上翘井中可溶桥塞泵送流量和驱动力仿真分析

2022-10-25杨小城

石油矿场机械 2022年5期

杨小城，鄢标

(四机赛瓦石油钻采设备有限公司，湖北荆州 434024)

目前，我国油气资源已进入常规和非常规并重的开发阶段，非常规油气占全国累计探明油气储量的41%，非常规油气产量占油气总产量的20%。为进一步促进原油稳产增产，突破资源接替、技术创新和降低成本等多重难题，需要在页岩气、页岩油等新的资源接续领域寻求战略突破。截止2021-10-08，涪陵国家级页岩气示范区累计生产页岩气突破400亿m3。吉木萨尔被批准为国家级页岩油示范区，完钻水平井101口，投产水平井90口，该油田2021年页岩油全年产量42.6万t。针对页岩气、页岩油的多级、大规模体积压裂改造需求，普遍采用泵送可溶桥塞-射孔联作分段压裂完井技术[1-3]。

本文分析了可溶桥塞泵送过程中流量与电缆张力的关系[4]，确保桥塞泵送过程和坐封时的安全可靠，为现场使用提供技术支撑。

1 水平井泵送桥塞管柱及参数

1.1 管柱组成及泵送工艺原理

水平井泵送桥塞管柱包括磁定位器、射孔枪、坐封工具和可溶桥塞，如图1所示。整个管柱在直井段是由管柱自重力驱动并下移。当管柱快行进入水平段时，由地面泵车提供液体流量，推动管柱移动。管柱中可溶桥塞的外径尺寸最大，因此泵送过程中主要是通过桥塞外径与套管内径的间隙节流形成压差，推动管柱运动。

图1 泵送桥塞管柱组成

1.2 可溶桥塞工作原理

图2是可溶桥塞结构图。可溶桥塞[5-7]泵送到指定层位后，通过电缆点火，坐封工具一边拉住拉杆，另一边产生相对推力，并推动中心管向右移动，同时挤压胶筒、卡瓦，使胶筒膨胀并密封套管内径。同时，卡瓦张开，锚定住套管内壁。当坐封工具的推力达到桥塞丢手力时，拉杆与引鞋的连接螺纹被拉断，实现桥塞坐封丢手。电缆工具上提，并对桥塞上端层位进行射孔作业，射孔后电缆工具取出井口。从井口投入可溶球，通过液体泵送，可溶球最终与中心管的内锥面形成单向密封。此时，可以进行地层的压裂施工作业。压裂作业结束后，可溶桥塞与地层矿物质反应，被完全溶解。

1-拉杆；2-中心管；3-胶筒；4-背圈；5-锥体；6-卡瓦；7-引鞋；8-套管。

1.3 技术参数

本文以涪陵页岩气区井况参数为例进行介绍，主要技术参数：

套管内径 115 mm

可溶桥塞外径 103 mm

可溶桥塞内径 38.1 mm

电缆最大张力 15 kN

泵送介质清水

2 水平井泵送桥塞仿真分析

基于Fluent有限仿真软件，对可溶桥塞泵送过程进行流体分析[8]。对可溶桥塞的模型进行简化，液体经过桥塞外径与套管内径的环空间隙，以及桥塞内径与拉杆外径的环空间隙，通过这2处间隙产生的节流压差推动桥塞在水平井中移动[9]。

2.1 水井段泵送驱动力计算

根据现场作业泵送流量，水平井流量分别选用1、2、3、4、5 m3/min。在泵送过程中桥塞外径与套管内径的环空相对较大，从图3知，流体大部分是从桥塞外部流过。从图4速度云图中可以看出，尽管桥塞内部也有通道，但是通道相对较小，内部流速相对较慢。图5是桥塞的应力云图，通过图5分析，桥塞的强度满足使用要求。

图3 流量为2 m3/min时的流线图

图4 流量为2 m3/min时的速度云图

图5 流量为2 m3/min时的应力云图

计算结果如表1所示，随着流量的增加，流速增加，驱动力值也逐渐增加。从图6可以看出，随着流量的等值增加，驱动力成指数式增加。

表1 泵送流量与驱动力关系

图6 水平井泵送流量与驱动力曲线

2.2 桥塞卡瓦受力分析

桥塞是由各个部件组成的，在桥塞泵送过程中每个零件承压的压差也不相同，如图7所示，桥塞泵送过程中最为关键的是要计算卡瓦的安全性。通过仿真计算出桥塞中心管和胶筒两端的应力，转化为中心管产生的轴向力，当轴向力大于卡瓦的破裂力40 000 N时，卡瓦破裂导致桥塞提前坐封。因此，为了桥塞的安全下入，需要计算桥塞的耐冲性能。通过提取不同流量下流体对桥塞中心管和胶筒前后的压力云图，计算出压力差(p1-p2)，再根据中心管的截面积A,即可计算出桥塞中心管产生的轴向力。

图7 桥塞泵送压差示意图

计算结果如表2的所示,即便是采用5 m3/min流量,产生的轴向力是4 769 N,也是远远小于卡瓦破裂力值40 000 N的。因此，该桥塞在5 m3/min流量以内泵送都是安全的。

表2 泵送流量对中心管产生的轴向力

2.3 上翘井段泵送驱动力与井斜角度关系

泵送桥塞管柱包含桥塞、坐封工具、射孔枪等。以六簇射孔枪管柱为例，整个管柱的自重力W约为5 kN。桥塞泵送时电缆需要保持一定的张力，电缆的张力Fz为1 000 N。通过电缆的张力Fz后、流量产生的驱动力Fq驱与井斜角α之间的关系，可以计算流量与最大井斜角的关系。受力分析如图8所示。

图8 桥塞在上翘井中受力分析图

计算结果如表3所示，流量为1～5 m3/min。当流量为1 m3/min时，驱动力不足以克服管柱自重力和电缆张力，只能在水平井90°泵送。当流量为3 m3/min时，最大井斜角可以达到112.9°。当流量超过5 m3/min时，最大井斜角理论上是可以达到180°。现场作业时还要考虑管柱与井筒的摩擦力、电缆张力、井斜段长度、电缆自重力的影响。

表3 井斜角与驱动力计算数据

3 上翘井中流量与电缆张力仿真分析

在上翘井泵送桥塞时，当桥塞到达指定位置后地面停泵，没有流量产生驱动力，桥塞在自重力的作用下会向下滑动，最终导致桥塞不能坐封到指定层位。因此，现场作业针对上翘井泵送桥塞，通常采用在小流量泵送的过程中同步坐封桥塞。但是，桥塞在坐封套管瞬间，只有桥塞内径与拉杆之间的狭小流道，此时产生的节流压差较大，如果卡瓦没有锚定好，会导致电缆拉断的事故。因此需要对上翘井中具有流量条件下桥塞的坐封过程进行计算。

根据现场作业经验，此时需要采用小流量泵送，计算流量选为0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 m3/min。考虑到电缆的自重力和安全系数，电缆作用于工具串的张力不能大于额定张力的50%，即7 350 N。同时考虑到井斜角的影响，本例选用井斜角110°进行计算。图9所示的流线图显示流体全部从桥塞内径与拉杆外径的间隙中流出，此时环空间隙较小，产生的节流压差较大，如图10所示，主要压差集中在桥塞内部球座处。

图9 流量为0.25 m3/min时的流线图

图10 流量为0.25 m3/min时的应力云图

计算结果如表4所示，桥塞在井斜角为110°时，当流量为0.25 m3/min时，驱动力不够，在管柱自重力的作用下会下滑，导致射孔枪无法达到指定层位。当流量达到1 m3/min时，电缆张力达到10 116 N，超过电缆额定张力15 kN的68%，电缆有拉断的风险。当流量达到1.25 m3/min时，电缆就会被拉断，造成工具落井事故。因此，在有流量的条件下坐封桥塞，流量应不大于0.75 m3/min。

表4 桥塞在上翘井坐封瞬间的安全电缆张力值

4 现场应用

该可溶桥塞在位于重庆地区的焦页××井进行了全井使用。该井完钻井深4 490 m，分21段压裂施工，井温103 ℃，最大井斜108.6°，属于上翘井，如图11所示。该桥塞酸化压裂施工作业坐封位置位于最大井斜处，需要在有流量的条件下点火坐封桥塞，桥塞入井过程中泵送流量3 m3/min，到达坐封位置时将流量减小为0.5 m3/min，顺利完成桥塞的坐封丢手。