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1、 6 4 钻 采 工 艺 DRI L L I NG PRODUCT I ON TECHNOLOGY 2 0 1 3年 l 1 月 NO V 2 O1 3 表 1 X X X井基础数据 目的层深度 m 7 1 4 0 压 力系数 1 8 地温梯度 ( o C 1 0 0 m ) 2 4 延伸压力梯度 ( MP a m ) 0 0 2 2 预计 日产气 1 0 m 5 0 结合国内外 的经验做法 ， 塔里木三超气井油套 管的最低 安 全 系数 规 定 为 ： 抗 内压 1 3， 抗 外 挤 1 1 5 ， 抗拉 1 6 ， 三轴 1 5 。单 因素安全系数仅供参 考 ， 最终以三轴安全系数为校核准
2、则 ， 即通过调整参 数将安全系数最低点落在 1 5的基准线上 。 三 、 压力和温度模拟 ( 1 ) 压力分布。井筒压力分布可 以由井 口向下 推算 ， 也由井底 向上推算 ， 由已知的压力来决定 。对 于压裂 、 产 出、 关井等工况而言 ， 井底压力是可以根据 前期资料预测的， 则井筒的压力分布由式( 1 ) 确定 ： P= p 底一 P 柱 p 摩 ( 1 ) 式 中： p 一井筒某深度处压力 ； p 底 一井底压力 ， 压裂 时， 井底压力为裂缝延伸压力加孔 眼摩阻 ， 开井时 ， 井底压力为孔隙压力减生产压差 ， 关井时井底压力 恢复为孔隙压力 ； p 梓 一该深度至 目的层 的液
3、 柱 ( 或 气柱) 压力 ， p 廑 一该深度至 目的层 的流动摩阻， 流入 取 +， 流出取 一， 不流动为 0 。 显然 ， 对压裂而言 ， 压裂液密度越大， 井 口泵 压 越低 ， 压裂液摩阻越小 ， 井 口泵压越低 。 根据压裂方案 ， 初步选定油管规格 ， 假定排量要 求不 低 于 6 m ra i n ， 常 规压 裂液 密度 为 1 0 2 g em。，压裂液摩阻系数为 0 3 5 ( 摩阻系数指某流体相 对于清水的摩阻比值) 。根据地层压力选择 1 4 0井 口， 则 压 裂 时泵 压 限制 在 1 2 0 MP a( 1 4 0 M P a的 8 5 ) 以下。根 据最 恶
4、劣 工况 的等安 全 系数原 则 ( 每段油管最低安全系数大致相等的原则) ， 初步确 定油管配长， 然后模拟井筒压力。经过初步运算， 全 井 0 8 9 m m油管不满足 6 m m i n的排量 ( 泵压超 出 1 2 0 M P a ) 。增大管径可降低摩阻， 从而降低泵压， 因此改用 l 1 4 3 m m油管， 经过运算， 仍然超压， 再 通过高密度压裂液密度来降低泵压。常用的高密度 压裂液密度为 1 3 2 g m ， 经过运算， 泵压在 1 2 0 M P a以下 ， 满足设计要求。 ( 2 ) 温度分布。根据压裂液( 或产出流体) 、 完 井液、 油管、 套管、 水泥环、 围岩
5、等的比热容、 热传导 特性， 结合压裂排量( 或产量) ， 软件 自动模拟出压 裂液 ( 或产 出流体) 、 完井液 、 油管 、 套管 、 水泥环 、 围 岩等介质沿井筒的温度分布 。图 2为该井 酸压 时各介质的温度分布。 温度 ( ) 图 2 压裂 时的 井简温度分布 四、 套管校核 在做完井设计时， 套管已经入井且已固井 ， 套管 配置无法更改 ， 校核套管 的 目的是确定试油完井各 项作业井筒温度场和压力场的改变对套管强度的影 响。模拟最大 内压和最大外挤情况下的最低安全 系 数 ， 从而确定完井液 的最佳密度 。压裂时为了缓解 鼓胀效应， 需要施加平衡套压。根据经验， 对于塔里 木
6、三超气井常用油管 ， 压裂时平衡套压可能高达 5 0 MP a 。下面按照套压不低于 5 0 M P a 、 三轴安全 系数 不低于 1 5的条件下校核套管 ， 确定完井液的最佳 密度。 1 封隔器以下的套管校核 封隔器以下的套管内流体和油管内流体相同， 内压取决 于压裂液 或产 出流体密度 和油 压 ( 或 泵 压 ) 。 衰竭时内压很小， 套管外取可能的最大压力， 通 过模拟最大外挤情况， 确定纯气时的最低油压。最 大内压为地层破裂前的高泵压低排量挤前置液工况 ( 即低挤工况) ， 通过模拟最大内压情况确定最大泵 压。封隔器 以下套管校核情况如图 3 。 图3 表明， 在最低 1 5 的安
7、全系数控制下， 对封 隔器 以下套管而言 ， 选择密度 1 0 2 g c m 的压裂液 最大泵压 1 4 5 M P a ， 选择密度 1 3 2 g e m 的压裂液 最大泵压 1 2 6 M P a ； 纯气时最小 油压 2 0 MP a 。这是 对泵压和油压参数的一次控制， 后面将通过封隔器 油管校核 ， 对泵压和油压参数进行二次控制。 第 3 6卷第 6期 Vo 1 3 6 No 6 钻 采 工 艺 D R I L L I N G P R 0 DU C T I O N T E C H N O L O G Y 6 5 蛊 绝对三轴安 全系数 图3 0 1 3 9 7 m m套管安全系数
8、分布 2 封隔器以上的套管校核 校核封隔器以上 的套管 ， 内压取决于完井液密 度和套压。 ( 1 ) 套管内为完井液， 套压为 0时套管内压力 最小( 不算套管掏空情况) ， 套管外取可能的最大压 力( 对于 已固井套管且有 外层套管 ， 套 管外最大压 力取 固井前的钻井液密度 ； 对于已固井的单层套管 ， 外面与地 层连 通 ， 套 管外 最大压 力取 地层 压力 ) 。 通过模拟最大外挤情况时 ， 确定最低完井液密度 。 ( 2 ) 套管外取可能 的最低密度 ( 固井 质量 良好 一般按活性水计算) ， 内压力分布为完井液液柱压 力加平衡套压 。通过模拟最大 内压情况 ， 确定所需 套
9、 压 下 的最 大 环 空 液 密。选 择 生 产 链 接 ( P r o d L i n k ) ， 导人各工况 的温度效应 ， 在最低 1 5的安全 系数控制下 ， 确定最佳的完井液密度。 图4和图5分别为 01 9 6 8 5 m m套管和 0 2 0 1 7 mm套管的校核结果 ， 通过最大 内压工况模拟 ， 在最 低 1 5的安全 系数控制下 ， 密度分别为 ( 1 3 、 1 4 、 1 5 ) c m 的完井 液最大套压 依次为 ( 6 0 、 5 5 、 5 0 ) MP a ； 通过最大外挤工况模拟 ， 套压为 0最低完井液 密度为 1 1 9 e m 。在平衡套压不低于 5
10、 0 M P a 条 件下 ， 完井液密度取值范围是( 1 21 5 ) g e m 。 。 岂 软 绝 对三轴 安 全系数 图5 2 0 1 7套管安全系数分布 ( 3 ) 以上是按 照新 套管校核 的， 对 于尾管喇叭 口以上 的套管 ， 往往都有一定程度 的磨损。如果磨 损明显， 则套管按磨损后的剩余强度计算， 这样 ， 完 井液密度 的取值范围将进一步缩小 。 ( 4 ) 另外 ， 本井还要考虑尾管喇叭 口的安全性 。 根据试压 2 0 M P a 推算 ， 喇叭口有效承压为 2 8 MP a ， 则完井液密度取值范围是( 1 3 71 4 6 ) g c m。 。 五、 油管封隔器校
11、核 根据套管校核结果 ， 初步选择 1 4 g e m 的完 井液 ， 通过 P r o d L i n k链接到 O p e r a t i o n中的低挤 、 压 裂、 产气、 关井、 衰竭等关键工况。首先校核压裂工 况 ， 若不满足设计最低排量 ， 首先看能否通过调整完 井液密度和套压来改善 ， 若不能则采用更高钢级 的 油管。经过运算 ， 采用 1 4 C 1T I 的完井液 ， 在最低 安全系数 1 5 、 最大套压 5 0 MP a 、 最大油压 1 2 0 MP a 条件下最大排量可达 6 3 m mi n 。低挤工况 由于 排量很小 ， 几乎没有摩阻损耗 ， 整个油管 内压力分
12、布 很高。模拟产气和关井工况时只需确定最低的平衡 套压 。衰竭是模拟油管的抗外挤 ( 开采后期纯气 时 的最低油压) 。 ( 1 ) 针对油管校核的参数控制如表 2 。 表 2油管校 核参数优化结果 油 泵压 套压 工况 排量 产量 油管薄弱点 MPa MPa 低挤 0 3 I n rai n l 1 2 5 0 8 5 6顶部 压裂 6 3 m ra i n 1 0 9 5 0 井 口 产气 5 01 0 m 9 2 最低 2 9 6 5顶部 关井 0 1 0 6 最低 1 4 9 6 5顶部 衰竭 很小 最低 2 4 0 封隔器上部 绝对三轴安全系数 图4 0 1 9 6 8 5 套管安全
13、系数分布 ( 2 ) 油管三轴安全系数分布如图6 ， 最低安全系 6 6 钻 采 工 艺 DRI LL I NG P R0DUC TI ON TE CHNOL OGY 2 0 1 3 年 l 1 月 NO V 2 01 3 数均按 1 5控制 。 绝对 三轴安 全 系数 图6 油管安全系数分布 ( 3 ) 油管变形和效应力 。油管变形和效应力 如表 3 。由于油管 两端 固定 ， 所 有工况 的综合 变形 为 0 。压裂时温度和鼓胀效应油管产生 6 2 m 的缩 短趋势， 缩短趋势转化为轴向拉力 4 7 2 t 。产纯气 时温度和鼓胀产生 2 4 m的伸长趋势， 转化的2 9 8 t 轴向压力
14、 。 表 3 油管变形和效应力 胡克 屈曲 鼓胀 温度 综合 效应力 工况 m m m m m k 初始 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 低挤 1 7 8 0 0 0 1 7 8 0 0 0 0 0 0 5 7 2 8 压裂 6 2 0 0 0 0 0 6 0 5 6 0 0 O 0 4 7 2 2 1 产气 2 2 0 0 2 0 2 4 5 4 8 5 O 0 0 2 9 8 6 9 关井 0 1 5 0 0 0 2 2 5 2 1 0 0 0 0 7 1 0 8 衰竭 0 9 0 一 O 0 2 0 9 2 0 O 0 0 0 0 9 5 4 2 ( 4
15、) 封隔器校核 。封隔器载荷数据如表 4 ( 油管力负值表示向上， 轴向载荷负值表示压缩) 。 表 4 封 隔器 载荷 数据 油管力 轴向载荷 k g r 环空压力 M P a 工况 k g f 上 部 下部 上部 下部 初始 一 2 8 4 7 9 4 2 9 1 2 2 7 6 9 3 3 9 3 3 低挤 2 9 6 2 8 7 8 2 3 0 4 1 0 1 4 3 6 2 0 0 3 压裂 7 2 4 8 9 5 0 1 1 6 2 2 3 7 2 1 4 5 2 1 5 7 8 产气 4 3 9 5 1 9 2 6 9 1 4 8 7 5 9 2 7 l l 2 4 关井 6 0 3 1 1 1 4
