210 MPa射孔枪耐压性能影响因素分析及现场应用

李奔驰, 唐凯, 陈华彬, 陈锋, 陈建波, 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

塔里木库车山前克深9区块勘探开发的油气井深度约8 000 m。克深902井最深达到8 038 m,地层压力接近140 MPa,射孔施工时井底压力接近190 MPa,井底温度约190 ℃,完井套管5或5in*,属于超高温超高压井[1-2]。现有的射孔器耐温耐压指标已不能满足克深9区块射孔要求。考虑到安全系数,克深9区块的超深井对射孔枪工作压力指标要求达到210 MPa。在前期耐压175 MPa射孔枪研究[3]的基础上研发外径为89 mm的210 MPa射孔枪,研发中使用Ansys软件[4]深入分析形位公差、枪长、工作温度、下挂载荷等因素对射孔枪承压性能的影响,提出增强射孔枪耐压性能的新方法与工艺措施,开展系列功能性实验验证89型超高压射孔枪性能,研发出高性能的89型超高压射孔器材,结合激动压力预测技术、动态负压预测技术、管柱动态载荷响应技术和现场工艺技术[5-7],在克深9区块成功应用,满足8 000 m超深、超高温、超高压工况条件下油气井射孔施工要求。

1 设计结构影响因素分析

1.1 射孔枪设计理论依据

射孔枪在井下复杂环境中需要承受来自井筒液体和起爆时冲击波的作用。射孔枪必须具备承受来自井筒的很高的外部压力,射孔瞬间还要承受射孔弹爆炸形成的冲击波。

由拉美公式和第三强度理论公式

(1)

表1 210 MPa射孔枪理论计算参数表

考虑2种不同屈服强度的材料,将表1的参数代入式(1)计算可得,对于这2种材料,89型射孔枪都能在210 MPa的高压环境下安全使用,满足210 MPa超高压施工条件。但是,材料B在所受最大外压相同的情况下,可将材料A的枪管壁厚减少10%。

验证89型射孔枪承受210 MPa高压性能,将射孔枪委托第三方检测机构进行超高压实验。在高压釜最高压力260 MPa下枪体还保持完整,支撑着理论设计。射孔枪耐压性能与强度、壁厚成正比关系,但壁厚太厚会削减射孔弹穿深,可以利用屈服强度更高的材料达到提高射孔枪强度的目的。

1.2 形位公差对射孔枪耐压的影响

射孔枪机械加工会对射孔枪产生形位公差;枪管原材料自身也存在一定的形位公差且体现在射孔枪上,造成射孔枪耐压性能下降。其中,同轴度公差会造成枪管壁厚不均匀,在外压的作用下,壁厚较薄处的盲孔就成为薄弱点而容易被压溃,造成枪管整体耐压性能下降。圆柱度公差会使枪管垂直于轴线的截面偏离理想圆,在外压的作用下,直径较小两端的盲孔会成为枪管薄弱点而容易被压溃,也会造成枪管整体耐压性能下降。本文就定位公差同轴度和形状公差圆柱度对射孔枪耐压影响使用Ansys进行了有限元分析。选取不同同轴度和圆柱度对射孔枪进行建模,射孔枪长2.3 m,射孔枪两端施加固定约束,枪体表面施加210 MPa均匀外压。

图1、图2为使用Ansys有限元分析后应力分布结果,在存在同轴度或圆柱度公差情形下,枪管表面的应力分布变得不均匀。同轴度公差存在,应力最大会集中在枪管壁厚较薄处的盲孔;圆柱度公差存在,应力最大集中在直径较小两端的盲孔处。

图1 同轴度对枪管Von Mises应力分布影响

图2 圆柱度对枪管Von Mises应力分布影响

图3、图4分别是使用Ansys有限元方法分析后同轴度和圆柱度对枪管Von Mises应力的影响。同轴度和圆柱度对枪管最小Von Mises应力和平均Von Mises应力影响不大,但是对最大Von Mises应力影响很明显。特别当同轴度和圆柱度分别大于1 mm时,枪管最大Von Mises应力迅速增加,导致枪管耐压性能下降。

图3 同轴度对枪管Von Mises应力的影响

图4 圆柱度对枪管Von Mises应力的影响

枪管生产要严控机械加工质量,加强工艺管理,严格把枪管同轴度和圆柱度控制在1 mm内,保证管材抗压性能不低于理论值。

1.3 枪长对射孔枪耐压的影响

射孔枪长度影响现场施工质量,太短会造成射孔盲段增加。例如2根1.3 m的射孔枪就比1根2.3 m的射孔枪中间会多出400 mm的盲段,并且会增加接头数量。研究发现,射孔枪太长会造成射孔枪耐压性能下降。使用Ansys有限元分析了不同长度射孔枪的耐压性能(见图5)。

对1.3～4.3 m的不同长度的射孔枪建模,选用常用的16孔/m的孔密及60°相位。射孔枪两端施加固定约束,枪体表面施加210 MPa均匀外压。从图5有限元仿真结果可以看出,射孔枪耐压性能随长度增加而下降。对于210 MPa超高压射孔枪,考虑到安全系数,其长度应控制在3.8 m以内。

图5 射孔枪长度对枪管Von Mises应力的影响

根据枪长对射孔枪耐压影响的分析结果,在实际应用中为进一步提高射孔枪的使用安全性,在弹架上每隔1 m的位置增加1个支撑环结构,达到长枪变短枪的目的,且不会产生射孔盲段。

1.4 盲孔深度对射孔枪耐压的影响

盲孔的深度影响着射孔质量,太浅会影响毛刺高度,太深会影响射孔枪耐压性能。使用Ansys对长3.8 m、16孔/m及60°相位的射孔枪盲孔深度进行有限元仿真,研究盲孔深度对射孔枪耐压性能的影响。建模时将射孔枪两端施加固定约束,枪体表面施加210 MPa均匀外压。

根据前期研究[1],将盲孔直径定为32 mm,对3～5 mm的不同盲孔深度的射孔枪进行有限元分析。从图6 Ansys仿真结果可以看出,随盲孔深度增加,射孔枪耐压性能下降。根据盲孔深度对射孔枪耐压影响的分析结果,在射孔枪实际生产过程中,建议将盲孔深度控制在4±0.5 mm。

图6 射孔枪盲孔深度对枪管Von Mises应力的影响

1.5 拉力载荷对射孔枪耐压的影响

射孔枪在井下的自身重量会影响射孔枪的耐压性能。分别对枪长3.3、3.8 m的2种射孔枪枪同时加载外压和轴向拉力载荷,使用Ansys进行有限元仿真分析。建模时对射孔枪一端施固定约束,另一端施加沿轴向拉力。射孔枪外表面施加210 MPa均匀压力,轴向拉力载荷为2～10 t。

仿真结果表明,轴向拉力载荷对枪管承压有一定影响。轴向拉力载荷每增加2 t,枪管最大Von Mises应力增加大约4 MPa;对于3.3 m枪和3.8 m枪其最大von Mises应力是随着拉力增加程线性增长,并且轴向拉力载荷对枪管的耐压影响小于外压对枪管的耐压影响,3.3 m射孔枪耐压性能优于3.8 m射孔枪(见图7)。

图7 拉力载荷对枪管Von Mises应力的影响

根据拉力载荷对射孔枪耐压影响的分析结果,在一定载荷作用下,射孔枪越长,其承压能力将有所降低。

1.6 接头对射孔枪耐压的影响

从枪长对射孔枪耐压性能影响上可以推断出,接头能在一定程度上提高射孔枪耐压性能。从仿真建模的角度,接头相当于为枪管增加了固定约束。为此,使用Ansys进行有限元分析了接头对射孔枪耐压的影响。考虑枪长3.8 m的射孔枪枪管外表面受210 MPa均匀压力并加载10 t的拉力载荷,建模时一种情况是枪管一端螺纹面加固定约束,另一端无接头、无约束,拉力载荷加载到无约束那一端;另一种情况是枪管一端螺纹面加固定约束,另一端有接头,拉力载荷加载到接头上,枪管与接头定义Bond类型的面面接触。

图8、图9为有限元仿真结果,有接头的最大应力位于盲孔处,没有接头的最大应力由盲孔处转移到枪管自由端端尾。此时,最大应力超过有接头时的最大应力。据此,接头能降低枪管两端应力,能提高枪管的承压性能。

图8 无接头对枪管Von Mises应力的影响

图9 有接头对枪管Von Mises应力的影响

根据接头对射孔枪耐压影响的分析结果,在实际生产过程中要求加工出来的接头螺纹和密封面与枪管螺纹和密封面配合间隙要小。如果间隙太大,接头就不能起到承压的作用,可能会导致枪管从两端断裂。

1.7 温度对射孔枪耐压的影响

温度对射孔枪的影响主要体现在对枪管材料屈服强度和抗拉强度的影响。通过对某批次射孔枪枪管原材料在高温下的拉伸实验分析,得到不同温度下的屈服强度和抗拉强度。

图10 温度对枪管材料性能的影响

实验得到的数据,屈服强度在100 ℃下降5.5%,150 ℃下降9.3%,200 ℃下降12.3%,250 ℃下降15.2%。上述数据说明,枪管在高温下的耐压性能也会按照该温度下屈服强度所下降的相应比例下降(见图10)。

2 210 MPa射孔枪性能试验

根据Ansys仿真结果,结合提出提高耐压性能的新方法,研制出工作压力210 MPa的89型超高压射孔枪。为验证耐压性能,对超高压89型射孔枪进行超高压试验。将射孔枪装入高压釜,在常温下加压至210 MPa后保压30 min;泄压;重新加压至260 MPa后保压5 min。泄压后取出枪管,测量枪管直径后可知枪管外形无变形。图11的加压过程压力变化曲线可以看出高压釜在加压过程中压力没有减小,说明枪管在加压过程中没发生形变,验证耐超高压89型射孔枪常温下至少能承受260 MPa压力。根据图11温度对屈服强度影响曲线计算出在200 ℃时超高压89型射孔枪至少能承受228.02 MPa,达到设计目标。

图11 射孔枪260 MPa压力试验过程

3 现场应用

研制成功的210 MPa 89型超高压射孔枪在塔里木油田克深9区块投入现场试验与应用,在塔里木油田KS16井成功完成了井温182 ℃、井底施工压力173 MPa先导性现场应用试验;随后在塔里木油田KS901、KS904井进行了推广应用,工艺成功率100%(见表3)。

表3 现场应用井况

4 结 论

(1) 通过理论、仿真、试验结合方法总结形成材料、形位公差、枪长、工作温度等因素影响210 MPa射孔枪耐压性能,有利于指导后续射孔枪研发。

(2) 结合影响射孔枪工作性能的因素和结果,提出增强射孔枪耐压性能的方法与工艺措施。

(3) 开展射孔枪功能性试验检测和现场应用,验证了210 MPa下89型射孔枪性能,研发的210 MPa 89型射孔枪能够满足克深9区块等超高温超高压射孔完井需求。

参考文献:

[1] Martin Schoener-Scott. HPHT Perforating Practice [C]∥2012 International Perforating Symposium, 2012.

[2] Nauman Mhaskar, Mark Sloan, William Myers, et al. Design and Qualification of an Ultra-high Pressure Perforating System [C] ∥ SPE Deepwater Drilling and Completions Conference, 2012, Galveston, Texas.

[3] 唐凯, 陈建波, 陈华彬, 等. 超高压射孔枪结构设计及数值分析 [J]. 测井技术, 2012, 36(1): 73-77.

[4] 黄志新, 刘成柱. ANSYS Workbench 14.0超级学习手册 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013.

[5] 陈锋, 彭建新, 陈华彬, 等. 超高温超高压超深穿透射孔技术在山前区块的应用 [J]. 测井技术, 2014, 38(1): 111-115.

[6] 陈华彬, 唐凯, 任国辉, 等. 超深井射孔管柱动态力学分析 [J]. 测井技术, 2010, 34(5): 487-491.

[7] 周海峰, 马峰, 陈华彬, 等. 射孔段管柱动态载荷综合测试 [J]. 测井技术, 2014, 38(2): 247-250.