艾 池 米潔翰 付 虹 張 軍

東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 大慶 163318

封隔器間距對壓裂管柱下入摩阻力的影響

艾 池 米潔翰 付 虹 張 軍

東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 大慶 163318

壓裂管柱下入到井斜角較大井段時(shí),管柱所受摩阻力會產(chǎn)生極大值,摩阻力遠(yuǎn)大于管柱自重,管柱無法下入到設(shè)計(jì)的井段。為保證多封隔器壓裂管柱順利下入到目的層位,應(yīng)分析壓裂管柱下入過程遇阻的影響因素。應(yīng)用管柱力學(xué)理論分析帶封隔器管柱下入時(shí)的摩阻力,建立了考慮多封隔器間距對壓裂管柱剛度影響的摩阻力計(jì)算模型,對壓裂管柱所帶封隔器數(shù)目及封隔器間距離進(jìn)行優(yōu)化,降低壓裂管柱所受摩阻力,確保帶封隔器管柱順利下入到目的層位。

多級壓裂；封隔器間距；井斜角；摩阻力

0 前言

水平井分段多級壓裂技術(shù)是提高水平井產(chǎn)能的重要手段,由于水平井造斜段井眼曲率大,壓裂管柱下入過程中,管柱與井壁間的接觸點(diǎn)增多[1-5],管柱所受摩阻力明顯增大,導(dǎo)致壓裂管柱下入困難[6-8]。為保證壓力管柱順利下入到設(shè)計(jì)井段,應(yīng)對壓裂管柱下入遇阻因素進(jìn)行分析。2007年付建紅等人[9]采用有限元軟件,計(jì)算剛性扶正器處的接觸力,得到套管柱在水平井的摩阻力；2010年閆鐵等人[10]利用分段計(jì)算方法,建立水平井鉆柱摩阻力扭矩計(jì)算模型,對井眼曲率變化較大的加重鉆桿進(jìn)行修正；2015年練章華等人[11]根據(jù)水平井多段壓裂工藝管柱受力特點(diǎn),建立懸掛封隔器的力學(xué)模型。為保證管柱順利下入,需分析井眼軌跡、封隔器數(shù)量和封隔器間距對管柱下入摩阻力的影響,并根據(jù)靜力學(xué)平衡方程,建立壓裂管柱下入的摩阻力計(jì)算模型。通過優(yōu)化壓裂管柱所帶封隔器數(shù)目和封隔器間距離,降低壓裂管柱所受摩阻力,保證管柱下入到設(shè)計(jì)井段,為壓裂管柱順利下入提供新方法[12-20]。

1 壓裂管柱力學(xué)模型

1.1 兩個(gè)接觸點(diǎn)間管柱彎曲模型

為研究壓力管柱在井筒中的變形情況,將封隔器及滑套視為鉸鏈。見圖1,管柱與井壁的接觸點(diǎn)將管柱分為n段,假設(shè)Di、Di+1兩點(diǎn)為管柱第i段的兩個(gè)端點(diǎn),過兩端點(diǎn)建立坐標(biāo)系。

圖1 管柱彎曲模型

y軸方向彎矩方程:

(1)

式中:ωi(x)為距Di+1點(diǎn)x處管柱y軸方向彎曲產(chǎn)生的撓度,m。

管柱彎曲撓曲角為:

(2)

式中:αi為x軸與水平面夾角。F1xi為支點(diǎn)Di受到x方向的支持力,N；F1yi為支點(diǎn)Di受到y(tǒng)方向的支持力,N；F2xi為支點(diǎn)Di+1受到x方向的支持力,N；F2yi為支點(diǎn)Di+1受到y(tǒng)方向的支持力,N；M1i為支點(diǎn)i處管柱的彎矩,N·m；M2i為支點(diǎn)i+1處管柱的彎矩,N·m；q為管柱線密度,N/m,l為Di、Di+1點(diǎn)間管柱長度,m。

1.2 全井管柱受力模型

兩接觸點(diǎn)間任意位置管柱撓曲程度可通過F1xi、F1yi、F2xi、F2yi、M1i、M2i6個(gè)力結(jié)合式(2)求解。管柱下入過程認(rèn)為是勻速運(yùn)動,滿足靜力平衡方程:

F1xi+F2xi+qlsinα-μ(F1yi+F2yi)=0

(3)

管柱軸向力:

(4)

管柱第i段的受力和彎矩可以通過式(3)、(4)求解。計(jì)算時(shí),先計(jì)算第一段管柱受力和彎矩,然后依次從第二段向上計(jì)算,逐漸求解至管柱中性點(diǎn)。中性點(diǎn)上部管柱主要處于垂直段和彎曲段前端,幾乎無摩阻力,可采用軟桿模型進(jìn)行求解。

1.3 管柱摩阻力與大鉤載荷計(jì)算

管柱下入過程摩阻力及井口大鉤載荷計(jì)算方法如下:

1)令初始下入深度為零；

2)每次開始運(yùn)算時(shí)增加相同的深度,假設(shè)管柱中的封隔器、滑套等井下工具為管柱與井壁的接觸點(diǎn)；

3)將已選取并計(jì)算完成的基本數(shù)據(jù)代入相關(guān)基本公式中,取i=1；

4)計(jì)算第i段管柱受力與彎曲情況,判斷該段中管柱是否與井壁產(chǎn)生新的接觸點(diǎn)；

5)其余管柱的摩阻力采用軟桿模型計(jì)算,井口處管柱軸向拉力即為井口大鉤載荷；

6)記錄計(jì)算出的井口大鉤載荷,重復(fù)計(jì)算至管柱下入井底。

2 壓裂管柱下入計(jì)算實(shí)例

根據(jù)式(4),用VB編寫出計(jì)算管柱載荷的程序,可計(jì)算不同影響因素對摩阻力的影響。本文以紅平某井為實(shí)例,得出完井裸眼封隔器管柱下入時(shí),當(dāng)管柱下入2 550m、3 180m時(shí)發(fā)生不同程度遇阻。通過多次提放管柱的方法,使完井管柱順利下入。下入過程中,實(shí)測與程序計(jì)算大鉤載荷對比見圖2。

圖2 某井實(shí)測與程序計(jì)算大鉤載荷對比

通過實(shí)測及程序計(jì)算大構(gòu)載荷對比發(fā)現(xiàn),本文模型計(jì)算完井管柱大鉤載荷雖然比實(shí)測大鉤載荷稍大,考慮到本文僅針對管柱長度對管住摩阻力的影響,忽略井底溫度、壓力、封隔器的活塞效應(yīng)等因素對管柱摩阻力的影響,可以認(rèn)為本模型符合計(jì)算分析。

3 封隔器管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 管柱長度對摩阻力影響分析

封隔器滑套產(chǎn)生的附加摩阻集中在彎曲段內(nèi),為了分析單封隔器、滑套間距對管柱摩阻力的影響,以某井井眼軌跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在沒有軸向力的前提下分5種情況對管柱摩阻力進(jìn)行分析,即管柱長度分別為10、15、20、25、30m分析管柱在不同井斜角下的摩阻力分布,見圖3:

圖3 不同管柱長度摩阻力變化趨勢線

從圖3中可以看出,在同一管柱長度下,摩阻力隨井斜角的增加而緩慢增加,當(dāng)井斜角達(dá)到40°時(shí),摩阻力開始急劇增加,在井斜角達(dá)到60°時(shí)得到最大值,而后在井斜角達(dá)到75°時(shí)急劇減小到接近于0。并且當(dāng)單段管柱長度小于20m時(shí),摩阻力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管柱自重,當(dāng)管柱長度從20m增加到50m時(shí),摩阻力會逐漸減小。所以,設(shè)計(jì)壓裂管柱結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)控制管柱長度在20～50m之間,過小則無法下入,過大則會影響水平井段的壓裂效果。

3.2 完井管柱封隔器下入數(shù)量優(yōu)化

某井管柱結(jié)構(gòu)從井底到最上端滑套,井下工具共有26個(gè),其中浮鞋+壓差滑套1個(gè),錨定封隔器1個(gè),裸眼封隔器12個(gè),投球滑套12個(gè),其間連入套管71根,總長度804.62m。依據(jù)井下工具間距的設(shè)計(jì)方案,對完井管柱封隔器、滑套數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在保證最上端滑套位置不變的基礎(chǔ)上優(yōu)化封隔器、滑套數(shù)量。利用程序計(jì)算出不同封隔器、滑套數(shù)量時(shí)某井不同封隔器大鉤載荷見圖4。

圖4 某井不同封隔器大鉤載荷

某井在原設(shè)計(jì)方案下,增加1、2個(gè)封隔器及滑套時(shí),管柱下入過程中,大鉤剩余載荷較大,管柱可以安全下入。增加3個(gè)封隔器、3個(gè)滑套時(shí),大鉤載荷在管柱下入后期明顯減小,下入可能發(fā)生遇阻現(xiàn)象。增加4個(gè)封隔器、4個(gè)滑套時(shí),大鉤載荷在管柱下入3 120m時(shí)減小至10t以下,管柱無法安全下入。某井施工時(shí),實(shí)際裸眼封隔器下入數(shù)為13個(gè),用模型計(jì)算得出的極限封隔器下入數(shù)量為15個(gè),因此,最多可以增加的封隔器數(shù)量為2個(gè)。

4 結(jié)論

1)相同井斜角時(shí)摩阻力隨管柱長度的增加而減小,單段管柱長度小于20m時(shí),摩阻力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管柱自重,當(dāng)管柱長度從20m增加到50m時(shí),摩阻力會逐漸減小。

2)套管下入過程受封隔器下入位置對管柱所受摩阻力影響較大。管柱下入到彎曲井段時(shí)，封隔器距管柱前端距離越近，管柱所受摩阻力越大；管柱下入到井底時(shí)，封隔器距管柱前端距離越近，管柱所受摩阻力越小。

3)該井完井裸眼封隔器極限下入數(shù)量分別為15個(gè),計(jì)算模型可預(yù)測裸眼封隔器下入極限數(shù)量,為今后完井管柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.012

2016-05-16

國家自然科學(xué)基金“基于混沌理論煤層氣井壓裂孔隙分形演化與滲流特征研究”(51274067)；中國石油集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)“重大工程關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與應(yīng)用”之課題七“儲層改造工作液與關(guān)鍵工具研發(fā)”(2013 E-38-07)

艾 池(1957-),男,吉林洮南人,教授,博士,從事油氣井固井工藝研究工作。