2022年2022年可膨胀防砂筛管和胀管工具的开发与试验 .pdf

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1、可膨胀防砂筛管和胀管工具的开发与试验翻译 : 李艳丽(辽河石油勘探局工程院井下所)校对 : 胡淑娟(大庆油田工程有限公司)摘要 许多传统的防砂完井技术都有其弱点 , 不但显著地影响井眼的稳定性, 比如容易发生井眼坍塌使筛管损坏等, 而且完井成本也较高。为此开发研制了新型完井技术 可膨胀防砂筛管完井工艺。新型防砂筛管可以胀大到井眼内径大小, 通过增加筛管表面积降低筛网内外的压降来提高生产率。另外 , 筛管胀大过程也有助于稳定井眼, 使出砂的可能性降至最低。在许多井中, 应用新型防砂筛管可以不用砾石充填, 与常规筛管相比 , 具有更大的生产内径。各种试验包括 : 筛管膨胀试验、筛管爆裂和挤毁试验、

2、胀管工具测试和系统整体试验。主题词 完井 防砂 可膨胀筛管 室内试验 现场试验一、概述为阻止水平井出砂通常将筛管下到裸眼生产层段。油井在经过一段时间的生产之后, 地层会变得不稳定 , 从而导致油井出砂或井眼坍塌。井眼坍塌又会造成井筒堵塞, 并损坏筛管 。当筛管受到较大的外部载荷时, 如果没有足够的强度, 筛管就会被破坏 , 并挤毁井眼。为了达到最佳防砂效果并支撑住井眼 , 井眼与筛管之间的环空需要砾石充填。但是 , 在有些井况下进行可靠的高成功率的砾石充填完井相当困难。另外 , 防砂筛管完井可缩小生产内径 , 如果同时还进行砾石充填, 生产内径将会进一步缩小 。针对上述问题, 研制开发了可膨胀

3、防砂系统。该系统具有较强的抗挤强度, 其成形产品可以在6 ? 3 in裸眼中膨胀, 从而起到防砂作用。二 、可膨胀防砂筛管系统研制该系统主要由筛管、送入工具 、筛管悬挂器和筛管膨胀工具等几部分构成。1 , 膨胀筛管设计膨胀筛管设计难点在于: 基管和筛管材料、所需膨胀力和膨胀率等。在材料选择方面, 由于工业上对钢材的塑性应力 应变方面经验有限, 所以采用有限元分析和室内试验方法来进行研究。由于胀锥的设计对膨胀力 、变形 、胀大直径 、材料整体性能等都有影响,所以有限元法也可以用来检验胀锥的设计。通过对低合金碳钢基管在用胀锥胀大过程的有限元分析, 得出如下结论:摩擦系数分别取值为010、012、0

4、14时,可以得出随着摩擦力的增加胀力也随之增大的结论。这说明控制胀锥和胀管之间的摩擦力非常重要。基管横截面上的应变分布规律为: 摩擦系数一定时 , 最大应变分布在靠近基管内表面处。最小应变分布在基管壁厚一半处, 而不是想象中的最小应变位于靠近基管外表面处。摩擦系数分别取010、012、014 时 , 随着摩擦力的增加横截面应变也随之增加。摩擦力一定时, 距管壁上泄油孔越近, 塑性应变与应力越大。将该有限元应变与材料破坏试验中应变相比, 其比值为一无量纲数值。基管膨胀后 , 泄油孔处具有较大应力应变, 说明基管材料必须具有较高的抗应力性能。基管与胀锥外表面之间的接触应力状态有助于对不同胀锥设计、

5、减摩润滑剂性能及材料变化进行比较 , 从而选取最佳配置。筛管设计过程中提出了多种设计思想。最终只选取三种最佳方案以比较筛管的膨胀性能、加工性能和过滤性能。这三种筛管分别为: 微割缝筛管、绕丝筛管和中心层状过滤筛管。微割缝筛管: 该类筛管圆周分布许多割缝, 经胀锥胀大后, 其割缝处直径变化较大。效果不太理想 , 需修改设计并做更多的延展性试验。绕丝筛管 : 该类筛管胀大后直径变化较为合理 , 但其胀大后焊缝处胀大不均匀。中心层状过滤筛管: 该类筛管具有两层保护层 , 用胀锥胀大后, 它的膨胀性能、过滤性能均优于其他两类, 因而成为新型膨胀筛管的设计基础。2 , 膨胀工具设计膨胀工具由三部分构成:

6、 卡瓦 、动力组件和胀42国外油田工程第20卷第11期(2004111)? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 锥部分 。当向膨胀工具施加压力时, 卡瓦先咬合在油管内壁上, 然后动力组件产生膨胀力, 推动胀锥的同时胀大基管和筛管的直径。胀锥为

7、可胀大和可缩小的锥体结构。动力组件通过模拟膨胀载荷进行循环试验以检验其密封总成的寿命。该总成经500 次冲程试验,密封件磨损很小。(1)卡瓦试验为测定卡瓦使用寿命及卡瓦对基管的影响进行了该项试验。试验装置包括密封、卡瓦和模拟油管。试验时 , 向油管内施加压力, 使卡瓦牙胀开咬合在油管内壁上, 随后 , 为真实再现膨胀过程, 继续施加压力直到与设计的膨胀压力相同, 然后卸掉载荷 , 并活动卡瓦以确定卡瓦牙已经收回。该过程重复进行大约300 次 。(2)胀锥试验该试验用来检验胀锥在不同载荷时的胀大直径 , 并用其胀大了一些短节。完成膨胀过程后剪钉剪切 , 压力释放 , 胀锥恢复至原始尺寸。(3)膨

8、胀工具系统试验首次试验是在得克萨斯州Carrollton 加工厂的试验井中进行的。试验目的有两个: 一是检验整套膨胀工具的性能, 二是通过试验获取一些相关数据及经验 。试验时,用该套膨胀工具胀大了一根长320ft 、外径 515in 、壁厚 01304in 的钢管 。试验过程中 , 施加的压力持续升高, 而膨胀开始时由于承压面积增大, 压力稍微下降并维持至膨胀过程终止 , 此后如果没有卸压, 则压力将会继续升高。三、室内试验1 , 可膨胀筛管系统综合试验分别对筛管、膨胀工具进行初步测试并取得令人满意的效果后, 开始在试验井中对整套系统进行整体测试 。共进行两次试验,情况如下:试验 1: 该次试

9、验目的是对膨胀筛管系统, 包括膨胀工具 、衬管悬挂器 、中心管 、筛管 、螺纹联接等进行综合性能评价。试验中 , 长 7ft 的膨胀工具胀大了约100ft 长的筛管 、基管和螺纹连接。试验过程中使用了衬管悬挂器来悬挂筛管总成。通过该次试验可得出如下结论:需重新设计释放机构, 以顺利释放施加于胀锥上的载荷 。需要改进卡瓦部分, 以使膨胀过程中载荷分布更加合理 。由于衬管悬挂器需要一定尾管负荷, 因而该悬挂器不能用于水平井中。试验 2 : 此次试验对系统各组件进行了进一步评价 。试验使用了一种筛管悬挂工具, 而不像第一次试验用的是衬管悬挂器。因为该筛管悬挂器不限定最小使用负荷, 并且带有环空挡板机

10、构。本次试验由于改进了卡瓦和剪切释放机构, 因此试验比较成功 , 大约 150ft 可膨胀筛管总成被胀大。2 , 可膨胀筛管爆裂和挤毁试验油井完井和生产过程中筛管会受到种种内部、外部载荷的作用。如果筛管周围或内部堵塞, 井眼压力增加, 筛管可能被挤毁或爆裂, 因此需要通过试验来确定筛管抗内和外压力的精确值, 以防止筛管损坏 。(1)挤毁试验筛管放置在专门设计的试验台架上。11 % Ok2lahoma 1#砂和89 % 200目石英粉组成的封堵剂添加至凝胶中以形成泥饼。石英粉混合物以1 lb/ min速度添加, 泵排量为10gal/ min。筛管开始堵塞,压力快速升至22MPa 后突然下降。再一

11、次堵塞未能成功后, 将筛管从试验架上取下, 发现筛管已经挤毁 , 而筛管过滤介质没有撕开迹象。第二次外压试验将卸压阀设置在21138MPa ,随 着 石 英 粉 混 合 物 的 添 加,压 力 快 速 升 至21138MPa 然后卸压 。检查膨胀筛管试件没有发现挤毁变形现象。第三次外压试验时凝胶以10gal/ min 的排量泵入 , 并不断加入石英粉混合物。压力增加封堵开始 , 压力升至 21138MPa 后卸压 , 筛管部分挤毁。(2)爆裂试验该试验装置与外压试验装置相同,但重新布置以向筛管内部施加载荷。封堵剂以015gal/ min 速度添 加 , 泵 排 量 仍 为10gal/ min

12、, 当 压 力 升 至7159MPa 时 , 筛管外径已胀大到了7 & 3 in 套管内径大小 。尽管筛管出现变形, 但过滤介质并没有撕裂 。第二次试验时, 泵排量在压力首次快速增加后调整到 7gal/ min 。当压力升至8128MPa 时 , 停止加压 。筛管外径膨胀到了7& 3in套管内径大小,过滤介质仍未撕裂。四 、现场试验可膨胀筛管第一次现场试验是在Fandango油田 Hinojosa - 8井中进行的,试验时使用了可膨胀(下转第 33 页)52李艳丽:可膨胀防砂筛管和胀管工具的开发与试验? 1994-2007 China Academic Journal Electronic P

13、ublishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 附录1旁通模型是用来决定清管频率的, 假设没有旁通 , 管线通道将变成糟糕的蜡塞, 或至少大体积蜡会到达接收装置。 其他操作方面的限制加上模型就可以确定出最终的清管频率。通过清管器的旁通流由下面公式确定:Qbypass=Cd2PAbypass(1)蜡到达清管器时, 最大蜡沉积面积时的流速可用下面

14、公式表示:Qwax=Npdtwax , daily(2)为了不使蜡在清管器前形成蜡塞, 旁通流速公式(1) 必须大于蜡到达清管器的速度 公式(2) , 这就是常说的连续性法则, 在图 2 中得到证明 :QbypassQwax(3)根据连续性法则, 重新整理公式(3)就得到清管频率N(或者说是在两次清管器下入之间的时间) :N Cd2 PAbypasspdtw ax , daily(4)式中 :N 清管器运行的天数;Cd 流量系数(通常取 017) ;P 清管器两端压差; 原油密度 ;Abypass 旁通面积 ;vP 清管器速度;d 管线内径 ;twax , daily 每天最大的蜡沉积量。资料

15、来源于美国Pipeline World2004年4月(收稿日期 20040831)(上接第25页)衬管悬挂器 , 悬挂器位置在 9 & 3 in 套管内 3300ft处。现场试验分两步进行: 第一步下入悬挂器总成 , 以确定能将筛管放置在正确位置; 第二步进行膨胀作业 。成功放置悬挂器后, 起出送入工具, 并准备下入膨胀工具总成。将膨胀工具+ 4 ? / in 钻铤+ 4 ? - in 工作管柱下入预定位置。膨胀工具上的胀锥限位在胀锥启动装置上,然后将作业管柱提升12ft 。安装泵并开始循环, 当在地面见到返出液时 , 增加排量 , 使胀锥沿心轴胀大至工作外径。卸压 , 下放膨胀工具直到胀锥又

16、一次限位在胀锥启动装置上 。在管柱上作好标记, 开泵加压, 胀锥胀大至工作外径, 停泵卸压 , 下放管柱 。不断重复这一过程 , 在第六次行程中, 胀锥没有在同样压力下胀大至工作外径。通过检查标记并再一次偿试膨胀未成后 , 判断工具位于一个接头的筛管焊缝处。将压力增加到31MPa 后 , 完成了膨胀过程。最后一次膨胀过程 , 工具行程5ft , 密封总成进入心轴内,工具上剪切装置剪切卸压。至此 , 完成预计长度筛管的膨胀作业。起出膨胀工具进行检查。筛管膨胀作业顺利完成, 大约 160ft 筛管和基管在 20 次膨胀行程中成功胀大。膨胀压力范围在2418328196MPa之间,最高峰值为31MP

17、a。测井曲线显示筛管膨胀后内径为5144in 。五、结论新型可膨胀筛管是为防止水平井井眼坍塌、出砂而研制的。具有如下优点:由于消除了热点侵蚀而降低了失败率。内径的增大提高了油井的重入及修井能力。提高了生产率。施 工 成 功 率 较 高 , 从 而 增 加 了 筛 管 的 可靠性 。施工成本与水平井砾石充填相似。室内试验表明, 该种筛管具有优良的抗挤毁和抗爆裂性能。现场试验也证明, 在水平井防砂、防止井眼坍塌方面是一种可靠的手段。在某些条件下 , 它可代替水平井常用的砾石充填完井方式。下一步要进行可膨胀筛管系统侵蚀、腐蚀 、连接 、油泥 滞 留 等 方 面 的 性 能 测 试,并 研 制 用 于8 ? - in井眼的可膨胀筛管系统及选择更为合适的筛管材料以适应腐蚀性较大的环境。资料来源于美国SPE 73750(收稿日期 20040707)33黎兴文:清管保证管线畅通:对管线除蜡的清管频率评估? 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -