頁巖氣壓裂套管抗外擠強度設計的製作方法

2023-10-18 04:37:09 1

本發明涉及頁巖氣田建井過程中，採用套管固井的完井方式後，保障壓裂作業時套管安全的抗外擠強度設計方法。

背景技術：

開採頁巖氣時，壓裂過程中通常需要較大排量，一般採用套管固井的完井方法。壓裂作業後，套管內徑縮小等異常情況時有發生。現場的這一問題反映了目前壓裂套管強度設計方法存在不足。

套管的抗內壓強度要求滿足壓裂時的泵注排量和井口泵壓極限等條件；現場在做壓裂設計時沒有進行專門的抗外擠強度校核，抗外擠強度設計和校核是在鑽井工程設計中完成。設計思路是套管強度要大於套管內外的壓差。涉及液柱壓力(壓裂液、鑽井液等)時一般按靜水壓考慮。

僅有抗內壓設計不能滿足壓裂時的特殊要求，抗外擠設計中需要注意到壓裂中可能出現的異常情況(如「負水擊」)。

技術實現要素：

根據典型的壓裂施工曲線，如圖1所示，建立套管內壓裂液的水力瞬變模型：

式中，

Q為流量，H為水頭，A為套管截面積，D為套管直徑，g為重力係數，a為套管中波速，f為摩擦係數，θ為該井段與水平方向夾角。

模型的邊界條件：井口處流量為大於零的的常數；裂縫處井段位置壓強為裂縫延伸壓力。

模型的初始條件：井口處流量為設計排量，射孔處流量為破裂壓力下壓裂液向地層滲入的流量，中間各處流量由插值獲得；井內各處壓強均對應地層破裂壓力。

某處套管內徑縮小，其中一種可能是井內該處附近井段出現過異常低壓，使外圍與井內壓差超過了該處套管的抗外擠強度，被地層擠癟。對於決定壓裂套管強度的計算來說，必須知道負水擊壓力降低值沿管道全長的分布情況，對比現場方法，找出可能發生套管內徑縮小的危險井段位置，重新設計。

由模型可知，地層破裂壓力與裂縫延伸壓力之差越大，壓力波動也越大；隨著流量Q增加，摩阻對壓力波動產生的抑制作用也更顯著，使瞬變流更快衍變成穩態流。瞬變流階段，摩阻沿管長的分布是隨時間改變的，可能產生較大波動。

參考圖2、圖3，理論上，瞬變模型可找出危險井段位置，同時確定失效發生的具體時刻。得到套管抗外擠的安全條件為：

σh-H＜p

σh是套管的外圍壓力，H是管內出現的最低壓力，p是套管的抗外擠強度。

附圖說明

圖1典型的壓裂壓力及排量隨時間變化的示意圖

圖2計算模型中管長100米，水平放置，曲線為距出口20米處的壓力波動。其他主要參數有，管內徑0.1米，地層破裂壓力70MPa，裂縫延伸壓力40MPa，波速1200m/s，摩擦係數0.01，重力常數9.806。

圖3同圖2模型，第60步時(地層破裂後0.167秒)壓力沿管長分布示意圖。

具體實施方式

在用特徵線法求解H和Q時，可採取逐次逼近的Newton-Raphson法。模型當中的摩擦損失採用達西-威西巴赫(Darcy-Weisbach)公式計算。由於井下套管長几千米，摩擦損失很大，為了避免一階近似法所出現的不穩定，應採用預估校正法或二階近似法。

真實的井眼軌跡為一空間曲線，內徑也會發生改變，可分段處理，但必須對各段採用相同的時間增量，以便在連接處可以利用邊界條件。連接處的局部損失可忽略不計。

抗擠強度設計中的套管內壓需對各時段進行校核，如圖3所示。