上傾井泵送分簇射孔與橋塞聯(lián)作技術

陳鋒, 楊登波, 唐凱, 任國輝, 張清彬, 李奔馳

(中國石油集團測井有限公司西南分公司, 重慶 400021)

0　引　言

受儲層傾角、水平井鉆井工藝等因素的影響,部分頁巖氣水平井井眼軌跡上翹,進行泵送分簇射孔作業(yè)存在難點。①泵送困難:水平段長且上翹(A、B靶點垂深差一般為200～300 m),泵送不僅要克服管串及電纜與套管的摩阻,還需克服管串自重切向分力,導致泵送排量大、泵速慢。②電纜變形或射斷:井斜角通常96°～110°,橋塞坐封丟手及射孔瞬間,管串易往A靶點方向反沖,導致電纜變形受損,甚至是電纜竄入槍串與套管間隙而被射流射斷,造成管串落井。為此,有必要開展上傾井電纜泵送分簇射孔與橋塞聯(lián)作技術研究,以保障作業(yè)安全。

1　上傾井泵送管串受力分析

1.1　管串結(jié)構及參數(shù)

典型的泵送分簇射孔管串如圖1所示,主要包括打撈矛及加重、射孔槍串、橋塞工具、坐封筒、橋塞等,由于管串含扶正接頭,因此,管串與套管的中心軸平行,管串具體參數(shù)見表1。

圖1　泵送分簇射孔管串結(jié)構示意圖

表1　分簇射孔管串組成及參數(shù)

1.2　泵送管串受力分析

上傾井泵送管串受重力G、浮力FF、泵送推力FP、流體黏附力FS、摩擦力Ff、電纜頭張力FC等,α為井斜角,Fτ為管串在井液中的重力切向分量,FN為管壁法向支撐力(見圖2)。

圖2　上傾井泵送管串受力情況

泵送過程中,泵送推力與流體黏附力的合力須大于管串摩阻及重力切向分量。泵送到位后,若井斜角α過大,管串重力切向分量Fτ大于管串靜摩擦力Ff將導致管串回溜下滑。因此,有必要分析上傾井泵送橋塞與分簇射孔聯(lián)作的各個階段,并提出針對性措施。

2　上傾井泵送排量分析計算

2.1　上傾井泵送推力

上傾井泵送管串前進動力來源于泵液流過管串與套管間隙所產(chǎn)生的壓差推力FP和泵液流經(jīng)管串表面產(chǎn)生的黏附力FS[1-3]。泵液一般為清水,在井底其動力黏度小于1 mPa·s,且管串表面積也很小,因此,黏附力FS可忽略不計。

泵送時管串緊貼套管內(nèi)壁,泵液在套管與管串間隙中的流動為偏心間隙流(見圖1)。p1～p5及A1～A5分別是管串頂部、各臺階、橋塞底部的流體壓力及作用面積,泵送推力FP為

FP=p1A1+p2A2+p3A3+p4A4-p5A5

(1)

偏心間隙流的壓降公式為[4-5]

(2)

式中,μ為泵液動力黏度;L為間隙長度;h為間隙高度;ε為偏心率,ε=e/h,e為偏心距;q為間隙排量;ρ為泵液密度。假設已知p1,根據(jù)公式(2)可求得p2～p5,進而求出FP,理論推導可知FP與p1大小無關。

2.2　上傾井泵送阻力

泵送阻力主要有管串重力與浮力的合力沿切線方向的分量Fτ、管串與套管間的摩擦力Ff1、電纜頭張力FC等,其中電纜頭張力主要是克服水平段電纜摩阻Ff2及泵送推力。

Fτ=(G-FF)cosα=(mg-ρgV)cosα

(3)

Ff1=f1(G-FF)sinα=f1(mg-ρgV)sinα

(4)

FC≥Ff2=f2(Gc-FFc)

(5)

式中,m、V分別為管串質(zhì)量及體積;f1、f2分別為管串、電纜與井筒的摩擦系數(shù);Gc、FFc分別為電纜自重及浮力;g為重力加速度。

2.3　上傾井泵送排量選擇

取泵液(清水)動力黏度μ=0.55 mPa·s(50 ℃/80 MPa條件下),摩擦系數(shù)f1=0.2、f2=0.25,Φ8 mm電纜在水中的線密度為230 kg/km,假定水平段長2 000 m,管串泵送速度為3 000 m/h,則可計算出Φ139.7 mm×12.34 mm套管內(nèi)泵送阻力與井斜角、泵送推力與排量關系(見圖3)。

根據(jù)圖3可得出某井斜角上傾井段泵送所需最低排量,例如最大井斜角為107°,位于水平段2 000 m處,則泵送阻力為2 808 N,推薦排量≥1.8 m3/min。

圖3　泵送阻力與井斜角、泵送推力排量的關系曲線

3　坐封橋塞及射孔時上頂排量計算及仿真分析

上傾井管串泵送到位后,在點火坐封橋塞及射孔時,需泵注一定的上頂排量對管串產(chǎn)生上頂力,以阻止管串重力切向分量大于靜摩擦導致下滑趨勢。

3.1　坐封橋塞前上頂排量計算

橋塞坐封前,保持管串靜止且纜頭張力為0,則最小上頂力要能克服管串重力切向分量與靜摩擦的差值,最大不超過二者的合力,上頂力需求范圍與井斜角的關系見圖4。管串在上頂排量的作用下保持靜止,即管串速度為0,則上頂力與上頂排量關系見圖5。

圖4　上頂力需求范圍—井斜角的關系曲線

圖5　上頂力—上頂排量關系曲線

根據(jù)圖4和圖5可以得到在各種井斜角的上傾井中,為使泵送到位的管串不滑動所需的上頂排量。例如,井斜角為105°時,所需上頂力范圍為228～1 571 N,則推薦上頂排量為(0.48～1.0) m3/min。

3.2　橋塞坐封過程中的上頂力變化分析

為使管串不下滑,橋塞點火后仍需保持上頂排量,以上頂排量0.48 m3/min為例,上頂力隨橋塞外徑變化的關系(見圖6)。上頂力一開始以較緩增幅隨橋塞外徑增大而增大,但當橋塞外徑增大到接近套管內(nèi)徑時,上頂力急劇增大[6],將對電纜頭弱點造成一定的損傷或破壞。

圖6　橋塞坐封過程中的上頂力變化曲線

為保障作業(yè)安全,借助于橋塞膨脹對間隙流動的節(jié)流作用導致套壓上漲,可通過設置泵車超壓值來控制在合適時機停止泵注上頂排量,超壓值一般略高于橋塞點火時的套壓1～2 MPa。

3.3　射孔時上頂排量計算

橋塞坐封后,若射孔井段井斜角較大,仍需泵注上頂排量來防止管串下滑,該方法僅適用于帶內(nèi)通徑的橋塞。橋塞丟手后的管串結(jié)構及參數(shù)(見圖7和表2)。

表2　橋塞丟手后的管串組成及參數(shù)

上頂排量產(chǎn)生的管串推力FP為

FP=p1·A1+p2·A2+p3·A3+

p5·A5+p6·A6-p4·A4-p7·A7

(6)

參照3.1的方法可得到各種井斜角的上傾井中為使橋塞丟手后的管串不滑動所需的上頂排量。例如,井斜角為105°時,所需上頂力范圍為224～1 545 N,則推薦上頂排量為0.48～0.9 m3/min。

3.4　上頂力仿真分析

為驗證理論計算的正確性,采用ANSYS-Fluent建立了上傾井管串上頂力仿真模型,分別計算了0.48 m3/min(見圖8)和0.6 m3/min 等2種排量的上頂力。

圖8　管串各部流體壓力云圖

提取仿真結(jié)果,將作用在管串各部分的泵液流動推力相加,得到排量0.48 m3/min的上頂力為334.86 N,與理論計算值343 N相差2.4%;排量0.6 m3/min的上頂力為506.23 N,與理論計算值533 N相差5.0%,說明前述理論計算方法較為準確,可指導現(xiàn)場作業(yè)。

4　現(xiàn)場應用案例

XX81-5HF井實鉆A靶點斜深3 203 m/垂深2 819 m,B靶點斜深5 238 m/垂深2 688 m,井眼軌跡上傾,其中第23段泵送橋塞位置3 469 m(井斜102°),射孔位置3 460～3 461 m、3 438～3 439 m、3 416～3 417 m(井斜102°)。

按本文所述方法計算出最大井斜處的泵送阻力為1 572 N,推薦泵送排量為1.5～1.6 m3/min;橋塞點火時所需上頂力范圍為43～1 403 N,推薦上頂排量≤0.98 m3/min;射孔時所需上頂力范圍為42～1 379 N,推薦上頂排量≤0.87 m3/min。實際泵送排量與壓力曲線(見圖9)。

圖9　XX81-5HF井第23段泵送排量及壓力曲線

由圖9可知,實際最大泵送排量為1.6 m3/min,坐封橋塞及射孔時的上頂排量分別為0.6 m3/min、0.48 m3/min,均在理論計算推薦范圍之內(nèi)。在橋塞點火前將泵車超壓設置為44 MPa(比點火前套壓42 MPa高出2 MPa),橋塞開始膨脹后,套壓上漲至超壓值時自動停泵,確認橋塞丟手后,為射孔管串泵注0.48 m3/min的上頂排量,管串在該上傾井段施工過程中未發(fā)生反沖下滑。

5　結(jié)論及建議

(1) 基于偏心間隙流理論建立了泵送推力計算模型,結(jié)合上傾井泵送阻力分析,可給出不同井斜角對應的推薦泵送排量,現(xiàn)場應用表明該理論計算結(jié)果可指導現(xiàn)場泵送作業(yè)。

(2) 建議上傾井分簇射孔作業(yè)采用帶內(nèi)通徑的橋塞,以便于在射孔時泵注上頂排量。

(3) 給出了坐封橋塞及射孔時的上頂排量計算方法,ANSYS-Fluent仿真分析驗證該理論計算結(jié)果準確,現(xiàn)場應用證明該方法推薦的上頂排量可保障上傾井管串不發(fā)生反沖下滑。

(4) 上頂排量產(chǎn)生的上頂力在橋塞外徑膨脹至接近套管內(nèi)徑時急劇增大,為保障管串不反沖下滑同時不損傷電纜頭弱點,建議密切關注張力變化,并設置泵車超壓值略高于橋塞點火時套壓1～2 MPa,以在合適時機停止泵注上頂排量。

參考文獻:

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[3]朱秀星, 薛世峰, 仝興華. 水平井射孔與橋塞聯(lián)作管串泵送參數(shù)控制方法 [J]. 石油勘探與開發(fā), 2013, 40(3): 371-376.

[4]周志鴻, 閆建輝, 劉連華. 間隙泄漏量的分析計算 [J]. 鑿巖機械氣動工具, 2002(4): 14-17.

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[6]陳鋒, 李奔馳, 唐凱, 等. 橋塞與套管間隙對泵送橋塞影響分析及實踐 [J]. 測井技術, 2016, 40(2): 249-252.