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煤层气井钢质筛管与非金属筛管强度对比实验

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煤层 气井 钢质筛管 非金属 强度 对比 实验
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石 油 勘 探 与 开 发2012 年 8 月 489 文章编号: 1000012)04层气井钢质筛管与非金属筛管强度对比实验 黄中伟1,李根生1,闫相祯2,王开龙3,申瑞臣3,金磊1( 1. 中国石油大学(北京) ; 2. 中国石油大学(华东) ; 3. 中国石油集团钻井工程技术研究院) 基金项目: 国家自然科学基金项目( 50874113) ;国家科技重大专项( 2008 摘要: 为了改变煤层气井钢质割缝筛管完井成本高的现状,探索研制较低强度的非金属完井管材进而实现煤层气井的低成本完井,采用电测法对 质筛管和 金属材质筛管的抗挤和抗弯强度进行测定,并对比分析割缝宽度和割缝密度对两类筛管性能的影响规律。结果表明:钢质筛管的破坏形式主要是刚度 /径向失稳破坏,主要表现为整体变形或筛管短轴内壁割缝变宽而外侧割缝变窄并伴有缝端撕裂;而 管的破坏形式主要是强度破坏;无论对钢质筛管还是 质筛管,增加缝宽和缝密都会降低筛管的抗挤、抗弯强度,但 质筛管的强度随缝宽和缝密的变化不及钢质筛管明显,因而优选非金属新材料制作筛管时,可以适当增加缝密和缝宽,以提高筛管过流面积。图 9 表 1 参 12 关键词: 煤层气井;筛管完井;钢质筛管; 管;缝宽;缝密;强度;实验 中图分类号: 文献标识码: A on in . 02249, 2. 57062, 3. 00195, To in to to to 55 VC a of of on of of of or or or at or at VC VC s of VC do an it to VC to 引言 目前,国内外煤层气井常用的完井方法主要有套管射孔压裂完井、裸眼 /洞穴完井、混合完井和水平排泄孔衬管完井等,以套管射孔完井为主[1同时,筛管完井可有效防止疏松储集层出砂和井眼坍塌,满足产层防砂、分层分采的要求,是有效的煤层气井完井方式,现场通常采用钢质筛管。 与常规天然气储集层不同,煤层埋藏相对较浅,一般在 300~ 1500 m,地层压力及基岩应力较小,上覆岩层压力梯度一般为 9×10−3m 左右, 对于埋深 500 m 的煤层来说,上覆岩层压力约为 在常规油气井中,储集层多位于 2 000 m 以上,且压力梯度值一般为 11×10−3m, 2 000 m 处的上覆岩层压力约为22 增大渗流面积,降低完井成本,常规油气井完井管柱可采用金属割缝筛管;而煤层上覆岩层压力约为常规油气储集层的四分之一(以深度分别为 500 000 m 为例) ,使得应用较低强度的非金属筛管完井成为可能。目前,国内外对钢质割缝筛管的设计及应用研究较多[6但对非金属筛管的研究较少[11本文采用配有压力自动控制检测系统的万能实验机测试筛管强度,对比研究割缝宽度和割缝密度对 质筛管和 金属材质筛管抗挤 /抗弯强度的影响规律,为煤层气井的筛管完井特别是低成本 管完井设计提供有益的参考。 490 石油勘探与开发·石油工程 39 筛管强度测试 件准备 对金属材质和非金属材质两种筛管的强度进行实验测定。金属材质筛管为 质管,其规格采用石油行业 准,外径为 139.7 厚为 6.2 金属管材采用常规民用 ,外径为 125 厚为 7.4 眼形状采用具有自洁作用的梯形截面,斜边夹角为 12°,沿轴线平行均匀布缝,试件长度400 缝长度 80 端间距 20 50~300 条 /m(缝密步长间隔为 50 条 /m)割缝密度条件下,采用激光割缝技术及机械刀具割缝技术分别加工了缝宽为 0.3 0.4 0.5 0.6 筛管共 125组(见图 1 和图 2) 。为减少实验工作量,优化后的实验试件分配见表 1。 试过程 实验采用配有压力自动控制检测系统的东华电子万能试验机测试钢质筛管和 管的抗挤和抗弯强度(见图 3) 。为模拟煤层气井割缝筛管受挤压状态,在割缝筛管两端焊接了压板,并在割缝筛管受压一侧的中间割缝尖端处贴上 45°应变片, 根据测得的应变数据计算应力变化。 图 1 钢质筛管 (a)及 管 (b)实物图 图 2 割缝筛管结构示意图 表 1 优化后的筛管试件实验分配表 试件个数 /根 * 钢管试件个数 /根 **缝宽 / (条· m−1) 抗挤实验 抗弯实验 抗挤实验 抗弯实验50; 150; 300 6 6 3 200; 250 6 6 3 50; 150; 300 6 6 3 200; 250 6 6 3 50; 150; 300 6 6 3 200; 250 6 6 3 50; 150; 300 6 6 3 200; 250 6 6 3 注: *不同缝密度试件各 2 根; **不同缝密度试件各 1 根 图 3 筛管抗挤 (a)、抗弯 (b)实验装置 在抗挤 /抗弯实验中,判断筛管屈服的指标是应力不增加而应变迅速增大,记录下此时压力机的压力及位移读数,该压力即为筛管的挤压力 /弯曲力。测得钢质筛管弹性模量为 206 管弹性模量为 2012 年 8 月 黄中伟 等:煤层气井钢质筛管与非金属筛管强度对比实验 491 3 松比取 2 筛管强度测试结果及分析 不同割缝参数下, 钢质筛管和 管的抗挤和抗弯强度实验结果均为破坏性结果,钢质筛管出现整体变形或内壁开始撕裂时的应力值即为其强度极限值;而对于 , 管材破裂时的应力值为其强度极限值。 挤强度实验 缝宽度与抗挤压力的关系 图 4 为不同材质筛管屈服时挤压力与割缝宽度的关系。可见,随着割缝宽度的增大,钢质筛管的抗挤强度降低(见图 4a) 。总体来讲,割缝宽度对钢质筛管抗挤强度的影响不大,割缝密度为 50 条 /m 时,割缝宽度从 0.3 加到 0.6 压力从 68 降到53 低了约 22%。同样条件下,随着割缝宽度的增加, 管的挤压力也呈线性降低(见图 4b) ,但降低幅度仅为 12%。实验过程中发现, 管的破坏形式一般是强度破坏。 图 4 不同材质筛管挤压力与割缝宽度的关系 缝密度与抗挤压力的关系 图 5 为不同材质筛管挤压力与割缝密度的关系。可见,随着割缝密度的增加,钢质及 管的抗挤强度总体呈下降趋势,割缝密度由 50 条 /m 增加到 100条 /m 时, 抗挤强度近似呈线性大幅下降, 随后降幅变缓。 图 5 不同材质筛管挤压力与割缝密度的关系 弯强度实验 缝宽度与弯曲力的关系 图 6 为不同材质筛管弯曲力与割缝宽度的关系。可见,随着割缝宽度的增大,钢质筛管弯曲力呈下降趋势;而对于 管,随着割缝宽度的增大,虽然弯曲力也呈下降趋势,但下降幅度较钢质筛管小,如割缝密度为 100 条 /m 的筛管,在割缝宽度从 0.3 6 不同材质筛管弯曲力与割缝宽度的关系 492 石油勘探与开发·石油工程 39 加到 0.6 , 弯曲力总体上仅下降了约 0.1 图 6b) 。因此,可考虑在 管可承受的抗弯强度范围内适当增加筛管的割缝宽度、增加过流面积。 缝密度与弯曲力关系 图 7 为不同材质筛管弯曲力与割缝密度的关系。 可见,随着割缝密度的增加,钢质筛管的抗弯能力降低,割缝密度超过 200 条 /m 后,其降低幅度仍在增加(见图 7a) ;随着割缝密度的增加, 管的抗弯能力也呈降低趋势, 但降低幅度不如钢质筛管明显 (见图 7b) ,且 管由于弹性模量较低,通常在低于 4 弯曲力作用下即迅速破坏,抗弯能力和割缝密度关系相对较小。基于这一认识,在非金属割缝筛管的研制中,可提高非金属材质筛管的弹性模量和密度,以加强其抗弯能力;可适当增加缝密以提高筛管的过流面积及煤层气井的产量,而不会对其抗弯性能产生明显影响。 图 7 不同材质筛管弯曲力与割缝密度的关系 管的破坏形式 实验结果表明,钢质筛管和 管破坏形式不同。 管的破坏形式主要是强度破坏,即在无明显塑性变形的情况下突然断裂(见图 8) 。钢质筛管的破坏形式主要是刚度 /径向失稳破坏,如严重变形(见图 9a) 、内壁撕裂(见图 9b,筛管短轴内壁割缝变宽而外侧割缝变窄,同时,缝端撕裂)等。 管下入深度 质筛管 以缝宽 0.4 密 50 条 /m 的钢质筛管为例,根据图 4 的实验结果确定筛管在煤层的可下入深度。 图 8 断裂破坏后的 管 图 9 失稳破坏后的钢质筛管 首先确定该煤层上覆岩层应力梯度及某一深度下的最大、 最小水平应力梯度和方向, 假设分别为 10.3 m、8.0 m 和 7.0 m,最大、最小水平应力方位角分别为 180°和 90°。在明确三向地应力矢量后,按以下步骤确定钢质筛管允许下入深度。 ①确定筛管的破坏标准,即在何种情况下认为筛管失效。例如,可认为割缝内壁刚出现图 9b 所示撕裂现象时筛管失效,若以此为判断标准,单轴抗挤实验中需要在易撕裂位置贴应变片以计算筛管撕裂时易撕裂位置的应力大小,如缝宽 0.4 密 50 条 /m 的钢质筛管在压力为 66 内壁出现撕裂,此时应变片测得的撕裂位置应力值为 200 者,采用有限元方2012 年 8 月 黄中伟 等:煤层气井钢质筛管与非金属筛管强度对比实验 493 法建模计算相同割缝条件下筛管内壁开始撕裂(筛管屈服)时的应力值,再根据应变片实测的筛管出现撕裂时的应力值验证有限元法计算结果、修正计算模型。 ②假设水平井轴线方位角为 90°, 根据当前区块煤层的物性建立三维物理模型,利用修正后的有限元计算模型,以一定的井深步长(例如, 50 m)计算筛管最大应力值。假设计算至某一井深时(假设为 500 m,根据已知的应力梯度,此时对三维物理模型加载的三向应力值分别为 ,钢质筛管内壁处的最大应力值达到了 200 明该筛管已经失效,则可得出该参数组合下钢质筛管允许下入深度即为 500 m。 需要说明的是,在目前的实验条件下,难以开展实际工况下的物理模拟实验,即难以制作可三维加载的大型实验装置、 填入煤块 /粉并在其中放入割缝筛管进行逐步加载实验。即使可开展实验,也难以观察、判断筛管何时撕裂。因此认为,根据本文的单轴抗挤实验、采取上述步骤确定筛管的允许下入深度是经济可行的。 管 管下入深度的确定方法同钢质筛管,但由于 料密度较低,在水平井段下井困难,所以在充分考虑其强度的同时,还要考虑完井液的密度,确保 管的密度大于完井液密度值, 以便顺利入井。因此, 管允许下入深度的确定方法较钢质筛管更为复杂,尚待深入研究。 应该说明的是,确定筛管下入深度时,当前区域煤层地应力资料应非常准确,同时,由于筛管下入的是裸眼井段,煤层挤毁筛管的过程应是裸眼井壁缓慢接触筛管的过程,可不考虑冲击载荷对筛管的破坏。 3 结论与建议 研究表明,无论对钢质筛管还是 管,增加割缝宽度和密度都会降低筛管的抗挤、抗弯强度,但质筛管的强度随缝宽和缝密的变化不及钢质筛管明显,因此,优选非金属新材料制作筛管时,可以适当增加缝密和缝宽,以提高筛管过流面积,特别是对煤层气井而言, 可以有效提高煤灰通过率、 缩短排水时间。 钢质筛管发生破坏时往往会出现整体变形和割缝端部撕裂现象,而 管则是突然碎裂。为确定筛管允许下入深度,首先需要明确当前区块的地应力资料,由单轴实验测得的筛管破坏时的应力值作为标准,采用有限元法数值模拟的途径确定某一种筛管的允许下入深度。因此,建议下一步开展筛管破坏时缝端应力集中系数的研究,改进割缝端部几何形状,以提高筛管强度和允许下入深度。同时,建议根据当前区块的煤灰分选情况,研究煤灰颗粒在筛管外的堆积及可通过性,为优选缝宽提供依据。 参考文献: [1] 郑毅 , 黄洪春 . 中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展方向 [J]. 石油学报 , 2002, 23(3): 81i, of of ]. 2002, 23(3): 81[2] 齐奉中 , 刘爱平 . 煤层气井固井技术研究与实践 [J]. 天然气工业 , 2001, 21(1): 75of ]. 2001, 21(1): 75[3] 齐奉中 , 申瑞臣 . 煤层气井完井技术探讨 [J]. 西部探矿工程 , 2005(12): 79of ]. 2005(12): 79[4] L, , . in ]. 01109, 2006. [5] A, , , et A ]. 7415, 2005. [6] N, , . ]. 4122, 2003. [7] 张珊 , 马效贤 , 康少英 , 等 . 石油割缝筛管的现状 [J]. 石油机械 , 1997, 25(10): 51et of ]. 1997, 25(10): 51[8] 刘大红 , 宋秀英 , 刘艳红 , 等 . 割缝筛管防砂设计及应用 [J]. 石油机械 , 2004, 32(8): 13 et to in ]. 2004, 32(8): 13[9] 石晓兵 , 施太和 , 王兆会 , 等 . 岩心粒度分析分选评价及割缝筛管缝宽设计 [J]. 石油钻采工艺 , 1999, 21(4): 43et of ]. 1999, 21(4): 43[10] 万仁溥 . 采油工程手册 [M]. 北京 : 石油工业出版社 , 2000. ]. 2000. [11] 周崇军 , 王延福 , 靳德武 . J]. 中国煤田地质 , 1997, 9(1): 55]. 1997, 9(1): 55[12] 郑继天 , 吴恒 . 管、贴砾滤水管在管井修复中的应用 [J]. 探矿工程 , 1995, 2(6): 49, 51. in of ]. 1995, 2(6): 49, 51. 第一作者简介 :黄中伟( 1972-),男,山东东明人,博士,中国石油大学(北京)副教授,主要从事高压水射流技术在油气井工程中的应用研究。地址:北京市昌平区府学路 18 号,中国石油大学(北京)石油工程学院,邮政编码: 102249。 收稿日期: 2011 修回日期: 2012编辑 唐金华 绘图 刘方方 )
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