防砂埋插入式分层压裂管柱研究与应用.pdf

年 第 卷第期第 页石 油 矿 场 机 械O I LF I E L DE Q U I PME N T ,():文章编号:()防砂埋插入式分层压裂管柱研究与应用刘鹏,季菊香,刘传刚,张云驰,左凯,杨生文(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司,天津 )摘要:针对常规简易压裂管柱将个以上Y 型封隔器串接在外径为 mm套管内容易砂卡的问题,研究了防砂埋插入式分层压裂工艺管柱.该工艺管柱通过下层丢手Y 型封隔器和上层定位密封插入的方式避免个Y 型封隔器串接,减少压裂后管柱上提力.通过WE L L C AT软件模拟和参数优化,均衡了管柱在全井段三轴应力的安全系数,得到管柱收缩规律和井口的阶梯式施工压力,并成功应用.关键词:压裂管柱;防砂埋;WE L L C AT软件模拟;三轴应力安全系数中图分类号:T E 文献标识码:Bd o i:/j i s s n R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fS a n dC o n t r o lE m b e d d e dS e p a r a t eL a y e rF r a c t u r i n gS t r i n gL I UP e n g,J I J u x i a n g,L I UC h u a n g a n g,Z HANGY u n c h i,Z UOK a i,YANGS h e n g w e n(CNO O CE n e r T e c h D r i l l i n g&P r o d u c t i o nC o,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os o l v e t h ep r o b l e mo f s a n d j a mm i n g i nac o n v e n t i o n a l s i m p l e f r a c t u r i n gs t r i n gw i t h m o r e t h a nt w oY p a c k e r s i ns e r i e s i na mmo u t e rd i a m e t e r c a s i n g,t h e s a n dc o n t r o l郭福祥,高立军,宫华 G e o P i l o t旋转导向钻井系统现场应用分析J西部探矿工程,():王植锐,王俊良国外旋转导向技术的发展及国内现状J钻采工艺,():苏义脑我国C G D S 近钻头地质导向钻井系统研制与应用 C/年 全 球 华 人 石 油 化 工 科 技 研 讨会 杨勇中海油自研DW工具在南海东部的首次应用分析J中国石油和化工标准与质量,():张绍槐现代导向钻井技术的新进展及发展方向J石油学报,():肖仕红,梁政旋转导向钻井技术发展现状及展望J石油机械,():耿继东 C N P C I D S旋转导向与螺杆定向钻井技术分析J中国石油和化工标准与质量,():天工自主研制的新一代高温高造斜旋转导向装备助力深层页岩气开发J天然气工业,():P r o h lM A Ag e n e r a lm e t h o df o r c a l c u l a t i n gc r i t i c a ls p e e d so f f l e x i b l er o t o r sJ J o u r n a lo fA p p l i e d M e c h a n i c s,():P a nZ,H a i kY,K i l a n iM,e t a l F o r c ea n dt o r q u ec h a r a c t e r i s t i c sf o r m a g n e t i c a l l y d r i v e n b l o o d p u m pJJ o u r n a lo f M a g n e t i s m&M a g n e t i c M a t e r i a l s,():李继博,彭勇,李军强,等旋转导向钻井工具控制轴刚度分析J石油钻探技术,():王俊涛,谭春飞,王莉萍,等螺杆钻具传动轴失效分析与提高寿命措施探讨J西部探矿工程,():收稿日期:基金项目:中海油能源发展工程技术公司科研基金“海上压裂完井工艺适应性研究”(G C J S XMHT )和“增储上产关键技术”(Z J H ).作者简介:刘鹏(),男,高级工程师,现主要从事钻完井工具的研发工作,E m i a l:l i u p e n g c n o o c c o m c n.e m b e d d e dl a y e r e df r a c t u r i n gs t r i n g t e c h n o l o g yw a s s t u d i e d T h ep r o c e s s i n gs t r i n ga v o i d s t h e c o n n e c t i o no f t w oY p a c k e r s i ns e r i e sb yr e l e a s i n g t h eY p a c k e r a t t h e l o w e r l a y e r a n dp o s i t i o n i n ga n ds e a l i n g t h e i n s e r t i o na t t h eu p p e r l a y e r,r e d u c i n g t h e l i f t i n g f o r c eo f t h e s t r i n ga f t e r f r a c t u r i n g T h r o u g hWE L L C ATs o f t w a r e s i m u l a t i o na n dp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n,t h e s a f e t y f a c t o r o ft h e t r i a x i a l s t r e s s i n t h ew h o l ew e l l s e c t i o nw a sb a l a n c e d,a n d t h e c o n t r a c t i o np a t t e r no f t h e t u b u l a rs t r i n ga n dt h es t e p p e dc o n s t r u c t i o np r e s s u r ea tt h ew e l l h e a dw e r eo b t a i n e da n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e d K e yw o r d s:f r a c t u r i n gs t r i n g;s a n dc o n t r o lb u r i a l;WE L L C ATS o f t w a r es i m u l a t i o n;s a f e t yf a c t o ro f t r i a x i a l s t r e s s;对于低渗致密砂岩储层,压裂是常用增产方式 .常规简易压裂管柱主要通过连接多个K 或Y 型封隔器,一趟管柱完成下入和压裂,该管柱在外径为 mm及以下套管内应用较成功 .对于温度超过 且油层套管外径为 mm的生产井,可选择Y 型压缩式封隔器或具有钢带结构的扩张式封隔器,但市场上无耐温 以上且适合外径为 mm套管的钢丝式K 型封隔器 .由于压缩式封隔器和具有钢带结构的K 型封隔器胶筒在解封后仍有较大残余变形,与套管内壁间隙仅有mm,且投球滑套与封隔器之间环空段由于无法冲洗,封隔器易出现砂卡 ;另一方面,由于外径为 mm的套管井内射孔段较长,压裂过程中个封隔器之间管柱因受到的三轴应力较大易变形失效.海上某油田在套管外径为 mm的井内进行压裂,有口井中压裂管柱连接压缩式封隔器数超过个,压裂后全部出现砂卡.鉴于上述问题,对常规压裂管柱进行改进,通过WE L L C AT软件模拟和管柱优化,优选出适合套管外径为 mm的压裂管柱和施工参数,并成功应用.技术分析 管柱结构以层压裂为例,海上防砂埋插入式分层压裂管柱包括下 层和中层 的悬挂丢手 管柱和上 层的插入管柱.下层悬挂丢 手管柱 主 要 包 括 具 有密封筒的Y 型封隔器;中层悬挂丢手管柱主要包括 具 有 密 封 筒 的Y 型 封 隔 器 和 定 位 密封;上层插入管柱包括定位密封、投球喷砂滑套和Y 型封隔器、水力 锚和安全接 头.该管柱解决了常规压裂管柱的封隔器串接卡钻问题,与常规管柱对比如图所示.工艺原理)压裂管柱下入.分趟下入,第趟通过钻杆下入带有密封筒的Y 型封隔器,投球加压坐封、验封封隔器,右旋丢手Y 型封隔器,起出封隔器上面的钻杆及坐封机构;接着通过钻杆下入中层的悬挂丢手管柱,并将定位密封插入下面已坐封的Y 型封隔器密封筒内;最后下入第趟带有定位密封、投球喷砂滑套、Y 型封隔器和节流管的压裂插入管柱,定位密封插入第次下入的Y 型封隔器工作筒内.)下层压裂作业.向压裂管柱内注入前置液,由节流管实现Y 型封隔器坐封,接着注入携砂液和顶替液,完成最下层压裂作业.)中层压裂作业.投可溶球打开一级喷砂滑套,注入前 置液、携砂液 和顶替液完 成中层压裂作业.)上层压裂作业.投可溶球打开二级喷砂滑套,完成最上层压裂作业.技术特点)该管柱工艺适用于井底温度超过 ,套管外径为 mm的大套管井,具有更高的井口限压值.)该管柱工艺避免了常规压裂管柱压缩式封隔器串连,最大限度减少压裂管柱的卡钻事故.)该管柱最下层采用Y 型封隔器,压裂后既可通过下入专用工具解封封隔器,也可作为永久的留井式封隔器,不影响后期防砂和生产.第 卷第期刘鹏,等:防砂埋插入式分层压裂管柱研究与应用 图常规压裂管柱和新压裂管柱组成压裂管柱力学分析某井深约 m,分层压裂,封隔器设计深度分别为 m和 m.常规压裂管柱构成:引鞋Y 型封隔器投球滑套外径为 mm的N 油管Y 型封隔器水力锚外径为 mm的N 油管;新压裂管柱构成:引鞋Y 型封隔器(内径为 mm密封筒)外径为 mm定位密封投球滑套外径为 mm的N 油管Y 封隔器水力锚外径为 mm的N 油管.压裂施工最大排量m/m i n,井底温度 ,压裂液降阻率,每层压裂时间 m i n.井口限压值计算井口施工限压值须满足个条件:)在该限压值和某特定排量下,目标压裂深度处的压力高于地层裂缝延伸压力,顺利压开地层.)压裂管柱的抗拉、抗压、抗内压、抗外挤及三轴应力的安全系数满足行业标准.抗拉和抗压安全系数,三轴应力安全系数 ,抗内压安全系数 ,抗外挤安全系数.图是新压裂管柱和常规压裂管柱在井口压力为 MP a,排量为m/m i n时的综合力学图.对于新压裂管柱,管柱的上述力学参数的安全系数均满足行业标准,常规压裂管柱由于最下面封隔器受到的活塞上顶力较大,且传递给上面管柱,整体管石 油 矿 场 机 械 年月 柱安全系数离标准值相差较大.将井口施工压力值降低,当降至 MP a时,常规压裂管柱的各项安全系数可满足要求.由此可见新压裂管柱可明显提高井口限压值.图管柱综合力学参数(MP a m/m i n)压裂管柱选择图是新压裂管柱在压力为 MP a,排量为m/m i n,环 空 背 压 MP a,油 管 外 径 为 mm,钢级为N 时,压裂管柱全井段三轴应力安全系数分布情况.对比发现个封隔器之间管柱的安全系数明显低于其他部位.为使三轴应力安全系数能在全井段内均匀分布和增加施工限压,推荐压裂管柱外径为 mm,个封隔器之间的油管钢级为P ,Y 型封隔器以上的油管钢级仍为N ,Y 型封隔器内密封筒内径为 mm,得到的阶梯施工压力如表.图外径为 mm的压裂管柱全井段三轴应力安全系数分布(MP a)表推荐管柱在不同排量下的阶梯施工压力排量/(mm i n)井口最大施工压力/MP a排量/(mm i n)井口最大施工压力/MP a(砂堵)管柱及封隔器受力分析当井口施工压力为 MP a,排量为m/m i n,环空背压 MP a,管柱参数按照上述推荐值,用WE L L C AT软件模拟后结果如下.第 卷第期刘鹏,等:防砂埋插入式分层压裂管柱研究与应用)三轴应力分析.三轴应力安全系数在全井段较均匀,如图,油管强度得到充分运用.)管柱伸长计算.管 柱 伸 长 如 表.Y 型 封 隔 器 以 上 的 m管柱在温度效应和鼓胀效应下分别收缩 m和 m,个封隔器之间的 m管柱在螺旋弯曲效应、温度效应、鼓胀效应和上顶力作用下共收缩 m,为防止定位密封因收缩脱离工作筒,需在压裂过程中尽快增加排量,张开水力锚.图全井段三轴应力安全系数分布(MP a)表管柱伸长数据井深度/m虎克定律伸缩/m压弯伸缩/m鼓胀效应伸缩/m温度效应伸缩/m总伸缩/m )封隔器受力分析.最下层压裂时,由于管柱收缩,水力锚上面管柱受到拉力作用,定位密封受到上顶力,两封隔器之间的管柱受到压缩,WE L L C AT软件模拟后两封隔器上下管柱轴向力和对套管的力如表所示.Y 型封隔器上面管柱受到拉力为 k N,下面管柱受到上顶力为 k N,水力锚和Y 型封隔器受到油管向上合力为 k N,Y 型封隔器胶筒受到环空上顶力为 k N,该力传递给水力锚,水力锚承受的上顶力为 k N.Y 型封隔器与内部穿过的定位密封可相对移动,如忽略摩擦力,则定位密封上下管柱受力均为 k N,Y 型封隔器受下面液压上顶力为 k N,定位密封外径越大,Y 型封隔器受到向上合力越大.表压裂过程个封隔器受力情况封隔器井深度/m油管对封隔器的合力/k N上面管柱轴向力/k N下面管柱轴向力/k N上环空压力/MP a下环空压力/MP a封隔器或水力锚对套管的力/k NY 水力锚 Y 注:“”指方向向上现场应用某井深 m,油藏套管外径为 mm,储层属于中低孔、特低渗储层,地层裂缝延伸压力约 M P a,储层物性差,近井筒地带存在污染,压裂前产液 m/d.下入第趟管柱(从下到上):Y 型封隔器内径为 mm的密封筒封隔器坐封装置 mm(英寸)钻杆,投钢打液压石 油 矿 场 机 械 年月 M P a坐封Y 型封隔器,右旋丢手Y 型封隔器.接着下入第趟管柱(从下到上):外径为 mm的定位密封内径为 mm的节流管投球喷砂滑套外径为 mm的P 油管Y 型封隔器水力锚安全接头外径为 mm的N 油管,将定位密封插入井底Y 型封隔器上方的密封筒内.接着进行最下层压裂,通过WE L L C A T软件模拟,当排量为m/m i n时,井口最高安全施工压力约为 M P a,实际施工过程中,最高压力 M P a,最高砂比 ,加砂 m.投入外径为 mm可溶球,压差为 M P a时打开投球滑套,进行第层压裂,最高压力 M P a,最高排量为m/m i n,最高砂比 ,加砂 m.压裂后压裂插入管柱在过提约 k N时提出工作筒,如个Y 型封隔器串接,则上提力将超过设备极限.压裂后增产倍数为 ,达到预期效果.结论)防砂埋插入式分层压裂管柱避免个压缩式封隔器串接,通过定位密封插入Y 型封隔器内密封筒的方式降低压裂后管柱的上提力,减少管柱砂卡风险.)防砂埋插入式分层压裂管柱相比常规压裂管柱具有更高的井口限压值,施工时可根据施工排量阶梯性选择井口最高施工压力.)外径为 mm套管井优选外径为 mm的油管,个封隔器之间的油管钢级需高于封隔器上面油管的钢级,以均衡油管在全井深度上的三轴应力安全系数.)Y 型封隔器以上管柱的收缩量远大于个封隔器之间的管柱,为防止定位密封脱离工作筒,需尽快增加排量,使力水锚张开.参考文献:丁庆新,侯世红,杜鑫芳,等国内水平井压裂技术研究进展 J石油机械,():林伯韬疏松砂岩储层微压裂机理与应用技术研究J石油科学通报,():尹西锋非常规油气水平井内多级分段压裂新技术J石油机械,():刘鹏,马英文,张亮,等压裂充填技术在疏松地层中的应用J石油钻采工艺,():张晓诚,王晓鹏,李进,等渤海油田疏松砂岩压裂充填 技 术 研 究 与 应 J石 油 机 械,():智勤功,谢金川,吴琼,等疏松砂岩油藏压裂防砂一体化技术J石油钻采工艺,():蒲杨,傅玉,杨波,等水平井分段压裂及现场实施技术J油气井测试,():谢桂学,李行船,杜宝坛,等压裂防砂技术在胜利油田的研究和应用J石油勘探与开发,():程智远,刘志斌,张鹏,等水平井裸眼分段压裂工具J石油科技论坛,():韩永亮,冯强,杨晓勇,等大规模压裂用Y 封隔器及工艺管柱关键技术J油气井测试,():李春梅过电缆封隔器的研制J机械工程师,():刘辉,邓千里,尹强,等可溶桥塞技术在页岩气井套管测漏中的应用J石油机械,():张卫东,杨志成,魏亚蒙,等疏松砂岩水力压裂裂缝形态 研 究综 述J力 学 与 实 践,():白健华,刘义刚,王通,等海上同心管射流泵注采一体化 技 术 研 究 J中 国 海 上 油 气,():张承武,贾海,乔雨,等WE L L C A T软件的三超气井完井设计优化J钻采工艺,():第 卷第期刘鹏,等:防砂埋插入式分层压裂管柱研究与应用