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新技术让连续油管伸的更远(上)

新技术让连续油管伸的更远(上)

SMARTaper技术可最大限度的降低偏置焊缝的影响,同时优化连续油管的重量与抗疲劳性能。沙漏式构造可进一步减小连续油管的重量与摩擦压耗。结合运用这两种新技术,可大幅提升连续油管的水平延伸能力。

来自丨World oil
编译丨TOM

早在上世纪20年代就已经成功钻出水平井,但随着“页岩革命”的到来,每年完钻的水平井数量正在急剧增加。勘探开发作业者追求高效开采资源、优化资本投资以及优质开发油藏,促使他们从直井转向产量更高,效益更高的水平井。实际上,大量直井开采的油气资源正重新转变为水平井开采,从而能够更有效的开采油田并延长油田的生产寿命。

随着非常规油气藏的钻井技术与多级压裂技术的发展,作业者正通过增加水平段的长度来达到油藏最大接触位移(MRC),同时最大限度的减少作业占地面积。在撰写本文时,国际上已经钻了23800多英尺的水平进尺,美国(宾夕法尼亚州Utica页岩区块)也钻了长达19500英尺的水平进尺。这种钻井策略带来了优势与效率,但又往往会导致复杂的井眼轨迹,从而迫使井的整个生命周期作业复杂化。例如,常规的完井、测井与连续油管修井技术已经很难将管柱送至这些井的水平段的最远端“趾部”。

制造满足延伸能力需求的连续油管

连续油管是水平井完井以及修井的重要工具。连续油管服务制造公司与作业者合作开发产品与技术,以满足更深、更长位移、更多挑战的井的需求。同时设计出新型连续油管地面设备,其适用于更长、更重以及外径更大的油管,这种油管是长水平段、高工作压力的井所需要的。然而,随着对大型连续油管设备需求的不断增长,装备动员和物流,以及将这些大型连续油管钻机部署到偏远的油田,逐渐成为一个艰难又复杂的挑战。

在设备制造商努力的同时,连续油管制造商也不断从生产小尺寸常规连续油管管柱,发展到生产先进的、为客户定制的连续油管管柱。这些管柱着重于优化使用寿命与增强延伸能力,为作业者与服务公司提供经济高效、安全以及低风险的解决方案。

连续油管管柱设计的发展

图1、图2、图3展示了在美国与加拿大使用的连续油管的最大外径、长度以及钢级的发展历程。自2013年以来,在这些地区2.375寸以及更大尺寸的连续油管市场占有率接近60%至80%。最近8年内,最大连续油管长度增长了50%,从19000英尺增至大约28000英尺,预计在未来几年会进一步增加。在2017年,100000psi以及更高屈服强度的连续油管使用量占总使用量的90%。综上所述,使得更大外径、更高强度的连续油管在北美更有效可靠的使用。

新技术让连续油管伸的更远(上)

图1.所用连续油管外径(美国和加拿大)的发展历程

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图2. 连续油管长度的发展历程

应力与应变是导致连续油管管柱疲劳损伤积累的主要因素。在作业时,连续油管外径、起下钻次数以及泵压直接关系到连续油管的应力、应变。在过去,连续油管服务商会使用通用的设计来进行各种常规修井作业,因为这样在连续油管上施加的应力与应变相对较小。

随着页岩革命的到来,美国最普遍的连续油管作业是在高压水平深井中,进行压裂后磨铣桥塞并将其清理出井口的作业。这些井的设计与连续作业需要更大外径的连续油管以及更高的泵压,来有效地完成作业目标。然而这些需求又会造成施加在管柱上的应力与应变增加,进而可能会引起管柱疲劳的指数级积累,特别在是组装过程中连续油管上产生的焊接点,称为偏置焊缝。这种疲劳积累是不可逆的,并且会减少连续油管的使用寿命。为了使连续油管在这些苛刻的条件下仍然有具有竞争力,这就需要更复杂的连续油管管柱设计。

全球各地的服务公司都在不断寻求新的连续油管技术以及工程设计,以支持当地作业者,在最具挑战性的井况下安全作业。因此,连续油管管柱设计优化已经成为修井作业设计中的一部分。连续油管管柱工程已经发展成一个复杂的工程,需要多方面了解井况,包括:连续油管作业范围(压力与轴向载荷)、低周疲劳、强度、应力、作业期间的流体动力学。在管柱设计优化中还需要考虑连续油管地面设备的能力,以及该地区的运输物流。

近年来新研发的钢材化学组分已被用来制造出更高钢级的连续油管,其屈服强度范围从110000psi至140000psi。高钢级的连续油管可以满足在深度更深、压力更高的作业中对管柱的性能需求。然而,由于高强度钢固有的材质高硬度,与相邻材料相比,偏置焊缝更容易增加疲劳损伤的积累,这将在低周疲劳模拟软件中通过偏置焊缝降额因数来考虑。

五年前推出的SMARTaper技术(双快速变径过渡带)着力于最大限度降低油管偏置焊缝降额因数的影响,这对管柱的使用寿命产生了积极的影响。制造双快速变径过渡带时,偏置焊缝处增加的壁厚很小(参见图4,双快速变径过渡带)。虽然使用与传统管柱相同的焊接工艺来制造这些较厚的偏置焊缝,但是它们的疲劳寿命与相邻管柱基本相同,从而消除了降额因数的影响。这种取得专利的双快速变径过渡带构造还可以在不使用阶梯式变径偏置焊接的情况下快速增加或减少壁厚,同时优化了连续油管的重量与整体抗疲劳性能。

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图4.市场上可用的连续油管管柱的结构剖面图

这项革命性的技术通过增强壁厚较厚、强度较大的连续油管管柱的薄弱区域,来增加管柱的安全性与可靠性。此外,它的壁厚的快速变化可用于特殊的管柱构造设计,以达到前所未有的井的水平延伸长度。

复杂井况与复杂井眼的工程解决方案

凭借其在北美的首次成功应用,最新过渡带技术的灵活性与作业优势变得众所周知。它的应用扩展至其他作业与地区,特别是非常规资源的开发,连续油管在此经受了极端、具有挑战性的环境。

为什么壁厚的快速过渡能够扩大连续油管在大位移井的利用率?通常,使用变径设计沿着管柱变化壁厚,以优化连续油管的一些特征。变径连续油管(阶梯式变径与连续式变径)已经用了超过25年,主要是为了优化重量与轴向载荷能力。这些设计有助于提升连续油管在更深、压力更高条件下的作业表现,也是连续油管能够成功运用于非常规大位移水平井的关键原因。

阶梯式变径油管的缺点是需要备有连续油管制造商提供的每种壁厚,以便于从较厚的壁厚转变为较薄的壁厚。此外,由于焊缝处产生的铰接效应,阶梯式变径偏置焊缝的壁厚形状差别会对管柱的耐久性产生负面影响。这种铰接效应在尺寸更大的连续油管中会加剧,并对管柱抗疲劳性能产生显著的限制,因为沿着管柱的每个壁厚变化都会产生高降额因数。常规的连续式变径连续油管设计会有壁厚线性变化段,该段超过过渡段的长度(长度平均小于1800英尺)。这种类型的变径连续油管的优点是所有焊接接头(偏置焊缝)都具有相同的壁厚形状,与阶梯式变径连续油管相比,增加了油管的耐用性。虽然这些过渡带可以在两种壁厚间过渡,但它们有物理限制,因此它们的长度是固定的,过渡段很长。这点限制了连续油管构造设计的灵活性。

开发双快速变径过渡带技术是为了克服现有变径结构的缺点,现有结构在两种壁厚间需要的过渡较长。这在大位移连续油管设计中特别重要,因为设计中壁厚的变化结构决定了其他变量,比如从井口传递到井底的刚度以及轴向力。

连续油管形状(连续油管尺寸与壁厚的结合)决定了井内油管的刚度,连续油管刚度越低,越容易发生螺旋弯曲,因此限制了连续油管的延伸长度。通过在油管可能发生螺旋弯曲的区域(直井段)布置加厚材料,井壁并迅速过渡到更薄壁厚,这就能将特定尺寸连续油管的水平延伸达到最长。

克服阶梯式变径管柱与常规连续式变径管柱的局限性的最有效方法是在每个偏置焊缝处都具有均匀的厚度,并快速过渡到所需的壁厚。双快速变径过渡带技术,过渡长度小于300英尺,具有提升偏置焊缝的疲劳寿命、提升大位移能力、将总重量减至最小以及提升作业安全性与可靠性的优点。图四展示了连续油管市场中不同类型的变径构造的横截面剖面图:阶梯式变径,连续式变径与双连续式变径。

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二丫
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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