桥塞与套管间隙对泵送桥塞影响分析及实践

陈锋, 李奔驰, 唐凯, 马峰

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司, 重庆 400021;2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081)

0 引 言

随着页岩气等非常规油气田勘探开发力度不断加大,新兴的泵送桥塞分簇射孔工艺技术在国内外各大油气田得到了广泛应用并取得很好的效果[1-3]。该技术是利用水力泵送的方式将电缆传输射孔器和快钻复合桥塞一次下井输送至目的层位,完成桥塞坐封后上提电缆,使射孔器对准射孔层位进行点火射孔,依次完成多级点火射孔作业[3],能够为储层分段改造创造条件。泵送时的排量参数控制是技术关键之一。通过在不同井深设置合理的排量参数,可以防止管串遇阻、掉枪等事故的发生。泵送桥塞分簇射孔施工现场发生的工程复杂情况其中一部分就是因泵送排量设置不合理而引起。以重庆涪陵某页岩气区块为例,2015年1—7月总计发生37井次工程复杂情况,其中在泵送环节发生3井次工具串落井和2井次中途遇阻,占总工程复杂情况的13.5%,由于对于泵送排量参数的准确控制技术还不成熟,现场施工多以经验数据指导作业。因此,有必要从理论上对泵送射孔排量参数进行深入研究。

泵送射孔排量参数研究主要应用理论公式建模求解,得到影响排量的一系列因素。现有的文献都没有考虑套管与桥塞间隙对排量的影响[4-5]。实际施工过程中众多数据表明,桥塞与套管的间隙对于排量的设置影响非常大。本文应用ANSYS Workbench对分簇射孔施工管串建立有限元模型,并使用流体结构耦合分析功能对影响液体冲击力大小的泵送排量及套管与桥塞间隙、桥塞长度等因素进行仿真分析,得到泵送排量、套管与桥塞间隙、桥塞长度与液体冲击力的关系。

1 理论建模

流体结构耦合问题是流体力学与固体力学交叉而形成的一门力学分支,它是研究固体变形在流场作用下的各种行为和固体形变对流场的影响以及这二者相互作用的一门科学。固体在流体载荷作用下会产生变形或运动,变形或运动反过来又影响流动,从而改变流场内载荷的分布和大小[6]。

ANSYS Workbench集成了流体分析软件FLU-ENT及结构分析软件Mechanical,使得流体力学和固体力学之间的联合成为可能。在ANSYS Workbench环境下的流体结构耦合问题实际上是流场与固定变形场之间的互相作用。场间不相互重叠与渗透,其耦合作用通过界面力起作用。这其中就涉及到压力、温度和传递换热系数等3种数据的交换。ANSYS Workbench环境下不同分析软件的数据交换非常方便,将FLUENT计算得到的相对应面流体数据导入Mechanical结构中并进行加载,即能计算流体对结构所产生的作用。

考虑到大部分水平井分簇射孔使用的是89型分簇射孔枪在5in*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管(内径为114.3 mm)内施工,本文主要研究89型分簇射孔枪及配套工具形成的管串在泵送流体作用下受到的流体冲击力。管串尺寸数据见表1。

表1 下井管串尺寸

2 仿真过程

对分簇射孔管串及管串和套管之间的流域进行3D建模并将模型保存为Parasolid格式;将模型数据导入ANSYS Workbench的DesignModeler模块;将管串属性选为Solid,管串和套管间的流域属性选为Fluid;在Meshing模块下对流域进行网格划分,并且对流体入口、出口、流域外表面及流固几何交界面分别进行命名。把网格数据导入FLUENT,在Viscous Models中选择K-epsilon模型,在Materials中添加清水材料;在Cell Zone Conditions中将流域的几何属性设为fluid并将材料设置为清水。在Boundary Conditions中为流体入口设置mass-flow-inlet类型,并设置Mass Flow Rate(每秒流体质量),方向沿入口面法向。流体出口设置为pressure-out压力释放类型,流域外表面和流固几何交界面设置为Wall类型。设置Solution Methods为SIMPLE后进行初始化,在Monitors中设置收敛阈值;在Run Calculation设置迭代次数,开始计算求解。求解得到管串和套管之间的流体流速和压强分布。图1即为桥塞附近流体流速分布,流体流速与桥塞与套管间隙有直接关系,即流体在进入此间隙时流速迅速增加并达到最大,离开桥塞后流速迅速降低;将FLUENT计算得到的数据导入Mechanical模块进行流固几何交界面压强数据耦合,得到由于液体冲击力造成的在管串表面的压强分布(见图2)。

图1 桥塞附近流体流速分布

图2 液体冲击力造成的在管串表面的压强分布

3 仿真结果

在影响分簇射孔施工的众多因素中,泵送排量最影响泵送效果,而泵送效果与桥塞与套管间隙直接相关。首先研究了泵送时液体排量对液体在管串上产生的冲击力的影响。泵送排量的大小决定了液体作用在管串上冲击力的大小,决定了泵送时管串前进的速度。排量过小会导致管串停止运行,排量过大会导致电缆扯断从而发生管串掉井。

图3为使用流体结构耦合仿真分析得到的液体产生的对管串的冲击力和排量的关系图。图3中,冲击力随排量成近似线性增长。排量小于1.2 m3/min时增长比较缓慢,排量大于1.3 m3/min时增长加快。

图3 液体产生的对管串的冲击力和排量的关系

实际施工过程中数据表明,在固定排量下,套管与桥塞间隙对于液体冲击力的影响时非常巨大,特别当间隙比较小时,液体冲击力对套管与桥塞间隙非常敏感。图4为排量1.5 m3/min时液体冲击力和桥塞与套管间隙关系。其中,5in套管内径为114.3 mm,实际间隙应以通井尺寸为准。图4中,桥塞与套管间隙大于10 mm时液体冲击力比较小, 并且呈近似线性缓慢增长; 当间隙小于10 mm时,液体冲击力开始呈指数迅速增长。图5的压强分布图中桥塞外径增加时,液体冲击力施加给管串的压强也在迅速增加。结合现场施工实际条件,考虑电缆头弱点拉断力和电缆本体拉断力,结合图4选用合适的间隙进行分簇射孔施工。在井筒干净不出砂情况下可使用较小的间隙,井筒出砂较多的情况下使用较大间隙,这样既能形成满足推动管串前行的冲击力,又能保证电缆安全。

图4 排量1.5 m3/min情况下液体冲击力和套管与桥塞间隙关系

在没有桥塞即间隙为套管内径时液体产生的冲击力非常小(见图4)。实际施工过程中也发生过在管串没有桥塞时在水平段泵送时管串无法泵送到位的现象。为此,在该研究基础上开发了泵送环工具,其外形类似于桥塞,用来增加无桥塞分簇射孔时的液体冲击力,避免管串在水平段无法泵送到位。

同时,还研究了液体冲击力与桥塞长度关系(见图6)。图6中,泵送过程中产生的液体冲击力和桥塞长度成近似线性关系,并且增加比较缓慢。和套管与桥塞间隙相比,桥塞长度对于液体冲击力的影响较小。实际施工时,根据具体井况选择长度在350～550 mm之间的桥塞都能满足现场使用要求。

图5 套管与桥塞间隙为15、10、5 mm时液体冲击力在管串外的压强分布

图6 排量1.5 m3/min情况下液体冲击力和桥塞长度关系

4 现场实践

根据仿真结果研制出泵送环,应用在无桥塞分簇射孔,成功解决了水平段无桥塞情况下管串无法到达目的层的问题。在仿真结果指导下,现场施工按图4选用与套管内径形成9～15 mm左右间隙的桥塞或泵送环进行分簇射孔施工,有效提高了分簇射孔工艺成功率。表2为以威远某页岩气水平井井况。

表2 威远某页岩气水平井井况

根据研究结论并结合现场实际井况,选用外径Φ89 mm射孔枪进行分簇射孔施工,外径Φ99.6 mm的桥塞作为分段工具,套管与桥塞间隙为14.7 mm,并设计出泵送程序,成功进行了现场分簇射孔作业。

图7 泵送过程相关工程数据

图7为泵送过程现场记录的工程数据。设计泵送排量0.48～2.5 m3/min。在进入水平段前,随井斜的不断增加,排量逐渐加大,而井口张力和泵送速度在减少。进入水平段后,井斜在94°～100°之间变化,排量缓慢增加,其中在井斜增加的井段,井口张力和泵送速度总的趋势在减小,在井斜减小的井段,井口张力和泵送速度总的趋势在增加,与理论仿真分析结论吻合。

5 结 论

(1) 通过ANSYS Workbench对分簇射孔施工管串建立有限元模型,使用流体结构耦合分析功能重点分析了套管与桥塞间隙对泵送过程中液体冲击力大小的影响,分别得到泵送排量、套管与桥塞间隙、桥塞长度与液体冲击力的关系。

(2) 泵送排量、套管与桥塞间隙和桥塞长度直接影响液体冲击力,其中液体冲击力对套管与桥塞间隙变化最敏感。

(3) 在无桥塞分簇射孔时,使用与桥塞尺寸相当的泵送环可以避免在水平井遇阻,提高施工成功率。

(4) 分簇射孔现场施工选用与套管内径形成9～15 mm左右间隙的桥塞或泵送环,有效提高分簇射孔工艺成功率。

参考文献:

[1] 孙海成, 汤达祯, 蒋廷学, 等. 页岩气储层压裂改造技术 [J]. 油气地质与采收率, 2011, 18(4): 90-93.

[2] 马新华, 贾爱林, 谭健, 等. 中国致密砂岩气开发工程技术与实践 [J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(5): 572-579.

[3] Smith D, Starr P. Method to Pump Bridge/Frac Plugs at Reduced Fluid Rate [R]. SPE 112377, 2008.

[4] 焦国盈, 裴苹汀, 唐凯, 等. 水平井泵送射孔影响因素分析 [J]. 重庆科技学院学报: 自然科学版, 2014, 16(1): 71-73.

[5] 朱秀星, 薛世峰, 仝兴华. 水平井射孔与桥塞联作管串泵送参数控制方法 [J]. 石油勘探与开发, 2013, 40(3): 371-376.

[6] 王国峰. Workbench的基础应用-流体仿真 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2012.