页岩气井压裂工况试验模拟

戈　晓，孙　宇，郝玉华（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

页岩气井压裂工况试验模拟

戈晓，孙宇，郝玉华
（天津钢管集团股份有限公司，天津300301）

为模拟国内页岩气开采过程中的压裂施工工况，并评价套管接头在压裂施工后的密封性，设计了一套套管评价程序。利用该评价程序对天津钢管集团有限公司生产的Φ139.70mm×12.34mm规格的P110 TP-CQ进行试验评价，结果表明，产品顺利通过了该评价程序该评价实验不影响实验套管的使用性能。

页岩气井；压裂；工况；密封性；评价程序

1　引言

油气层水力压裂是对油气层的一种增产技术。其基本原理是以高于地层应力和岩石张力强度的泵压，使岩石出现破裂，形成一条裂缝，继续不断地注入压裂液，使裂缝进一步延伸并扩大。为了在停泵后不闭合，使裂缝获得高的导流能力，随着压裂液同时注入大颗粒的固体支撑剂（天然石英砂或人造陶粒砂）并使之停留在裂缝里，来保持裂缝内高的裂缝渗透率，从而扩大了油井的有效井径，减少了油气流进井底的阻力，从而提高油井的产量[1]。

在压裂施工中，石油套管要承受多次施工压力（内压力），为评价这种工况对套管接头密封性的影响，进行模拟试验，而类似的模拟试验在国内外尚无统一的试验流程及规范，因此，我们设计了一套评价试验流程，并利用TPCO（天津钢管集团股份有限公司）生产的Φ139.70 mm×12.34mm套管进行了试验验证。

2　评价程序设计

2.1试样选取

试样应加工成最苛刻过盈配合，即低密封过盈配合[2]；库存随机取样。若选择第二种取样方式，需与用户协商。

2.2上扣试验

上扣扭矩应选择最小可允许扭矩，选择与推荐油田现场一致的螺纹脂，上扣设备必须在有效计量周期内。为模拟油田下套管作业，只进行一次上扣。

2.3烘烤

套管入井后，随着深度的增加，接头温度逐渐升高，其涂层和螺纹脂的密封性能都会受到影响，因此利用烘烤来模拟接头受到的温度的影响。温度选择ISO13679标准中的最高温度180℃，保温12 h[2]。

2.4压裂模拟

利用静水压试验来模拟压裂施工，考虑到油田现场压裂施工时的压力波动，静水压试验压力选择压裂压力加15 MPa，保载时间选择2 h，试验次数定为10次。需要说明的是，利用静水压试验来模拟压裂施工，与实际施工还是有很大差别的，首先管体未射孔，其次未考虑来自地层的非均匀压力。

2.5密封性试验

经过压裂模拟后的试样，进行接头内压密封和外压密封性能评价。内压试验压力应达到名义内屈服压力，外压试验压力应达到名义抗挤毁压力值，为保证试验的安全性，可以将名义压力值乘以安全系数0.95，来作为试验压力值。除用名义压力值来定试验压力外，也可根据API5C3公式，用实测材料性能和实测试样尺寸来计算内屈服压力和抗挤毁压力值，并乘以安全系数0.95，来作为试验压力值。通常，采用第二种方法所获得的试验压力值较高。若选择第一种方法计算试验压力需与用户协商。密封性试验保载2 h认为是合适的。关于试验介质，需结合具体工况，选择水或干燥氮气，一般地层中含有气（天然气、硫化氢、二氧化碳）的必须用干燥氮气。

2.6材料力学性能检测

对气密封试验后的试样进行材料力学性能检测，与试验前的材料力学性能对比，评价试验前后力学性能的变化。

2.7试验安全

全尺寸压力试验必须在封闭场所进行；试验样必须填充芯棒来减少试验介质总量，以降低试样失效时释放的能量[2]；近距离观察泄漏情况时，必须降低压力至安全范围。

3　评价程序实践

结合某油田页岩气井压裂工况，随机选取TPCO生产的5.5 in TP-CQ套管产品，进行压裂工况模拟。据了解，这个油田压裂施工时的压力为90 MPa，我们制定模拟该工况的试验压力为105 MPa。结合试样信息（见表1），制定了密封性评价试验方案（见表2）。

表1　试样信息

表2　密封性评价试验方案

4　试验结果及分析

图1　试样上扣扭矩-圈数曲线

4.1上扣试验及试样烘烤

上扣曲线见图1。分析曲线可知，最终扭矩为13394ft-bls（18 159 N·m），符合上扣扭矩要求，曲线平滑，拐点明显，上扣效果较好。烘烤曲线见图2。烘烤温度控制在（180±5）℃，烘烤时间大于12 h。

4.2 10次静水压试验

模拟压裂工况的静水压试验压力选定为105 MPa，该压力约为管体内屈服的90%，为施工压力的116%，既满足施工要求，又留有安全系数。10次压力循环过程中，压力稳定，接头未发现泄漏现象。静水压试验曲线见图3。

4.3气密封试验

内压最高试验压力选定为110MPa，约达到管体内屈服的94%；外压最高试验压力达到管体抗挤毁值的95%。试验介质为干燥氮气。内压气密封试验曲线见图4；外压气密封试验曲线见图5。内外压试验过程中，压力稳定，接头未发生泄漏现象，说明接头密封性能良好。

4.4试验前后材料性能对比

为评价整管试验对试验样材料性能的影响，对经过静水压、内外压试验后的试样进行了材料性能测试，测试结果见表3。结果表明，整管试验后，对力学性能几乎无影响，其各项指标仍符合API5CT标准要求，仍属合格产品。

图2　试样烘烤温度-时间曲线

图4　内压气密封试验曲线

图5　外压气密封试验曲线

表3　试验样力学性能测试结果

5　结论

目前国内尚无针对页岩气井压裂工况的评价程序或试验规范，本文结合试验室相关评价规范及多年来的实践经验，并结合页岩气井实际压裂工况，设计了一套评价程序。该程序在试样选取、接头上扣、接头烘烤、压裂工况模拟、密封性试验及试验前后材料性能对比等各试验环节上给出了规范性指导，值得在业内交流推广。天津钢管集团股份有限公司生产的Φ139.70 mm×12.34 mm P110 TP-CQ套管执行了该评价程序，并顺利通过试验验证，获得用户好评。

[1]钻井手册编写组.钻井手册（甲方）[M].北京：石油工业出版社，2000：369.

[2]ISO13679:2002，Petroleum and natural gas industries-Procedures for testing casing and tubing connections[S].

Fracturing Working Condition Simulation of Shale Gas Well

GE Xiao,SUN Yu and HAO Yu-hua
(Tianjin Pipe [Group] Corporation, Tianjin 300301, China)

In order to simulate the fracturing working conditions during shale gas extraction and to evaluate the tightness of oil casing connector after fracturing,a set of evaluation process was designed, by whichΦ139.70 mm×12.34 mm P110 TP-CQ pipe produced by Tianjin Pipe Group Corporation was tested and evaluated.The results showed the product smoothly passed the evaluation process and the evaluation process has no influences on the usability of tested pipes.

shale gaswell;fracturing;working conditions;tightness;evaluation process

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.002

2015-10-13

2015-11-02

戈晓（1981—），男，工程师，主要从事从事管材性能、失效分析及评价试验等工作。