CN105672972B - 一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法，它主要采用“应力强度安全系数”力学分析方法，在喷射压裂施工前，依据完井投产技术要求规范进行“静态”和“动态”工况下多级水力喷射压裂管柱组合、载荷、应力及变形分析，实现准确评价各工况下多级水力喷射压裂管柱的力学性能，藉此提出适合各层段喷射压裂泵注参数建议，达到一次评价管柱安全性和确保施工安全的目的。该发明适合直井、水平井多级水力喷射压裂不动(或拖动)管柱性能优劣评价，可指导优化管柱组合、优选试油压裂施工设计参数，为井下管柱性能检测提供真实有效的参考数据，从而提高管柱应力安全系数，减少发生管柱事故。
Description
技术领域
本发明涉及一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法。
背景技术
低渗透油气井采用多级水力喷射压裂管柱进行储层改造、试油、完井一体化作业，由于油气井深度、压力、温度及产量的大幅度变化，加大了下钻、坐封、射孔、试油联作、储层改造等工况下管柱破坏的风险，易出现井下事故，导致施工停止或作业失败。
综合调研国内外管柱及封隔器管柱力学研究文献和资料，经分析发现国内外许多学者在直井、水平井常规聚能射孔压裂管柱安全性分析上做了许多工作，取得了一些认识和结论。但在低渗透油气井水力喷射压裂管柱性能评价和分析方面研究较少，更没有形成水力喷射压裂管柱性能评价方法，无法解决低渗透油气井水力喷射压裂管柱失效难题，成本损失较大，资源浪费严重。
因此，针对这项技术难题，通过系统攻关及研究，目前本公司已形成建立了直井、水平井多级水力喷射压裂管柱性能评价方法，现场应用两口井，评价结果建议指导了现场压裂施工，验证了该方法的有效性和可靠性。
发明内容
为了解决水平井多级水力喷射压裂管柱及工具安全评价难题，本发明提供一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法，本发明主要适用于直井、水平井多级水力喷射压裂管柱性能安全性分析，可降低成本，节约资源，具有较大的经济效益和较强的实用性。
本发明采用的技术方案为：
一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法，该评价方法包括如下步骤：
1)管柱组合：依据油管抗拉强度、管柱长度、每米单位重量计算水力喷射压裂管柱各油管段拉伸应力安全系数，并计算全井段水力喷射压裂管柱拉伸应力安全系数；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱组合合理，强度安全，否则水力喷射压裂管柱组合设计不合理，需重新设计；
2)管柱载荷：依据管柱强度及变形分析数据，确定该井水力喷射压裂管柱的应力危险截面；计算全井段管柱内壁第四相当应力，管柱内壁某点处第四相当应力最大，其安全系数最低，从而确定该点为危险点，并分析在危险截面处的内压、外压、轴向力、弯矩载荷；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱载荷在设计载荷范围内，否则重新分析；
3)管柱强度：依据水力喷射压裂管柱危险截面处的载荷，计算该危险截面处的应力强度安全系数；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱危险截面处安全，其余各处也均安全，否则重新设计泵注参数；
4)管柱变形：依据水力喷射压裂管柱变形简易计算公式计算各工序下温度、轴向力、螺旋弯曲及鼓胀变形量；
评价指标：当综合变形量为负，说明水力喷射压裂管柱处于“缩短”状态，否则处于“拉伸”状态；
5)依据前面的步骤数据形成每口井的多级水力喷射压裂管柱性能评价报告。
步骤1)中，拉伸应力安全系数＝压裂管柱抗拉强度/管柱重量，管柱重量＝管柱长度×每米单位重量。
步骤4)管柱变形，依据轴向变形、温度变形、鼓胀变形、螺旋弯曲变形简易计算公式计算各变形量，再由每米轴向变形所需的力换算成轴向力，拉为正，压为负；
“温度变形”ΔLt：
ΔLt≈0.027×(井口温度℃+井底温度℃-40)
“鼓胀变形”ΔLe：
ΔLe≈(0.047×井口套压－0.033×井口油压)
+(1.01×环空液体密度－0.73×管内流体密度)
“螺旋弯曲变形”ΔLb：
ΔLb≈-5.1×10－12×封隔器处管柱所受的等效轴向压缩力2
每多少KN轴向力使管柱轴向变形1m。
步骤2)和步骤3)中管柱应力强度安全系数＝管材屈服强度/管柱相当应力。
本发明的有益效果：
本发明采用上述技术原理和方案，发明了一种适合直井、水平井水力喷射压裂管柱性能评价方法，可以在已知条件下进行各工序下的喷射压裂管柱性能分析，给出合理的施工建议，现场应用效果显著，极大地降低了成本，节约了水、支撑剂等资源。
该方法解决了目前低渗透油气井水力喷射压裂管柱性能优劣评价及工艺流程质量好坏检测技术难题，技术难度大，独创性高，具有较好的实用性。重点研究建立了直井、水平井水力喷射压裂管柱精细受力图版，据此评价和校核全井段喷射压裂管柱应力强度安全性，确保了各工况下喷射压裂管柱应力强度安全系数在一定范围内，藉此提出了合理化施工参数建议。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1水力喷射压裂管柱结构示意图。
图中，附图标记：1、人工井底；2、第一喷射点；3、第二喷射点；4、第三喷射点；5、第四喷射点；6、第五喷射点；7、油管安全接头；8、外加厚油管；9、外加厚带倒角油管；10、带倒角油管；11、套管；12、接箍带倒角油管；13、生产尾管。
具体实施方式
实施例1：
为了解决水平井多级水力喷射压裂管柱及工具安全评价难题，本发明提供一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法，本发明主要适用于直井、水平井多级水力喷射压裂管柱性能安全性分析，可降低成本，节约资源，具有较大的经济效益和较强的实用性。
一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法，该评价方法包括如下步骤：
1)管柱组合：依据油管抗拉强度、管柱长度、每米单位重量计算水力喷射压裂管柱各油管段拉伸应力安全系数，并计算全井段水力喷射压裂管柱拉伸应力安全系数；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱组合合理，强度安全，否则水力喷射压裂管柱组合设计不合理，需重新设计；
2)管柱载荷：依据管柱强度及变形分析数据，确定该井水力喷射压裂管柱的应力危险截面；计算全井段管柱内壁第四相当应力，管柱内壁某点处第四相当应力最大，其安全系数最低，从而确定该点为危险点，并分析在危险截面处的内压、外压、轴向力、弯矩载荷；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱载荷在设计载荷范围内，否则重新分析；
3)管柱强度：依据水力喷射压裂管柱危险截面处的载荷，计算该危险截面处的应力强度安全系数；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱危险截面处安全，其余各处也均安全，否则重新设计泵注参数；
4)管柱变形：依据水力喷射压裂管柱变形简易计算公式计算各工序下温度、轴向力、螺旋弯曲及鼓胀变形量；
评价指标：当综合变形量为负，说明水力喷射压裂管柱处于“缩短”状态，否则处于“拉伸”状态；
5)依据前面的步骤数据形成每口井的多级水力喷射压裂管柱性能评价报告。
现场应用效果表明，该多级水力喷射压裂管柱性能评价方法能从喷射压裂管柱载荷、变形、应力强度、安全系数等方面有效分析及评价下钻、替液、坐封、射孔、酸压及开井、关井等工况下全井段拖动(或不动)喷射压裂管柱的性能优劣，并藉此提出控制坐封参数、排量、井口油套压差、射孔时最高压力、压裂时最高压力、压裂时环空最高平衡压力等合理化建议，确保多级水力喷射压裂管柱应力强度安全系数在一定范围内，为优选喷射压裂施工设计泵注参数、优化喷射压裂管柱结构组合、知道现场压裂施工提供参考依据。本发明的技术原理(见图1)是：以“管柱应力强度安全系数”为评价指标，按照[2011]44号文件中国石油天然气集团公司石油勘探与生产分公司颁发的“油气井完井投产技术要求”规范进行“静态”(下钻完、替液、坐封、射孔)和“动态”(压裂、酸化、测试、关井)工况下管柱力学分析，藉此提出合理化施工建议。
本发明涉及油气田勘探和开发领域中水力喷射压裂管柱安全性的分析技术，是一种综合钻完井工程、试油气工艺及力学手段进行水力喷射压裂管柱性能分析的评价方法，特别适合于进行下钻、替液、坐封、射孔、酸压及开井、关井等工况下直井、水平井全井段拖动(或不动)水力喷射压裂管柱性能的评价。
实施例2：
基于实施例1的基础上，本实施例中，步骤1)中，拉伸应力安全系数＝压裂管柱抗拉强度/管柱重量，管柱重量＝管柱长度×每米单位重量。
评价前需要确定分析所需的每口井钻完井基础数据
结合钻完井工程资料，根据每口井的《试油(气)地质设计》和《试油(气)工程设计》获取该井井身结构数据(含套管技术参数)、井眼轨迹参数(含井深、井斜角和方位角)、测井数据(含油(气)层段、射孔井段)、地层预测压力与温度等数据。
确定分析所需的每口井水力喷射压裂管柱结构及施工数据
结合测井资料，根据每口井的《水力喷射压裂试油(气)施工设计》获取该井水力喷射压裂管柱结构(含管柱及喷射器技术参数)、施工泵注程序(下钻、替液、射孔、压裂等工序泵压、排量、压力、温度)以及喷射压裂液密度与粘度等数据。
研究确定的水力喷射压裂管柱力学分析理论依据
按照API BUL 5C3公式计算油套管强度数据，包括抗拉、抗内压及抗外挤强度。
按照弹性力学理论计算不同井深处油管、套管所受的内外和外压，并计算由内压和外压联合产生的径向应力和环向应力；按照材料力学计算等效轴向力产生的轴向应力，弯曲产生的弯曲应力，再叠加成轴向应力。
按照断裂力学理论应力强度断裂因子(KIC)分析不同井深处油管、套管的轴向拉力是否超过其抗拉强度，判断油管、套管是否出现拉伸断裂。
每口井的钻完井基础数据和管柱结构数据需要取全取准，前期要分析油、套管性能参数；钻完井基础数据是指井身结构即套管程序和下入深度，井眼轨迹即井深、井斜角和方位角，测井资料即层位、位置，试油气结果、地层温度和压力、地层岩石力学性质。
这样避免低替过程套管、油管微变形，避免下入过程管柱遇卡，造成喷点位置计算不准确，影响定点射孔效果。
油、套管为新油、套管，经室内拉伸、压缩、延展力学性能检测和碳、硅、铁含量元素化学检测符合API BUl 5CT(9th)PSL1材料要求，要求新油、套管含碳量小于2.5％。因为碳含量过高，钢材硬，韧性低，故而碳量小于2.5％。
步骤2)和步骤3)中管柱应力强度安全系数＝管材屈服强度/管柱相当应力。
步骤4)中，依据轴向变形、温度变形、鼓胀变形、螺旋弯曲变形简易计算公式计算各变形量，再由每米轴向变形所需的力换算成轴向力，拉为正，压为负。
“温度变形”ΔLt：
ΔLt≈0.027×(井口温度℃+井底温度℃-40)
“鼓胀变形”ΔLe：
ΔLe≈(0.047×井口套压－0.033×井口油压)
+(1.01×环空液体密度－0.73×管内流体密度)
“螺旋弯曲变形”ΔLb：
ΔLb≈-5.1×10－12×封隔器处管柱所受的等效轴向压缩力2
每多少KN轴向力使管柱轴向变形1m。
本发明中涉及的压力单位MPa，液体密度单位g/cm3。
2014年9月，本发明对鄂尔多斯盆地一口开发井靖50-06Hxx井开展了水力喷射压裂管柱性能评价工作，通过本发明对该井喷射压裂成功施工，指导了现场喷射压裂作业。
图1为本发明实施例1的水力喷射压裂管柱结构示意图。图中：套管11与生产尾管13连接，生产尾管13与人工井底1连接，生产尾管13上设置有多个喷射点，套管11与生产尾管13连接弯度内部设置有接箍带倒角油管12，接箍带倒角油管12的上端连接有外加厚带倒角油管9，接箍带倒角油管12与外加厚带倒角油管9通过油管安全接头7连接，外加厚带倒角油管9上端接有外加厚油管8。外加厚带倒角油管9与外加厚油管8之间连接带倒角油管10。
本实施例中的喷射点有：4195m处的第一喷射点2、4035m处的第二喷射点3、3835m处的第三喷射点4、3675m处的第四喷射点5、3535m处的第五喷射点6；外加厚油管8为3-1/2″×6.45mm N80外加厚油管×0～2730m；外加厚带倒角油管9为3-1/2″×6.45mm N80外加厚带倒角油管×2730～2960m；带倒角油管10为2-7/8″×5.51mm N80外加厚带倒角油管×2960～3010m；套管11为7″×9.19mm N80技术套管×0～3480m；接箍带倒角油管12为2-7/8″×5.51mm N80接箍带倒角油管×3010～4195m；生产尾管13为4-1/2″×6.35mm N80生产尾管×3062～4319m。
实施例3：
基于上述两个实施例的基础上，本实施例中进行了第一段(4195m)喷射压裂管柱性能分析及评价。
表1为该井第一段(4195m)喷射压裂泵注程序表，结合压裂管柱结构数据、井身结构数据、液体性质等，进行了第一段(4195m)喷射压裂管柱性能分析及评价：
表1第一段(4195m)喷射压裂泵注程序表
(1)管柱组合
由表2可见，全井管柱在空气中的拉伸应力安全系数大于1.24，在1.25液体中的拉伸应力安全系数大于1.47。因此，从纵向抗拉强度看，管柱组合基本合理，管柱强度安全，但强度储备系数不高。
表2第一段喷射压裂管柱重量及拉伸应力安全系数
(2)管柱载荷
依据材料力学理论，该井压裂试油管柱的应力危险截面在井口、3-1/2″×6.45mm转2-7/8″×5.51mm处(2960m)和喷射封隔工具(上部)处。上述三个危险截面处的内压、外压、轴向力、弯矩等影响管柱应力和变形的载荷数值如表3所示。
(3)管柱强度
由表3可见，正常射孔过程中，管柱强度安全系数大于1.26以上，管柱强度偏低。建议射孔时环空加5～10MPa平衡压力，使管柱应力强度安全系数1.40左右。
在排量3.0m3/min、80MPa泵压下酸压时，且环空加35MPa平衡压力，3-1/2″×6.45mm转2-7/8″×5.51mm处管柱相当应力最小，约301MPa，与N80管材屈服强度(552MPa)相比，管柱应力强度安全系数1.83左右，满足要求；井口处管柱相当应力最大，约454MPa，与N80管材屈服强度(552MPa)相比，管柱应力强度安全系数1.22左右，偏低。经试凑运算，压裂时，须将井口油套压差控制在30MPa以内，才能保证管柱强度安全系数大于1.40；水力喷砂射孔时，须将油管井口压力控制在60MPa以内，保证管柱强度安全系数大于1.26。
表3第一段压裂管柱载荷、应力及安全系数数值
(4)管柱变形
表4给出了不同工况下，井下管柱轴向变形和各种“效应”值。与坐封工况相比，射孔、酸压情况下，管柱处于“缩短”状态。正常射孔、酸压工况下下部管柱不会发生破坏性螺旋弯曲。与坐封工况相比，80MPa泵压大排量酸压(且环空加35MPa平衡压力)后期，管柱轴向缩短约2.29m，转化为轴向拉力约154KN。
表4第一段喷射压裂管柱轴向变形和“效应”值/m
通过上述四个方面的分析，评价结果认为：压裂施工设计80MPa泵压，加环空35MPa平衡压力易造成井口管柱破坏失效，设计不太合理。评价结果建议：水力喷砂射孔时，须将油管井口压力控制在60MPa以内，保证管柱强度安全系数大于1.26；储层改造过程中，将井口油套压差控制在30MPa以内，以确保管柱强度安全系数1.40以上。按照该评价结果建议进行了该井第一段(4195m)喷射压裂施工，一次性成功压裂，上提管柱后发现，井口管柱没有拉伸破坏。
由此分析了第二段至第五段喷射压裂施工管柱性能，综合评价结果建议如表5所示。按照评价结果建议进行了后续四段的喷射压裂施工，都一次性成功压裂，达到了施工要求，这说明本发明现场应用效果良好。
表5本井水力喷射压裂管柱性能评价结果建议
本发明的多级水力喷射压裂管柱性能评价方法主要采用“应力强度安全系数”力学分析方法，结合钻完井工程、试油气工程设计等基础数据，实现并准确评价管柱在各工况下的力学性能，即通过管柱组合、管柱载荷、管柱应力强度及管柱变形等分析综合评价各层段喷射压裂管柱力学性能，藉此提出适合各层段喷射压裂泵注参数建议，达到评价管柱安全性和确保施工安全的目的。为优化压裂试油管柱组合、提高试油压裂管柱安全系数、优选试油联作设计与施工参数提供理论依据。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不再赘述。
Claims (1)
1.一种多级水力喷射压裂管柱性能评价方法，其特征是：该评价方法包括如下步骤：
1）管柱组合：依据油管抗拉强度、管柱长度、每米单位重量计算水力喷射压裂管柱各油管段拉伸应力安全系数，并计算全井段水力喷射压裂管柱拉伸应力安全系数；拉伸应力安全系数=压裂管柱抗拉强度/管柱重量，管柱重量=管柱长度×每米单位重量；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱组合合理，强度安全，否则水力喷射压裂管柱组合设计不合理，需重新设计；
2）管柱载荷：依据管柱强度及变形分析数据，确定该井水力喷射压裂管柱的应力危险截面；计算全井段管柱内壁第四相当应力，管柱内壁某点处第四相当应力最大，其安全系数最低，从而确定该点为危险点，并分析在危险截面处的内压、外压、轴向力、弯矩载荷；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱载荷在设计载荷范围内，否则重新分析；
3）管柱强度：依据水力喷射压裂管柱危险截面处的载荷，计算该危险截面处的应力强度安全系数；管柱应力强度安全系数=管材屈服强度/管柱相当应力；
评价指标：当应力安全系数满足1.4-1.8，则水力喷射压裂管柱危险截面处安全，其余各处也均安全，否则重新设计泵注参数；
4）管柱变形：依据水力喷射压裂管柱变形简易计算公式计算各工序下温度、轴向力、螺旋弯曲及鼓胀变形量；管柱变形，依据轴向变形、温度变形、鼓胀变形、螺旋弯曲变形简易计算公式计算各变形量，再由每米轴向变形所需的力换算成轴向力，拉为正，压为负；
“温度变形”ΔLt：
ΔLt≈0.027×（井口温度oC＋井底温度oC-40）
“鼓胀变形”ΔLe：
ΔLe≈（0.047×井口套压－0.033×井口油压）
＋（1.01×环空液体密度－0.73×管内流体密度）
“螺旋弯曲变形”ΔLb：
ΔLb≈-5.1×10－12×封隔器处管柱所受的等效轴
向压缩力2
每多少KN轴向力使管柱轴向变形1m；
评价指标：当综合变形量为负，说明水力喷射压裂管柱处于“缩短” 状态，否则处于“拉伸”状态；
5）依据前面的步骤数据形成每口井的多级水力喷射压裂管柱性能评价报告；
上述方法实施应用的管柱包括套管（11）、生产尾管（13）和人工井底（1），套管（11）与生产尾管（13）连接，生产尾管（13）与人工井底（1）连接，生产尾管（13）上设置有多个喷射点，套管（11）与生产尾管（13）连接弯度内部设置有接箍带倒角油管（12），接箍带倒角油管（12）的上端连接有外加厚带倒角油管（9），接箍带倒角油管（12）与外加厚带倒角油管（9）通过油管安全接头（7）连接，外加厚带倒角油管（9）上端接有外加厚油管（8）；外加厚带倒角油管（9）与外加厚油管（8）之间连接带倒角油管（10）。
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