防砂埋插入式分層壓裂管柱研究與應用

劉 鵬, 季菊香, 劉傳剛, 張云馳, 左 凱, 楊生文

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司, 天津 300452)

對于低滲致密砂巖儲層,壓裂是常用增產方式[1-2]。常規簡易壓裂管柱主要通過連接多個K344或Y344型封隔器,一趟管柱完成下入和壓裂,該管柱在外徑為?139.7 mm及以下套管內應用較成功[3-5]。對于溫度超過120 ℃且油層套管外徑為?244.5 mm的生產井,可選擇Y344型壓縮式封隔器或具有鋼帶結構的擴張式封隔器,但市場上無耐溫120 ℃以上且適合外徑為?244.5 mm套管的鋼絲式K344型封隔器[6-9]。由于壓縮式封隔器和具有鋼帶結構的K344型封隔器膠筒在解封后仍有較大殘余變形,與套管內壁間隙僅有1～4 mm,且投球滑套與封隔器之間環空段由于無法沖洗,封隔器易出現砂卡[10-12];另一方面,由于外徑為?244.5 mm的套管井內射孔段較長,壓裂過程中2個封隔器之間管柱因受到的三軸應力較大易變形失效。海上某油田在套管外徑為?244.5 mm的井內進行壓裂,有3口井中壓裂管柱連接壓縮式封隔器數超過2個,壓裂后全部出現砂卡。

鑒于上述問題,對常規壓裂管柱進行改進,通過WELLCAT軟件模擬和管柱優化,優選出適合套管外徑為?244.5 mm的壓裂管柱和施工參數,并成功應用。

1 技術分析

1.1 管柱結構

以3層壓裂為例,海上防砂埋插入式分層壓裂管柱包括下層和中層的懸掛丟手管柱和上層的插入管柱。下層懸掛丟手管柱主要包括具有密封筒的Y445型封隔器;中層懸掛丟手管柱主要包括具有密封筒的Y445型封隔器和定位密封;上層插入管柱包括定位密封、投球噴砂滑套和Y344型封隔器、水力錨和安全接頭。該管柱解決了常規壓裂管柱的封隔器串接卡鉆問題,與常規管柱對比如圖1所示。

1.2 工藝原理

1) 壓裂管柱下入。分3趟下入,第1趟通過鉆桿下入帶有密封筒的Y445型封隔器,投球加壓坐封、驗封封隔器,右旋丟手Y445型封隔器,起出封隔器上面的鉆桿及坐封機構;接著通過鉆桿下入中層的懸掛丟手管柱,并將定位密封插入下面已坐封的Y445型封隔器密封筒內;最后下入第3趟帶有定位密封、投球噴砂滑套、Y344型封隔器和節流管的壓裂插入管柱,定位密封插入第2次下入的Y445型封隔器工作筒內。

2) 下層壓裂作業。向壓裂管柱內注入前置液,由節流管實現Y344型封隔器坐封,接著注入攜砂液和頂替液,完成最下層壓裂作業。

3) 中層壓裂作業。投可溶球打開一級噴砂滑套,注入前置液、攜砂液和頂替液完成中層壓裂作業。

4) 上層壓裂作業。投可溶球打開二級噴砂滑套,完成最上層壓裂作業。

1.3 技術特點

1) 該管柱工藝適用于井底溫度超過120 ℃,套管外徑為?244.5 mm的大套管井,具有更高的井口限壓值。

2) 該管柱工藝避免了常規壓裂管柱壓縮式封隔器串連,最大限度減少壓裂管柱的卡鉆事故。

3) 該管柱最下層采用Y445型封隔器,壓裂后既可通過下入專用工具解封封隔器,也可作為永久的留井式封隔器,不影響后期防砂和生產。

圖1 常規壓裂管柱和新壓裂管柱組成

2 壓裂管柱力學分析

某井深約2 700 m,分2層壓裂,封隔器設計深度分別為2 428 m和2 468 m。常規壓裂管柱構成:引鞋+Y344型封隔器+投球滑套+外徑為?88.9 mm的N80油管+Y344型封隔器+水力錨+外徑為?88.9 mm的N80油管;新壓裂管柱構成:引鞋+Y445型封隔器(內徑為114.3mm密封筒)+外徑為?114.3 mm定位密封+投球滑套+外徑為?88.9 mm的N80油管+Y344封隔器+水力錨+外徑為?88.9 mm的N80油管。壓裂施工最大排量4 m3/min,井底溫度126 ℃,壓裂液降阻率65%,每層壓裂時間90 min。

2.1 井口限壓值計算

井口施工限壓值須滿足2個條件:

1) 在該限壓值和某特定排量下,目標壓裂深度處的壓力高于地層裂縫延伸壓力,順利壓開地層。

2) 壓裂管柱的抗拉、抗壓、抗內壓、抗外擠及三軸應力的安全系數滿足行業標準。抗拉和抗壓安全系數>1.5,三軸應力安全系數>1.15,抗內壓安全系數>1.125,抗外擠安全系數>1.1。[13-14]

圖2是新壓裂管柱和常規壓裂管柱在井口壓力為53 MPa,排量為4 m3/min時的綜合力學圖[15]。對于新壓裂管柱,管柱的上述力學參數的安全系數均滿足行業標準,常規壓裂管柱由于最下面封隔器受到的活塞上頂力較大,且傳遞給上面管柱,整體管柱安全系數離標準值相差較大。將井口施工壓力值降低,當降至36 MPa時,常規壓裂管柱的各項安全系數可滿足要求。由此可見新壓裂管柱可明顯提高井口限壓值。

圖2 管柱綜合力學參數(53 MPa-4 m3/min)

2.2 壓裂管柱選擇

圖3是新壓裂管柱在壓力為53 MPa,排量為4 m3/min,環空背壓10 MPa,油管外徑為?88.9 mm,鋼級為N80時,壓裂管柱全井段三軸應力安全系數分布情況。對比發現2個封隔器之間管柱的安全系數明顯低于其他部位。為使三軸應力安全系數能在全井段內均勻分布和增加施工限壓,推薦壓裂管柱外徑為?114.3 mm,2個封隔器之間的油管鋼級為P110,Y344型封隔器以上的油管鋼級仍為N80,Y445型封隔器內密封筒內徑為?114.3 mm,得到的階梯施工壓力如表1。

圖3 外徑為88.9 mm的壓裂管柱全井段三軸應力安全系數分布(53 MPa)

表1 推薦管柱在不同排量下的階梯施工壓力

3.4 管柱及封隔器受力分析

當井口施工壓力為60 MPa,排量為4 m3/min,環空背壓10 MPa,管柱參數按照上述推薦值,用WELLCAT軟件模擬后結果如下。

1) 三軸應力分析。

三軸應力安全系數在全井段較均勻,如圖4,油管強度得到充分運用。

2) 管柱伸長計算。

管柱伸長如表2。Y344型封隔器以上的2 428 m管柱在溫度效應和鼓脹效應下分別收縮1.327 m和1.029 m,2個封隔器之間的40 m管柱在螺旋彎曲效應、溫度效應、鼓脹效應和上頂力作用下共收縮0.094 m,為防止定位密封因收縮脫離工作筒,需在壓裂過程中盡快增加排量,張開水力錨。

圖4 全井段三軸應力安全系數分布(60 MPa)

表2 管柱伸長數據

3) 封隔器受力分析。

最下層壓裂時,由于管柱收縮,水力錨上面管柱受到拉力作用,定位密封受到上頂力,兩封隔器之間的管柱受到壓縮,WELLCAT軟件模擬后兩封隔器上下管柱軸向力和對套管的力如表3所示。 Y344型封隔器上面管柱受到拉力為426 kN,下面管柱受到上頂力為170.9 kN,水力錨和Y344型封隔器受到油管向上合力為596.9 kN,Y344型封隔器膠筒受到環空上頂力為312.2 kN,該力傳遞給水力錨,水力錨承受的上頂力為312.2 kN。Y445型封隔器與內部穿過的定位密封可相對移動,如忽略摩擦力,則定位密封上下管柱受力均為178.5 kN,Y445型封隔器受下面液壓上頂力為1 459.9 kN,定位密封外徑越大,Y445型封隔器受到向上合力越大。

表3 壓裂過程2個封隔器受力情況

4 現場應用

某井深3 202 m,油藏套管外徑為?244.5 mm,儲層屬于中低孔、特低滲儲層,地層裂縫延伸壓力約40 MPa,儲層物性差,近井筒地帶存在污染,壓裂前產液15.3 m3/d。下入第1趟管柱(從下到上): Y445型封隔器+內徑為?152.4 mm的密封筒+封隔器坐封裝置+?88.9 mm(3.5英寸)鉆桿,投鋼打液壓22 MPa坐封Y445型封隔器,右旋丟手Y445型封隔器。接著下入第2趟管柱(從下到上):外徑為?152.4 mm的定位密封+內徑為?30 mm的節流管+投球噴砂滑套+外徑為?88.9 mm的P110油管+Y344型封隔器+水力錨+安全接頭+外徑為?88.9 mm的 N80油管,將定位密封插入井底Y445型封隔器上方的密封筒內。接著進行最下層壓裂,通過WELLCAT軟件模擬,當排量為4 m3/min時,井口最高安全施工壓力約為51 MPa,實際施工過程中,最高壓力46 MPa,最高砂比29%,加砂40 m3。投入外徑為?42 mm可溶球,壓差為14 MPa時打開投球滑套,進行第2層壓裂,最高壓力44 MPa,最高排量為4 m3/min,最高砂比29%,加砂35 m3。壓裂后壓裂插入管柱在過提約200 kN時提出工作筒,如2個Y344型封隔器串接,則上提力將超過設備極限。壓裂后增產倍數為3.6,達到預期效果。

5 結論

1) 防砂埋插入式分層壓裂管柱避免2個壓縮式封隔器串接,通過定位密封插入Y445型封隔器內密封筒的方式降低壓裂后管柱的上提力,減少管柱砂卡風險。

2) 防砂埋插入式分層壓裂管柱相比常規壓裂管柱具有更高的井口限壓值,施工時可根據施工排量階梯性選擇井口最高施工壓力。

3) 外徑為?244.5 mm套管井優選外徑為?114.3 mm的油管,2個封隔器之間的油管鋼級需高于封隔器上面油管的鋼級,以均衡油管在全井深度上的三軸應力安全系數。

4) Y344型封隔器以上管柱的收縮量遠大于2個封隔器之間的管柱,為防止定位密封脫離工作筒,需盡快增加排量,使力水錨張開。