新型压裂用防砂水力锚试验研究

张尚君,柴国兴,王登庆

(1.胜利油田集兴石化安装有限公司,山东东营257000;2.中国石油大学(华东),山东东营257061; 3.中国石化勘探开发研究院,北京100083;4.中石化胜利油田分公司采油工艺研究院,山东东营257000) *

新型压裂用防砂水力锚试验研究

张尚君1,柴国兴2,3,王登庆4

(1.胜利油田集兴石化安装有限公司,山东东营257000;2.中国石油大学(华东),山东东营257061; 3.中国石化勘探开发研究院,北京100083;4.中石化胜利油田分公司采油工艺研究院,山东东营257000)*

概述了新型水力锚的结构设计、挡砂性能试验研究及工具性能特点。利用工具结构设计和室内试验相结合的方法,研究了新型防砂水力锚,提高了工具安全性能;该工具可以有效过滤细砂,挡砂精度达到60～100μm,能广泛应用于直井、斜井及水平井中,满足压裂以及采油、注水的工艺要求。

水力锚;结构设计;防砂机构

由于压裂管柱承受复杂力的作用,需要用水力锚(或其他卡瓦式锚定工具)锚定管柱[1-5]。常规水力锚[6-7]结构如图1所示,主要由锚体、锚爪、弹簧等部件组成。压裂施工时,内部液压力推动锚爪伸出锚体,锚定到套管上固定管柱。由于常用水力锚结构设计上存在的缺陷,锚爪内腔很容易进砂和存砂,特别应用于大斜度井和水平井中时,工具是平躺在水平段,液体中的杂质、地层砂及压裂支撑剂(压裂砂等)会沉淀,锚爪内腔进砂、存砂更为严重,影响工具使用性能,工具解卡时影响锚爪复位,造成水力锚解卡困难,甚至造成大修事故。

图1 常规水力锚结构

陈广超、王掌洪等人设计过用于油井采油管柱锚定的锚定工具,具有管柱锚定和泄油的功能,但是不能用于压裂等工艺中[8-9]。祝庆远设计过一种用于注水井中管柱锚定工具,可以减轻工具内部结垢影响,是一种带锥体的水力卡瓦,也不适合压裂工艺[10]。陈振杰等优化设计了一种可用于压裂工艺中的水力锚,对水力锚的防砂卡结构进行了改造[11]:锚爪孔底部采用锥形结构,在锚体与内部衬管间的空隙内充填黄油,提高了解卡时锚爪的复位能力;但是在大斜度井、水平井以及深井压裂使用时,井内压力温度变化大,工具受力复杂,该改造不能从根本上解决水力锚内腔进砂引起解卡困难的问题。

笔者研制了新型压裂用防砂水力锚,可以有效解决以上问题。

1 结构原理及参数

1.1 结构设计及原理

针对常规水力锚存在的问题,进行工具结构优化设计。新型水力锚结构如图2所示,基本结构包括锚定机构(包括锚爪、弹簧、橡胶密封等)、锚体和防砂机构3部分。

增加了防砂机构,该机构由多层金属毡滤砂网、带孔芯管、中心衬管以及橡胶密封等组成,与锚爪组成一个封闭的锚爪内腔,进出锚爪内腔的液体只能通过挡砂滤砂网,可以有效过滤进入锚爪内腔的液体;同时,由锚体和下接头传递管柱的拉、压力和扭矩,防砂机构不承受极限力的作用,保证了工具的安全性能。

图2 新型防砂水力锚结构

所有进出锚体内腔的液体都要经过防砂机构的多层金属毡滤砂网。室内试验研究表明:该滤砂网具有很好的液体渗透性,能够保证工具技术性能和使用性能,同时可以有效防止地层砂、压裂支撑剂及其他杂质进入锚体内腔,提高工具安全性能,该机构挡砂精度高,可以有效过滤细砂,多层金属毡滤砂网过滤精度可以达到60～100μm。

1.2 主要技术参数

工具有5个系列,主要参数如表1。

表1 防砂水力锚技术参数

2 试验研究

2.1 挡砂性能试验

多层金属毡滤砂网的挡砂精度试验所用的主要设备器材为:驱替挡砂试验装置、激光粒度分析仪、筛分粒度仪、量筒、秒表、直尺、千分尺、烧瓶、金属毡样品。

2.1.1 挡砂精度试验步骤

a) 用千分尺测出金属毡样品直径D、厚度L,计算渗流面积A(4.948 cm2)。

b) 将样品小样与衬筒固定,衬筒内填满地层砂,放入夹持器内,上紧,加围压pw。

c) 开泵加液压,调节柱塞泵转速,待稳定后记录压力表压力 p,用量筒和秒表分别计量液体体积v和时间t,计算流量Q,取水样待化验。

d) 由小到大调节调节柱塞泵转速,记录稳定后各转速的 p、V、t、Q,取水样待化验。

e) 利用激光粒度分析仪对所取水样进行粒度分析,测量其挡砂精度。

2.1.2 挡砂精度试验结果分析

试验液体为清水,粘度μ=1 mPa·s;围压pw= 0.4 MPa;液柱高度 H=3.5 cm,即压差Δp= 3.43×10-4MPa。利用筛分粒度仪对试验用地层砂进行筛析,测得其粒度中值为123.5μm。

金属毡小样挡砂精度试验数据及粒度检测结果 如表2。

从表2可以看出,在不同流量Q情况下试验5次,该新型水力锚试验挡砂精度为 63.51～75.19 μm,流量Q大小对挡砂精度基本无影响,挡砂精度取值75.19μm。通常,压裂支撑剂的颗粒粒径要大于地层砂,例如,我国常用的压裂用石英砂和陶粒的颗粒平均粒径为0.606～0.980 mm[1],远大于本次试验用地层砂的粒径(123.5μm),因此,压裂施工时,该新型防砂水力锚可以有效防止地层砂及压裂支撑剂进入锚爪内腔。

2.2 性能特点

a) 良好的挡砂防砂性能。该工具防砂机构设计多层金属毡滤砂网,具有很好的液体渗透性,在保证工具各项性能指标和使用性能的同时,可以有效防止脏物进入工具内腔,提高了工具安全性能,极大降低了水力锚砂卡事故发生的概率。

b) 工具系列配套,可以满足 «114.3～ 142.875 mm(英寸)套管的工艺技术要求,使用成本低,易于推广应用。

c) 结构设计新颖,防砂机构的设计具有独创性,使用简单方便,安全可靠。

d) 适用范围广。既可用于压裂酸化措施工艺中,也可用于采油生产和注水工艺中;满足直井、斜井及水平井的工艺要求,特别在大斜度井和水平井中应用具有更大的技术优势。

3 结论

1) 新型防砂水力锚配套应用于采油、注水以及措施改造中,可大幅度降低水力锚不能解卡造成事故的风险。

2) 工具挡砂精度高,可以有效过滤细砂,多层金属毡滤砂网过滤精度可以达到60～100μm。配套应用于水平井分段压裂工艺中,具有良好前景。

3) 该设计理念可推广到其他工具的防砂结构设计上。

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Development of a New Type of Hydraulic Anchor Used in Fracturing String

ZHANG Shang-jun1,CHAI Guo-xing2,3,WANG Deng-qing4
(1.J ixing Petrochemical Installation Co.,Ltd.,Shengli Oilf ield,Dongying257000,China; 2.China University ofPetroleum,Dongying257061,China; 3.Ex ploration&Production Research Institute,Sinopec,Beijing100083,China; 4.Oil Production Research Institute,Shengli Oilf ield Company,Dongying257000,China)

The new hydraulic anchor structure,experimental study of anti-sand part and technical features of the tool are presented.Combining lab testing and tool design,the new type of anti-sand hydraulic anchor could effectively solve these problems and improve tool safety,effectively filter fine sand,and sand filtering precision is about 60μm-100μm.The tool can be used in vertical wells,deviated and horizontal wells to meet the oil production,water injection and fracturing.

hydraulic anchor;structure design;anti-sand device

1001-3482(2010)12-0054-03

TE931.2

A

2010-06-23

张尚君(1972-),女,四川岳池人,助理工程师,主要从事油田设备工具的检测工作。