頁巖氣井雙層管柱的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張 旭，張哲平，吳永超，吳亮亮，周家祥，黃勇智

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

頁巖氣開發(fā)成為非常規(guī)油氣開發(fā)的重要領(lǐng)域，目前頁巖氣開發(fā)主要采用水平井和大規(guī)模體積壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)頁巖氣的工業(yè)開采，隨之而來的問題是生產(chǎn)套管產(chǎn)生不同程度的變形，套管變形阻礙壓裂作業(yè)工具通過，被迫采用小直徑射孔槍及橋塞工具，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致生產(chǎn)管柱丟失壓裂段，進(jìn)而影響地層體積壓裂改造效果和單井產(chǎn)氣量。國內(nèi)專家學(xué)者對(duì)套管的變形形態(tài)和機(jī)制做了大量研究，認(rèn)為套管變形主要是地層滑移導(dǎo)致的套管被擠扁［1-6］，致使無法進(jìn)行后續(xù)壓裂作業(yè)。部分研究成果認(rèn)為控制壓裂規(guī)模和使用更高強(qiáng)度的套管可抑制套管變形［7-11］，但會(huì)降低產(chǎn)氣量，增加生產(chǎn)成本。20世紀(jì)90年代初，中原油田和華北油田曾使用過雙層套管，但當(dāng)時(shí)采用的是工廠預(yù)制模式或井下裝注水泥閥方式［12-14］，取得良好的封堵鹽膏層效果，但在頁巖氣工況下缺乏該方面的研究，基于此，設(shè)計(jì)一種雙層管柱以提高抗外載能力。

1 雙層管柱設(shè)計(jì)方案

井深結(jié)構(gòu)：從井深為0開始鉆進(jìn)，稱為第一次開鉆（簡(jiǎn)稱一開）；表層套管固井后再次開鉆，稱為第二次開鉆（簡(jiǎn)稱二開）；技術(shù)套管固井后再次開鉆，稱為第三次開鉆（簡(jiǎn)稱三開）；若三開次完鉆后不能達(dá)到目的層深度，需要下入技術(shù)套管固井后再次開鉆，稱為第四次開鉆（簡(jiǎn)稱四開），四開次若可鉆至目的層深度即可下入生產(chǎn)套管。

常規(guī)頁巖氣井深結(jié)構(gòu)主要為一開Φ339.72 mm/二開Φ244.48 mm/三開Φ139.70 mm，生產(chǎn)套管一般為TP125SGΦ139.70 mm×12.70 mm TP-G2 HC，生產(chǎn)管柱為全井段應(yīng)用，造斜點(diǎn)以下與地層采用水泥膠結(jié)方式固井完成，如圖1所示。該井深結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是成熟穩(wěn)定、配套工具齊全，但在壓裂過程中經(jīng)常發(fā)生套管變形。

圖1 四川某井井深結(jié)構(gòu)示意

以往使用的雙層管柱主要采用工廠預(yù)制成型模式，如中原油田衛(wèi)281井，預(yù)制200 m長的Φ193.68 mm×12.70 mm與Φ139.70 mm×10.54 mm P110雙層管柱，下入深度為2 630～2 830 m［12-14］。Φ168.28/114.3 mm雙層管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一開Φ339.72 mm/二開Φ244.48 mm/三開Φ168.28 mm/四開Φ114.3 mm，該結(jié)構(gòu)相對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)增加一層套管，即二開Φ244.48 mm表層套管固井后，全井下入Φ168.28 mm套管，并在垂直段和水平段采用兩種不同壁厚套管，以達(dá)到降重量和降成本的目的，由于三開技術(shù)套管為Φ168.28 mm×13.40/10.59 mm套管，四開生產(chǎn)套管采用Φ114.3 mm×9.65 mm規(guī)格套管，四開生產(chǎn)套管掛于造斜點(diǎn)以上300 m處，雙層管柱井深結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Φ168.28/114.3 mm雙層管柱井深結(jié)構(gòu)示意

2 雙層管柱抗擠毀試驗(yàn)研究

2.1 居中度對(duì)雙層管柱抗擠毀性能的影響

雙層管柱由內(nèi)層套管、外層套管及中間水泥環(huán)組成。為模擬實(shí)際工況，試驗(yàn)制備居中和偏心兩種雙層管柱，研究不同居中度對(duì)抗擠毀性能的影響。試驗(yàn)過程中，按照設(shè)備最大能力施加外壓載荷，居中雙層管柱的外擠試驗(yàn)值達(dá)到221 MPa，遠(yuǎn)大于內(nèi)層和外層套管擠毀值之和，試驗(yàn)后樣管完好，未發(fā)生變形，如圖3～4所示。而偏心管柱的擠毀值為138 MPa，樣管在偏心處水泥環(huán)薄弱處發(fā)生擠毀，如圖5～6所示。試驗(yàn)表明，內(nèi)外層套管的居中度對(duì)雙層管柱的擠毀值有顯著影響。而有關(guān)報(bào)道認(rèn)為內(nèi)層套管偏心對(duì)雙層套管抗擠毀性能無影響［15］，顯然，通過本試驗(yàn)結(jié)果，證明了這種說法是錯(cuò)誤的。

圖3 居中雙層管柱試驗(yàn)中

圖4 居中管柱試驗(yàn)加載曲線

圖5 偏心管柱擠毀形貌

2.2 固井質(zhì)量對(duì)雙層管柱抗擠毀性能的影響

圖6 偏心管柱試驗(yàn)加載曲線

由于實(shí)際固井質(zhì)量不可能像實(shí)驗(yàn)室這么理想，因此，考慮到竄槽等因素，以樣管環(huán)空填入長方形泡沫來模擬該工況。試驗(yàn)過程中將設(shè)備打到最大能力，當(dāng)壓力達(dá)到83.8 MPa，樣管發(fā)生擠毀，擠毀值大于內(nèi)外層套管擠毀值之和，擠毀位置位于缺欠處（即泡沫填充部位），可見，固井質(zhì)量對(duì)雙層管柱擠毀值帶來顯著影響。

3 分析與討論

3.1 雙層管柱管串結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性

這里的雙層管柱結(jié)構(gòu)不同于事先預(yù)制好的雙層管柱，地面預(yù)制好雙層管柱由于存在下入困難等情況，本案雙層管柱的實(shí)現(xiàn)方式為分開次下入，分開次固井。主要是二開套管固井后，三開完鉆后下入Φ168.28 mm技術(shù)套管。在造斜點(diǎn)上方懸掛Φ114.3 mm技術(shù)套管，生產(chǎn)管柱垂直段為Φ168.28 mm×13.40 mm單層套管，生產(chǎn)管柱水平段為雙層管柱Φ168.28/114.3 mm。

3.2 安全系數(shù)校核及環(huán)空間隙

三開及四開套管的使用性能參數(shù)見表1，內(nèi)層、外層套管復(fù)合后的雙層套管使用性能見表2，根據(jù)前面的研究結(jié)果，雙層套管的抗擠毀性能至少為內(nèi)外層套管擠毀值之和，即取二者之和。由于Φ114.3 mm×9.65 mm生產(chǎn)套管為小接箍套管，接頭內(nèi)壓效率低，考慮到內(nèi)壓和外壓只是受力方向的不同，由外壓試驗(yàn)結(jié)果可知雙層管柱的抗內(nèi)壓能力也應(yīng)為內(nèi)外層套管內(nèi)壓之和，設(shè)計(jì)值取外層套管抗內(nèi)壓值。

表1 Φ168.28/114.3 mm雙層管柱用套管規(guī)格及使用性能

表2 Φ168.28/114.3 mm雙層管柱使用井段及使用性能

水平段垂直深度3 500 m，地層壓力系數(shù)取2.0，全掏空條件下地層壓力為69 MPa；垂直段垂直深度3 200 m，地層壓力系數(shù)取2.0，全掏空條件下地層壓力為63 MPa。套管安全系數(shù)計(jì)算見表2，最大安全系數(shù)為3.65，該數(shù)值為保守計(jì)算最小數(shù)值，在固井質(zhì)量好的條件下，安全系數(shù)更大，對(duì)于目前地層滑移量在25 mm以內(nèi)的情況下，雙層管柱設(shè)計(jì)可以降低套管變形量及變形幾率。

各開次套管間的環(huán)空間隙見表3，二開套管與三開套管接箍處的最小環(huán)空間隙為31 mm，管體處為52 mm；三開套管與四開套管接箍處的最小環(huán)空間隙為22 mm，管體處為28 mm；根據(jù)中原油田衛(wèi)281井下井效果，最佳環(huán)空間隙為13～26 mm［13］，因此設(shè)計(jì)環(huán)空間隙滿足固井質(zhì)量要求。

表3 Φ244.48/168.28/114.3 mm雙層管柱各開次套管間的環(huán)空間隙

3.3 雙層管柱的抗外擠性能

雙層管柱的抗外擠毀性能試驗(yàn)研究結(jié)果見表4。從表4可以看出：外層和內(nèi)層套管的抗擠毀強(qiáng)度值分別為33.5 MPa和49.5 MPa，居中和偏心及預(yù)制缺欠后的雙層管柱抗擠毀強(qiáng)度分別為221 MPa和138 MPa及84 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明：取極端固井質(zhì)量不好情況，雙層套管的抗擠毀強(qiáng)度值可取內(nèi)外層套管之和。

表4 雙層管柱的抗外擠毀性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 雙層管柱抗外擠性能計(jì)算

假設(shè)材料是各向同性材料，采用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)套管內(nèi)外表面及套管與水泥環(huán)界面的壓力，詳細(xì)推導(dǎo)過程［16］不再贅述。

采用雙層管柱的目的在于保證管柱完整性，尤其是內(nèi)層套管不發(fā)生損壞，保證鉆頭等工具可以順利入井。為此，研究重點(diǎn)放在雙層管柱內(nèi)層套管的內(nèi)表面抗擠毀強(qiáng)度計(jì)算方面。

內(nèi)層套管內(nèi)表面上的抗擠毀強(qiáng)度PCO為：

式中K——壓力傳遞系數(shù)；

D，t——內(nèi)層套管直徑、壁厚，mm；

σy——內(nèi)層套管屈服強(qiáng)度，MPa；

f——與彈性模量、泊松比、壁厚有關(guān)的量；

μC——套管泊松比；

EC——套管彈性模量，MPa；

μS——地層泊松比；

ES——地層彈性模量，MPa；

r1，r2——內(nèi)層套管內(nèi)、外半徑，mm；

r3，r4——外層套管內(nèi)、外半徑，mm。

采用公式（1）計(jì)算雙層管柱的抗擠毀強(qiáng)度，計(jì)算值為76 MPa，理論計(jì)算值與內(nèi)、外層套管抗擠毀強(qiáng)度值之和相當(dāng)，說明采用理論計(jì)算雙層套管抗擠毀強(qiáng)度值是可行的，與此同時(shí)也應(yīng)該注意到計(jì)算值與試驗(yàn)值相差甚大，這與文獻(xiàn)［17］報(bào)道不一致，文獻(xiàn)［17］介紹的雙層管柱外層套管Φ193.68 mm×12.70 mm，內(nèi)層套管Φ139.7 mm×10.54 mm P110鋼級(jí)，抗擠毀強(qiáng)度計(jì)算值為206 MPa，顯然理論公式計(jì)算欠準(zhǔn)確。若改為J55鋼級(jí)，計(jì)算值為103 MPa，該結(jié)果與206 MPa這一計(jì)算結(jié)果相差較大。這是因?yàn)橛?jì)算公式參數(shù)主要與內(nèi)層套管的鋼級(jí)和規(guī)格有關(guān)，當(dāng)內(nèi)層套管鋼級(jí)低、規(guī)格小，計(jì)算結(jié)果明顯偏低。可見，公式（1）具有一定局限性，使用過程中應(yīng)該注意內(nèi)層套管的鋼級(jí)及規(guī)格。

總之，雙層套管柱試驗(yàn)值證明了在居中且固井質(zhì)量良好的情況下，雙層管柱實(shí)際抗擠毀強(qiáng)度值遠(yuǎn)大于內(nèi)外層套管抗擠毀強(qiáng)度值之和。盡管理論計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)值相差較大，但可采用理論計(jì)算公式保守計(jì)算雙層管柱抗擠毀強(qiáng)度值。

3.3.2 等效壁厚的單層套管抗外擠性能

等效壁厚是指將水泥環(huán)看成套管本體，形成單層套管。采用公式（2）計(jì)算Φ177.80 mm×31.80 mm J55單層套管的抗擠毀強(qiáng)度值為127.7 MPa。目前國內(nèi)尚無該型號(hào)套管應(yīng)用案例，工廠尚無該型號(hào)套管試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以抗擠毀強(qiáng)度值僅以計(jì)算值為參考。該計(jì)算值與表4中的試樣1結(jié)果相當(dāng)，大于試樣3結(jié)果，但與試樣2結(jié)果相差較大，因此，僅可作為對(duì)比分析，工程設(shè)計(jì)可適度參考。由于公式（2）假定了物質(zhì)是均勻的，即由同一種材料組成，但雙層管柱涉及到了水泥環(huán)，不滿足這一條件?？傊剑?）的計(jì)算值偏于保守，可以作為工程設(shè)計(jì)參考。

4 結(jié) 語

（1）設(shè)計(jì)一種四開（一開Φ339.72 mm/二開Φ244.48 mm/三開Φ168.28 mm/四開Φ114.3 mm）管串結(jié)構(gòu)，在造斜點(diǎn)以下實(shí)現(xiàn)雙層套管，達(dá)到降低套管變形率的目的。

（2）居中度和固井質(zhì)量影響雙層管柱的抗擠毀性能，隨著居中度和固井質(zhì)量下降，套管抗擠毀性能顯著降低。

（3）內(nèi)層套管居中且固井質(zhì)量好的情況下，雙層管柱抗擠毀性能遠(yuǎn)大于內(nèi)外層套管抗擠毀性能之和。在現(xiàn)有設(shè)備能力條件下，實(shí)測(cè)值提高2.7倍，且套管不發(fā)生擠毀或變形。

（4）可采用理論計(jì)算公式近似估算雙層管柱的抗擠毀性能，但公式（1）隨內(nèi)外層套管規(guī)格和鋼級(jí)的降低，計(jì)算結(jié)果顯著小于試驗(yàn)值；內(nèi)外層套管規(guī)格相差不大且鋼級(jí)適當(dāng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確?？蓪㈦p層管柱簡(jiǎn)化為單層管柱，使用公式（2）進(jìn)行計(jì)算分析，其計(jì)算值與偏心雙層管柱試驗(yàn)值相當(dāng)。