頁巖氣井雙層管柱的設計與開發

2021-11-30 05:13:02張哲平吳永超吳亮亮周家祥黃勇智

鋼管 2021年4期

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）

頁巖氣開發成為非常規油氣開發的重要領域，目前頁巖氣開發主要采用水平井和大規模體積壓裂技術實現頁巖氣的工業開采，隨之而來的問題是生產套管產生不同程度的變形，套管變形阻礙壓裂作業工具通過，被迫采用小直徑射孔槍及橋塞工具，嚴重的甚至導致生產管柱丟失壓裂段，進而影響地層體積壓裂改造效果和單井產氣量。國內專家學者對套管的變形形態和機制做了大量研究，認為套管變形主要是地層滑移導致的套管被擠扁［1-6］，致使無法進行后續壓裂作業。部分研究成果認為控制壓裂規模和使用更高強度的套管可抑制套管變形［7-11］，但會降低產氣量，增加生產成本。20世紀90年代初，中原油田和華北油田曾使用過雙層套管，但當時采用的是工廠預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，設計一種雙層管柱以提高抗外載能力。

1 雙層管柱設計方案

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

常規頁巖氣井深結構主要為一開Φ339.72 mm/二開Φ244.48 mm/三開Φ139.70 mm，生產套管一般為TP125SGΦ139.70 mm×12.70 mm TP-G2 HC，生產管柱為全井段應用，造斜點以下與地層采用水泥膠結方式固井完成，如圖1所示。該井深結構特點是成熟穩定、配套工具齊全，但在壓裂過程中經常發生套管變形。

圖1 四川某井井深結構示意

以往使用的雙層管柱主要采用工廠預制成型模式，如中原油田衛281井，預制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雙層管柱結構設計為一開Φ339.72 mm/二開Φ244.48 mm/三開Φ168.28 mm/四開Φ114.3 mm，該結構相對常規結構增加一層套管，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，以達到降重量和降成本的目的，由于三開技術套管為Φ168.28 mm×13.40/10.59 mm套管，四開生產套管采用Φ114.3 mm×9.65 mm規格套管，四開生產套管掛于造斜點以上300 m處，雙層管柱井深結構如圖2所示。

圖2 Φ168.28/114.3 mm雙層管柱井深結構示意

2 雙層管柱抗擠毀試驗研究

2.1 居中度對雙層管柱抗擠毀性能的影響

雙層管柱由內層套管、外層套管及中間水泥環組成。為模擬實際工況，試驗制備居中和偏心兩種雙層管柱，研究不同居中度對抗擠毀性能的影響。試驗過程中，按照設備最大能力施加外壓載荷，居中雙層管柱的外擠試驗值達到221 MPa，遠大于內層和外層套管擠毀值之和，試驗后樣管完好，未發生變形，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薄弱處發生擠毀，如圖5～6所示。試驗表明，內外層套管的居中度對雙層管柱的擠毀值有顯著影響。而有關報道認為內層套管偏心對雙層套管抗擠毀性能無影響［15］，顯然，通過本試驗結果，證明了這種說法是錯誤的。

圖3 居中雙層管柱試驗中

圖4 居中管柱試驗加載曲線

圖5 偏心管柱擠毀形貌

2.2 固井質量對雙層管柱抗擠毀性能的影響

圖6 偏心管柱試驗加載曲線

由于實際固井質量不可能像實驗室這么理想，因此，考慮到竄槽等因素，以樣管環空填入長方形泡沫來模擬該工況。試驗過程中將設備打到最大能力，當壓力達到83.8 MPa，樣管發生擠毀，擠毀值大于內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，固井質量對雙層管柱擠毀值帶來顯著影響。

3 分析與討論

3.1 雙層管柱管串結構設計的可行性

這里的雙層管柱結構不同于事先預制好的雙層管柱，地面預制好雙層管柱由于存在下入困難等情況，本案雙層管柱的實現方式為分開次下入，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技術套管。在造斜點上方懸掛Φ114.3 mm技術套管，生產管柱垂直段為Φ168.28 mm×13.40 mm單層套管，生產管柱水平段為雙層管柱Φ168.28/114.3 mm。

3.2 安全系數校核及環空間隙

三開及四開套管的使用性能參數見表1，內層、外層套管復合后的雙層套管使用性能見表2，根據前面的研究結果，雙層套管的抗擠毀性能至少為內外層套管擠毀值之和，即取二者之和。由于Φ114.3 mm×9.65 mm生產套管為小接箍套管，接頭內壓效率低，考慮到內壓和外壓只是受力方向的不同，由外壓試驗結果可知雙層管柱的抗內壓能力也應為內外層套管內壓之和，設計值取外層套管抗內壓值。

表1 Φ168.28/114.3 mm雙層管柱用套管規格及使用性能

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，地層壓力系數取2.0，全掏空條件下地層壓力為63 MPa。套管安全系數計算見表2，最大安全系數為3.65，該數值為保守計算最小數值，在固井質量好的條件下，安全系數更大，對于目前地層滑移量在25 mm以內的情況下，雙層管柱設計可以降低套管變形量及變形幾率。

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

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

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研究結果見表4。從表4可以看出：外層和內層套管的抗擠毀強度值分別為33.5 MPa和49.5 MPa，居中和偏心及預制缺欠后的雙層管柱抗擠毀強度分別為221 MPa和138 MPa及84 MPa。試驗結果表明：取極端固井質量不好情況，雙層套管的抗擠毀強度值可取內外層套管之和。

表4 雙層管柱的抗外擠毀性能試驗結果

3.3.1 雙層管柱抗外擠性能計算

假設材料是各向同性材料，采用彈性力學理論推導套管內外表面及套管與水泥環界面的壓力，詳細推導過程［16］不再贅述。

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

內層套管內表面上的抗擠毀強度PCO為：

式中K——壓力傳遞系數；

D，t——內層套管直徑、壁厚，mm；

σy——內層套管屈服強度，MPa；

f——與彈性模量、泊松比、壁厚有關的量；

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——內層套管內、外半徑，mm；

r3，r4——外層套管內、外半徑，mm。

采用公式（1）計算雙層管柱的抗擠毀強度，計算值為76 MPa，理論計算值與內、外層套管抗擠毀強度值之和相當，說明采用理論計算雙層套管抗擠毀強度值是可行的，與此同時也應該注意到計算值與試驗值相差甚大，這與文獻［17］報道不一致，文獻［17］介紹的雙層管柱外層套管Φ193.68 mm×12.70 mm，內層套管Φ139.7 mm×10.54 mm P110鋼級，抗擠毀強度計算值為206 MPa，顯然理論公式計算欠準確。若改為J55鋼級，計算值為103 MPa，該結果與206 MPa這一計算結果相差較大。這是因為計算公式參數主要與內層套管的鋼級和規格有關，當內層套管鋼級低、規格小，計算結果明顯偏低。可見，公式（1）具有一定局限性，使用過程中應該注意內層套管的鋼級及規格。

總之，雙層套管柱試驗值證明了在居中且固井質量良好的情況下，雙層管柱實際抗擠毀強度值遠大于內外層套管抗擠毀強度值之和。盡管理論計算公式計算結果與實際試驗值相差較大，但可采用理論計算公式保守計算雙層管柱抗擠毀強度值。

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看成套管本體，形成單層套管。采用公式（2）計算Φ177.80 mm×31.80 mm J55單層套管的抗擠毀強度值為127.7 MPa。目前國內尚無該型號套管應用案例，工廠尚無該型號套管試驗數據，所以抗擠毀強度值僅以計算值為參考。該計算值與表4中的試樣1結果相當，大于試樣3結果，但與試樣2結果相差較大，因此，僅可作為對比分析，工程設計可適度參考。由于公式（2）假定了物質是均勻的，即由同一種材料組成，但雙層管柱涉及到了水泥環，不滿足這一條件。總之，公式（2）的計算值偏于保守，可以作為工程設計參考。