新型壓裂用防砂水力錨試驗研究

張尚君,柴國興,王登慶

(1.勝利油田集興石化安裝有限公司,山東東營257000;2.中國石油大學(華東),山東東營257061; 3.中國石化勘探開發(fā)研究院,北京100083;4.中石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000) *

新型壓裂用防砂水力錨試驗研究

張尚君1,柴國興2,3,王登慶4

(1.勝利油田集興石化安裝有限公司,山東東營257000;2.中國石油大學(華東),山東東營257061; 3.中國石化勘探開發(fā)研究院,北京100083;4.中石化勝利油田分公司采油工藝研究院,山東東營257000)*

概述了新型水力錨的結構設計、擋砂性能試驗研究及工具性能特點。利用工具結構設計和室內試驗相結合的方法,研究了新型防砂水力錨,提高了工具安全性能;該工具可以有效過濾細砂,擋砂精度達到60～100μm,能廣泛應用于直井、斜井及水平井中,滿足壓裂以及采油、注水的工藝要求。

水力錨;結構設計;防砂機構

由于壓裂管柱承受復雜力的作用,需要用水力錨(或其他卡瓦式錨定工具)錨定管柱[1-5]。常規(guī)水力錨[6-7]結構如圖1所示,主要由錨體、錨爪、彈簧等部件組成。壓裂施工時,內部液壓力推動錨爪伸出錨體,錨定到套管上固定管柱。由于常用水力錨結構設計上存在的缺陷,錨爪內腔很容易進砂和存砂,特別應用于大斜度井和水平井中時,工具是平躺在水平段,液體中的雜質、地層砂及壓裂支撐劑(壓裂砂等)會沉淀,錨爪內腔進砂、存砂更為嚴重,影響工具使用性能,工具解卡時影響錨爪復位,造成水力錨解卡困難,甚至造成大修事故。

圖1 常規(guī)水力錨結構

陳廣超、王掌洪等人設計過用于油井采油管柱錨定的錨定工具,具有管柱錨定和泄油的功能,但是不能用于壓裂等工藝中[8-9]。祝慶遠設計過一種用于注水井中管柱錨定工具,可以減輕工具內部結垢影響,是一種帶錐體的水力卡瓦,也不適合壓裂工藝[10]。陳振杰等優(yōu)化設計了一種可用于壓裂工藝中的水力錨,對水力錨的防砂卡結構進行了改造[11]:錨爪孔底部采用錐形結構,在錨體與內部襯管間的空隙內充填黃油,提高了解卡時錨爪的復位能力;但是在大斜度井、水平井以及深井壓裂使用時,井內壓力溫度變化大,工具受力復雜,該改造不能從根本上解決水力錨內腔進砂引起解卡困難的問題。

筆者研制了新型壓裂用防砂水力錨,可以有效解決以上問題。

1 結構原理及參數(shù)

1.1 結構設計及原理

針對常規(guī)水力錨存在的問題,進行工具結構優(yōu)化設計。新型水力錨結構如圖2所示,基本結構包括錨定機構(包括錨爪、彈簧、橡膠密封等)、錨體和防砂機構3部分。

增加了防砂機構,該機構由多層金屬氈濾砂網(wǎng)、帶孔芯管、中心襯管以及橡膠密封等組成,與錨爪組成一個封閉的錨爪內腔,進出錨爪內腔的液體只能通過擋砂濾砂網(wǎng),可以有效過濾進入錨爪內腔的液體;同時,由錨體和下接頭傳遞管柱的拉、壓力和扭矩,防砂機構不承受極限力的作用,保證了工具的安全性能。

圖2 新型防砂水力錨結構

所有進出錨體內腔的液體都要經(jīng)過防砂機構的多層金屬氈濾砂網(wǎng)。室內試驗研究表明:該濾砂網(wǎng)具有很好的液體滲透性,能夠保證工具技術性能和使用性能,同時可以有效防止地層砂、壓裂支撐劑及其他雜質進入錨體內腔,提高工具安全性能,該機構擋砂精度高,可以有效過濾細砂,多層金屬氈濾砂網(wǎng)過濾精度可以達到60～100μm。

1.2 主要技術參數(shù)

工具有5個系列,主要參數(shù)如表1。

表1 防砂水力錨技術參數(shù)

2 試驗研究

2.1 擋砂性能試驗

多層金屬氈濾砂網(wǎng)的擋砂精度試驗所用的主要設備器材為:驅替擋砂試驗裝置、激光粒度分析儀、篩分粒度儀、量筒、秒表、直尺、千分尺、燒瓶、金屬氈樣品。

2.1.1 擋砂精度試驗步驟

a) 用千分尺測出金屬氈樣品直徑D、厚度L,計算滲流面積A(4.948 cm2)。

b) 將樣品小樣與襯筒固定,襯筒內填滿地層砂,放入夾持器內,上緊,加圍壓pw。

c) 開泵加液壓,調節(jié)柱塞泵轉速,待穩(wěn)定后記錄壓力表壓力 p,用量筒和秒表分別計量液體體積v和時間t,計算流量Q,取水樣待化驗。

d) 由小到大調節(jié)調節(jié)柱塞泵轉速,記錄穩(wěn)定后各轉速的 p、V、t、Q,取水樣待化驗。

e) 利用激光粒度分析儀對所取水樣進行粒度分析,測量其擋砂精度。

2.1.2 擋砂精度試驗結果分析

試驗液體為清水,粘度μ=1 mPa·s;圍壓pw= 0.4 MPa;液柱高度 H=3.5 cm,即壓差Δp= 3.43×10-4MPa。利用篩分粒度儀對試驗用地層砂進行篩析,測得其粒度中值為123.5μm。

金屬氈小樣擋砂精度試驗數(shù)據(jù)及粒度檢測結果 如表2。

從表2可以看出,在不同流量Q情況下試驗5次,該新型水力錨試驗擋砂精度為 63.51～75.19 μm,流量Q大小對擋砂精度基本無影響,擋砂精度取值75.19μm。通常,壓裂支撐劑的顆粒粒徑要大于地層砂,例如,我國常用的壓裂用石英砂和陶粒的顆粒平均粒徑為0.606～0.980 mm[1],遠大于本次試驗用地層砂的粒徑(123.5μm),因此,壓裂施工時,該新型防砂水力錨可以有效防止地層砂及壓裂支撐劑進入錨爪內腔。

2.2 性能特點

a) 良好的擋砂防砂性能。該工具防砂機構設計多層金屬氈濾砂網(wǎng),具有很好的液體滲透性,在保證工具各項性能指標和使用性能的同時,可以有效防止臟物進入工具內腔,提高了工具安全性能,極大降低了水力錨砂卡事故發(fā)生的概率。

b) 工具系列配套,可以滿足 ?114.3～ 142.875 mm(英寸)套管的工藝技術要求,使用成本低,易于推廣應用。

c) 結構設計新穎,防砂機構的設計具有獨創(chuàng)性,使用簡單方便,安全可靠。

d) 適用范圍廣。既可用于壓裂酸化措施工藝中,也可用于采油生產(chǎn)和注水工藝中;滿足直井、斜井及水平井的工藝要求,特別在大斜度井和水平井中應用具有更大的技術優(yōu)勢。

3 結論

1) 新型防砂水力錨配套應用于采油、注水以及措施改造中,可大幅度降低水力錨不能解卡造成事故的風險。

2) 工具擋砂精度高,可以有效過濾細砂,多層金屬氈濾砂網(wǎng)過濾精度可以達到60～100μm。配套應用于水平井分段壓裂工藝中,具有良好前景。

3) 該設計理念可推廣到其他工具的防砂結構設計上。

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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

張尚君(1972-),女,四川岳池人,助理工程師,主要從事油田設備工具的檢測工作。