体积压裂套管温度应力计算分析

体积压裂过程中大量压裂液经套管持续注入使井筒温度产生较大变化,温度变化引起的套管热应力对体积压裂过程中井筒完整性有较大影响。以我国南方某页岩气井体冬季、夏季体积压裂中井筒降温情况为例,文中对体积压裂过程中井筒降温情况进行了计算,计算结果表明,体积压裂过程中井筒降温幅度较大,最大温度降低值近76℃。针对体积压裂中套管温度应力问题,文中基于热传导理论及热弹性力学理论,建立了体积压裂中套管温度应力计算模型。同时,推导了体积压裂中温度影响下套管抗外挤强度计算公式。依据推导的公式,对体积压裂过程中套管抗外挤强度进行了校核分析,计算结果显示,温度应力对套管抗外挤强度有较大影响,冬季施工过程中温度应力使套管抗拉强度降低23%,内压与温度应力联合作用下,套管抗外挤强度降19%。     

页岩气压裂过程套管失效机理有限元分析

在页岩气压裂作业过程中,套管容易出现变形、破裂、错断等破坏性形式。为此,运用ABAQUS有限元分析软件建立套管的二维平面应变模型,模拟计算压裂后套管Mises应力及变形分布,找到套管损坏的主要影响因素。然后利用ABAQUS中关键字*Field实现地层岩石的性能随压裂进行不断降低,从而对四川某井套管失效问题进行了三维模型的实例分析。通过对有限元结果分析和对比压裂后MIT多臂测井曲线,认为套管失效是压裂过程中地层岩石性能降低、改造区域不对称、施工压力大以及地应力场重新分布共同作用的综合结果。最后提出压裂过程中套管失效的应对措施。该项研究结果可为页岩气压裂引起套管失效的防治提供理论依据。     

页岩气直井体积压裂过程套管失效的数值模拟

页岩气等致密油藏开发过程中常采用分簇射孔和复合桥塞分段大型水力加砂压裂的方式来改造储层,在作业过程中出现了大量的油层套管失效现象,导致正常的完井增产作业无法进行,严重影响了增产效果,降低了完井质量。为此,运用ABAQUS有限元分析软件建立地层-水泥环-套管的三维有限元模型,模拟计算压裂后套管Mises应力及变形分布。通过对有限元结果分析和对比压裂后MIT多臂测井曲线,认为套管失效原因为压裂后局部地层岩石强度非均匀降低,套管受挤压变形,致使套管截面椭圆度和弯曲曲率过大,导致井下工具下入遇阻遇卡。最后提出压裂过程中应该根据地层岩性和地应力参数选择合理的完井方式、压裂层段或分段方式和长度,加强随压裂监测技术,实时优化压裂分段、分簇工艺和施工压力参数,为页岩气压裂引起套管失效的防治提供理论依据。     

水力泵送桥塞体积压裂送球常见异常分析

近年来,随着鄂尔多斯盆地致密油气藏资源的大规模开发,常规压裂技术已经不再适用。具有大排量、大液量、大砂量等特点的体积压裂技术开始广泛应用。目前,在长庆区域应用最广的体积压裂技术是水力泵注桥塞-射孔联作压裂技术。水力泵注桥塞-射孔联作压裂技术具有可大排量、免起下钻等优点。但在现场的施工过程中,会时常出现异常情况,严重影响生产进度,送球异常就是其中一个常见的异常。本文从常见的送球异常入手,理论分析异常原因,为妥善处理施工过程中的送球异常提供参考,保证施工的顺利进行。     

水力泵送桥塞压裂技术在长庆油田的应用

长庆油田水平井体积压裂工艺技术迅速发展,但常规的分段压裂技术已不能完全满足体积压裂工艺的需要。水力泵送桥塞分段压裂技术采用射孔和座桥塞带压联作,通过压裂泵车送入水平段预定位置进行座桥塞射孔,提高了体积压裂的效率。在长庆陇东区域开展了5口井的试验,试验表明,水力泵送桥塞压裂技术具有封隔可靠、分段压裂级数不受限制、压裂周期短的特点。水力泵送桥塞压裂技术的成功实施,初步探索出针对该区块的一套有效储层改造技术手段,为下一步陇东区域大规模、高效体积压裂开发积累了宝贵的现场经验。     

压裂泵泵阀失效分析

对U类和O类泵阀的失效分析表明,压裂泵泵阀受高压冲击载荷和高含砂高酸度压裂酸化液冲蚀作用,产生磨料磨损、冲蚀磨损和疲劳磨损,导致密封失效,使用寿命低。为提高泵阀使用寿命,应优化阀锥角、阀盘结构及密封胶圈形状;选用合适的泵阀材料和热处理工艺,提高泵阀心部硬度,增加高硬度层厚度,改善其使用性能。     

尾管固井回接压裂套管屈曲失效研究

尾管固井回接压裂技术已成为中石化鄂北致密低渗油气藏储层改造的重要手段,压裂施工中的高压对回接套管的结构安全性提出了很高的要求。针对尾管固井回接压裂施工中套管出现的屈曲变形,运用理论分析和数值模拟方法研究了套管在高压作用下的屈曲失效形式。分析结果表明,■114.3 mm N80钢级的回接套管在不同施工压力下的屈曲失效形式是不同的。当施工压力超过20 MPa时,套管就会发生正弦屈曲;压力超过50 MPa时,套管将会以螺旋屈曲的形式发生失效。为保障施工安全,提出了预防套管失效的关键措施,优化了回接管柱方案。     

长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析

长庆油田致密油资源丰富,水平井钻井及体积压裂工艺是主要开发方式,而体积压裂工具是工艺实现的关键。通过对前期水平井分段改造管柱及配套工具对比分析,结合体积压裂工艺在作业排量、多簇射孔方式等方面对工具的要求,重点介绍了水力喷射分段多簇体积压裂工具、大通径快钻桥塞压裂工具和可开关套管滑套压裂工具。结果表明,在139.7mm套管固井完井条件下,当施工总排量低于8m3/min时,水力喷射分段多簇体积压裂工具具有操作简单、作业成本低的优点,成为长庆油田水平井体积压裂主体工具,已规模应用505口油田水平井;当施工排量超过8m3/min时,则采用大通径快钻桥塞压裂工具,该工具压后无需钻磨,可直接放喷、投产,已在长庆油田应用井数42口;而可开关套管滑套压裂工具不仅可以满足大排量压裂改造,还考虑了后期分层测试以及找水、堵水、重复改造等需要,将是最具有发展潜力的工具,它代表着体积压裂工具的发展方向。     

体积压裂过程套管力学行为研究

页岩气体积压裂时,关于固井质量对套管应力的影响分析主要基于传统建模方法,计算时无法考虑水泥浆失重及地层性质变化对套管的影响。鉴于此,基于分步有限元方法,考虑井筒组合体的初始应力应变,建立了温度和压力耦合条件下水泥环含多重工程缺陷的井筒组合体开挖扰动力学模型,对压裂过程中极端工况下的套管力学行为进行了分析。研究结果表明:当水泥环存在结构缺陷时,套管偏心和水泥环缺失单独存在时对套管应力的影响较大,而井筒内温度变化则削弱了水泥环结构缺陷对套管应力的影响;压裂过程中储层性质的降低以及水泥环缺失的综合作用极易导致套管发生变形破坏;极端工况下,水泥环弹性模量对套管应力的改善作用较小,而套管壁厚的增加能明显改善该情况下套管的应力状态。研究结果可为页岩气开发提供理论指导。     

大规模体积压裂情况下套管弯曲力计算方法

目前的套管弯曲力计算模型仅考虑了温度变化引起的弯曲力放大因子,忽略了弯曲段管体自重沿轴线上分量产生的轴向力。针对这种情况,综合考虑温度和自重的影响,推导出温度和自重双重作用下管体的弯曲力计算公式,并对套管弯曲力进行校正,根据双轴应力公式计算出套管抗击强度显著降低。分析结果表明,轴向力增大会对套管强度产生严重影响,压裂时其内压传递到管外,管内突然泄压会导致管内压力瞬间降到0,此时是套管抗外挤失效最危险工况;拉伸载荷计算不精确可直接影响套管抗外挤和抗内压强度校核,运用提出的计算模型可以较为精确地计算出压裂后套管轴向力。所得结论对页岩气井套管的强度优化设计具有参考意义。     

速钻桥塞体积压裂技术在安83区块水平井的现场应用

胡尖山油田安83区块长7油藏位于胡尖山油田中部区域,是以"三低"(低压、低渗、低产)为特征的典型特低渗透油田,资源潜力大,地质储量1.4×108t,储量规模大,但油藏物性差,动用难度大,投产井单井产能低,致密油高效开发技术亟需探索试验。通过2011年以来的不断探索,水平井速钻桥塞体积压裂技术成为致密油提产提效主体工艺。     

易钻桥塞座封和射孔连作在长北气田分层压裂中的应用及效果分析

鄂尔多斯盆地长北气田发育多套低渗透含气层系,其改造需要分层压裂。常规分层压裂的缺点是从第2段开始,在对每一段进行射孔前都需要用电缆下桥塞封堵下面层段之后起出电缆,再下射孔枪射孔,这样每射孔一个层段需要下两趟电缆,延长了外来流体对储层的浸泡时间,并增大了储层的伤害和施工风险。为了解决该问题,在长北气田试验了易钻桥塞座封和射孔连作在分层压裂中的应用。该工艺的施工过程包括四步,首先,将桥塞与射孔枪连接在一起,在自身重力或者采用水力泵送等方式输送桥塞和射孔枪到达目的深度后,地面给电信号座封桥塞,同时桥塞与射孔枪丢手,上提射孔枪到目标位置射孔;其次,压裂对应井段;再次,重复前两步施工过程,压裂完所有施工层段之后磨桥塞;最后,洗井。新工艺下一趟电缆可以完成一个层段的桥塞座封和射孔,明显缩短了施工周期,减少了钻井液、完井液、压裂液和洗井液对储层的浸泡时间和伤害。试验证明,易钻桥塞座封和射孔连作分层压裂后气井产量明显高于采用传统方法分层压裂后的气井产量;该工艺的成功实施,初步探索出了低孔低渗储层的有效改造技术手段,为鄂尔多斯盆地多层系气层高效开发积累了宝贵的经验。     

北美页岩气工厂化压裂技术

北美地区页岩气开发的成功,在全球范围内掀起一股页岩气勘探的热潮,北美从上世纪80年代开始页岩气的开发,积累了丰富的经验,进入21世纪,随着水平井钻井和大型多段压裂技术的进步,使页岩气获得商业价值.为了进一步降低开发成本,开发者把工厂的概念应用到页岩气的开发中,促进了工厂化压裂模式的形成北美开发实践表明,工厂化压裂可以缩短投产周期、降低采气成本、大幅提高压裂设备的利用率,减少设备动迁和安装,降低工人劳动强度.文章介绍了页岩气工厂化压裂的流程、组成部分和主要装备情况,并为国内开展此项技术提出了建议.     

压缩载荷造成套管柱早期失效的原因分析

简述某油田某一口注水井出现套损的情况，从套管设计，受压管柱的失效机理，地层因素和操作等方面分析了引起注水井套管先期损坏的原因，提出了在钻井工程设计中，应把套管的抗压强度(压缩载荷)作为必须考虑的设计参数的重要性。     

体积压裂改造非对称性对套管损坏影响机理

针对致密油气藏体积压裂改造过程中的套管损坏问题,根据弹塑性力学、接触力学理论,结合体积压裂改造施工实际情况,建立全三维尺寸的套管-水泥环-地层耦合有限元分析模型,以不同椭圆柱形表征体积压裂改造的非对称区域,采用Fortran子程序对ABAQUS求解器进行干预和二次开发,模拟了体积压裂改造区域水化膨胀的物性动态演化和力学性质。结果表明:随着椭圆形改造区域长短轴之比增加,井筒周围外载荷的非均匀性增强,通过水泥环传递到套管上的非均匀程度先增加后趋于稳定;随体积膨胀率增加,套管外载荷的非均匀程度增加;套管外载荷非均匀性的增强极大地增加了套管的应力水平,容易造成套管失效问题。该研究可为体积压裂参数优化设计提供理论依据,对预防套管及水泥环失效具有指导意义。     

水力泵送桥塞分段多簇体积压裂技术在AP959井的应用

为了解决鄂尔多斯盆地致密油藏水平井压裂改造过程中单层改造规模小、压后裂缝形态单一、作业周期长等问题,提出了水力泵送桥塞分段多簇体积压裂技术。该技术利用水力泵送的方式将封隔桥塞推放到预定位置,通过多级点火装置进行多簇定位射孔,裂缝起裂位置准确,施工排量大,而且分段压裂级数不受限制。AP959井压裂微地震检测表明,分段多簇射孔、多簇同时起裂方式比单段射孔、单段起裂方式更利于利用应力干扰,形成复杂裂缝,与相同储层条件下的邻井相比,加砂总量增加1.5倍,单井产量提高50%,达到"体积压裂"的效果。     

致密油水平井全可溶桥塞体积压裂技术评价与应用

致密油水平井目前主要使用复合桥塞进行分段体积压裂,压裂后需钻除桥塞,钻塞作业井控风险大、周期长、费用高,在超长水平井中钻塞的难度更大。全可溶桥塞压裂后可自行溶解,不需钻塞,目前国内尚无成熟的技术。为解决该问题,引进了国外全可溶桥塞,对其溶解性和承压性能进行了室内实验评价,自主研制了配套的低成本可溶性堵球,通过大型物模实验形成了全可溶桥塞泵送施工关键参数图版,并在国内致密油水平井开展了规模性现场试验。结果表明：全可溶桥塞泵送投放顺利,承压为70MPa,坐封、封隔性能可靠,完全满足水平井体积压裂需求;压裂后15d内桥塞自行溶解,不需要钻塞,可实现井筒全通径;研制的可溶堵球2d内完全溶解,可实现快速投产;单井试油周期缩短30%,作业成本降低20%,提效降本效果明显。该研究成果为全可溶桥塞实现国产化提供了宝贵的技术借鉴。     

四川页岩气井压裂用桥塞技术及泵送作业分析

泵送分簇射孔和分段压裂技术目前已广泛应用于页岩气、致密油气等非常规油气水平井开发中,其中桥塞暂时封堵技术是实现水平井分段压裂的关键技术之一。 文章基于分簇射孔与桥塞联作技术原理,重点阐述了在四川地区页岩气井分段压裂中所采用的桥塞技术,包括易钻复合桥塞、大通径免钻桥塞和可溶桥塞,总结分析
了三类桥塞的技术特点与优势。以目前四川盆地页岩气井采用的Φ139.7mm套管（内径114.3）为例,模拟计算并分析了桥塞外径分别为100mm,105mm和110mm时,与泵送排量、液体对管串冲击力的关系,最后提出了选择合适桥塞以实现泵送作业安全的相关建议。     

水平井压裂用桥塞锚定套管力学性能研究

针对常规卡瓦式桥塞在锚定过程中对套管的过度损伤问题,提出并设计了一种镶齿卡瓦桥塞,采用弹性力学厚壁筒理论及有限元方法,计算了套管抗内压强度、周向应变和周向伸长量,分析了桥塞锚定后卡瓦牙与套管内壁之间的接触应力以及吃入深度。分析结果表明：整个桥塞其余部件的应力水平都比较低,上卡瓦牙高侧产生了很大应力,达到硬质合金强度值;坐封后下卡瓦的第一排牙产生极大应力,下卡瓦牙周向均匀接触于套管内壁面,可有效坐封桥塞,且镶齿对套管表面应力影响较小。根据镶齿卡瓦进行了锚定套管的试验研究,试验模拟坐封后,卡瓦承压能力和坐封功能均较稳定,证明合金卡瓦结构设计合理。研究结果可为连续管钻水平井镶齿卡瓦桥塞的优化设计和推广使用提供理论和试验数据。     

页岩地层体积压裂过程中水泥环完整性研究

为了准确了解多级压裂过程中水泥环的应力变化规律,基于分步有限元的思想,构建了考虑页岩各向异性的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型,模拟多级压裂过程中水泥环的应力变化特征。新的模型考虑了注液温度、套管内压、地应力、孔隙压力、水泥环以及地层性质等因素对水泥环受力状态的影响。研究结果表明:高压注液过程中,采用传统模型会低估井下水泥环周向应力的变化程度;大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致水泥环应力发生剧烈变化;储层改造后的地应力以及孔隙压力变化对水泥环周向应力均有较大影响;水泥环周向应力随着地层各向异性程度的增加而有所增加;调节施工内压并适当降低水泥环刚度可明显降低水泥环发生拉伸破坏的概率。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。