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      淺層頁(yè)巖氣投球轉(zhuǎn)向壓裂工藝及應(yīng)用

      2023-11-05 09:17:06李先軍張書玲路明昌
      石油化工應(yīng)用 2023年9期
      關(guān)鍵詞:進(jìn)液孔眼慣性力

      曾 韋,廖 進(jìn),李先軍,張書玲,路明昌

      (捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司,四川成都 610500)

      我國(guó)具有豐富的頁(yè)巖氣資源,然而頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲特點(diǎn),需要通過(guò)有效的儲(chǔ)層改造才能獲得工業(yè)氣流[1-2]。目前橋塞分段壓裂作為頁(yè)巖氣體積壓裂的主流技術(shù),仍然存在單段部分孔眼進(jìn)液不充分的問(wèn)題[3-5]。壓裂過(guò)程中投暫堵球封堵孔眼是一種現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便實(shí)用的工藝,能有效解決段內(nèi)改造不充分的問(wèn)題[6-8]。利用已開啟的孔道進(jìn)液量大的特征,壓裂液會(huì)被帶入已開啟層位的孔眼出座封孔眼,從而在井段內(nèi)形成憋壓迫使壓裂液進(jìn)入新的孔眼壓開新層位,以達(dá)到段內(nèi)各射孔處均勻造縫的目的[9-10]。暫堵球座封孔眼以及座封效率受多個(gè)因素的共同作用,例如施工排量、液體黏度、暫堵球密度與直徑和孔眼數(shù)量等。為此分析暫堵球在井筒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和座封孔眼的條件,為現(xiàn)場(chǎng)投球暫堵轉(zhuǎn)向壓裂提供施工參數(shù)。

      1 暫堵球受力分析

      1.1 暫堵球座封孔眼前受力情況

      暫堵球在到達(dá)孔眼前受力情況見(jiàn)圖1。此時(shí)暫堵球受到重力Fg、壓力梯度力Ft、慣性力Fm和流向孔眼方向的拖拽力Fd的共同作用[11-12]。

      圖1 暫堵球在孔眼附近受力示意圖

      1.1.1 重力

      式中:Fg-重力,N;dp-暫堵球的直徑,m;ρp-暫堵球的密度,kg/m3。

      1.1.2 壓力梯度力 暫堵球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,壓力梯度由重力引起,受到的壓力梯度力也就是浮力:

      式中:ρf-壓裂液的密度,kg/m3。

      1.1.3 慣性力 暫堵球在井筒中沿著井筒軸線運(yùn)動(dòng),當(dāng)壓裂液將其帶入孔眼前其軸線方向分速度需要降低為零,這就必須克服慣性力:

      式中:Fm-慣性力,N;mp-暫堵球的質(zhì)量,kg;vb-暫堵球的運(yùn)動(dòng)速度,m/s;s-慣性力降為零所需的距離,m,本文s 取值為管內(nèi)徑。

      1.1.4 拖拽力 壓裂液將暫堵球帶入孔眼,則使得暫堵球改變?cè)瓉?lái)的流向,壓裂液對(duì)暫堵球的拖拽力為:

      式中:Fd-拖拽力,N;Cd-阻力系數(shù),0.62,無(wú)因次;vfp-液體流向孔眼的速度,m/s。

      式中:αp-孔眼流量系數(shù),0.8;Q-施工排量,m3/min;df-孔眼直徑;n-進(jìn)液孔數(shù),孔。

      1.2 暫堵球座封孔眼受力情況

      暫堵球隨著壓裂液座封在孔眼后,其受力情況見(jiàn)圖2。此時(shí)暫堵球受到的力包含重力Fg、壓持力Fh、浮力Ft以及液體對(duì)暴露在管內(nèi)球體部分的沖擊力Fu[13]。

      圖2 暫堵球座封孔眼時(shí)受力示意圖

      1.2.1 沖擊力 壓裂液作用在暫堵球上的沖擊力為:

      式中:Fu-沖擊力,N。

      1.2.2 壓持力 孔眼內(nèi)外由于壓力差使得球保持在孔眼上:

      式中:Fh-壓持力,N;dc-管柱內(nèi)徑,m。

      1.3 暫堵球穩(wěn)定座封孔眼條件

      暫堵球要穩(wěn)定座封于孔眼,首先是暫堵球在液體的拖拽力克服慣性力座封于孔眼;然后壓持力作用使得暫堵球克服液體的沖擊力穩(wěn)定保持在孔眼上。由于重力和浮力方向相反,合力較小可忽略不計(jì)。

      暫堵球座封于孔眼的條件是拖拽力Fd大于慣性力Fm,即:

      暫堵球能穩(wěn)定保持在孔眼上的條件是壓持力Fh大于沖擊力Fu,即:

      2 暫堵球座封影響因素分析

      以四川盆地某頁(yè)巖氣工區(qū)平臺(tái)X 水平井為例,計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)為:壓裂液密度為1 020 kg/m3;管柱內(nèi)徑為114.3 mm;暫堵球密度為1.4 g/cm3;暫堵球直徑為13.5 cm;射孔孔徑為8.9 mm;孔眼數(shù)量為36 孔;泵送暫堵球排量為6 m3/min;阻力系數(shù)0.62;孔眼流量系數(shù)0.8。通過(guò)控制變量,計(jì)算不同排量、暫堵球直徑、孔眼數(shù)量條件下,暫堵球各作用力的變化情況。

      排量、暫堵球直徑、孔眼數(shù)量與各作用力之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3~圖5。由圖3~圖5 可知,在不同條件下拖拽力大于等于慣性力和壓持力大于等于沖擊力,這表明泵送排量在2~16 m3/min,暫堵球直徑在11~21 mm 條件下,暫堵球均能夠被液體拖拽到孔眼上,并在壓持力作用下穩(wěn)定座封于孔眼。

      圖3 不同排量下暫堵球的受力情況

      由圖3 可知,各作用力隨著排量增加而升高,但慣性力和沖擊力均分別小于拖拽力和壓持力,并且排量增加使得力差異增加,這表明提高排量有利于暫堵球座封于孔眼。由圖4 可知,暫堵球直徑增加,使得壓持力降低而沖擊力增加,這會(huì)使得暫堵球被液體從孔眼上沖刷掉落。由圖5 可知,進(jìn)液孔眼數(shù)量的增加會(huì)使得拖拽力和壓持力降低,但二者仍然高于慣性力和沖擊力,這會(huì)降低暫堵球穩(wěn)定座封孔眼的概率。

      圖4 不同直徑下暫堵球的受力情況

      圖5 不同孔眼數(shù)量下暫堵球的受力情況

      3 實(shí)例分析

      四川某頁(yè)巖區(qū)塊X 平臺(tái)井,其目的層龍馬溪組地層采用暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝。該井完鉆井深2 435 m,水平段長(zhǎng)1 500 m,套管內(nèi)徑114.3 mm,單段孔眼數(shù)量為36 孔,射孔孔徑為8.9 mm,壓裂液密度為1 020 kg/m3,主體施工排量為16 m3/min,單段總體砂量280 t。該井每段在加砂量約為140 t 時(shí),投13.5 mm 暫堵球20 顆進(jìn)行暫堵轉(zhuǎn)向,暫堵球密度為1.4 g/cm3。泵送暫堵球的排量為4 m3/min。

      該井典型井段暫堵球提排量后地層破裂壓力為32 MPa,暫堵后逐步提排量,施工壓力達(dá)到34 MPa 后地層逐漸有破裂壓力顯示,最終地層完全開裂時(shí)壓力為40 MPa,地層破裂明顯。同時(shí)暫堵后,整體施工壓力由暫堵前的27 MPa 提高到了29 MPa,有效增加了凈壓力,有利造復(fù)雜縫。泵送暫堵球到達(dá)目的層位后,壓力上漲8 MPa。這表明暫堵球座封于進(jìn)液孔眼使得未進(jìn)液孔眼進(jìn)液,在井筒、射孔孔道中形成憋壓,地層在新區(qū)域開啟新裂縫,暫堵壓裂改造效果明顯。

      4 結(jié)論

      (1)對(duì)于目前開展暫堵轉(zhuǎn)向壓裂工藝,小于22 mm的暫堵球在2~16 m3/min 的泵送排量條件都能穩(wěn)定座封于孔眼上,因此,可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)選暫堵球的粒徑和泵送排量。

      (2)根據(jù)暫堵球在孔眼附近的受力分析,選擇適當(dāng)?shù)臅憾虑蛑睆胶瓦m當(dāng)提高泵送排量有利于提高暫堵球座封孔眼的概率,提高暫堵效果。

      (3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況表明,暫堵轉(zhuǎn)向效果明顯,一方面提高了孔眼效率使得目的層段均勻改造,一方面提高了凈壓力有利于提高裂縫的復(fù)雜程度。

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