20号速装坐封工具设计及应用_陆应辉.pdf

测 井 技 术WELL LOGGING TECHNOLOGYVol.47 No.2 Apr 2023第47卷 第2期 2023年4月文章编号：1004-1338（2023）02-0241-0620号速装坐封工具设计及应用陆应辉，唐凯，李奔驰，任国辉，聂靖雯，聂华富（中国石油集团测井有限公司西南分公司，重庆 400021）摘要：桥塞坐封工具是页岩气、致密气等非常规油气藏中水平井桥塞射孔联作关键工具之一。随着非常规油气水平井分段压裂体积改造技术的发展，桥塞射孔联作一次下井点火级数已由原来的46级增加至1020级。常规20号贝克型坐封工具保养耗时长、装配易出错、连接长度大，引进的一次性坐封工具使用成本高、实际坐封能力不足，难以推广应用。设计了结构紧凑、装配简单、可以重复使用且具备自动平衡井下压力与自动泄除内部压力功能的20号速装坐封工具，并通过坐封力测试、高温高压及桥塞坐封室内试验，验证了该工具的坐封力、耐温耐压等关键技术参数符合设计要求。设计的20号速装坐封工具在川南页岩气、致密气102口水平井推广应用1 500余套，为段内多簇压裂工艺提供了技术支撑，推动了非常规油气分段压裂体积改造关键工具的国产化。关键词：射孔技术；桥塞射孔联作；坐封工具；体积压裂；页岩气；致密气中图分类号：P631.84 文献标识码：ADoi：10.16489/j.issn.1004-1338.2023.02.018Design and Application of Type 20 Quick Assembly Setting ToolLU Yinghui,TANG Kai,LI Benchi,REN Guohui,NIE Jingwen,NIE Huafu(Southwest Branch,China National Logging Corporation,Chongqing 400021,China)Abstract:Plug setting tool is one of the key tools for plug and perforating operation in unconventional oil and gas reservoirs such as shale gas and tight sand gas.With the development of multistage fracturing volume stimulation techniques for unconventional oil and gas horizontal wells,the number of downhole ignition has been increased from 4 6 to 10 20 in plug and perforating operation.The disadvantages such as time consuming maintenance,easy to make mistakes in assembling,large connecting length of typical type 20 Baker setting tool are gradually exposed.High cost and insufficient setting capacity limit the widespread application of the imported disposable setting tool.A tpye 20 quick assembly setting tool with compact structure and easy to assemble has been designed,and that can be reused,automatically balance downhole pressure and release inner pressure.Morever its key technical specifications such as shear force,temperature rating,pressrue rating have been verified by shear force test,high temperature and high pressure test,and plug setting test.More than 1500 sets of the tpye 20 quick assembly setting tool have been applied in 102 shale gas and tight sand gas horizontal wells in southern Sichuan,providing technical support for multi-cluster fracturing,and promoting the localization of key tools for unconventional oil and gas volumetrc fracturing.Keywords:perforation technology;plug and perforating operation;setting tool;volume fracturing;shale gas;tight gas0 引 言随着页岩气、致密气等非常规油气藏的快速开发，桥塞射孔联作（简称桥射联作）技术被广泛应用，并成为水平井分段压裂体积改造技术的关键组成部分。桥射联作是在井筒与地层有效沟通的前提下，利用电缆输送并结合水力泵送方式将“射孔枪+坐封工具+桥塞”工具串输送至水平井目的层位，完成桥塞坐封与多簇射孔的联合作业1-3。其中，坐封工具直接决定桥塞坐封的成功率和可靠性，是桥射联作的基金项目：中国石油天然气集团有限公司重大工程技术现场试验项目“水平井桥塞射孔高效联作关键技术现场试验”（2020F-43）；中国石油集团测井有限公司科研项目“射孔技术装备研制与配套”（CNLC2022-7A）第一作者：陆应辉，男，1989 年生，工程师，硕士，从事射孔工具及工艺研究与推广工作。E-mail：luyh_2023年测 井 技 术242 关键工具之一。常规20号贝克型坐封工具是目前5 in*套管水平井桥射联作常用的坐封工具，它利用动力火药燃烧产生的高压气体推动活塞及活塞杆运动，并使用液压油作为缓冲、传压介质，实现坐封桥塞的功能。该工具具有坐封行程长、后坐力小的特点，但存在装配部件多、连接长度大、保养及装配耗时费力、手动泄压风险高等问题，同时，井下压力会直接作用在活塞杆上，削弱其实际坐封能力4-6。针对上述常规20号贝克型坐封工具的不足，Dia-mondback Industries、Baker Hughes等公司设计了一次性坐封工具。2017年，Diamondback Industries公司设计的20号一次性坐封工具7可直接利用动力火药燃烧产生的高压气体推动推筒进行相对运动，实现坐封桥塞的同时并自动泄除内部压力，具有结构简单、质量轻、连接长度短、无需注油泄压、现场使用方便的优势，但该工具不具备自动平衡井下压力的功能，井下压力直接作用在推筒上，削弱工具在深井中的实际坐封能力。2019年，成都若克石油技术开发有限公司研发了坐封原理及结构与Diamondback Industries公司一次性坐封工具类似的20号一次性坐封工具8，并在川南地区的浅层页岩气井应用。2021年，Baker Hughes公司设计了一次性坐封工具9，它的坐封原理与Diamondback Industries公司相同，并具备自动平衡井下压力与泄除内部压力的功能，增强了工具的实际坐封能力、扩大了适用范围，目前未见其在中国的应用案例。上述3种坐封工具均为一次性使用工具，增加了桥射联作的施工成本，高成本限制了其在中国非常规油气水平井的推广应用。本文设计了结构紧凑、装配简单、可以重复使用且具备自动平衡井下压力与泄除内部压力功能的20号速装坐封工具，并在川南地区页岩气、致密气水平井推广应用。*非法定计量单位，1 in=25.4 mm，下同1 20号速装坐封工具设计1.1 坐封方案设计20号速装坐封工具采用可自动平衡井下压力的结构，即利用剪切环与推筒组成一组安装于芯轴上的可平衡两端井下压力的浮动活塞，并依靠动力火药燃烧产生的高压气体推动推筒运动，实现坐封桥塞的功能。图1为连接了坐封工具点火头、坐封筒、适配器和桥塞后的20号速装坐封工具结构示意图（图1中16为20号速装坐封工具的组成部件）。20号速装坐封工具的具体坐封过程：坐封工具点火头内的点火器被起爆后，引燃坐封工具内的动力火药，动力火药燃烧产生的高压气体推动推筒移动，并将装配在剪切环上的剪切销钉剪断（剪切销钉可防止坐封工具在井筒中因意外挂卡提前坐封）；推筒继续移动并带动坐封筒挤压桥塞，使其卡瓦、胶筒外张，从而实现桥塞坐封；桥塞坐封后推筒继续移动，直到坐封工具完全与桥塞脱离，当推筒移动至芯轴末端的自动泄压槽处时，坐封工具通过该泄压槽自动泄除内部压力。此外，20号速装坐封工具转换接头处设计有备用泄压孔，当工具坐封异常、未能正常泄除内部压力时，可利用备用泄压孔实现安全泄压。1.2 关键技术参数设计根据深层页岩气水平井桥射联作常见工作井压与井温10-12，20号速装坐封工具设计的耐压、耐温指标分别为140 MPa、150。同时结合5 in套管井常用可溶桥塞、速钻桥塞拉断力与坐封行程等技术指标 13-15，20号速装坐封工具设计的坐封力不小于240 kN、有效坐封行程不小于180 mm、外径为97 mm。考虑到20号速装坐封工具的推筒和芯轴必须直接承受动力火药燃烧产生的瞬间高压冲击载荷，且需尽可能降低使用成本，因此，将20号速装坐封工具的使用寿命设计为2次。坐封工具点火头转换接头备用泄压孔剪切销钉推筒芯轴剪切环动力火药自动泄压槽坐封筒适配器桥塞123456图1 20号速装坐封工具结构示意图陆应辉，等：20 号速装坐封工具设计及应用第47卷 第2期243 1.3 关键尺寸设计由图2可知，推筒和芯轴的尺寸直接决定了浮动活塞受力面积，也决定了该工具的耐压性能和坐封能力。因此，推筒、芯轴的外径与壁厚是20号速装坐封工具的关键尺寸。推筒、芯轴均采用材料A设计制造，其抗拉强度为b，屈服强度为s。设计芯轴的内径、外径分别为d1、d2，芯轴的壁厚为shaft。推筒的内径、外径分别为D1、D2，推筒的壁厚为sy1。p1、p2分别为推筒与芯轴承受的内部压力、外部压力。20号速装坐封工具设计的坐封力为Fsetting，p1,max为其动力火药燃烧后产生的最大内部压力，应满足pDdF112224,maxsetting()-；p2,max为推筒与芯轴承受的最大外部压力。d1d2shaftsy1D1D2D1p1Fsettingp2d2图2 20号速装坐封工具推筒和芯轴尺寸及受力示意图1.4 关键承压部件强度校核当20号速装坐封工具在地面或井下压力接近0的环境中点火坐封时，p1=p1,max=114.69 MPa，p2=0，推筒、芯轴只承受内部压力，且内部与外部压力差值最大。当20号速装坐封工具处在井下压力140 MPa的环 境中且还未点火坐封时，p1=0，p2=p2,max=140 MPa，推筒、芯轴只承受外部压力，且外部与内部压力差值最大。故需根据上述2种极限工况对关键承压部件推筒和芯轴进行强度校核。推筒壁厚syl+DD1220，芯轴壁厚shaft+dd1220，二者均可看作厚壁圆筒。因此，利用拉梅公式对推筒与芯轴进行强度校核16。r=-r pr prrr rpprrr1212222212122212221221()（1）=-+-r pr prrr rpprrr1212222212122212221221()（2）式中，r为厚壁圆筒径向应力，MPa；为厚壁圆筒切向应力，MPa；r1为厚壁圆筒内径，mm；r2为厚壁圆筒外径，mm；r为厚壁圆筒任意一点处半径，mm；p1为厚壁圆筒承受的内部压力，MPa；p2为厚壁圆筒承受的外部压力，MPa。通过式（1）、式（2）得到20号速装坐封工具推筒和芯轴在p1=p1,max=114.69 MPa，p2=0和p1=0，p2=p2,max=140 MPa这两种极限工况下的应力分布情况（见表1）。表 1 20 号速装坐封工具推筒和芯轴在极限工况下应力分布情况受力部位径向应力r/MPa切向应力/MPap1=p1,max；p2=0p1=0；p2=p2,maxp1=p1,max；p2=0p1=0；p2=p2,max推筒内壁（r=r1）114.690455.66696.23推筒外壁（r=r2）0140 340.97556.23芯轴内壁（r=r1）114.690232.86418.57芯轴外壁（r=r2）0140 115.83278.57分析表1可知，20号速装坐封工具的推筒和芯轴在2种极限工况下，最大径向应力r,max=140 MPa、最大切向应力,max=696.23 MPa。取推筒和芯轴的抗拉强度b=1 080 MPa，屈服强度s=903 MPa，安全系数n=1.2（使用寿命设计为2次），则许用应力=sn752 5.MPa，许用切向应力=0 8720.bnMPa。因此，r max,、,max，20号速装坐封工具的关键承压部件推筒和芯轴的强度满足设计要求。利用有限元分析软件分别模拟20号速装坐封工具关键承压部件在上述2种极限工况下的静态受力情况，仿真模型及尺寸参数如图3所示（未考虑温度影响）。图4模拟的是20号速装坐封工具只承受内部压力时的应力分布情况；图5模拟的是20号速装坐封工具只承受外部压力时的应力分布情况。97 mm75 mm8 mm45 mm390 mm410 mm80 mm190 mm377 mm54.4 mm31.3 mm推筒芯轴p20 MPap1图3 20号速装坐封工具数值仿真模型2023年测 井 技 术244 仿真分析结果表明，当p1=0、p2=p2,max=140 MPa时，20号速装坐封工具的推筒中部内壁所受应力最大，达到603.01 MPa，该应力小于其许用应力与许用切向应力，分析结果与强度校核结论一致，满足强度设计要求。坐封工具点火头20号速装坐封工具高频动态压力传感器剪切销钉坐封筒适配器模拟桥塞点火线图6 20号速装坐封工具与模拟桥塞连接示意图表 2 20 号速装坐封工具坐封力测试表20号速装坐封工具 模拟桥塞拉断力/kN 点火至坐封耗时/s第1套24070第2套24069第3套24068第4套24072图7为第1套20号速装坐封工具坐封240 kN模拟桥塞时内部压力变化情况，分析图7可知，在高频动态压力传感器记录数据的第35 s时，点火器点燃动力火药，第70 s时20号速装坐封工具的内部压力逐渐升高至13.80 MPa，随即该压力推动推筒剪断装配在剪切环上的剪切销钉，第105 s时20号速装坐封工具的内部压力逐渐升高至117.03 MPa（自点火器点燃动力火药后经过了70 s，其与4组试验实测的点火至坐封耗时结果基本一致），该压力推动20号速装坐封工具上的推筒及与之连接的坐封筒、模拟桥塞，将装配在模拟桥塞上的剪切销钉全部剪断（拉断力为240 kN），随即完成坐封模拟桥塞的动作并实现自动泄除内部压力的功能。因此，20号速装坐封工具产生的坐封力240 kN，产生的最大内部压力为117.03 MPa，与设计的最大内部压力（p1=p1,max=114.69 MPa）的相对误差为2.04%，进一步验证了设计的可靠性。5004003002001000120100806040200时间/sp1/MPa117.03 MPa13.80 MPa图7 第1套20号速装坐封工具坐封240 kN 模拟桥塞时内部压力变化曲线536.12603.01 Max469.24402.35335.46268.57201.69134.6867.9151.027 9 Min应力/MPa图5 20号速装坐封工具只承受外部压力时应力云分布图236.60304.14 Max202.83169.06135.28101.5167.7433.9680.961 6 Min应力/MPa图4 20号速装坐封工具只承受内部压力时应力云分布图2 室内试验2.1 坐封力测试为了测试20号速装坐封工具的真实坐封力，使用国产点火器DHQ与动力火药DLHY（4 h内耐温150）作为该工具的点火组件与动力来源，将20号速装坐封工具按照图6方式与模拟桥塞连接。通过在该模拟桥塞上设置既定数量的剪切销钉来模拟240 kN的拉断力，同时采用高频动态压力传感器实时记录20号速装坐封工具坐封模拟桥塞时内部压力的变化情况。随机利用4套20号速装坐封工具进行坐封力测试试验（见表2）。测试结果显示4套20号速装坐封工具均能成功坐封拉断力为240 kN的模拟桥塞，表明20号速装坐封工具配合点火器DHQ与动力火药DLHY产生的坐封力240 kN，满足设计需求。陆应辉，等：20 号速装坐封工具设计及应用第47卷 第2期245 表 3 不同类型坐封工具技术指标及使用性能对比坐封工具类型耐压/MPa耐温/坐封力/kN有效行程/mm外径/mm连接长度/m保养装配时长是否平衡井下压力单次使用成本/万元常规20号贝克型坐封工具105150350254971.7需2人30 分钟否0.2520号一次性坐封工具140190240178970.6需1人5分钟否0.3320号速装坐封工具140150240180970.6需1人15分钟是0.192.2 高温高压试验随机选取2套已经通过坐封力测试的20号速装坐封工具，将其拆卸、清洗并重新组装后，在140 MPa、150 工况下保温保压4 h。试验结束后检查这2套坐封工具的外表均无变形、内部均无渗透。表明20号速装坐封工具满足140 MPa、150 耐温耐压的设计要求。2.3 坐封桥塞试验将经过坐封力测试与高温高压试验的2套20号速装坐封工具拆卸、清洗并重新组装后，再装上点火器与动力火药，并依次连接外径104 mm的坐封筒、外径104 mm的速钻桥塞（拉断力150 kN、坐封行程140 mm），将其放置在平地处的套管（内径114.3 mm）中进行坐封桥塞试验。试验结束后，与2套20号速装坐封工具连接的速钻桥塞均稳定坐封在套管内，且与2套坐封工具完全分离。测量显示坐封行程分别为182.03 mm、183.11 mm，拆卸检查其推筒、芯轴等关键承压部件均无裂纹和变形。表明20号速装坐封工具满足坐封行程180 mm和使用寿命为2次的设计要求。3 现场应用及效果20号速装坐封工具已在川南地区长宁、威远、昭通、泸州、太阳-大寨区块页岩气水平井及金秋区块致密气水平井推广应用102口井1 500余套，桥塞坐封成功率100%，最高工作井压112.8 MPa、最高工作井温134.5。与常规20号贝克型坐封工具相比，20号速装坐封工具连接长度缩短65%，质量减轻57%，部件数量减少58%，使得现场装配时长由原来的需2人30分钟完成减少至仅需1人15分钟完成，显著提高了作业小队装配效率。该坐封工具连接长度大幅缩短后，增加桥射联作一次下井射孔簇数，在威远区块W204HX-11井一次下井完成桥射联作23级点火，创造了国内桥射联作多级点火纪录，为川南地区页岩气、致密气段内多簇（10簇/段）压裂工艺提供技术支撑。20号速装坐封工具与Diamondback Industries公司的20号一次性坐封工具的性能指标差异小（见表3），但单次使用成本较Diamondback Industries公司的20号一次性坐封工具减少了42%，更加具有推广优势17。4 结 论（1）20号速装坐封工具的浮动活塞式井下压力自动平衡结构，消除了井下压力施加在坐封工具上的阻碍作用，将20号速装坐封工具的实际坐封能力提高至240 kN以上。（2）通过对20号速装坐封工具进行坐封力测试、高温高压试验、坐封桥塞试验，验证了该坐封工具的关键技术指标与重复使用性能，以及与国产点火器、动力火药的适配性，支撑了深层页岩气、致密气水平井可靠坐封桥塞需求。（3）20号速装坐封工具结构紧凑、装配简单，在川南地区102口水平井推广应用1 500余套，节约现场装配人员1名、装配时长减少一半，并在威远区块W204HX-11井创造国内桥射联作多级点火23级纪录，为川南地区页岩气、致密气段内多簇（10簇/段）压裂工艺提供了技术支撑，推动了非常规油气分段压裂体积改造关键工具的国产化。参考文献：1 GUEDES C E,CLARK B D,BAUMANN C E,et al.Innovative gun system tackles todays challenges to unconventional completions C/SPE/AAPG/SEG Unconventional Resources Technology Conference,Texas,2020.2 YI S S,WU C H,SHARMA M M.Proppant distribution among multiple perforation 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