煤系气压裂排采一体化技术研究*

□ 张 健 □ 余焱群

1.中联煤层气有限责任公司 北京 1000252.中国石油大学(华东) 机电工程学院 山东青岛 266580

1 研究背景

随着全球开展非常规天然气的开发,煤系气成为国内非常规能源发展的重点[1-2]。煤系气指以煤为烃源岩的天然气,主要包括煤层气、煤系致密砂岩气、煤系页岩气。现有地质研究表明,我国的煤层气资源丰富,地质资源量大于49.06×1012m3,具有广阔的勘探开发和产业化发展前景[3-4]。

煤系气具有埋藏较浅或中等埋深、渗透率较低、储层叠置等特点,储存特性决定了煤系气的产量一般较低、压力也较低,因此,依靠气井自身能量不能实现压裂液的返排[5]。另外,煤层气需要排水降压解吸生产,压裂后下入生产管柱来保证煤层气的连续稳产[6]。而致密气维持高产期的时间较短[7-8],且储层伴有产水,一般2～4个月后需要下泵人工举升排水采气。煤系气开采时,经历压裂、关井憋压、提液返排、下管生产等作业过程,压井作业对储层伤害严重,会使致密气产量骤降35%～60%,并且增加作业量。可见,针对目前煤系气的生产工艺,减小对储层的伤害,降低生产作业成本,具有重要的工程意义。

2 压裂排采一体化工艺

根据煤系气地层特征与产气特点,笔者设计了基于滑套封堵的煤系气压裂排采一体化工艺。

压裂作业完成后,需要设计关键结构压裂滑套,关闭喷砂口,实现压裂管柱用于常规生产管柱的工艺效果。基于滑套封堵的煤系气压裂排采一体化工艺主要包括压裂流程、滑套作业流程、煤系气井口安装流程、下泵流程、煤系气生产流程等。煤系气压裂排采一体化工艺流程如图1所示。

3 压裂排采一体化管柱

煤系气压裂排采一体化管柱整体结构主要由井口装置和井下装置两部分组成,如图2所示。

井口装置为煤层气井口采油树,主要包括井口四通、油管头总成、光杆密封器、井口阀总成等。井口四通与油管、套管环空相通,作为煤系气井的出气通道。

井下装置与常规有杆泵排采结构的区别主要在于游动阀与固定阀之间设计了压裂滑套结构,实现了压裂端口由通畅到封堵的转换。

▲图1 煤系气压裂排采一体化工艺流程

4 压裂滑套结构

压裂滑套是煤系气压裂排采一体化管柱中的关键部件,压裂时提供通道,压裂后封堵喷砂口,满足压裂、返排、生产的作业要求。

压裂滑套主要由滑套本体、密封圈、内滑套、球座等部件组成。压裂滑套结构如图3所示。

压裂滑套安装在固定阀上方,随泵筒入井。初始状态时,内滑套在滑套本体内处于上位,压裂端口通畅,开展压裂作业。压裂后,从井口向油管内投掷密封球,密封球坐封球座,井口输入压力液,剪断限位销,球座推动内滑套下行,内滑套下行至下接头位置卡死,关闭喷砂口。密封球的材料为铝镁合金,密度为1.8～1.85 g/cm3,承压强度为83 MPa。密封球具有可溶性,溶解液为3%氯化钾溶液,投球加压时间为2～3 h,压裂时间为2～3 h。溶解时间可控,溶解后压裂管柱转换为生产管柱。试验井为φ140 mm井筒,压裂滑套结构性能参数见表1。

▲图2 煤系气压裂排采一体化管柱整体结构

▲图3 压裂滑套结构

表1 压裂滑套结构性能参数

5 密封球受力分析

压裂作业完成后,从井口向油管内投掷密封球,密封球坐封球座,顺利下行剪断限位销。建立密封球与球座的简化模型,密封球受力分析如图4所示。

密封球密封条件为:

▲图4 密封球受力分析

Pπr2=N+2F(sinα+μcosα)

(1)

式中:P为密封球上方压力;r为球座与密封球接触处内径;N为密封球下方综合作用力;F为密封球与球座接触点法向正压力;μ为摩擦因数;α为密封球接触面锥角。

压裂滑套通过密封球坐封,实现密封球上下通道封隔。通过赫兹接触面间压力公式进行分析[9-10],接触点法向正压力F为:

(2)

密封球与密封球座之间的最大接触长度a为:

(3)

式中:k1为密封球与材料弹性模量、泊松比有关的常数;k2为球座与材料弹性模量、泊松比有关的常数;r1为密封球半径;r2为球座接触面半径。

忽略密封球重力,只考虑密封球所承受的压力,最大接触长度amax可表示为:

(4)

式中:E1为密封球材料弹性模量;E2为球座材料弹性模量。

密封球与球座间的最大接触压力为σmax:

(5)

通过式(4)、式(5),得到接触长度与最大接触压力之间的关系为:

(6)

按照煤层气的现场测试井相关数据,得出井口加压11.62 MPa为压裂滑套的下滑条件。在20.35 MPa外压15 MPa内压的压裂工况下,压裂滑套结构应用良好。

基于上述研究,按照图3和表1制造的压裂滑套样机如图5所示。经过现场试验表明,这一压裂滑套能够实现压裂、返排、生产一体化作业要求。

▲图5 压裂滑套样机

6 结束语

笔者对煤系气压裂排采一体化技术进行了研究,提出了基于滑套封堵的煤系气压裂排采一体化技术,实现了压裂、返排、生产的一体化作业。在研究中,建立了密封球和球座的力学模型,分析得到了压裂密封条件,确认所设计的压裂滑套结构能够满足现场生产施工要求。