封隔器间距对压裂管柱下入摩阻力的影响

艾 池 米洁翰 付 虹 张 军

东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室, 黑龙江 大庆 163318

封隔器间距对压裂管柱下入摩阻力的影响

艾 池 米洁翰 付 虹 张 军

东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室, 黑龙江 大庆 163318

压裂管柱下入到井斜角较大井段时,管柱所受摩阻力会产生极大值,摩阻力远大于管柱自重,管柱无法下入到设计的井段。为保证多封隔器压裂管柱顺利下入到目的层位,应分析压裂管柱下入过程遇阻的影响因素。应用管柱力学理论分析带封隔器管柱下入时的摩阻力,建立了考虑多封隔器间距对压裂管柱刚度影响的摩阻力计算模型,对压裂管柱所带封隔器数目及封隔器间距离进行优化,降低压裂管柱所受摩阻力,确保带封隔器管柱顺利下入到目的层位。

多级压裂；封隔器间距；井斜角；摩阻力

0 前言

水平井分段多级压裂技术是提高水平井产能的重要手段,由于水平井造斜段井眼曲率大,压裂管柱下入过程中,管柱与井壁间的接触点增多[1-5],管柱所受摩阻力明显增大,导致压裂管柱下入困难[6-8]。为保证压力管柱顺利下入到设计井段,应对压裂管柱下入遇阻因素进行分析。2007年付建红等人[9]采用有限元软件,计算刚性扶正器处的接触力,得到套管柱在水平井的摩阻力；2010年闫铁等人[10]利用分段计算方法,建立水平井钻柱摩阻力扭矩计算模型,对井眼曲率变化较大的加重钻杆进行修正；2015年练章华等人[11]根据水平井多段压裂工艺管柱受力特点,建立悬挂封隔器的力学模型。为保证管柱顺利下入,需分析井眼轨迹、封隔器数量和封隔器间距对管柱下入摩阻力的影响,并根据静力学平衡方程,建立压裂管柱下入的摩阻力计算模型。通过优化压裂管柱所带封隔器数目和封隔器间距离,降低压裂管柱所受摩阻力,保证管柱下入到设计井段,为压裂管柱顺利下入提供新方法[12-20]。

1 压裂管柱力学模型

1.1 两个接触点间管柱弯曲模型

为研究压力管柱在井筒中的变形情况,将封隔器及滑套视为铰链。见图1,管柱与井壁的接触点将管柱分为n段,假设Di、Di+1两点为管柱第i段的两个端点,过两端点建立坐标系。

图1 管柱弯曲模型

y轴方向弯矩方程:

(1)

式中:ωi(x)为距Di+1点x处管柱y轴方向弯曲产生的挠度,m。

管柱弯曲挠曲角为:

(2)

式中:αi为x轴与水平面夹角。F1xi为支点Di受到x方向的支持力,N；F1yi为支点Di受到y方向的支持力,N；F2xi为支点Di+1受到x方向的支持力,N；F2yi为支点Di+1受到y方向的支持力,N；M1i为支点i处管柱的弯矩,N·m；M2i为支点i+1处管柱的弯矩,N·m；q为管柱线密度,N/m,l为Di、Di+1点间管柱长度,m。

1.2 全井管柱受力模型

两接触点间任意位置管柱挠曲程度可通过F1xi、F1yi、F2xi、F2yi、M1i、M2i6个力结合式(2)求解。管柱下入过程认为是匀速运动,满足静力平衡方程:

F1xi+F2xi+qlsinα-μ(F1yi+F2yi)=0

(3)

管柱轴向力:

(4)

管柱第i段的受力和弯矩可以通过式(3)、(4)求解。计算时,先计算第一段管柱受力和弯矩,然后依次从第二段向上计算,逐渐求解至管柱中性点。中性点上部管柱主要处于垂直段和弯曲段前端,几乎无摩阻力,可采用软杆模型进行求解。

1.3 管柱摩阻力与大钩载荷计算

管柱下入过程摩阻力及井口大钩载荷计算方法如下:

1)令初始下入深度为零；

2)每次开始运算时增加相同的深度,假设管柱中的封隔器、滑套等井下工具为管柱与井壁的接触点；

3)将已选取并计算完成的基本数据代入相关基本公式中,取i=1；

4)计算第i段管柱受力与弯曲情况,判断该段中管柱是否与井壁产生新的接触点；

5)其余管柱的摩阻力采用软杆模型计算,井口处管柱轴向拉力即为井口大钩载荷；

6)记录计算出的井口大钩载荷,重复计算至管柱下入井底。

2 压裂管柱下入计算实例

根据式(4),用VB编写出计算管柱载荷的程序,可计算不同影响因素对摩阻力的影响。本文以红平某井为实例,得出完井裸眼封隔器管柱下入时,当管柱下入2 550m、3 180m时发生不同程度遇阻。通过多次提放管柱的方法,使完井管柱顺利下入。下入过程中,实测与程序计算大钩载荷对比见图2。

图2 某井实测与程序计算大钩载荷对比

通过实测及程序计算大构载荷对比发现,本文模型计算完井管柱大钩载荷虽然比实测大钩载荷稍大,考虑到本文仅针对管柱长度对管住摩阻力的影响,忽略井底温度、压力、封隔器的活塞效应等因素对管柱摩阻力的影响,可以认为本模型符合计算分析。

3 封隔器管柱优化设计实例

3.1 管柱长度对摩阻力影响分析

封隔器滑套产生的附加摩阻集中在弯曲段内,为了分析单封隔器、滑套间距对管柱摩阻力的影响,以某井井眼轨迹数据为基础,在没有轴向力的前提下分5种情况对管柱摩阻力进行分析,即管柱长度分别为10、15、20、25、30m分析管柱在不同井斜角下的摩阻力分布,见图3:

图3 不同管柱长度摩阻力变化趋势线

从图3中可以看出,在同一管柱长度下,摩阻力随井斜角的增加而缓慢增加,当井斜角达到40°时,摩阻力开始急剧增加,在井斜角达到60°时得到最大值,而后在井斜角达到75°时急剧减小到接近于0。并且当单段管柱长度小于20m时,摩阻力已经远远大于管柱自重,当管柱长度从20m增加到50m时,摩阻力会逐渐减小。所以,设计压裂管柱结构时,应控制管柱长度在20～50m之间,过小则无法下入,过大则会影响水平井段的压裂效果。

3.2 完井管柱封隔器下入数量优化

某井管柱结构从井底到最上端滑套,井下工具共有26个,其中浮鞋+压差滑套1个,锚定封隔器1个,裸眼封隔器12个,投球滑套12个,其间连入套管71根,总长度804.62m。依据井下工具间距的设计方案,对完井管柱封隔器、滑套数量进行优化计算。在保证最上端滑套位置不变的基础上优化封隔器、滑套数量。利用程序计算出不同封隔器、滑套数量时某井不同封隔器大钩载荷见图4。

图4 某井不同封隔器大钩载荷

某井在原设计方案下,增加1、2个封隔器及滑套时,管柱下入过程中,大钩剩余载荷较大,管柱可以安全下入。增加3个封隔器、3个滑套时,大钩载荷在管柱下入后期明显减小,下入可能发生遇阻现象。增加4个封隔器、4个滑套时,大钩载荷在管柱下入3 120m时减小至10t以下,管柱无法安全下入。某井施工时,实际裸眼封隔器下入数为13个,用模型计算得出的极限封隔器下入数量为15个,因此,最多可以增加的封隔器数量为2个。

4 结论

1)相同井斜角时摩阻力随管柱长度的增加而减小,单段管柱长度小于20m时,摩阻力已经远远大于管柱自重,当管柱长度从20m增加到50m时,摩阻力会逐渐减小。

2)套管下入过程受封隔器下入位置对管柱所受摩阻力影响较大。管柱下入到弯曲井段时，封隔器距管柱前端距离越近，管柱所受摩阻力越大；管柱下入到井底时，封隔器距管柱前端距离越近，管柱所受摩阻力越小。

3)该井完井裸眼封隔器极限下入数量分别为15个,计算模型可预测裸眼封隔器下入极限数量,为今后完井管柱结构的优化设计提供必要的依据。

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.012

2016-05-16

国家自然科学基金“基于混沌理论煤层气井压裂孔隙分形演化与渗流特征研究”(51274067)；中国石油集团公司重大科技专项“重大工程关键技术装备研究与应用”之课题七“储层改造工作液与关键工具研发”(2013 E-38-07)

艾 池(1957-),男,吉林洮南人,教授,博士,从事油气井固井工艺研究工作。