李子豐 宋廣明 楊軍偉 張超越

燕山大學(xué)石油工程研究所

0 引言

在裸眼水平井中下入多封隔器套管柱，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于油氣田的完井作業(yè)中，尤其是在油氣田進(jìn)行水平井裸眼完井分段壓裂時(shí)，裸眼封隔器的應(yīng)用較多[1-4]。當(dāng)封隔器隨套管柱下入裸眼水平井時(shí)：①與井壁巖屑床直接接觸，產(chǎn)生摩擦阻力；②巖屑堆積在其前方，并隨著下入深度的增加而增多，從而導(dǎo)致下入阻力增大，甚至發(fā)生砂卡；③封隔器的膠筒被巖屑磨損得比較嚴(yán)重，影響其坐封性能。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于封隔器的研究工作大多集中于坐封性能的改善和下入封隔器管柱力學(xué)分析等方面[5-11]，而對(duì)于減小巖屑床摩阻力的研究尚不充分。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M裸眼水平井中下入封隔器的過(guò)程，研究巖屑床對(duì)封隔器下入過(guò)程的影響，對(duì)原有封隔器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了既能疏導(dǎo)巖屑、減少下入阻力，又能減少膠筒磨損的疏砂槽結(jié)構(gòu)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證應(yīng)用于裸眼封隔器的疏砂槽結(jié)構(gòu)的疏砂效果，并對(duì)其相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步研究[12]。

1 巖屑床對(duì)封隔器摩阻力影響實(shí)驗(yàn)

1.1 水平井下入封隔器模擬實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)流程

為了研究巖屑床對(duì)封隔器下入時(shí)的影響，參考井下工況[13-14]，設(shè)計(jì)并加工了水平井下入封隔器模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)以有機(jī)玻璃管模擬井筒，石英砂模擬巖屑，并可加入水等液體模擬鉆井液。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及裝置設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及裝置設(shè)計(jì)圖

實(shí)驗(yàn)流程大致為：底座上兩端安裝“U”形槽，且將有機(jī)玻璃管兩端分別裝入“U”形槽并密封。將石英砂倒入有機(jī)玻璃管中并使其均勻分布，打開減速電機(jī)，使其以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鋼絲繩拖動(dòng)封隔器模型在水平方向勻速移動(dòng)。封隔器模型一端連接拉力傳感器，測(cè)量其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受拉力大小，所得數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。搖柄可在關(guān)閉電機(jī)后將封隔器模型牽引回位，方便進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及測(cè)量結(jié)果

在進(jìn)行管柱下放施工時(shí)，水平井眼中的巖屑量一般比較少，根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置大小，加入了適量石英砂。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 摩阻力測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)M主要參數(shù)表

依據(jù)表1中的石英砂粒度、加砂量設(shè)計(jì)了4次模擬實(shí)驗(yàn)，圖2為實(shí)驗(yàn)效果圖，圖3為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果。

圖2 普通封隔器模型實(shí)驗(yàn)效果照片

圖3橫坐標(biāo)為封隔器模型滑動(dòng)距離，縱坐標(biāo)為所受摩阻力，藍(lán)色虛線為采集的數(shù)據(jù)，黑色實(shí)線為回歸的對(duì)數(shù)趨勢(shì)線。因在電機(jī)起動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)，封隔器模型向前運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，故分析所用的數(shù)據(jù)從位移為0.1 m開始。由圖3可知，①摩阻力隨著位移的增加而增大；②摩阻力隨加砂量的增加而增大（分別對(duì)比圖3-a與圖3-b、圖3-c與圖3-d），且砂子粒度對(duì)摩阻力增長(zhǎng)的影響不大（分別對(duì)比圖3-a與圖3-c、圖3-b與圖3-d）。在圖3-b中出現(xiàn)了跳躍點(diǎn)，其原因是，隨著封隔器的移動(dòng)，石英砂不斷堆積在其前方，形成小砂堆，如圖2所示；由于砂堆的支撐作用，會(huì)使封隔器與“井壁”上部接觸，造成摩阻力的急劇增大，進(jìn)而發(fā)生砂卡，圖2中可以看出封隔器模型前方被砂堆抬起與上壁接觸，且有砂子卡在其間。

圖3 普通封隔器模型所受摩阻力隨移動(dòng)距離變化曲線圖

2 疏砂槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

2.1 疏砂槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，在原有封隔器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在其外表面添加了疏砂槽結(jié)構(gòu)[15]，圖4為含疏砂槽的封隔器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4中上下疏砂槽深度相同，上下凸棱的外徑相同且大于膠筒外徑。

圖4 含疏砂槽的封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

在裸眼封隔器外表面添加疏砂槽結(jié)構(gòu)與原有裸眼封隔器相比：①封隔器在井筒內(nèi)做軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，位于井底的砂子、巖屑可以從疏砂槽流過(guò)，而不會(huì)堆積在其前方；②疏砂結(jié)構(gòu)的凸棱外徑大于膠筒的外徑，由于疏砂結(jié)構(gòu)的支撐作用，砂子、巖屑可以從膠筒與井壁的間隙處通過(guò)，減小對(duì)膠筒造成的磨損。且疏砂結(jié)構(gòu)與膠筒相隔一定距離，不影響膠筒的工作性能。

2.2 含疏砂槽的封隔器性能實(shí)驗(yàn)

結(jié)合裸眼水平井工況，對(duì)疏砂結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)：①凸棱寬度不能太小，以防破壞井壁；②為保證含封隔器的管柱能順利下入，盡量減小疏砂結(jié)構(gòu)的外徑，即凸棱不能太高；③槽的寬度直接影響砂子、巖屑的通過(guò)性。

為驗(yàn)證含疏砂槽結(jié)構(gòu)的封隔器的疏砂減阻效果，選取3種不同槽數(shù)且凸棱寬度相同的模型進(jìn)行摩阻力實(shí)驗(yàn)，并與前述封隔器模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比。參考實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置尺寸，制作的3個(gè)模型部分尺寸和其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)與表1相同，模型其他參數(shù)如表2所示，其中將本文1.2節(jié)所述無(wú)疏砂槽結(jié)構(gòu)的封隔器模型編號(hào)為C0。

表2 疏砂槽效果實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)表

圖5為模型C5下入水平井模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，含疏砂槽封隔器模型在行進(jìn)中，石英砂不會(huì)大量堆積在其前方，并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)砂卡現(xiàn)象。對(duì)比前述無(wú)疏砂槽的封隔器模型模擬實(shí)驗(yàn)，其疏砂效果顯著。

圖5 含疏砂槽封隔器模型實(shí)驗(yàn)效果照片

圖6為4種封隔器模型摩阻力的數(shù)據(jù)對(duì)比，所示曲線均為測(cè)得摩阻力的回歸對(duì)數(shù)趨勢(shì)線。圖6-a顯示當(dāng)砂子粒度介于12～20目，加砂量為50 mL時(shí)，C5和C6模型所受摩阻力較小，且二者沒(méi)有明顯差別；圖6-c顯示當(dāng)砂子粒度介于50～100目，加砂量為50 mL時(shí)，C5和C6模型所受摩阻力相近，在4個(gè)模型中較??；圖6-b和6-d顯示當(dāng)加砂量為100 mL，砂子粒度分別為12～20目和50～100目時(shí)，C5模型所受摩阻力最小。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出，①含疏砂槽的封隔器相比普通封隔器能明顯減少所受摩擦阻力；②在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)封隔器有5個(gè)疏砂槽時(shí)，所受摩阻力最小，即疏砂效果較好。相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如槽數(shù)、槽寬、槽深、槽長(zhǎng)等還需要在室內(nèi)以及工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

分析其原因：開槽數(shù)過(guò)少時(shí)，凸棱對(duì)封隔器的支撐效果不明顯，槽雖較寬，但槽底與井壁間可能形成較小間隙（如圖7所示，疏砂封隔器槽底與下部井壁形成的間隙從左到右依次增大），造成疏砂效果并不明顯，甚至增加摩阻力，如圖6-c所示；開槽數(shù)量過(guò)多時(shí)，槽較窄，對(duì)砂子和巖屑通過(guò)性的改善效果不明顯，如圖6-d所示。

圖6 4種模型所受摩阻力與移動(dòng)距離變化曲線圖

圖7 3種槽數(shù)疏砂封隔器在井筒內(nèi)位置截面示意圖

3 結(jié)論

1）在裸眼水平井中，封隔器下入時(shí)，隨著位移的增加，其所受摩阻力呈增大趨勢(shì)，且?guī)r屑量越多摩阻力越大。

2）封隔器含疏砂槽結(jié)構(gòu)能有效減少其下入裸眼水平井時(shí)所受的摩擦阻力，并能減輕膠筒磨損。

3）在模擬實(shí)驗(yàn)條件下，具有5個(gè)疏砂槽的封隔器疏砂減阻效果較好。相關(guān)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步研究。