頁巖氣井帶壓作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用評價(jià)

胡旭光 徐勇軍 羅衛(wèi)華 劉貴義

（1.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300；2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心，四川 成都 610051；3.中國石油川慶鉆探工程有限公司，四川 成都 610051）

0 引言

中國頁巖氣的可采資源量介于20 × 1012～30 ×1012m3。與中國常規(guī)天然氣資源總量大致相當(dāng)。頁巖氣井改造工序之一是采用套管直接加砂壓裂，加砂后單純利用套管排液困難，因此需要下入生產(chǎn)管柱輔助排液，恢復(fù)產(chǎn)能，若采用常規(guī)壓井起下管柱勢必造成儲層污染，降低頁巖氣井產(chǎn)量。氣井帶壓作業(yè)是利用專用設(shè)備及配套技術(shù)完成帶壓起下管柱、井筒修理等作業(yè)，能避免儲層傷害、保護(hù)地面環(huán)境、縮短作業(yè)周期，能夠?yàn)轫搸r氣井長期開發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)提供良好基礎(chǔ)［1-4］。環(huán)空動密封與管柱內(nèi)密封是氣井帶壓作業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵，環(huán)空動密封壓力控制是通過動密封裝置實(shí)現(xiàn)管柱起下過程中井內(nèi)壓力的隔絕；管柱內(nèi)密封是通過在管柱尾部下入堵塞器實(shí)現(xiàn)管柱內(nèi)外壓力的隔絕。因氣井帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，需要根據(jù)井內(nèi)壓力配置合適的動密封膠芯、裝置及內(nèi)密封工具，否則將導(dǎo)致密封不嚴(yán)甚至井噴等難以控制的局面。壓彎管柱是氣井帶壓作業(yè)中容易出現(xiàn)且難以處理的工程復(fù)雜。帶壓下管柱過程中，下壓力與上頂力相互作用，管柱承受軸向壓力，當(dāng)舉升系統(tǒng)行程過大時(shí)，管柱將發(fā)生屈曲破壞，當(dāng)氣井井口壓力較高時(shí)，管柱發(fā)生彎曲的可能性更大。針對以上情況，有必要對帶壓作業(yè)環(huán)空動密封、管柱內(nèi)密封及防管柱壓彎技術(shù)進(jìn)行分析，形成氣井帶壓作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，以保證氣井帶壓作業(yè)安全、高效進(jìn)行。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 裝備配備要求

由于天然氣具有易燃、易爆、可壓縮等特點(diǎn)，氣井帶壓作業(yè)時(shí)管柱與密封膠芯是干摩擦，對密封件的損壞比油水井更嚴(yán)重，殼體內(nèi)腔與閘板體之間的摩擦磨損也比油水井嚴(yán)重。因此，氣井的帶壓作業(yè)工況比油水井更惡劣，風(fēng)險(xiǎn)更大，對裝置的安全性和可靠性要求更高［5-6］。與國內(nèi)現(xiàn)有油水井帶壓作業(yè)裝置相比，氣井帶壓作業(yè)裝置配備主要有以下特性：①安全防噴器配置更高；②工作防噴器組密封膠芯耐磨性能良好；③需要配備的可燃?xì)怏w監(jiān)測儀器多；④氣井帶壓作業(yè)應(yīng)該配備兩套獨(dú)立的液壓控制裝置，一套液壓控制裝置用于控制安全防噴器組并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，另配一套液壓控制裝置用于控制帶壓作業(yè)機(jī)工作防噴器組、舉升液缸和卡瓦。施工時(shí)兩套液壓控制裝置必須能夠全部正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 環(huán)空動密封壓力控制技術(shù)

氣井帶壓作業(yè)是在井內(nèi)有壓力的情況下進(jìn)行帶壓起下管串、鉆磨銑等作業(yè)，作業(yè)時(shí)除配置常規(guī)的防噴器之外，還必須配置環(huán)空動密封裝置，實(shí)現(xiàn)對井內(nèi)壓力的動態(tài)控制。環(huán)空動密封裝置形式有閘板式環(huán)空動密封裝置和環(huán)形環(huán)空動密封裝置，帶壓作業(yè)時(shí)需要根據(jù)壓力大小配置不同環(huán)空動密封裝置組合［7-8］。

目前頁巖氣井帶壓作業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的是帶壓起、下完井管柱，能夠有效改善排液效果，恢復(fù)地層能量，保障頁巖氣井合理開采。根據(jù)井口壓力的大小，本著安全、高效作業(yè)的原則，選取最合適的環(huán)空動密封裝置和作業(yè)方式，主要包括：①在井口壓力小于13.8 MPa 時(shí)，可直接利用環(huán)形動密封裝置實(shí)現(xiàn)起下管串時(shí)環(huán)空壓力控制，同時(shí)至少配備一個(gè)閘板式動密封裝置。在下入油管懸掛器及其他大尺寸工具時(shí)，通過倒換環(huán)形動密封裝置和閘板式密封裝置，實(shí)現(xiàn)大尺寸工具入井，其井口組合見圖1。②當(dāng)井口壓力大于13.8 MPa時(shí)，環(huán)形動密封裝置在油壓和井口壓力的共同作用下，膠芯與管串摩擦力增加，膠芯磨損程度隨之增大。為安全起見，頁巖氣井帶壓作業(yè)時(shí)需要配備一個(gè)環(huán)形動密封裝置及兩個(gè)閘板式動密封裝置。作業(yè)時(shí)通過環(huán)形動密封裝置、閘板式動密封裝置及平衡泄壓裝置共同實(shí)現(xiàn)環(huán)空動密封，井口組合見圖2。

圖1 井口壓力小于13.8 MPa時(shí)井口組合圖

圖2 井口壓力大于13.8 MPa時(shí)井口組合圖

1.3 管柱內(nèi)密封壓力控制技術(shù)

目前氣井帶壓作業(yè)管柱內(nèi)密封工具主要包括堵塞器、橋塞、單流閥、破裂盤等。在帶壓下生產(chǎn)管柱作業(yè)時(shí)，常用鋼絲輸送堵塞器和尾管堵塞器控制管內(nèi)壓力。使用鋼絲輸送堵塞器時(shí)，作業(yè)結(jié)束后需要對堵塞器進(jìn)行打撈，增加了一道作業(yè)工序，延長了作業(yè)周期。使用尾管堵塞器時(shí)，作業(yè)結(jié)束后直接利用泵車打通油管內(nèi)道，恢復(fù)生產(chǎn)［9-13］。這兩種堵塞方式相比，采用尾管堵塞器恢復(fù)生產(chǎn)的作業(yè)工序簡便，風(fēng)險(xiǎn)較小。因此，頁巖氣帶壓作業(yè)下完井管柱時(shí)，常采用尾管堵塞器進(jìn)行管內(nèi)壓力控制。

尾管堵塞器常見的有定壓接頭和陶瓷堵塞器兩種。定壓接頭通過密封圈密封本體與堵頭之間的間隙，來自堵頭下部的壓力使堵頭與本體緊密接觸，井內(nèi)流體不能從油管內(nèi)噴出，從而密封油管。當(dāng)管柱下入指定深度后，選擇清水、氮?dú)獯驂旱确绞郊魯喽▔航宇^銷釘將其打開，形成油氣通道，見圖3。陶瓷堵塞器密封元件是陶瓷盤，根據(jù)脆性材料壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拉伸強(qiáng)度的特性，實(shí)現(xiàn)下端承壓能力高，上端承壓能力低，以保證作業(yè)期間安全可靠，帶壓作業(yè)完成后，選擇清水、氮?dú)獯驂旱确绞酱蛩槠屏驯P，實(shí)現(xiàn)油套連通，見圖4。兩種堵塞器反向承壓能力均為70 MPa，正向承壓能力均為7 MPa。

圖3 定壓接頭示意圖

圖4 陶瓷堵塞器示意圖

頁巖氣井帶壓下完井管柱常用的堵塞方案有3種，分別是：導(dǎo)錐+陶瓷堵塞器+陶瓷堵塞器、導(dǎo)錐+定壓接頭+陶瓷堵塞器、導(dǎo)錐+篩管+定壓接頭+陶瓷堵塞器，3種堵塞方案優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

2 管柱極限抗彎長度計(jì)算

帶壓下管柱的過程中下壓力與上頂力相互作用，管柱承受軸向壓力。當(dāng)舉升系統(tǒng)行程過大時(shí)，管柱將發(fā)生屈曲破壞。理論上，舉升系統(tǒng)行程越小，施工越安全，但行程太小不僅影響施工效率，成本費(fèi)用也隨之增大。如何科學(xué)地計(jì)算帶壓下管柱時(shí)的極限抗彎長度，確定舉升系統(tǒng)最大行程是實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)安全、高效作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一［14-16］。

表1 堵塞方案對比表

2.1 管柱受力分析

帶壓下管柱過程中管柱的受力情況如圖5 所示，主要包括：①井筒壓力的上頂力；②設(shè)備施加的下壓力；③環(huán)封的摩擦力；④管柱在井筒內(nèi)的摩擦力；⑤管柱重力。

圖5 帶壓下管柱時(shí)管柱受力分析圖

2.2 極限抗彎長度計(jì)算

計(jì)算模型建立。管柱軸向受壓時(shí)，有兩種形式的彎曲變形：非彈性變形（左）和彈性變形（右），見圖6。帶壓作業(yè)時(shí)壓彎管柱屬于非彈性變形，計(jì)算非彈性變形時(shí)管柱極限抗彎長度的公式有兩種：Johnson方程及Euler方程。

采用Johnson 方程計(jì)算發(fā)生非彈性變形時(shí)管柱極限抗彎長度，即：

采用Euler 方程計(jì)算發(fā)生非彈性變形時(shí)管柱極限抗彎長度，即：

式中，F(xiàn)eb為極限軸向力，N；As橫截面積，m2；L為極限抗彎長度，m；i為慣性半徑，m；λp為極限細(xì)長比；E為楊氏模量，GPa；SY為屈服應(yīng)力，MPa；I為截面慣性矩，m4。

計(jì)算方法為：①首先計(jì)算在某一井壓下帶壓下入管柱的最大下壓力，即極限軸向力；②利用Johnson 方程計(jì)算管柱極限抗彎長度；③判斷計(jì)算結(jié)果是否滿足其適用條件；④如果不滿足，返回步驟2，采用Euler方程計(jì)算。

圖6 非彈性變形與彈性變形圖

3 應(yīng)用效果與評價(jià)

以川渝某頁巖氣區(qū)塊4口井為例，根據(jù)形成的關(guān)鍵技術(shù)選擇合適的環(huán)空動密封裝置、管柱內(nèi)密封工具，計(jì)算管柱極限抗彎長度，高效安全完成4口井帶壓作業(yè)，施工中采用的關(guān)鍵裝置、工具、參數(shù)見表2。

表2 帶壓作業(yè)關(guān)鍵裝置、工具及參數(shù)表

以X1 井為例，作業(yè)壓力為15.4 MPa，大于13.8 MPa，則需要配備1 個(gè)環(huán)形動密封裝置+2 個(gè)閘板式動密封裝置，管柱內(nèi)密封工具組合為：導(dǎo)錐+篩管+定壓接頭+陶瓷堵塞器。需帶壓下入的管柱為N80 Φ73.02 mm油管，由此可獲取方程（1）、（2）中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算出此井壓下計(jì)算出最大下壓力為5.2 × 107N，代入方程（1）中，得出管柱極限抗彎長度為3.64 m，符合實(shí)際情況，即可不用方程（2）進(jìn)行計(jì)算。為安全起見，作業(yè)時(shí)最大液缸行程不應(yīng)超過極限抗彎長度的70%。

表3 帶壓作業(yè)前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)表

同時(shí)對該區(qū)塊4 口頁巖氣井帶壓作業(yè)前的產(chǎn)氣量、井口壓力以及排液量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。4口井在帶壓作業(yè)前利用套管生產(chǎn)，帶壓施工結(jié)束一年后，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，如表3及圖7所示。

圖7 套壓對比圖

從表2及圖7可以看出，頁巖氣井帶壓下入完井管柱后，由于排水量增加，套壓明顯上漲。利用油須生產(chǎn)一年后，配產(chǎn)量增加，產(chǎn)能穩(wěn)定，四口井實(shí)現(xiàn)年增產(chǎn)5 400 × 104m3。若氣井帶壓作業(yè)實(shí)施大規(guī)模推廣后，經(jīng)濟(jì)效益將更加顯著。

4 結(jié)論

1） 環(huán)空動密封裝置應(yīng)根據(jù)井口壓力的大小進(jìn)行配備。當(dāng)井口壓力小于13.8 MPa 時(shí)，環(huán)形動密封裝置可良好密封管柱，配備一個(gè)環(huán)形動密封裝置及一個(gè)閘板式動密封裝置即可；當(dāng)井口壓力大于13.8 MPa時(shí)，需依靠閘板式動密封裝置密封管柱，此時(shí)應(yīng)至少配備一個(gè)環(huán)形動密封裝置及兩個(gè)閘板式動密封裝置。

2） 定壓接頭及陶瓷堵塞器是目前頁巖氣井帶壓作業(yè)中最常用的管柱內(nèi)密封工具，額定密封壓力均達(dá)到70 MPa。定壓接頭安全可靠，陶瓷堵塞器密封效果好，可根據(jù)情況單獨(dú)使用或配合使用。

3） 帶壓作業(yè)前應(yīng)根據(jù)井口壓力、管柱規(guī)格等參數(shù)計(jì)算管柱極限抗彎長度，下管柱初期應(yīng)確保液缸行程不超過極限抗彎長度，防止壓彎管柱。

4） 現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用氣井帶壓作業(yè)技術(shù)下入完井管柱后，攜液效果良好，頁巖氣井產(chǎn)量明顯增加，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。