動。管柱中可溶橋塞的外徑尺寸最大，因此泵送過程中主要是通過橋塞外徑與套管內徑的間隙節流形成壓差，推動管柱運動。

圖1 泵送橋塞管柱組成

1.2 可溶橋塞工作原理

圖2是可溶橋塞結構圖?？扇軜蛉鸞5-7]泵送到指定層位后，通過電纜點火，坐封工具一邊拉住拉桿，另一邊產生相對推力，并推動中心管向右移動，同時擠壓膠筒、卡瓦，使膠筒膨脹并密封套管內徑。同時，卡瓦張開，錨定住套管內壁。當坐封工具的推力達到橋塞丟手力時，拉桿與引鞋的連接螺紋被拉斷，實現橋塞坐封丟手。電纜工具上提，并對橋塞上端層位進行射孔作業，射孔后電纜工具取出井口。從井口投入可溶球，通過液體泵送，可溶球最終與中心管的內錐面形成單向密封。此時，可以進行地層的壓裂施工作業。壓裂作業結束后，可溶橋塞與地層礦物質反應，被完全溶解。

1-拉桿；2-中心管；3-膠筒；4-背圈；5-錐體；6-卡瓦；7-引鞋；8-套管。

1.3 技術參數

本文以涪陵頁巖氣區井況參數為例進行介紹，主要技術參數：

套管內徑 115 mm

可溶橋塞外徑 103 mm

可溶橋塞內徑 38.1 mm

電纜最大張力 15 kN

泵送介質 清水

2 水平井泵送橋塞仿真分析

基于Fluent有限仿真軟件，對可溶橋塞泵送過程進行流體分析[8]。對可溶橋塞的模型進行簡化，液體經過橋塞外徑與套管內徑的環空間隙，以及橋塞內徑與拉桿外徑的環空間隙，通過這2處間隙產生的節流壓差推動橋塞在水平井中移動[9]。

2.1 水井段泵送驅動力計算

根據現場作業泵送流量，水平井流量分別選用1、2、3、4、5 m3/min。在泵送過程中橋塞外徑與套管內徑的環空相對較大，從圖3知，流體大部分是從橋塞外部流過。從圖4速度云圖中可以看出，盡管橋塞內部也有通道，但是通道相對較小，內部流速相對較慢。圖5是橋塞的應力云圖，通過圖5分析，橋塞的強度滿足使用要求。

圖3 流量為2 m3/min時的流線圖

圖4 流量為2 m3/min時的速度云圖

圖5 流量為2 m3/min時的應力云圖

計算結果如表1所示，隨著流量的增加，流速增加，驅動力值也逐漸增加。從圖6可以看出，隨著流量的等值增加，驅動力成指數式增加。

表1 泵送流量與驅動力關系

圖6 水平井泵送流量與驅動力曲線

2.2 橋塞卡瓦受力分析

橋塞是由各個部件組成的，在橋塞泵送過程中每個零件承壓的壓差也不相同，如圖7所示，橋塞泵送過程中最為關鍵的是要計算卡瓦的安全性。通過仿真計算出橋塞中心管和膠筒兩端的應力，轉化為中心管產生的軸向力，當軸向力大于卡瓦的破裂力40 000 N時，卡瓦破裂導致橋塞提前坐封。因此，為了橋塞的安全下入，需要計算橋塞的耐沖性能。通過提取不同流量下流體對橋塞中心管和膠筒前后的壓力云圖，計算出壓力差(p1-p2)，再根據中心管的截面積A,即可計算出橋塞中心管產生的軸向力。

圖7 橋塞泵送壓差示意圖

計算結果如表2的所示,即便是采用5 m3/min流量,產生的軸向力是4 769 N,也是遠遠小于卡瓦破裂力值40 000 N的。因此，該橋塞在5 m3/min流量以內泵送都是安全的。

表2 泵送流量對中心管產生的軸向力

2.3 上翹井段泵送驅動力與井斜角度關系

泵送橋塞管柱包含橋塞、坐封工具、射孔槍等。以六簇射孔槍管柱為例，整個管柱的自重力W約為5 kN。橋塞泵送時電纜需要保持一定的張力，電纜的張力Fz為1 000 N。通過電纜的張力Fz后、流量產生的驅動力Fq驅與井斜角α之間的關系，可以計算流量與最大井斜角的關系。受力分析如圖8所示。

圖8 橋塞在上翹井中受力分析圖

計算結果如表3所示，流量為1～5 m3/min。當流量為1 m3/min時，驅動力不足以克服管柱自重力和電纜張力，只能在水平井90°泵送。當流量為3 m3/min時，最大井斜角可以達到112.9°。當流量超過5 m3/min時，最大井斜角理論上是可以達到180°?，F場作業時還要考慮管柱與井筒的摩擦力、電纜張力、井斜段長度、電纜自重力的影響。

表3 井斜角與驅動力計算數據

3 上翹井中流量與電纜張力仿真分析

在上翹井泵送橋塞時，當橋塞到達指定位置后地面停泵，沒有流量產生驅動力，橋塞在自重力的作用下會向下滑動，最終導致橋塞不能坐封到指定層位。因此，現場作業針對上翹井泵送橋塞，通常采用在小流量泵送的過程中同步坐封橋塞。但是，橋塞在坐封套管瞬間，只有橋塞內徑與拉桿之間的狹小流道，此時產生的節流壓差較大，如果卡瓦沒有錨定好，會導致電纜拉斷的事故。因此需要對上翹井中具有流量條件下橋塞的坐封過程進行計算。

根據現場作業經驗，此時需要采用小流量泵送，計算流量選為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 m3/min?？紤]到電纜的自重力和安全系數，電纜作用于工具串的張力不能大于額定張力的50%，即7 350 N。同時考慮到井斜角的影響，本例選用井斜角110°進行計算。圖9所示的流線圖顯示流體全部從橋塞內徑與拉桿外徑的間隙中流出，此時環空間隙較小，產生的節流壓差較大，如圖10所示，主要壓差集中在橋塞內部球座處。

圖9 流量為0.25 m3/min時的流線圖

圖10 流量為0.25 m3/min時的應力云圖

計算結果如表4所示，橋塞在井斜角為110°時，當流量為0.25 m3/min時，驅動力不夠，在管柱自重力的作用下會下滑，導致射孔槍無法達到指定層位。當流量達到1 m3/min時，電纜張力達到10 116 N，超過電纜額定張力15 kN的68%，電纜有拉斷的風險。當流量達到1.25 m3/min時，電纜就會被拉斷，造成工具落井事故。因此，在有流量的條件下坐封橋塞，流量應不大于0.75 m3/min。

表4 橋塞在上翹井坐封瞬間的安全電纜張力值

4 現場應用

該可溶橋塞在位于重慶地區的焦頁××井進行了全井使用。該井完鉆井深4 490 m，分21段壓裂施工，井溫103 ℃，最大井斜108.6°，屬于上翹井，如圖11所示。該橋塞酸化壓裂施工作業坐封位置位于最大井斜處，需要在有流量的條件下點火坐封橋塞，橋塞入井過程中泵送流量3 m3/min，到達坐封位置時將流量減小為0.5 m3/min，順利完成橋塞的坐封丟手。

圖11 井眼軌跡

5 結論

1) 橋塞的泵送流量越大，對橋塞的驅動力就越大，對電纜的抗拉強度要求就越高。因此，要根據井深、工具串自重力和上翹井斜角度等優選電纜型號及排送流量。

2) 為了確保上翹井中橋塞泵送的安全性，選擇可溶橋塞時，要求橋塞的內部通徑盡量大，減少橋塞坐封時的節流壓差。

3) 通過流體仿真分析，可以分析橋塞中卡瓦的受力，避免卡瓦破裂，保證橋塞安全入井。