煤系氣壓裂排采一體化技術研究*

□ 張 健 □ 余焱群

1.中聯煤層氣有限責任公司 北京 1000252.中國石油大學(華東) 機電工程學院 山東青島 266580

1 研究背景

隨著全球開展非常規天然氣的開發,煤系氣成為國內非常規能源發展的重點[1-2]。煤系氣指以煤為烴源巖的天然氣,主要包括煤層氣、煤系致密砂巖氣、煤系頁巖氣。現有地質研究表明,我國的煤層氣資源豐富,地質資源量大于49.06×1012m3,具有廣闊的勘探開發和產業化發展前景[3-4]。

煤系氣具有埋藏較淺或中等埋深、滲透率較低、儲層疊置等特點,儲存特性決定了煤系氣的產量一般較低、壓力也較低,因此,依靠氣井自身能量不能實現壓裂液的返排[5]。另外,煤層氣需要排水降壓解吸生產,壓裂后下入生產管柱來保證煤層氣的連續穩產[6]。而致密氣維持高產期的時間較短[7-8],且儲層伴有產水,一般2～4個月后需要下泵人工舉升排水采氣。煤系氣開采時,經歷壓裂、關井憋壓、提液返排、下管生產等作業過程,壓井作業對儲層傷害嚴重,會使致密氣產量驟降35%～60%,并且增加作業量。可見,針對目前煤系氣的生產工藝,減小對儲層的傷害,降低生產作業成本,具有重要的工程意義。

2 壓裂排采一體化工藝

根據煤系氣地層特征與產氣特點,筆者設計了基于滑套封堵的煤系氣壓裂排采一體化工藝。

壓裂作業完成后,需要設計關鍵結構壓裂滑套,關閉噴砂口,實現壓裂管柱用于常規生產管柱的工藝效果。基于滑套封堵的煤系氣壓裂排采一體化工藝主要包括壓裂流程、滑套作業流程、煤系氣井口安裝流程、下泵流程、煤系氣生產流程等。煤系氣壓裂排采一體化工藝流程如圖1所示。

3 壓裂排采一體化管柱

煤系氣壓裂排采一體化管柱整體結構主要由井口裝置和井下裝置兩部分組成,如圖2所示。

井口裝置為煤層氣井口采油樹,主要包括井口四通、油管頭總成、光桿密封器、井口閥總成等。井口四通與油管、套管環空相通,作為煤系氣井的出氣通道。

井下裝置與常規有桿泵排采結構的區別主要在于游動閥與固定閥之間設計了壓裂滑套結構,實現了壓裂端口由通暢到封堵的轉換。

▲圖1 煤系氣壓裂排采一體化工藝流程

4 壓裂滑套結構

壓裂滑套是煤系氣壓裂排采一體化管柱中的關鍵部件,壓裂時提供通道,壓裂后封堵噴砂口,滿足壓裂、返排、生產的作業要求。

壓裂滑套主要由滑套本體、密封圈、內滑套、球座等部件組成。壓裂滑套結構如圖3所示。

壓裂滑套安裝在固定閥上方,隨泵筒入井。初始狀態時,內滑套在滑套本體內處于上位,壓裂端口通暢,開展壓裂作業。壓裂后,從井口向油管內投擲密封球,密封球坐封球座,井口輸入壓力液,剪斷限位銷,球座推動內滑套下行,內滑套下行至下接頭位置卡死,關閉噴砂口。密封球的材料為鋁鎂合金,密度為1.8～1.85 g/cm3,承壓強度為83 MPa。密封球具有可溶性,溶解液為3%氯化鉀溶液,投球加壓時間為2～3 h,壓裂時間為2～3 h。溶解時間可控,溶解后壓裂管柱轉換為生產管柱。試驗井為φ140 mm井筒,壓裂滑套結構性能參數見表1。

▲圖2 煤系氣壓裂排采一體化管柱整體結構

▲圖3 壓裂滑套結構

表1 壓裂滑套結構性能參數

5 密封球受力分析

壓裂作業完成后,從井口向油管內投擲密封球,密封球坐封球座,順利下行剪斷限位銷。建立密封球與球座的簡化模型,密封球受力分析如圖4所示。

密封球密封條件為:

▲圖4 密封球受力分析

Pπr2=N+2F(sinα+μcosα)

(1)

式中:P為密封球上方壓力;r為球座與密封球接觸處內徑;N為密封球下方綜合作用力;F為密封球與球座接觸點法向正壓力;μ為摩擦因數;α為密封球接觸面錐角。

壓裂滑套通過密封球坐封,實現密封球上下通道封隔。通過赫茲接觸面間壓力公式進行分析[9-10],接觸點法向正壓力F為:

(2)

密封球與密封球座之間的最大接觸長度a為:

(3)

式中:k1為密封球與材料彈性模量、泊松比有關的常數;k2為球座與材料彈性模量、泊松比有關的常數;r1為密封球半徑;r2為球座接觸面半徑。

忽略密封球重力,只考慮密封球所承受的壓力,最大接觸長度amax可表示為:

(4)

式中:E1為密封球材料彈性模量;E2為球座材料彈性模量。

密封球與球座間的最大接觸壓力為σmax:

(5)

通過式(4)、式(5),得到接觸長度與最大接觸壓力之間的關系為:

(6)

按照煤層氣的現場測試井相關數據,得出井口加壓11.62 MPa為壓裂滑套的下滑條件。在20.35 MPa外壓15 MPa內壓的壓裂工況下,壓裂滑套結構應用良好。

基于上述研究,按照圖3和表1制造的壓裂滑套樣機如圖5所示。經過現場試驗表明,這一壓裂滑套能夠實現壓裂、返排、生產一體化作業要求。

▲圖5 壓裂滑套樣機

6 結束語

筆者對煤系氣壓裂排采一體化技術進行了研究,提出了基于滑套封堵的煤系氣壓裂排采一體化技術,實現了壓裂、返排、生產的一體化作業。在研究中,建立了密封球和球座的力學模型,分析得到了壓裂密封條件,確認所設計的壓裂滑套結構能夠滿足現場生產施工要求。