煤層氣井鋼質(zhì)割縫篩管性能研究

煤層氣井鋼質(zhì)割縫篩管性能研究

0上覆煤層壓力目前，國內(nèi)外關(guān)鍵井法主要包括36個套筒的氣孔壓裂井、裸眼孔壓裂井、混合井和水平排水孔壓裂井，主要是36個套筒的氣孔壓裂井。同時，對井的過濾可以有效防止松散儲層的砂和井眼坍塌，滿足產(chǎn)層砂和分層開采的要求。這是一種有效的天然氣井井井處理方法。通常采用鋼質(zhì)篩管。與常規(guī)天然氣儲集層不同,煤層埋藏相對較淺,一般在300~1500m,地層壓力及基巖應(yīng)力較小,上覆巖層壓力梯度一般為9×10-3MPa/m左右,對于埋深500m的煤層來說,上覆巖層壓力約為4.5MPa;而在常規(guī)油氣井中,儲集層多位于2000m以上,且壓力梯度值一般為11×10-3MPa/m,2000m處的上覆巖層壓力約為22MPa。為增大滲流面積,降低完井成本,常規(guī)油氣井完井管柱可采用金屬割縫篩管;而煤層上覆巖層壓力約為常規(guī)油氣儲集層的四分之一(以深度分別為500m和2000m為例),使得應(yīng)用較低強度的非金屬篩管完井成為可能。目前,國內(nèi)外對鋼質(zhì)割縫篩管的設(shè)計及應(yīng)用研究較多,但對非金屬篩管的研究較少。本文采用配有壓力自動控制檢測系統(tǒng)的萬能實驗機測試篩管強度,對比研究割縫寬度和割縫密度對J55鋼質(zhì)篩管和PVC非金屬材質(zhì)篩管抗擠/抗彎強度的影響規(guī)律,為煤層氣井的篩管完井特別是低成本PVC篩管完井設(shè)計提供有益的參考。1管道強度測試1.1金屬基納米縫的加工對金屬材質(zhì)和非金屬材質(zhì)兩種篩管的強度進行實驗測定。金屬材質(zhì)篩管為J55鋼質(zhì)管,其規(guī)格采用石油行業(yè)API標(biāo)準,外徑為139.7mm、壁厚為6.2mm;非金屬管材采用常規(guī)民用PVC管,外徑為125mm、壁厚為7.4mm?？p眼形狀采用具有自潔作用的梯形截面,斜邊夾角為12°,沿軸線平行均勻布縫,試件長度400mm,割縫長度80mm,縫端間距20mm。在50~300條/m(縫密步長間隔為50條/m)割縫密度條件下,采用激光割縫技術(shù)及機械刀具割縫技術(shù)分別加工了縫寬為0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm的篩管共125組(見圖1和圖2)。為減少實驗工作量,優(yōu)化后的實驗試件分配見表1。1.2篩管應(yīng)力及彈性模量實驗采用配有壓力自動控制檢測系統(tǒng)的東華電子萬能試驗機測試鋼質(zhì)篩管和PVC篩管的抗擠和抗彎強度(見圖3)。為模擬煤層氣井割縫篩管受擠壓狀態(tài),在割縫篩管兩端焊接了壓板,并在割縫篩管受壓一側(cè)的中間割縫尖端處貼上45°應(yīng)變片,根據(jù)測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)計算應(yīng)力變化。在抗擠/抗彎實驗中,判斷篩管屈服的指標(biāo)是應(yīng)力不增加而應(yīng)變迅速增大,記錄下此時壓力機的壓力及位移讀數(shù),該壓力即為篩管的擠壓力/彎曲力。測得鋼質(zhì)篩管彈性模量為206GPa,PVC篩管彈性模量為3GPa;泊松比取0.3。2鋼質(zhì)篩管彎強度不同割縫參數(shù)下,鋼質(zhì)篩管和PVC篩管的抗擠和抗彎強度實驗結(jié)果均為破壞性結(jié)果,鋼質(zhì)篩管出現(xiàn)整體變形或內(nèi)壁開始撕裂時的應(yīng)力值即為其強度極限值;而對于PVC管,管材破裂時的應(yīng)力值為其強度極限值。2.1抗彎試驗2.1.1割縫寬度對pvc篩管抗擠強度的影響圖4為不同材質(zhì)篩管屈服時擠壓力與割縫寬度的關(guān)系?？梢?隨著割縫寬度的增大,鋼質(zhì)篩管的抗擠強度降低(見圖4a)?？傮w來講,割縫寬度對鋼質(zhì)篩管抗擠強度的影響不大,割縫密度為50條/m時,割縫寬度從0.3mm增加到0.6mm,擠壓力從68kN下降到53kN,降低了約22%。同樣條件下,隨著割縫寬度的增加,PVC篩管的擠壓力也呈線性降低(見圖4b),但降低幅度僅為12%。實驗過程中發(fā)現(xiàn),PVC篩管的破壞形式一般是強度破壞。2.1.2割縫密度對抗擠強度的影響圖5為不同材質(zhì)篩管擠壓力與割縫密度的關(guān)系?？梢?隨著割縫密度的增加,鋼質(zhì)及PVC篩管的抗擠強度總體呈下降趨勢,割縫密度由50條/m增加到100條/m時,抗擠強度近似呈線性大幅下降,隨后降幅變緩。2.2抗彎試驗2.2.1割縫寬度不同對彎曲力的影響圖6為不同材質(zhì)篩管彎曲力與割縫寬度的關(guān)系?？梢?隨著割縫寬度的增大,鋼質(zhì)篩管彎曲力呈下降趨勢;而對于PVC篩管,隨著割縫寬度的增大,雖然彎曲力也呈下降趨勢,但下降幅度較鋼質(zhì)篩管小,如割縫密度為100條/m的篩管,在割縫寬度從0.3mm增加到0.6mm時,彎曲力總體上僅下降了約0.1kN(見圖6b)。因此,可考慮在PVC篩管可承受的抗彎強度范圍內(nèi)適當(dāng)增加篩管的割縫寬度、增加過流面積。2.2.2割縫密度對pvc篩管抗彎能力的影響圖7為不同材質(zhì)篩管彎曲力與割縫密度的關(guān)系?？梢?隨著割縫密度的增加,鋼質(zhì)篩管的抗彎能力降低,割縫密度超過200條/m后,其降低幅度仍在增加(見圖7a);隨著割縫密度的增加,PVC篩管的抗彎能力也呈降低趨勢,但降低幅度不如鋼質(zhì)篩管明顯(見圖7b),且PVC篩管由于彈性模量較低,通常在低于4kN的彎曲力作用下即迅速破壞,抗彎能力和割縫密度關(guān)系相對較小。基于這一認識,在非金屬割縫篩管的研制中,可提高非金屬材質(zhì)篩管的彈性模量和密度,以加強其抗彎能力;可適當(dāng)增加縫密以提高篩管的過流面積及煤層氣井的產(chǎn)量,而不會對其抗彎性能產(chǎn)生明顯影響。2.3無明顯塑性變形情況下的斷裂機理實驗結(jié)果表明,鋼質(zhì)篩管和PVC篩管破壞形式不同。PVC篩管的破壞形式主要是強度破壞,即在無明顯塑性變形的情況下突然斷裂(見圖8)。鋼質(zhì)篩管的破壞形式主要是剛度/徑向失穩(wěn)破壞,如嚴重變形(見圖9a)、內(nèi)壁撕裂(見圖9b,篩管短軸內(nèi)壁割縫變寬而外側(cè)割縫變窄,同時,縫端撕裂)等。2.4過濾下入深度2.4.1篩管失效的判定以縫寬0.4mm、縫密50條/m的鋼質(zhì)篩管為例,根據(jù)圖4的實驗結(jié)果確定篩管在煤層的可下入深度。首先確定該煤層上覆巖層應(yīng)力梯度及某一深度下的最大、最小水平應(yīng)力梯度和方向,假設(shè)分別為10.3kPa/m、8.0kPa/m和7.0kPa/m,最大、最小水平應(yīng)力方位角分別為180°和90°。在明確三向地應(yīng)力矢量后,按以下步驟確定鋼質(zhì)篩管允許下入深度。(1)確定篩管的破壞標(biāo)準,即在何種情況下認為篩管失效。例如,可認為割縫內(nèi)壁剛出現(xiàn)圖9b所示撕裂現(xiàn)象時篩管失效,若以此為判斷標(biāo)準,單軸抗擠實驗中需要在易撕裂位置貼應(yīng)變片以計算篩管撕裂時易撕裂位置的應(yīng)力大小,如縫寬0.4mm、縫密50條/m的鋼質(zhì)篩管在壓力為66kN時內(nèi)壁出現(xiàn)撕裂,此時應(yīng)變片測得的撕裂位置應(yīng)力值為200kN;或者,采用有限元方法建模計算相同割縫條件下篩管內(nèi)壁開始撕裂(篩管屈服)時的應(yīng)力值,再根據(jù)應(yīng)變片實測的篩管出現(xiàn)撕裂時的應(yīng)力值驗證有限元法計算結(jié)果、修正計算模型。(2)假設(shè)水平井軸線方位角為90°,根據(jù)當(dāng)前區(qū)塊煤層的物性建立三維物理模型,利用修正后的有限元計算模型,以一定的井深步長(例如,50m)計算篩管最大應(yīng)力值。假設(shè)計算至某一井深時(假設(shè)為500m,根據(jù)已知的應(yīng)力梯度,此時對三維物理模型加載的三向應(yīng)力值分別為5.15MPa、4.0MPa和3.5MPa),鋼質(zhì)篩管內(nèi)壁處的最大應(yīng)力值達到了200kN,說明該篩管已經(jīng)失效,則可得出該參數(shù)組合下鋼質(zhì)篩管允許下入深度即為500m。需要說明的是,在目前的實驗條件下,難以開展實際工況下的物理模擬實驗,即難以制作可三維加載的大型實驗裝置、填入煤塊/粉并在其中放入割縫篩管進行逐步加載實驗。即使可開展實驗,也難以觀察、判斷篩管何時撕裂。因此認為,根據(jù)本文的單軸抗擠實驗、采取上述步驟確定篩管的允許下入深度是經(jīng)濟可行的。2.4.2pvc篩管的下入深度PVC篩管下入深度的確定方法同鋼質(zhì)篩管,但由于PVC材料密度較低,在水平井段下井困難,所以在充分考慮其強度的同時,還要考慮完井液的密度,確保PVC篩管的密度大于完井液密度值,以便順利入井。因此,PVC篩管允許下入深度的確定方法較鋼質(zhì)篩管更為復(fù)雜,尚待深入研究。應(yīng)該說明的是,確定篩管下入深度時,當(dāng)前區(qū)域煤層地應(yīng)力資料應(yīng)非常準確,同時,由于篩管下入的是裸眼井段,煤層擠毀篩管的過程應(yīng)是裸眼井壁緩慢接觸篩管的過程,可不考慮沖擊載荷對篩管的破壞。3增加縫密和縫寬,提高篩管允許下入深度研究表明,無論對鋼質(zhì)篩管還是PVC篩管,增加割縫寬度和密度都會降低篩管的抗擠、抗彎強度,但PVC材質(zhì)篩管的強度隨縫寬和縫密的變化不及鋼質(zhì)篩管明顯,因此,優(yōu)選非金屬新材料制作篩管時,可以適當(dāng)增加縫密和縫寬,以提高篩管過流面積,特別是對煤層氣井而言,可以有效提高煤灰通過率、縮短排水時間。鋼質(zhì)篩管發(fā)生破壞時往往會出現(xiàn)整體變形和割縫端部撕裂現(xiàn)象,而PVC篩管則是突