pe管泵送方法在煤層氣井的應(yīng)用研究

pe管泵送方法在煤層氣井的應(yīng)用研究

在頂板和通風(fēng)過程中，由于中深部煤層的總體滲透性較低，可以顯著增加排水面積的u型井和多支井技術(shù)，這正在促進(jìn)天然氣的開發(fā)。為避免儲(chǔ)層污染,目前煤層氣U型井和多分支井水平段多采用裸眼完井,而煤巖的脆性較大,同時(shí)具有極強(qiáng)的應(yīng)力敏感性,在開采過程中隨著壓力的下降,水平井段極易出現(xiàn)坍塌,進(jìn)而堵塞流道,使產(chǎn)量嚴(yán)重下降。為解決這一問題,可在水平井段下入篩管完井用于支撐井壁。另外,出于后期采煤作業(yè)安全的考慮,金屬材質(zhì)的管材被禁止下入煤層,因而采用一種高強(qiáng)度PE篩管代替常規(guī)金屬篩管進(jìn)行完井。PE管材較輕,難以靠自重下入,將其做成連續(xù)管,通過井口注入裝置注入,為了減小下入過程中的摩阻,目前主要采用經(jīng)鉆桿內(nèi)進(jìn)行注入的方法。這種PE篩管完井在澳大利亞的煤層氣開發(fā)當(dāng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,在中國(guó)還處于探索試驗(yàn)階段。筆者對(duì)煤層氣U型井PE篩管完井泵送方案進(jìn)行研究。1鉆井液液流作用力的作用原理由于受到注入裝置的注入力和下行過程中的阻力,PE篩管首尾兩端承受壓力容易彎曲變形,當(dāng)壓力達(dá)到臨界負(fù)荷之后,首先出現(xiàn)正弦屈曲,隨著進(jìn)一步受壓將產(chǎn)生螺旋屈曲,嚴(yán)重時(shí)PE管將發(fā)生屈曲自鎖,此時(shí)注入力越大,鎖緊狀態(tài)越嚴(yán)重,通過井口注入裝置無法繼續(xù)為篩管提供下行力。在發(fā)生屈曲之前,下入阻力主要來自于篩管同鉆桿內(nèi)壁的側(cè)向接觸力,發(fā)生屈曲之后篩管的阻力主要來自于屈曲帶來的附加接觸力。PE篩管下入過程中在直井段已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重屈曲遇阻,在發(fā)生正弦屈曲的情況下附加接觸力可由以下公式計(jì)算:Nzx=rT28EIΝzx=rΤ28EΙ.(1)而當(dāng)出現(xiàn)螺旋屈曲的情況時(shí),附加接觸力可表示為Nlx=rT24EIΝlx=rΤ24EΙ.(2)其中I=π(D4?d4)64.Ι=π(D4-d4)64.式中,Nzx、Nlx為附加接觸力,N/m;T為連續(xù)管所受軸向力,N;r為鉆桿內(nèi)半徑與篩管外半徑之差,m;E為管材彈性模量,Pa;d、D分別為篩管內(nèi)、外直徑,m?？梢钥闯?下篩管選用的鉆桿內(nèi)徑、篩管尺寸及材料均對(duì)下入過程中的阻力有影響。這種情況下應(yīng)將篩管割斷,連接鉆桿,建立循環(huán)利用鉆井液泵送將PE管送至目的層位。在篩管前端連接的引導(dǎo)裝置上安裝有承壓臺(tái)肩,在建立循環(huán)后,通過鉆井液作用在臺(tái)肩上的沖擊力帶動(dòng)PE篩管下行(圖1)。利用承壓肩帶動(dòng)篩管下行的作用原理,除了利用鉆井液液流沖擊力提供直接的下行力外,更重要的是,篩管下入過程中遇阻主要是由于在井內(nèi)屈曲鎖緊,越壓鎖緊越嚴(yán)重,而通過沖擊承壓肩在下方提供一個(gè)拉力則能逐漸解除鎖緊狀態(tài)。此外拉力可將篩管拉直,減少下行過程中篩管與鉆桿內(nèi)壁的摩擦阻力。2管下行,篩管屈曲泵送實(shí)際上是通過作用在篩管管體和臺(tái)肩上的沖擊力共同帶動(dòng)篩管下行,由于篩管屈曲形態(tài)復(fù)雜,無法精確計(jì)算和控制沖擊力。承壓臺(tái)肩相對(duì)篩管直徑較大,可通過正面沖擊力和邊界層的黏滯力雙重作用提供下行力,因此承壓肩設(shè)計(jì)是泵送方案設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。2.1程遇阻或卡死承壓臺(tái)肩形狀設(shè)計(jì)以最大限度地承受來流沖擊和減小下入過程遇阻或卡死情況為原則;當(dāng)篩管引導(dǎo)裝置安放在直井的洞穴附近,以及在同一井段需要多次下篩管的情況下,為了保證過流通道連貫通暢,可以考慮在引導(dǎo)裝置前端留出泄流孔。2.2水流對(duì)臺(tái)肩的作用力隔斷篩管并開泵循環(huán)后,篩管及引導(dǎo)裝置的初始速度為零,逐漸增加排量,至鉆井液液流造成的沖擊力足以克服篩管所受阻力或開始解除篩管鎖緊狀態(tài),引導(dǎo)裝置開始帶動(dòng)篩管下行。到平穩(wěn)下行狀態(tài),引導(dǎo)裝置與液流保持恒定的速度差,使得相對(duì)流量通過引導(dǎo)裝置時(shí)造成的沖擊力恰好可以克服下行過程中的摩阻(圖2)。這種沖擊力本質(zhì)是由于液體在臺(tái)肩處繞流,由于渦流耗能導(dǎo)致臺(tái)肩下游的壓強(qiáng)低于上游壓強(qiáng),在臺(tái)肩兩側(cè)形成壓差,這種差壓力即為沖擊力。為考察臺(tái)肩處沖擊力影響因素,建立簡(jiǎn)化模型,假設(shè):接近臺(tái)肩處的篩管壁光滑,篩管內(nèi)外液流流動(dòng)狀態(tài)一致;所取1、2兩個(gè)液流截面上速度及壓力平均分布。取兩截面之間的液體作為研究對(duì)象,根據(jù)流體動(dòng)量定理,有p1A1-R-p2A2=ρQ(v2-v1).(3)式中,R為臺(tái)肩對(duì)于液流作用力,數(shù)值上等于液流對(duì)于臺(tái)肩的作用力,N;p1、p2分別為作用在上、下兩截面的壓力,Pa;A1、A2分別為上、下兩截面面積,m2;Q為鉆井液流量,m3;ρ為鉆井液密度,kg/m3;v1、v2為鉆井液在兩截面處流速,m/s。由液體連續(xù)性方程Q=A1v1=A2v2,(4)以及A1=A2,(5)v1=v2.(6)整理得R=(p1-p2)A1.(7)對(duì)于流經(jīng)臺(tái)肩處的液流,其水頭損失主要存在于由較寬的流道進(jìn)入臺(tái)肩處的狹窄流道處的縮頸損失,以及由狹窄流道重新進(jìn)入較寬流道的擴(kuò)徑損失。圖3為承壓臺(tái)肩處流道截面示意圖。圖3陰影部分即為液流沖擊部分,而空白處為過流通道,將過流面積設(shè)為As,流經(jīng)臺(tái)肩處的液流速度設(shè)為vs,則對(duì)截面1和臺(tái)肩過流面,伯努利方程為p1γ+v12g=psγ+vs2g+ζ1vs2gp1γ+v12g=psγ+vs2g+ζ1vs2g.(8)式中,γ為鉆井液重度,N/m3;ζ1為縮頸處的局部水頭損失系數(shù)。同樣,對(duì)于臺(tái)肩過流面和截面2,伯努利方程為psγ+vs2g=p2γ+v22g+ζ2v22gpsγ+vs2g=p2γ+v22g+ζ2v22g.(9)式中,ζ2為擴(kuò)頸處的局部水頭損失系數(shù)。需要注意的是,當(dāng)承壓臺(tái)肩帶動(dòng)篩管以速度ve下行時(shí),在臺(tái)肩處的流量應(yīng)取相對(duì)流量,同樣,所有的速度均應(yīng)取相對(duì)速度v-ve,即Q′=A1(v1-ve)=A2(v2-ve)=As(vs-ve).(10)式中,Q′為相對(duì)流量,m3。整理式(8)～(10),得p1?p2γ=ζ1(vs?ve)22g+ζ2(v1?ve)22gp1-p2γ=ζ1(vs-ve)22g+ζ2(v1-ve)22g.(11)綜合以上各式,可得液流對(duì)臺(tái)肩沖擊力作用公式為R=ρ2A(ζ1A2A2s+ζ2)(v1?ve)2R=ρ2A(ζ1A2As2+ζ2)(v1-ve)2.(12)其中,ζ1和ζ2取決于臺(tái)肩和鉆桿內(nèi)壁之間的配合關(guān)系,因此將式(12)簡(jiǎn)化為R=kA(vF-ve)2.(13)式中,k為流阻系數(shù);A為鉆桿內(nèi)截面積,m2;vF為鉆井液在鉆桿內(nèi)的流速,m/s。由于在繞流物體周圍流動(dòng)情況較為復(fù)雜,而且受多因素影響,無法精確描述流場(chǎng)形態(tài),繞流阻力系數(shù)一般依靠試驗(yàn)確定,很難單純由理論算出。由以上公式可知,鉆井液排量越大,能夠造成的沖擊力也就越大,但考慮到煤層穩(wěn)定性較差,采用大排量可能會(huì)對(duì)井壁帶來破壞,推薦采用正常鉆進(jìn)時(shí)所采用的排量。3參數(shù)確定方法(1)r.舞臺(tái)效應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)裝置沖出鉆桿后,由臺(tái)肩造成的鉆桿內(nèi)壓耗消失,泵壓會(huì)有一個(gè)明顯的瞬時(shí)下降,利用這個(gè)下降的泵壓值可以算出鉆桿內(nèi)液流對(duì)臺(tái)肩的沖擊力。(2)鉆井液流在泵沖流量和鉆桿內(nèi)截面積已知的情況下可求得鉆井液流速。(3)下行速度升由于鉆桿接頭處內(nèi)徑小于鉆桿內(nèi)徑,在引導(dǎo)裝置通過鉆桿接頭時(shí)會(huì)形成暫時(shí)性的蹩壓,泵壓上升,通過之后迅速下降,在下行的過程中會(huì)出現(xiàn)周期性的泵壓升高的現(xiàn)象,通過泵壓變化的周期和鉆桿長(zhǎng)度可以算出引導(dǎo)裝置的下行速度;在實(shí)際下行過程中,可能會(huì)出現(xiàn)泵壓跳動(dòng)不明顯或者頻率過快的情況,可以用記錄的下行總長(zhǎng)度和下行時(shí)間得到的平均下行速度來近似代替。4鄭莊區(qū)塊某u型井試驗(yàn)井2012年3月中國(guó)石油鉆井工程技術(shù)研究院在山西沁水南部斜坡沁水煤層氣田鄭莊區(qū)塊某U型井試驗(yàn)井組進(jìn)行了首次篩管下入試驗(yàn),該井組主要為摸清該區(qū)山西組3#煤層氣藏采用U型井開發(fā)的產(chǎn)氣效果,為鄭莊整體開發(fā)部署提供依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對(duì)水平井采用外徑50.8mm的PE篩管完井。4.1臺(tái)肩面積尺寸影響根據(jù)井身結(jié)構(gòu),在過直井洞穴之后的水平井段設(shè)計(jì)下入245m篩管,割斷后泵送至目的層位。之后上提鉆桿,在洞穴前下入1.15km篩管。由公式(13)可知,在鉆桿內(nèi)徑一定時(shí),隨著臺(tái)肩面積的增大,能夠造成的沖擊力將呈指數(shù)關(guān)系上升,故為了增大沖擊力,可盡量增大臺(tái)肩外徑,減小泄流孔直徑,但為避免在靠井口注入裝置注入篩管的過程中遇到較大的水力摩阻,臺(tái)肩的設(shè)計(jì)并非越大越好。根據(jù)試算選擇58mm外徑臺(tái)肩,未預(yù)留泄流孔?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中,第一段245m篩管順利注入并割斷泵送至目的層位,上提鉆桿至洞穴前下入第二段篩管,在下入745m后遇阻嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)下入,割斷后泵沖出鉆桿端口,繼續(xù)注入第三段篩管至井口。4.2篩管阻系數(shù)的討論兩次泵送作業(yè)數(shù)據(jù)見表1。由此可以得到在該工況的流阻系數(shù),可以看出第一段和第二段流阻系數(shù)有一定差別,主要是由于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)數(shù)的不精確以及篩管彎曲對(duì)長(zhǎng)度的影響所致。所得結(jié)果對(duì)于今后的篩管泵送施工具有一定指導(dǎo)意義,但若要得到更加精確的泵送公式還需多次試驗(yàn)矯正。需要注意的是,在不同的鉆桿內(nèi)徑以及臺(tái)肩尺寸下流阻系數(shù)不同,均需要試驗(yàn)來驗(yàn)證。5泵送方案設(shè)計(jì)(1)煤層氣PE篩管下入過程中,由于受壓造成的屈曲是阻力的主要來源。通過泵送能夠有效地解除篩管在鉆桿內(nèi)的鎖緊遇阻狀態(tài),帶動(dòng)篩管順利下行;臺(tái)肩設(shè)計(jì)是泵送方案設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。(2)泵送過程中