CN103696750A - 带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法，这种带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法如下：一、计算环空加砂压裂期间油管的温度改变量

Description

带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法

 

一、     技术领域：

本发明涉及的是油气藏储层改造技术涉及的水力喷砂射孔环空加砂压裂的体积压裂技术，具体涉及的是带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法。

二、背景技术：  

水力喷砂射孔环空加砂压裂技术是一种既能实现大规模体积改造，又能达到分层压裂、精细压裂的一种多级压裂技术。这一技术通过油管进行水力射孔、套管进行主压裂，可实现较大规模改造；同时通过连续油管的精确定位，可对低渗透油气藏进行灵活分层，进而达到精细压裂的目的。与传统的水力喷射压裂技术相比，环空加砂压裂技术主要有以下优点：

1）主压裂施工过程中，加砂液主要从环空注入，油管只是注入一定排量的平衡液，这就避免了喷嘴处因局部流速过大及固体颗粒引起的磨损严重的问题，从而解决了水力喷射压裂技术喷嘴寿命较低的难题；

（2）环空加砂压裂技术可以实现大排量施工，突破了传统水力喷射压裂油管排量的限制，能够实现更大的加砂规模，为要求具有大排量、大液量、连续多段压裂特点的“缝网压裂技术”和“体积压裂技术”的实施提供了新途径；

3）由于环形空间的尺寸远大于油管的内径，因此能够大幅度降低压裂液流动摩阻，解决了深井压裂地面泵压过高的难题，增大了油管水力喷射压裂的下入极限深度；

4）消除了大粒径、高浓度支撑剂在喷嘴处形成砂堵的风险，降低了对压裂液的剪切作用，大大拓宽了压裂液的选择范围。

环空多级加砂压裂过程中，需要将已压开层位与待压层之间进行有效的封隔。采用砂塞进行封隔时，由于各层之间间距较小，砂面位置难以控制，需要反复冲砂填砂作业，导致该工艺施工效率低。而采用水力膨胀式封隔器进行封隔时只需坐封解封封隔器即可达到不限次数多级压裂的目的。但采用封隔器进行封隔时，由于封隔器在环形空间承受较大的活塞力，有可能导致带封隔器的压裂管柱继续移动，甚至存在将压裂管柱拉断的可能，直接影响压裂层位的准确定位和压裂施工安全。因此在环空加砂压裂期间需要向油管内补入一定量的平衡液，在油管内外形成节流压差使得封隔器胶筒膨胀封隔环形空间，封隔器坐封的同时使得封隔器与水力锚产生足够的锚定力来平衡环形空间的活塞力，从而防止压裂管柱的移动，降低管柱应力。环空加砂压裂期间油管内补液排量越大，锚定力就越大，但油管内补液排量太大的话，会使地面压力过高影响设备安全，因此油管内补液排量只要满足锚定要求即可。

但目前环空加砂压裂期间油管内补液排量都是根据现场经验选取，并没有理论指导依据，具有一定的盲目性，因此需要提供一种带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法，给出环空加砂压裂期间管内补液临界排量，从而防止压裂管柱移动，提高定点压裂的准确性以及压裂施工安全。

三、发明内容：

本发明的目的是提供带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法，它用于解决带封隔器的压裂管柱在环空加砂压裂期间移动引起的压窜层事故和管柱存在拉断风险的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法如下：

一、计算环空加砂压裂期间油管的温度改变量                                               

； 

二、根据本井待压层位破裂压力计算封隔器处压裂管柱由温度效应和活塞效应引起的等效轴向力；

式中：

为等效轴向力，N；b为油管线膨胀系数，1/℃，一般取1.2×10^-5/℃；E为油管弹性模量，kPa；DT为管柱温度改变量，℃；A _i 、A _o 分别为连续油管内外截面面积，单位为m²；A _e 为油套环空面积，单位为m²；DP为喷嘴节流压差，

，MPa；d为喷嘴当量直径，mm；A为经验系数，A=832.54；Q为油管内排量，m³/min；c为流量系数，取为0.95；Np为喷嘴数量；P _f 为地层破裂压力，MPa；P _P 为封隔器下方液体压力，取为地层压力，MPa；

三、根据喷嘴数量及尺寸计算不同排量下喷嘴节流压差，通过有限元数值模拟分析在不同节流压差作用下封隔器胶筒与套管之间的接触应力及接触面积，根据接触应力及接触面积计算不同油管补液排量下封隔器胶筒所产生的锚定力；

封隔器胶筒与套管内壁间产生的锚定力为：

                       

式中：f为封隔器胶筒与套管内壁之间的锚定力，KN；k为封隔器胶筒与套管内壁的摩擦系数，无量纲；d _T 为套管内径，mm；m、n为封隔器胶筒与套管壁接触的最上端和最下端的单元编号，无量纲；h _i 为第i个单元在变形以后的接触长度，mm；P _i 为第i个单元在接触变形以后的接触应力值，MPa；

四、测定水力锚在不同节流压差作用下的锚定力，得到不同油管补液排量下水力锚的锚定力；

五、计算不同油管补液排量下封隔器与水力锚产生的总锚定力，根据总锚定力与封隔器处压裂管柱所受到的等效轴向力相等的条件得出油管补液临界排量。

有益效果：

1、通过本发明提供的带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量，可以使封隔器及水力锚产生足够的锚定力防止压裂管柱移动，防止压窜层事故的发生，实现定点压裂的预期效果；

2、通过本发明提供的带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量，可以使封隔器及水力锚产生足够的锚定力来平衡封隔器膨胀在环空所形成的活塞力，降低压裂管柱所受到的轴向拉力，提高压裂管柱的安全性；

3、通过本发明提供的带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量，可以降低环空加砂压裂期间盲目的增大管内补液排量地面设备压力过高的风险，提高地面设备的安全性；

4、本发明提供的带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法根据封隔器处压裂管柱所受的总轴向力与总锚定力相等的临界条件，可以通过改变水力锚的数量及型号的方法降低管内临界排量，为环空加砂压裂管柱结构的设计提供依据，增加油管的下入极限及该项压裂技术的适用范围。

四、具体实施方式：

下面对本发明做进一步的说明：

这种带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法如下：

一、根据热平衡方程计算环空加砂压裂期间压裂管柱的温度变化，计算压裂管柱温度效应引起的轴向力；

二、根据本井待压层位破裂压力计算封隔器膨胀在环空引起的活塞力，得到封隔器处环空加砂压裂管柱所受到的等效轴向力；

式中：

为等效轴向力，N；b为油管线膨胀系数，1/℃，一般取1.2×10^-5/℃；E为油管弹性模量，kPa；DT为管柱温度改变量，℃；A _i 、A _o 分别为连续油管内外截面面积，单位为m²；A _e 为油套环空面积，单位为m²；DP为喷嘴节流压差，

，MPa；d为喷嘴当量直径，mm；A为经验系数，A=832.54；Q为油管内排量，m³/min；c为流量系数，取为0.95；Np为喷嘴数量；P _f 为地层破裂压力，MPa；P _P 为封隔器下方液体压力，取为地层压力，MPa。

三、根据喷嘴数量及尺寸利用喷嘴压降公式计算不同油管补液排量下喷嘴节流压差；油管补液条件下封隔器产生的锚定力取决于封隔器胶筒与套管之间的接触应力及接触面积，采用有限元数值模拟软件建立封隔器物理模型并划分网格，进行不同喷嘴节流压差条件下封隔器胶筒膨胀有限元数值模拟，分析在不同节流压差作用下封隔器胶筒与套管之间的接触应力及接触面积，计算不同油管补液排量下封隔器胶筒所产生的锚定力；

封隔器胶筒与套管内壁间产生的锚定力为：

                       

式中：f为封隔器胶筒与套管内壁之间的锚定力，KN；k为封隔器胶筒与套管内壁的摩擦系数，无量纲；d _T 为套管内径，mm；m、n为封隔器胶筒与套管壁接触的最上端和最下端的单元编号，无量纲；h _i 为第i个单元在变形以后的接触长度，mm；P _i 为第i个单元在接触变形以后的接触应力值，MPa。

四、测定水力锚在不同节流压差作用下的锚定力，得到不同油管补液排量下水力锚的锚定力；

五、计算不同油管补液排量下封隔器与水力锚产生的总锚定力，封隔器与水力锚产生的总锚定力与油管补液排量有关，油管补入的平衡液从底部喷嘴处喷出形成节流压差，在节流压差的作用下封隔器及水力锚膨胀与套管之间产生锚定力，油管补液排量越大总锚定力就越大；根据封隔器与水力锚产生的总锚定力与封隔器处压裂管柱所受到的等效轴向力相等的条件得出油管补液临界排量。等效轴向力取决于油管温度的改变量、喷嘴节流压差、油管尺寸、环形空间的面积及待压层位破裂压力的大小。

本发明用于在环空加砂压裂期间确定合理的油管补液排量，从而使封隔器及水力锚产生足够的锚定力防止压裂管柱移动，增强定点压裂的效果并降低压裂管柱被拉断的风险。既可以防止环空加砂压裂期间油管内补液排量太小压裂管柱移动引起的压窜层和管柱被拉断事故，也可以降低补液排量太大地面压力过高造成的地面设备安全风险。

Claims (1)

1. 一种带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法，其特征在于：这种带封隔器的环空加砂压裂管内临界排量确定方法如下：

一、计算环空加砂压裂期间油管的温度改变量                                               

； 

二、根据本井待压层位破裂压力计算封隔器处压裂管柱由温度效应和活塞效应引起的等效轴向力；

式中：为等效轴向力，N；b为油管线膨胀系数，1/℃，一般取1.2×10^-5/℃；E为油管弹性模量，kPa；DT为管柱温度改变量，℃；A _i 、A _o 分别为连续油管内外截面面积，单位为m²；A _e 为油套环空面积，单位为m²；DP为喷嘴节流压差，

，MPa；d为喷嘴当量直径，mm；A为经验系数，A=832.54；Q为油管内排量，m³/min；c为流量系数，取为0.95；Np为喷嘴数量；P _f 为地层破裂压力，MPa；P _P 为封隔器下方液体压力，取为地层压力，MPa；

三、根据喷嘴数量及尺寸计算不同排量下喷嘴节流压差，通过有限元数值模拟分析在不同节流压差作用下封隔器胶筒与套管之间的接触应力及接触面积，根据接触应力及接触面积计算不同油管补液排量下封隔器胶筒所产生的锚定力；

封隔器胶筒与套管内壁间产生的锚定力为：

                       

式中：f为封隔器胶筒与套管内壁之间的锚定力，KN；k为封隔器胶筒与套管内壁的摩擦系数，无量纲；d _T 为套管内径，mm；m、n为封隔器胶筒与套管壁接触的最上端和最下端的单元编号，无量纲；h _i 为第i个单元在变形以后的接触长度，mm；P _i 为第i个单元在接触变形以后的接触应力值，MPa；

四、测定水力锚在不同节流压差作用下的锚定力，得到不同油管补液排量下水力锚的锚定力；

五、计算不同油管补液排量下封隔器与水力锚产生的总锚定力，根据总锚定力与封隔器处压裂管柱所受到的等效轴向力相等的条件得出油管补液临界排量。