上翹井中可溶橋塞泵送流量和驅(qū)動(dòng)力仿真分析

楊小城， 鄢 標(biāo)

(四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州 434024)

目前，我國油氣資源已進(jìn)入常規(guī)和非常規(guī)并重的開發(fā)階段，非常規(guī)油氣占全國累計(jì)探明油氣儲(chǔ)量的41%，非常規(guī)油氣產(chǎn)量占油氣總產(chǎn)量的20%。為進(jìn)一步促進(jìn)原油穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，突破資源接替、技術(shù)創(chuàng)新和降低成本等多重難題，需要在頁巖氣、頁巖油等新的資源接續(xù)領(lǐng)域?qū)で髴?zhàn)略突破。截止2021-10-08，涪陵國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)累計(jì)生產(chǎn)頁巖氣突破400億m3。吉木薩爾被批準(zhǔn)為國家級(jí)頁巖油示范區(qū)，完鉆水平井101口，投產(chǎn)水平井90口，該油田2021年頁巖油全年產(chǎn)量42.6萬t。針對(duì)頁巖氣、頁巖油的多級(jí)、大規(guī)模體積壓裂改造需求，普遍采用泵送可溶橋塞-射孔聯(lián)作分段壓裂完井技術(shù)[1-3]。

本文分析了可溶橋塞泵送過程中流量與電纜張力的關(guān)系[4]，確保橋塞泵送過程和坐封時(shí)的安全可靠，為現(xiàn)場(chǎng)使用提供技術(shù)支撐。

1 水平井泵送橋塞管柱及參數(shù)

1.1 管柱組成及泵送工藝原理

水平井泵送橋塞管柱包括磁定位器、射孔槍、坐封工具和可溶橋塞，如圖1所示。整個(gè)管柱在直井段是由管柱自重力驅(qū)動(dòng)并下移。當(dāng)管柱快行進(jìn)入水平段時(shí)，由地面泵車提供液體流量，推動(dòng)管柱移動(dòng)。管柱中可溶橋塞的外徑尺寸最大，因此泵送過程中主要是通過橋塞外徑與套管內(nèi)徑的間隙節(jié)流形成壓差，推動(dòng)管柱運(yùn)動(dòng)。

圖1 泵送橋塞管柱組成

1.2 可溶橋塞工作原理

圖2是可溶橋塞結(jié)構(gòu)圖?？扇軜蛉鸞5-7]泵送到指定層位后，通過電纜點(diǎn)火，坐封工具一邊拉住拉桿，另一邊產(chǎn)生相對(duì)推力，并推動(dòng)中心管向右移動(dòng)，同時(shí)擠壓膠筒、卡瓦，使膠筒膨脹并密封套管內(nèi)徑。同時(shí)，卡瓦張開，錨定住套管內(nèi)壁。當(dāng)坐封工具的推力達(dá)到橋塞丟手力時(shí)，拉桿與引鞋的連接螺紋被拉斷，實(shí)現(xiàn)橋塞坐封丟手。電纜工具上提，并對(duì)橋塞上端層位進(jìn)行射孔作業(yè)，射孔后電纜工具取出井口。從井口投入可溶球，通過液體泵送，可溶球最終與中心管的內(nèi)錐面形成單向密封。此時(shí)，可以進(jìn)行地層的壓裂施工作業(yè)。壓裂作業(yè)結(jié)束后，可溶橋塞與地層礦物質(zhì)反應(yīng)，被完全溶解。

1-拉桿；2-中心管；3-膠筒；4-背圈；5-錐體；6-卡瓦；7-引鞋；8-套管。

1.3 技術(shù)參數(shù)

本文以涪陵頁巖氣區(qū)井況參數(shù)為例進(jìn)行介紹，主要技術(shù)參數(shù)：

套管內(nèi)徑 115 mm

可溶橋塞外徑 103 mm

可溶橋塞內(nèi)徑 38.1 mm

電纜最大張力 15 kN

泵送介質(zhì) 清水

2 水平井泵送橋塞仿真分析

基于Fluent有限仿真軟件，對(duì)可溶橋塞泵送過程進(jìn)行流體分析[8]。對(duì)可溶橋塞的模型進(jìn)行簡化，液體經(jīng)過橋塞外徑與套管內(nèi)徑的環(huán)空間隙，以及橋塞內(nèi)徑與拉桿外徑的環(huán)空間隙，通過這2處間隙產(chǎn)生的節(jié)流壓差推動(dòng)橋塞在水平井中移動(dòng)[9]。

2.1 水井段泵送驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)泵送流量，水平井流量分別選用1、2、3、4、5 m3/min。在泵送過程中橋塞外徑與套管內(nèi)徑的環(huán)空相對(duì)較大，從圖3知，流體大部分是從橋塞外部流過。從圖4速度云圖中可以看出，盡管橋塞內(nèi)部也有通道，但是通道相對(duì)較小，內(nèi)部流速相對(duì)較慢。圖5是橋塞的應(yīng)力云圖，通過圖5分析，橋塞的強(qiáng)度滿足使用要求。

圖3 流量為2 m3/min時(shí)的流線圖

圖4 流量為2 m3/min時(shí)的速度云圖

圖5 流量為2 m3/min時(shí)的應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果如表1所示，隨著流量的增加，流速增加，驅(qū)動(dòng)力值也逐漸增加。從圖6可以看出，隨著流量的等值增加，驅(qū)動(dòng)力成指數(shù)式增加。

表1 泵送流量與驅(qū)動(dòng)力關(guān)系

圖6 水平井泵送流量與驅(qū)動(dòng)力曲線

2.2 橋塞卡瓦受力分析

橋塞是由各個(gè)部件組成的，在橋塞泵送過程中每個(gè)零件承壓的壓差也不相同，如圖7所示，橋塞泵送過程中最為關(guān)鍵的是要計(jì)算卡瓦的安全性。通過仿真計(jì)算出橋塞中心管和膠筒兩端的應(yīng)力，轉(zhuǎn)化為中心管產(chǎn)生的軸向力，當(dāng)軸向力大于卡瓦的破裂力40 000 N時(shí)，卡瓦破裂導(dǎo)致橋塞提前坐封。因此，為了橋塞的安全下入，需要計(jì)算橋塞的耐沖性能。通過提取不同流量下流體對(duì)橋塞中心管和膠筒前后的壓力云圖，計(jì)算出壓力差(p1-p2)，再根據(jù)中心管的截面積A,即可計(jì)算出橋塞中心管產(chǎn)生的軸向力。

圖7 橋塞泵送壓差示意圖

計(jì)算結(jié)果如表2的所示,即便是采用5 m3/min流量,產(chǎn)生的軸向力是4 769 N,也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于卡瓦破裂力值40 000 N的。因此，該橋塞在5 m3/min流量以內(nèi)泵送都是安全的。

表2 泵送流量對(duì)中心管產(chǎn)生的軸向力

2.3 上翹井段泵送驅(qū)動(dòng)力與井斜角度關(guān)系

泵送橋塞管柱包含橋塞、坐封工具、射孔槍等。以六簇射孔槍管柱為例，整個(gè)管柱的自重力W約為5 kN。橋塞泵送時(shí)電纜需要保持一定的張力，電纜的張力Fz為1 000 N。通過電纜的張力Fz后、流量產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力Fq驅(qū)與井斜角α之間的關(guān)系，可以計(jì)算流量與最大井斜角的關(guān)系。受力分析如圖8所示。

圖8 橋塞在上翹井中受力分析圖

計(jì)算結(jié)果如表3所示，流量為1～5 m3/min。當(dāng)流量為1 m3/min時(shí)，驅(qū)動(dòng)力不足以克服管柱自重力和電纜張力，只能在水平井90°泵送。當(dāng)流量為3 m3/min時(shí)，最大井斜角可以達(dá)到112.9°。當(dāng)流量超過5 m3/min時(shí)，最大井斜角理論上是可以達(dá)到180°?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)還要考慮管柱與井筒的摩擦力、電纜張力、井斜段長度、電纜自重力的影響。

表3 井斜角與驅(qū)動(dòng)力計(jì)算數(shù)據(jù)

3 上翹井中流量與電纜張力仿真分析

在上翹井泵送橋塞時(shí)，當(dāng)橋塞到達(dá)指定位置后地面停泵，沒有流量產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，橋塞在自重力的作用下會(huì)向下滑動(dòng)，最終導(dǎo)致橋塞不能坐封到指定層位。因此，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)針對(duì)上翹井泵送橋塞，通常采用在小流量泵送的過程中同步坐封橋塞。但是，橋塞在坐封套管瞬間，只有橋塞內(nèi)徑與拉桿之間的狹小流道，此時(shí)產(chǎn)生的節(jié)流壓差較大，如果卡瓦沒有錨定好，會(huì)導(dǎo)致電纜拉斷的事故。因此需要對(duì)上翹井中具有流量條件下橋塞的坐封過程進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)需要采用小流量泵送，計(jì)算流量選為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 m3/min?？紤]到電纜的自重力和安全系數(shù)，電纜作用于工具串的張力不能大于額定張力的50%，即7 350 N。同時(shí)考慮到井斜角的影響，本例選用井斜角110°進(jìn)行計(jì)算。圖9所示的流線圖顯示流體全部從橋塞內(nèi)徑與拉桿外徑的間隙中流出，此時(shí)環(huán)空間隙較小，產(chǎn)生的節(jié)流壓差較大，如圖10所示，主要壓差集中在橋塞內(nèi)部球座處。

圖9 流量為0.25 m3/min時(shí)的流線圖

圖10 流量為0.25 m3/min時(shí)的應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果如表4所示，橋塞在井斜角為110°時(shí)，當(dāng)流量為0.25 m3/min時(shí)，驅(qū)動(dòng)力不夠，在管柱自重力的作用下會(huì)下滑，導(dǎo)致射孔槍無法達(dá)到指定層位。當(dāng)流量達(dá)到1 m3/min時(shí)，電纜張力達(dá)到10 116 N，超過電纜額定張力15 kN的68%，電纜有拉斷的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)流量達(dá)到1.25 m3/min時(shí)，電纜就會(huì)被拉斷，造成工具落井事故。因此，在有流量的條件下坐封橋塞，流量應(yīng)不大于0.75 m3/min。

表4 橋塞在上翹井坐封瞬間的安全電纜張力值

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該可溶橋塞在位于重慶地區(qū)的焦頁××井進(jìn)行了全井使用。該井完鉆井深4 490 m，分21段壓裂施工，井溫103 ℃，最大井斜108.6°，屬于上翹井，如圖11所示。該橋塞酸化壓裂施工作業(yè)坐封位置位于最大井斜處，需要在有流量的條件下點(diǎn)火坐封橋塞，橋塞入井過程中泵送流量3 m3/min，到達(dá)坐封位置時(shí)將流量減小為0.5 m3/min，順利完成橋塞的坐封丟手。

圖11 井眼軌跡

5 結(jié)論

1) 橋塞的泵送流量越大，對(duì)橋塞的驅(qū)動(dòng)力就越大，對(duì)電纜的抗拉強(qiáng)度要求就越高。因此，要根據(jù)井深、工具串自重力和上翹井斜角度等優(yōu)選電纜型號(hào)及排送流量。

2) 為了確保上翹井中橋塞泵送的安全性，選擇可溶橋塞時(shí)，要求橋塞的內(nèi)部通徑盡量大，減少橋塞坐封時(shí)的節(jié)流壓差。

3) 通過流體仿真分析，可以分析橋塞中卡瓦的受力，避免卡瓦破裂，保證橋塞安全入井。