羽狀分支管增產(chǎn)工具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬蘭榮， 程光明， 戴文潮

（1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

隨著油氣資源開發(fā)的不斷深入，低孔低滲儲層油氣藏開始成為世界能源供應(yīng)的新生力量。由于該類油氣藏物性差、產(chǎn)能低且遞減快，必須采取有效增產(chǎn)措施才能實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)。傳統(tǒng)水力壓裂存在施工周期長、成本高、易傷害儲層和污染環(huán)境等問題。非均質(zhì)儲層壓裂時無法有效控制裂縫走向，導(dǎo)致改造效果較差，甚至壓開水層及氣層，造成水氣早侵。微井眼魚骨井技術(shù)是一種新興的裸眼完井增產(chǎn)技術(shù)[1–3]，利用液壓將直徑10 mm、長10 m左右的金屬管刺入地層聯(lián)通儲集體，不需要壓裂就能有效溝通儲層中的孔道，達(dá)到提高油氣井產(chǎn)量的目的。該技術(shù)已在國外的煤層氣、碳酸鹽巖和砂巖儲層得到成功應(yīng)用[4–8]?；谠摷夹g(shù)的增產(chǎn)原理并結(jié)合塔河油田改造碳酸鹽巖儲層的需求，筆者設(shè)計(jì)了羽狀分支管增產(chǎn)關(guān)鍵工具——分支管短節(jié)，并通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證了該工具的可行性。

1 羽狀分支管增產(chǎn)管柱及其工作原理

1.1 羽狀分支管增產(chǎn)管柱

羽狀分支管增產(chǎn)管柱由插管封隔器、尾管串、分支管短節(jié)、裸眼錨和酸釋閥等組成，如圖1所示。插管封隔器位于尾管串的上方，用于尾管串上端的錨定和密封。分支管短節(jié)是羽狀分支管增產(chǎn)管柱的核心工具，每個分支管短節(jié)內(nèi)預(yù)置多個總長為10 m左右的分支管，根據(jù)地層情況，完井管柱中可以連接若干個分支管短節(jié)（一次作業(yè)可安裝2～100個），作業(yè)后共形成8～400個側(cè)向分支孔。裸眼錨位于分支管短節(jié)的下方，用于管柱下部的錨定。酸釋閥連接在管柱的最下部，入井時為開啟狀態(tài)，用于管柱的循環(huán)作業(yè)，一旦泵入的酸液到達(dá)管柱底部，酸釋閥的控制銷釘迅速溶解，循環(huán)通道關(guān)閉，便可實(shí)現(xiàn)在作業(yè)過程中憋壓。

圖 1 羽狀分支管增產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of pinnate branch tube stimulation string

1.2 工作原理

利用鉆桿或油管將羽狀分支管增產(chǎn)管柱下至設(shè)計(jì)位置，以一定的排量向管柱內(nèi)泵送酸液，酸液到達(dá)酸釋閥后溶解控制銷釘，酸釋閥由開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)閉狀態(tài)，隨著酸液的不斷泵注，管柱內(nèi)的壓力不斷升高。酸液由分支管噴向儲層，并與儲層發(fā)生酸巖反應(yīng)而產(chǎn)生孔洞（見圖2）。當(dāng)管柱內(nèi)酸液壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值（約為21 MPa左右）時，剪斷分支管控制剪釘，分支管在液壓作用下進(jìn)入儲層中經(jīng)酸巖反應(yīng)產(chǎn)生的孔洞，酸液繼續(xù)由分支管噴出，酸巖持續(xù)反應(yīng)使孔洞的深度不斷增大，分支管在酸液推動下持續(xù)進(jìn)入儲層深部（見圖3），施工結(jié)束后各個分支管進(jìn)入儲層情況如圖4所示。分支管短節(jié)適用于φ152.4 mm井眼，入井尾管直徑114.3 mm，分支管噴酸后，酸巖反應(yīng)形成直徑為16～18 mm的孔洞。

圖 2 酸液通過分支管噴向儲層Fig. 2 Acid solution is injected to the formation through the branch tube

圖 3 分支管在液力推動下進(jìn)入儲層Fig. 3 The branch tube enters the formation under the hydraulic force

圖 4 羽狀分支管增產(chǎn)施工后的狀態(tài)Fig. 4 The state of pinnately branch tube after the stimulation

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

羽狀分支管增產(chǎn)管柱的關(guān)鍵工具是分支管短節(jié)，因此分支管短節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分支管屈曲性能分析是本文重點(diǎn)研究內(nèi)容。

2.1 分支管短節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分支管短節(jié)由殼體、套管、柔性分支管、生產(chǎn)閥和密封導(dǎo)向座組成，如圖5所示。套管與殼體連接構(gòu)成工具管段，柔性分支管預(yù)置于套管和殼體內(nèi)孔；殼體側(cè)壁開孔，安裝生產(chǎn)閥和密封導(dǎo)向座等；柔性分支管為φ10.0 mm左右的薄壁金屬管，施工時分支管在液力推動下從分支管短節(jié)中伸出，并在液壓作用下刺入地層，溝通儲集體；生產(chǎn)閥單向連通管柱內(nèi)外，在增產(chǎn)作業(yè)時保證管柱內(nèi)部壓力，施工完成后可作為油氣進(jìn)入管柱內(nèi)部的通道；密封導(dǎo)向座用于密封柔性分支管和殼體的間隙，并固定柔性分支管的初始外伸方向，密封組件具有摩擦阻力低、耐壓高的特點(diǎn)。柔性分支管端部安裝有噴嘴，可將流體壓力能轉(zhuǎn)化為動能，用于輔助酸蝕破巖造孔。

圖 5 分支管短節(jié)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic of the branch tube nipple

2.2 分支管屈曲性能分析

2.2.1 分支管技術(shù)要求

分支管在預(yù)置時處于彎曲狀態(tài)，在由分支短節(jié)內(nèi)向外伸出過程中，也會發(fā)生一定彎曲，此時內(nèi)部應(yīng)力最大。該工作特點(diǎn)要求分支管要滿足以下要求：1）工作介質(zhì)是鹽酸、且井內(nèi)液體具有較高的礦化度，因此分支管要具備耐酸及耐氯離子腐蝕的能力；2）具備30 MPa的抗內(nèi)壓能力，以滿足高壓噴射酸液的要求；3）要具備一定的延展性，滿足伸出前分支管具有較大變形的要求；4）要具備較高的強(qiáng)度，在一定變形下避免發(fā)生屈曲。

2.2.2 分支管材料優(yōu)選

不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，因此得到了廣泛應(yīng)用。在比強(qiáng)度、比剛度、低溫韌性和高溫強(qiáng)度方面，不銹鋼要遠(yuǎn)優(yōu)于普通碳鋼。另外，不銹鋼還具有優(yōu)良的應(yīng)變硬化特性和低比例極限，其應(yīng)力–應(yīng)變曲線表現(xiàn)出典型的非線性特征，不會出現(xiàn)像普通碳鋼一樣的屈服平臺（見圖6）。因此，選用不銹鋼制作分支管。適合制作分支管的有201、304、316、316L、321和347等型號的不銹鋼，綜合考慮井下酸性、Cl–腐蝕環(huán)境及強(qiáng)度、塑性等要求，選用316L型不銹鋼制作分支管。316L型不銹鋼的力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度不低于205 MPa，抗壓強(qiáng)度不低于520 MPa，延伸率不小于40%，斷面收縮率不小于55%，HBS硬度不低于180。

引理 5[7] 假設(shè)一個8-點(diǎn)u相鄰一個2-點(diǎn)v,并且與兩個3-圈(u,x,y)和(u,x,z)相關(guān)聯(lián),則d(x)≥4。

圖 6 不銹鋼及碳鋼的應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig. 6 Stress–strain curves of stainless steel and carbon steel

2.2.3 分支管有限元分析

根據(jù)圖5所示結(jié)構(gòu)，綜合考慮殼體壁厚，暫將分支管外徑設(shè)計(jì)為8.0～16.0 mm，利用薄壁管承壓情況下安全系數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算壁厚為1.0 mm、不同外徑316L型不銹鋼分支管承壓30 MPa時的安全系數(shù)，算得φ8.0、φ10.0、φ12.0、φ14.0和φ16.0 mm的316L型不銹鋼分支管的安全系數(shù)分別為2.20，1.80，1.50，1.30和1.13。

薄壁管承壓情況下安全系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：n為薄壁管的安全系數(shù)；p為薄壁管的承壓，MPa；Yp為薄壁管的屈服強(qiáng)度，MPa；δ為薄壁管的壁厚，mm；D為薄壁管的外徑，mm。

利用有限元法分析壁厚為1.0 m，外徑為8.0，10.0，12.0，14.0和16.0 mm的316L型不銹鋼分支管承壓30 MPa時的應(yīng)力分布及變形情況，結(jié)果見圖7～圖11和表1。有限元模型的幾何參數(shù)：分支管彎曲端的撓度為98 mm，偏轉(zhuǎn)角為40°，彎曲端為固支。由于應(yīng)力應(yīng)變集中在彎曲端，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，分支管模型長度設(shè)為從固支端開始3 m，采用三維實(shí)體單元建模。

由圖7～圖11可知：φ8.0和φ10.0 mm分支管的最大應(yīng)力低于316L型不銹鋼的屈服強(qiáng)度，屬于彈性變形范疇；φ12.0、φ14.0和φ16.0 mm分支管的最大應(yīng)力均超過316L型不銹鋼的屈服強(qiáng)度，發(fā)生了屈服變形。

圖 7 壁厚1.0 mm、外徑8.0 mm分支管承壓30 MPa時的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of a branch tube with a wall thickness of 1.0 mm and a outer diameter of 8.0 mm under pressure of 30 MPa

圖 8 壁厚1.0 mm、外徑10.0 mm分支管承壓30 MPa時的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud diagram of a branch tube with a wall thickness of 1.0 mm and a outer diameter of 10.0 mm under pressure of 30 MPa

圖 9 壁厚1.0 mm、外徑為12.0 mm分支管承壓30 MPa時的應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of a branch tube with a wall thickness of 1.0 mm and a outer diameter of 12.0 mm under pressure of 30 MPa

圖 10 壁厚1.0 mm、外徑14.0 mm分支管承壓30 MPa時的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud diagram of a branch tube with a wall thickness of 1.0 mm and a outer diameter of 14.0 mm under pressure of 30 MPa

圖 11 壁厚1.0 mm、外徑16.0 mm分支管承壓30 MPa時的應(yīng)力云圖Fig.11 Stress cloud diagram of a branch tube with a wall thickness of 1.0 mm and a outer diameter of 16.0 mm under pressure of 30 MPa

表 1 壁厚1.0 mm、不同外徑316L不銹鋼分支管承壓30 MPa時的變形情況Table 1 Deformation of 316L stainless steel branch tubes with a wall thickness of 1.0 mm and different outer diameters under pressure of 30 MPa

從以上分析可以得出，只有分支管承壓時的安全系數(shù)不小于1.8，才能保證分支管不會發(fā)生屈曲。

3 功能和性能測試

為了驗(yàn)證分支管短節(jié)的可行性，研制了試驗(yàn)裝置，并測試了分支管短節(jié)樣機(jī)的功能和性能。

3.1 功能測試

將分支管短節(jié)樣機(jī)兩端連接封頭，開泵對分支管短節(jié)樣機(jī)進(jìn)行憋壓試驗(yàn)，驗(yàn)證其可行性和施工壓力等參數(shù)。試驗(yàn)中，當(dāng)壓力升至3.0 MPa時分支管開始伸出，且分支管持續(xù)伸出過程中壓力基本維持在3.0 MPa左右，但有小幅波動（見圖12），表明分支管在伸出前有微變形，需要克服變形后才能伸出。試驗(yàn)表明，柔性分支管能夠在液體壓力作用下從分支管短節(jié)中伸出，啟動壓力3.0 MPa，最高施工壓力3.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖 12 分支管伸出壓力測試曲線Fig.12 Test curve of branch tube extending pressure

3.2 性能測試

將分支管短節(jié)樣機(jī)置于碳酸鹽巖巖心（長2 m，寬1 m，高1 m）中間，將鹽酸酸液泵入分支管短節(jié)樣機(jī)中，以驗(yàn)證酸液能否與巖心反應(yīng)并形成孔洞。以不同排量、壓力通過分支管向巖心噴射酸液，記錄形成孔洞的直徑和深度，并驗(yàn)證分支管能否在液壓推動下順利進(jìn)入碳酸鹽巖巖心孔洞中。試驗(yàn)采用20%的鹽酸，加熱至80 ℃，用高壓泵泵入到分支管短節(jié)中，記錄不同排量下的噴射速度及形成孔洞的深度，計(jì)算形成的孔洞體積，結(jié)果見圖13。

圖 13 形成孔洞的尺寸與噴射速度的關(guān)系Fig. 13 The relationship between the size of the hole formed and the spraying speed

由圖13得知，隨著噴射速度不斷增大，形成孔洞的深度和體積均不斷增大，當(dāng)噴射速度達(dá)到200 m/s時，形成孔洞的深度平均在20 mm左右，繼續(xù)增大噴射速度，形成孔洞的深度和體積增速變慢。其原因是雖然噴射速度不斷增大，但由于形成孔洞的體積有限，酸液與巖石的反應(yīng)界面受限，泵入的酸液無法接觸到更多的巖石。根據(jù)測試結(jié)果，對噴嘴直徑和泵送排量進(jìn)行了優(yōu)化，原則上，在確保造孔效率的情況下盡量減少酸液使用量。

噴嘴噴出前，形成孔洞的深度達(dá)20 mm，直徑達(dá)到18 mm，當(dāng)壓力達(dá)到20 MPa時，噴嘴銷釘剪斷，噴嘴及分支管被推入到巖心中的孔洞中，最終分支管在巖心中穿過并伸出。

4 現(xiàn)場適用性分析

塔河油田是大型海相沉積碳酸鹽巖油藏，儲集體以溶蝕孔（洞）和裂縫為主，縫洞發(fā)育規(guī)模及形態(tài)不確定性大，儲集空間連通關(guān)系極為復(fù)雜，非均質(zhì)性極強(qiáng)。塔河油田前期主要采用直井開發(fā)，目前這些直井已進(jìn)入開發(fā)后期，存在老井產(chǎn)量降低的問題。X井是塔河油田的一口老井，完鉆井深6 120.00 m，儲層厚度92.00 m，采用裸眼完井。地層孔隙度20%，原油黏度18.49 mPa·s，儲層原始壓力67.5 MPa，儲層溫度145～149 ℃，地層原油體積系數(shù)1.07，地層壓縮系數(shù)7.19 × 10–4/MPa，飽和壓力6.71 MPa。φ177.8 mm套管下至井深6 032.00 m，6 032.00～6 120.00 m井段為φ149.2 mm裸眼。目前該井因供液不足多次關(guān)井，因此，筆者以該井為例分析羽狀分支管增產(chǎn)技術(shù)在塔河油田直井改造中的適用性。

4.1 施工工藝

根據(jù)X井儲層厚度和甜點(diǎn)位置，初步確定使用4個分支管短節(jié)。按圖1所示結(jié)構(gòu)將羽狀分支管增產(chǎn)管柱組裝好，用鉆桿或油管將其送至設(shè)計(jì)位置。

投球、憋壓，坐封插管封隔器。向管柱內(nèi)泵注酸液，管柱下部的酸釋閥遇酸后關(guān)閉。在管柱入井過程中，酸釋閥內(nèi)部孔道處于開啟狀態(tài)，管柱內(nèi)外連通，方便管柱下入。當(dāng)管柱注滿酸液后，酸釋閥內(nèi)部通道封閉，管柱內(nèi)成封閉空間，繼續(xù)泵注酸液，管柱內(nèi)壓力上升。裸眼錨在液壓力作用下擴(kuò)張錨定。

繼續(xù)提高泵注酸液的壓力，酸液經(jīng)過分支管噴向儲層，通過水力作用和酸巖反應(yīng)在儲層內(nèi)形成孔洞，分支管在液壓力作用下進(jìn)入孔洞，如圖4所示。

由于柔性分支管造孔直徑略大于其直徑，柔性分支管外壁和孔內(nèi)壁形成的環(huán)空就是油氣生產(chǎn)通道（分支管環(huán)空）。油氣流入分支管環(huán)空后，沿分支管匯集到主井眼，通過生產(chǎn)閥進(jìn)入管柱，完成油氣生產(chǎn)。

4.2 目標(biāo)區(qū)塊巖心酸鹽反應(yīng)測試

利用塔河油田X井的3塊巖心進(jìn)行了酸巖反應(yīng)試驗(yàn)和酸液噴射造孔試驗(yàn)，以評估巖樣與鹽酸溶液的反應(yīng)程度和反應(yīng)速度。制備3個巖樣，用清水沖洗干燥后稱其質(zhì)量，將其放入20%鹽酸中，完全溶解后記錄溶解時間，結(jié)果見表2。

表 2 酸巖反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of acid-rock reaction

從表2可以看出，3個巖樣的溶解率均達(dá)到100%，1#巖樣的溶解速度最快，達(dá)到0.56 g/min，3#巖樣的溶解速度最慢，溶解速度為0.23 g/min。

為了測算現(xiàn)場施工時間和酸液需求量，需要測試高壓噴射條件下的酸蝕造孔速率和造孔深度。試驗(yàn)中，將一定量的酸液加熱至預(yù)定溫度，通過噴嘴以21 MPa的壓力噴射到3個巖樣上，測定造孔速率和造孔深度，結(jié)果見表3。從表3可以看出，1#巖樣酸蝕造孔速率最高，為14.4 m/h；3#巖樣酸蝕造孔速率最小，為2.6 m/h。

表 3 噴酸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of acid spraying hole-forming

酸巖反應(yīng)試驗(yàn)和酸液噴射造孔試驗(yàn)結(jié)果表明，從3塊巖心所取巖樣均能在20%鹽酸中迅速完全溶解，酸蝕造孔速率最低為2.6 m/h、最高達(dá)14.4 m/h，技術(shù)上可行。

5 結(jié) 論

1）研制了羽狀分支管增產(chǎn)關(guān)鍵工具——分支管短節(jié)，借助于酸巖反應(yīng)在液壓作用下可將柔性分支管刺入地層，達(dá)到溝通儲集體的目的，能夠解決碳酸鹽巖儲層酸壓改造投入高、效果差的問題。

2）利用有限元法分析分支管承壓下的應(yīng)力分布和屈曲特性，據(jù)此優(yōu)化了分支管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定了制作分支管的材料。

3）通過單元試驗(yàn)，驗(yàn)證了分支管短節(jié)的功能，測試了其性能參數(shù)，在壓力約達(dá)到3.0 MPa時分支管能順利伸出。

4）通過整機(jī)試驗(yàn)，測試了分支管短節(jié)在模擬工況下的性能，將其置于巖心之中，以不同排量進(jìn)行高壓酸液噴射試驗(yàn)，驗(yàn)證了酸巖反應(yīng)造孔以及柔性管刺入地層的可行性。

5）利用塔河油田的巖心進(jìn)行了酸巖反應(yīng)和酸液噴射造孔試驗(yàn)，巖樣溶解率達(dá)100%，噴酸造孔速率2.6～14.4 m/h，表明塔河油田利用羽狀分支管增產(chǎn)技術(shù)改造碳酸鹽巖儲層是可行的。