壓裂爬行器研制

張華光,桂 捷,王亞娟,張文星,張麗娟

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院,西安710021;2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,西安710021) *

壓裂爬行器研制

張華光1,2,桂 捷1,2,王亞娟1,2,張文星1,2,張麗娟1,2

(1.長慶油田公司油氣工藝研究院,西安710021;2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,西安710021)*

封隔器分壓合采一體化管柱工藝開啟上層滑套采用的鋼球在壓裂施工結束后大多留在井筒內,該鋼球導致產氣剖面測試無法實施。研制的壓裂爬行器在壓裂施工結束后能伴隨返排液到達井口,實現(xiàn)井筒暢通的目的,為氣井后期作業(yè)提供了較好的井況。

爬行器;井筒;氣井;分層壓裂

長慶氣田儲層非均質性強,氣層薄而多,單層產能較低,開采難度大,降低成本是氣田經濟有效開發(fā)的必由之路。經過幾年的技術攻關,開發(fā)出了封隔器分壓合采一體化管柱工藝[1](如圖1)。

該工藝一次射開上、下氣層,下入封隔器分壓合采一體化管柱并投球加壓,封隔器坐封后壓裂下層;繼續(xù)投球打開滑套,建立上層通道同時封堵下層;壓裂上層,合層排液后合層開采。開啟上層滑套采用的鋼球大多留在井筒內,類似于一個單流閥,對氣井合層測試有一定的影響,并導致開發(fā)井產氣剖面測試困難,氣探井分層測試數(shù)據(jù)不準確[2]。為解決鋼球留井問題,進行了空心鋼球、尼龍球等輕質球的試驗,但這種球只有在井底能量較好的情況下才能到達井口,而且打撈困難。由于其可控性較低,研制了壓裂爬行器。

圖1 封隔器分壓合采一體化管柱

1 結構及工作原理

1.1 結構

壓裂爬行器由打撈頭、滑套開啟裝置、爬行裝置及鎖套、下層密封、壓差產生裝置等組成,如圖2。

圖2 壓裂爬行器

1.2 工作原理

一次下入封隔器分壓合采一體化管柱,投球坐封封隔器,然后打掉鋼球建立下層壓裂通道壓裂下層;下層壓裂結束后,從井口投入壓裂爬行器到達噴砂滑套位置后,油管加壓開啟上層壓裂通道,同時壓裂爬行器下行到達滑套工作筒位置密封下層,壓裂上層。在上層壓裂過程中,上液腔與上層連通,下液腔與下層連通。由于上層施工壓力大于下層關井壓力,爬行機構鎖套在壓差作用下剪斷銷釘下行,爬行機構開啟,壓裂結束后,壓裂爬行器隨返排液到達井口,打撈頭進入預先安裝在井口的捕捉器進行打撈。如果未能到達井口或者捕捉器沒有捕捉住鋼球,可以通過鋼絲作業(yè)打撈。

2 爬行理論計算

壓裂施工結束后壓裂爬行器在井筒內的受力狀況如圖3。主要有4個力:爬行器上行的上推力FSH、爬行器受到的液體浮力 FF、爬行器自重力Wg、爬行器與管壁之間的摩擦力fM。

圖3 壓裂爬行器受力分析

向上爬行必須滿足

FSH是靠液流節(jié)流壓差產生,爬行機構的瓦片在遇到阻力時可以收縮,因此 fM較小,可以忽略。將式(1)簡化為

爬行器截面的孔隙相當于8個?8.5 mm的孔(如圖4),液流產生的節(jié)流壓降推動爬行器上行。

圖4 壓裂爬行器爬行機構橫截面

噴嘴節(jié)流壓差計算公式[3-4]為

式中,△p為間隙節(jié)流壓降,MPa;ρ為返排液密度, kg/m3;Q為排量,m3/min;n為孔隙個數(shù);d為孔隙當量直徑,mm;Cd為流量系數(shù),無因次。

則有

式中,S為爬行機構的有效面積,mm2。

由式(2)～(3),可以得出壓裂爬行器啟動所需要的最低排量僅為160.7 L/min,(壓裂液返排量> 500 L/min)。

3 試驗情況

3.1 室內試驗

為確?，F(xiàn)場施工安全,對壓裂爬行器進行了室內試驗,試驗裝置如圖5,試驗數(shù)據(jù)如表1。壓裂爬行器自重5.2 kg,當油管加壓10 MPa時,爬行機構開啟,然后從油套環(huán)空實施反洗,當反洗排量達到180 L/min時,壓裂爬行器順利爬出油管(如圖6)。

圖5 試驗裝置結構

圖6 室內試驗現(xiàn)場

表1 壓裂爬行器室內試驗數(shù)據(jù)

3.2 現(xiàn)場試驗

在長慶氣田蘇X井進行了現(xiàn)場試驗。該井噴砂滑套約深3 600 m,在上層施工過程中,由于上封隔器失效導致上層壓裂施工沒有完成,但壓裂爬行器伴隨返排液到達了井口捕捉器。

4 結論

1) 應用該壓裂爬行器能夠解決因鋼球留井影響氣井合層測試的問題,并有利于井內壓裂液的返排。

2) 為后期在氣探井開展分層測試、在開發(fā)井開展產氣剖面測試等提供了技術支撐。

[1] 張麗娟,趙廣民,趙粉霞,等.Y241型封隔器分壓管柱可靠性分析[J].石油礦場機械,2010,39(7):25-28.

[2] 付鋼旦,桂 捷,趙粉霞,等.氣井分壓合采工藝技術研究[J].天然氣工業(yè),2005,25(4):71-73.

[3] 王步娥,舒曉暉,尚緒蘭,等.水力噴射射孔技術研究與應用[J].石油鉆探技術,2005,33(3):51-54.

[4] 李憲文,陳生圣,趙文珍.水力噴砂射孔壓裂噴嘴的損傷試驗與分析[J].石油礦場機械,2009,38(2):42-46.

Development of Crawl Device in Fracturing

ZHANG Hua-guang1,2,GUI Jie1,2,WANG Ya-juan1,2,ZHANG Wen-xing1,2,ZHANG Li-juan1,2
(1.Oil and Gas Technology Research Institute,Changqing Oilf ield Company,Xi’an710021,China; 2.N ational Engineering L aboratory of Low-permeability Oil and Gas Ex ploration and Development,Xi’an710021,China)

Most of the balls used to open the up sliding sleeve for sand blast of the separate pressure production string remain in the well bore,which may lead to the failure of well testing.The crawl device could get back to the wellhead with the return liquid after fracturing,which makes a straightway in well bore and provides a better well bore condition for later job.

crawling device;well bore;gas well;separated layer fracturin

1001-3482(2011)07-0074-03

TE934.2

B

2010-12-21

張華光(1980-),男,山東臨朐人,工程師,2003年畢業(yè)于中國石油大學(華東)機械設計制造及其自動化專業(yè),主要從事井下配套工具的研制和新技術推廣應用方面的工作,E-mail:zhguang_cq@petrochina.com.cn。