橋塞與套管間隙對(duì)泵送橋塞影響分析及實(shí)踐

陳鋒, 李奔馳, 唐凱, 馬峰

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 重慶 400021;2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

0 引 言

隨著頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣田勘探開發(fā)力度不斷加大,新興的泵送橋塞分簇射孔工藝技術(shù)在國(guó)內(nèi)外各大油氣田得到了廣泛應(yīng)用并取得很好的效果[1-3]。該技術(shù)是利用水力泵送的方式將電纜傳輸射孔器和快鉆復(fù)合橋塞一次下井輸送至目的層位,完成橋塞坐封后上提電纜,使射孔器對(duì)準(zhǔn)射孔層位進(jìn)行點(diǎn)火射孔,依次完成多級(jí)點(diǎn)火射孔作業(yè)[3],能夠?yàn)閮?chǔ)層分段改造創(chuàng)造條件。泵送時(shí)的排量參數(shù)控制是技術(shù)關(guān)鍵之一。通過在不同井深設(shè)置合理的排量參數(shù),可以防止管串遇阻、掉槍等事故的發(fā)生。泵送橋塞分簇射孔施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的工程復(fù)雜情況其中一部分就是因泵送排量設(shè)置不合理而引起。以重慶涪陵某頁(yè)巖氣區(qū)塊為例,2015年1—7月總計(jì)發(fā)生37井次工程復(fù)雜情況,其中在泵送環(huán)節(jié)發(fā)生3井次工具串落井和2井次中途遇阻,占總工程復(fù)雜情況的13.5%,由于對(duì)于泵送排量參數(shù)的準(zhǔn)確控制技術(shù)還不成熟,現(xiàn)場(chǎng)施工多以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)作業(yè)。因此,有必要從理論上對(duì)泵送射孔排量參數(shù)進(jìn)行深入研究。

泵送射孔排量參數(shù)研究主要應(yīng)用理論公式建模求解,得到影響排量的一系列因素?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)都沒有考慮套管與橋塞間隙對(duì)排量的影響[4-5]。實(shí)際施工過程中眾多數(shù)據(jù)表明,橋塞與套管的間隙對(duì)于排量的設(shè)置影響非常大。本文應(yīng)用ANSYS Workbench對(duì)分簇射孔施工管串建立有限元模型,并使用流體結(jié)構(gòu)耦合分析功能對(duì)影響液體沖擊力大小的泵送排量及套管與橋塞間隙、橋塞長(zhǎng)度等因素進(jìn)行仿真分析,得到泵送排量、套管與橋塞間隙、橋塞長(zhǎng)度與液體沖擊力的關(guān)系。

1 理論建模

流體結(jié)構(gòu)耦合問題是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而形成的一門力學(xué)分支,它是研究固體變形在流場(chǎng)作用下的各種行為和固體形變對(duì)流場(chǎng)的影響以及這二者相互作用的一門科學(xué)。固體在流體載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng),變形或運(yùn)動(dòng)反過來又影響流動(dòng),從而改變流場(chǎng)內(nèi)載荷的分布和大小[6]。

ANSYS Workbench集成了流體分析軟件FLU-ENT及結(jié)構(gòu)分析軟件Mechanical,使得流體力學(xué)和固體力學(xué)之間的聯(lián)合成為可能。在ANSYS Workbench環(huán)境下的流體結(jié)構(gòu)耦合問題實(shí)際上是流場(chǎng)與固定變形場(chǎng)之間的互相作用。場(chǎng)間不相互重疊與滲透,其耦合作用通過界面力起作用。這其中就涉及到壓力、溫度和傳遞換熱系數(shù)等3種數(shù)據(jù)的交換。ANSYS Workbench環(huán)境下不同分析軟件的數(shù)據(jù)交換非常方便,將FLUENT計(jì)算得到的相對(duì)應(yīng)面流體數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mechanical結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行加載,即能計(jì)算流體對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用。

考慮到大部分水平井分簇射孔使用的是89型分簇射孔槍在5in*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管(內(nèi)徑為114.3 mm)內(nèi)施工,本文主要研究89型分簇射孔槍及配套工具形成的管串在泵送流體作用下受到的流體沖擊力。管串尺寸數(shù)據(jù)見表1。

表1 下井管串尺寸

2 仿真過程

對(duì)分簇射孔管串及管串和套管之間的流域進(jìn)行3D建模并將模型保存為Parasolid格式;將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS Workbench的DesignModeler模塊;將管串屬性選為Solid,管串和套管間的流域?qū)傩赃x為Fluid;在Meshing模塊下對(duì)流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并且對(duì)流體入口、出口、流域外表面及流固幾何交界面分別進(jìn)行命名。把網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入FLUENT,在Viscous Models中選擇K-epsilon模型,在Materials中添加清水材料;在Cell Zone Conditions中將流域的幾何屬性設(shè)為fluid并將材料設(shè)置為清水。在Boundary Conditions中為流體入口設(shè)置mass-flow-inlet類型,并設(shè)置Mass Flow Rate(每秒流體質(zhì)量),方向沿入口面法向。流體出口設(shè)置為pressure-out壓力釋放類型,流域外表面和流固幾何交界面設(shè)置為Wall類型。設(shè)置Solution Methods為SIMPLE后進(jìn)行初始化,在Monitors中設(shè)置收斂閾值;在Run Calculation設(shè)置迭代次數(shù),開始計(jì)算求解。求解得到管串和套管之間的流體流速和壓強(qiáng)分布。圖1即為橋塞附近流體流速分布,流體流速與橋塞與套管間隙有直接關(guān)系,即流體在進(jìn)入此間隙時(shí)流速迅速增加并達(dá)到最大,離開橋塞后流速迅速降低;將FLUENT計(jì)算得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mechanical模塊進(jìn)行流固幾何交界面壓強(qiáng)數(shù)據(jù)耦合,得到由于液體沖擊力造成的在管串表面的壓強(qiáng)分布(見圖2)。

圖1 橋塞附近流體流速分布

圖2 液體沖擊力造成的在管串表面的壓強(qiáng)分布

3 仿真結(jié)果

在影響分簇射孔施工的眾多因素中,泵送排量最影響泵送效果,而泵送效果與橋塞與套管間隙直接相關(guān)。首先研究了泵送時(shí)液體排量對(duì)液體在管串上產(chǎn)生的沖擊力的影響。泵送排量的大小決定了液體作用在管串上沖擊力的大小,決定了泵送時(shí)管串前進(jìn)的速度。排量過小會(huì)導(dǎo)致管串停止運(yùn)行,排量過大會(huì)導(dǎo)致電纜扯斷從而發(fā)生管串掉井。

圖3為使用流體結(jié)構(gòu)耦合仿真分析得到的液體產(chǎn)生的對(duì)管串的沖擊力和排量的關(guān)系圖。圖3中,沖擊力隨排量成近似線性增長(zhǎng)。排量小于1.2 m3/min時(shí)增長(zhǎng)比較緩慢,排量大于1.3 m3/min時(shí)增長(zhǎng)加快。

圖3 液體產(chǎn)生的對(duì)管串的沖擊力和排量的關(guān)系

實(shí)際施工過程中數(shù)據(jù)表明,在固定排量下,套管與橋塞間隙對(duì)于液體沖擊力的影響時(shí)非常巨大,特別當(dāng)間隙比較小時(shí),液體沖擊力對(duì)套管與橋塞間隙非常敏感。圖4為排量1.5 m3/min時(shí)液體沖擊力和橋塞與套管間隙關(guān)系。其中,5in套管內(nèi)徑為114.3 mm,實(shí)際間隙應(yīng)以通井尺寸為準(zhǔn)。圖4中,橋塞與套管間隙大于10 mm時(shí)液體沖擊力比較小, 并且呈近似線性緩慢增長(zhǎng); 當(dāng)間隙小于10 mm時(shí),液體沖擊力開始呈指數(shù)迅速增長(zhǎng)。圖5的壓強(qiáng)分布圖中橋塞外徑增加時(shí),液體沖擊力施加給管串的壓強(qiáng)也在迅速增加。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際條件,考慮電纜頭弱點(diǎn)拉斷力和電纜本體拉斷力,結(jié)合圖4選用合適的間隙進(jìn)行分簇射孔施工。在井筒干凈不出砂情況下可使用較小的間隙,井筒出砂較多的情況下使用較大間隙,這樣既能形成滿足推動(dòng)管串前行的沖擊力,又能保證電纜安全。

圖4 排量1.5 m3/min情況下液體沖擊力和套管與橋塞間隙關(guān)系

在沒有橋塞即間隙為套管內(nèi)徑時(shí)液體產(chǎn)生的沖擊力非常小(見圖4)。實(shí)際施工過程中也發(fā)生過在管串沒有橋塞時(shí)在水平段泵送時(shí)管串無法泵送到位的現(xiàn)象。為此,在該研究基礎(chǔ)上開發(fā)了泵送環(huán)工具,其外形類似于橋塞,用來增加無橋塞分簇射孔時(shí)的液體沖擊力,避免管串在水平段無法泵送到位。

同時(shí),還研究了液體沖擊力與橋塞長(zhǎng)度關(guān)系(見圖6)。圖6中,泵送過程中產(chǎn)生的液體沖擊力和橋塞長(zhǎng)度成近似線性關(guān)系,并且增加比較緩慢。和套管與橋塞間隙相比,橋塞長(zhǎng)度對(duì)于液體沖擊力的影響較小。實(shí)際施工時(shí),根據(jù)具體井況選擇長(zhǎng)度在350～550 mm之間的橋塞都能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖5 套管與橋塞間隙為15、10、5 mm時(shí)液體沖擊力在管串外的壓強(qiáng)分布

圖6 排量1.5 m3/min情況下液體沖擊力和橋塞長(zhǎng)度關(guān)系

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

根據(jù)仿真結(jié)果研制出泵送環(huán),應(yīng)用在無橋塞分簇射孔,成功解決了水平段無橋塞情況下管串無法到達(dá)目的層的問題。在仿真結(jié)果指導(dǎo)下,現(xiàn)場(chǎng)施工按圖4選用與套管內(nèi)徑形成9～15 mm左右間隙的橋塞或泵送環(huán)進(jìn)行分簇射孔施工,有效提高了分簇射孔工藝成功率。表2為以威遠(yuǎn)某頁(yè)巖氣水平井井況。

表2 威遠(yuǎn)某頁(yè)巖氣水平井井況

根據(jù)研究結(jié)論并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際井況,選用外徑Φ89 mm射孔槍進(jìn)行分簇射孔施工,外徑Φ99.6 mm的橋塞作為分段工具,套管與橋塞間隙為14.7 mm,并設(shè)計(jì)出泵送程序,成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)分簇射孔作業(yè)。

圖7 泵送過程相關(guān)工程數(shù)據(jù)

圖7為泵送過程現(xiàn)場(chǎng)記錄的工程數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)泵送排量0.48～2.5 m3/min。在進(jìn)入水平段前,隨井斜的不斷增加,排量逐漸加大,而井口張力和泵送速度在減少。進(jìn)入水平段后,井斜在94°～100°之間變化,排量緩慢增加,其中在井斜增加的井段,井口張力和泵送速度總的趨勢(shì)在減小,在井斜減小的井段,井口張力和泵送速度總的趨勢(shì)在增加,與理論仿真分析結(jié)論吻合。

5 結(jié) 論

(1) 通過ANSYS Workbench對(duì)分簇射孔施工管串建立有限元模型,使用流體結(jié)構(gòu)耦合分析功能重點(diǎn)分析了套管與橋塞間隙對(duì)泵送過程中液體沖擊力大小的影響,分別得到泵送排量、套管與橋塞間隙、橋塞長(zhǎng)度與液體沖擊力的關(guān)系。

(2) 泵送排量、套管與橋塞間隙和橋塞長(zhǎng)度直接影響液體沖擊力,其中液體沖擊力對(duì)套管與橋塞間隙變化最敏感。

(3) 在無橋塞分簇射孔時(shí),使用與橋塞尺寸相當(dāng)?shù)谋盟铜h(huán)可以避免在水平井遇阻,提高施工成功率。

(4) 分簇射孔現(xiàn)場(chǎng)施工選用與套管內(nèi)徑形成9～15 mm左右間隙的橋塞或泵送環(huán),有效提高分簇射孔工藝成功率。

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