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新技術讓連續油管伸的更遠(上)

新技術讓連續油管伸的更遠(上)

SMARTaper技術可最大限度的降低偏置焊縫的影響,同時優化連續油管的重量與抗疲勞性能。沙漏式構造可進一步減小連續油管的重量與摩擦壓耗。結合運用這兩種新技術,可大幅提升連續油管的水平延伸能力。

來自丨World oil
編譯丨TOM

早在上世紀20年代就已經成功鉆出水平井,但隨著“頁巖革命”的到來,每年完鉆的水平井數量正在急劇增加??碧介_發作業者追求高效開采資源、優化資本投資以及優質開發油藏,促使他們從直井轉向產量更高,效益更高的水平井。實際上,大量直井開采的油氣資源正重新轉變為水平井開采,從而能夠更有效的開采油田并延長油田的生產壽命。

隨著非常規油氣藏的鉆井技術與多級壓裂技術的發展,作業者正通過增加水平段的長度來達到油藏最大接觸位移(MRC),同時最大限度的減少作業占地面積。在撰寫本文時,國際上已經鉆了23800多英尺的水平進尺,美國(賓夕法尼亞州Utica頁巖區塊)也鉆了長達19500英尺的水平進尺。這種鉆井策略帶來了優勢與效率,但又往往會導致復雜的井眼軌跡,從而迫使井的整個生命周期作業復雜化。例如,常規的完井、測井與連續油管修井技術已經很難將管柱送至這些井的水平段的最遠端“趾部”。

制造滿足延伸能力需求的連續油管

連續油管是水平井完井以及修井的重要工具。連續油管服務制造公司與作業者合作開發產品與技術,以滿足更深、更長位移、更多挑戰的井的需求。同時設計出新型連續油管地面設備,其適用于更長、更重以及外徑更大的油管,這種油管是長水平段、高工作壓力的井所需要的。然而,隨著對大型連續油管設備需求的不斷增長,裝備動員和物流,以及將這些大型連續油管鉆機部署到偏遠的油田,逐漸成為一個艱難又復雜的挑戰。

在設備制造商努力的同時,連續油管制造商也不斷從生產小尺寸常規連續油管管柱,發展到生產先進的、為客戶定制的連續油管管柱。這些管柱著重于優化使用壽命與增強延伸能力,為作業者與服務公司提供經濟高效、安全以及低風險的解決方案。

連續油管管柱設計的發展

圖1、圖2、圖3展示了在美國與加拿大使用的連續油管的最大外徑、長度以及鋼級的發展歷程。自2013年以來,在這些地區2.375寸以及更大尺寸的連續油管市場占有率接近60%至80%。最近8年內,最大連續油管長度增長了50%,從19000英尺增至大約28000英尺,預計在未來幾年會進一步增加。在2017年,100000psi以及更高屈服強度的連續油管使用量占總使用量的90%。綜上所述,使得更大外徑、更高強度的連續油管在北美更有效可靠的使用。

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圖1.所用連續油管外徑(美國和加拿大)的發展歷程

新技術讓連續油管伸的更遠(上)

圖2. 連續油管長度的發展歷程

應力與應變是導致連續油管管柱疲勞損傷積累的主要因素。在作業時,連續油管外徑、起下鉆次數以及泵壓直接關系到連續油管的應力、應變。在過去,連續油管服務商會使用通用的設計來進行各種常規修井作業,因為這樣在連續油管上施加的應力與應變相對較小。

隨著頁巖革命的到來,美國最普遍的連續油管作業是在高壓水平深井中,進行壓裂后磨銑橋塞并將其清理出井口的作業。這些井的設計與連續作業需要更大外徑的連續油管以及更高的泵壓,來有效地完成作業目標。然而這些需求又會造成施加在管柱上的應力與應變增加,進而可能會引起管柱疲勞的指數級積累,特別在是組裝過程中連續油管上產生的焊接點,稱為偏置焊縫。這種疲勞積累是不可逆的,并且會減少連續油管的使用壽命。為了使連續油管在這些苛刻的條件下仍然有具有競爭力,這就需要更復雜的連續油管管柱設計。

全球各地的服務公司都在不斷尋求新的連續油管技術以及工程設計,以支持當地作業者,在最具挑戰性的井況下安全作業。因此,連續油管管柱設計優化已經成為修井作業設計中的一部分。連續油管管柱工程已經發展成一個復雜的工程,需要多方面了解井況,包括:連續油管作業范圍(壓力與軸向載荷)、低周疲勞、強度、應力、作業期間的流體動力學。在管柱設計優化中還需要考慮連續油管地面設備的能力,以及該地區的運輸物流。

近年來新研發的鋼材化學組分已被用來制造出更高鋼級的連續油管,其屈服強度范圍從110000psi至140000psi。高鋼級的連續油管可以滿足在深度更深、壓力更高的作業中對管柱的性能需求。然而,由于高強度鋼固有的材質高硬度,與相鄰材料相比,偏置焊縫更容易增加疲勞損傷的積累,這將在低周疲勞模擬軟件中通過偏置焊縫降額因數來考慮。

五年前推出的SMARTaper技術(雙快速變徑過渡帶)著力于最大限度降低油管偏置焊縫降額因數的影響,這對管柱的使用壽命產生了積極的影響。制造雙快速變徑過渡帶時,偏置焊縫處增加的壁厚很?。▍⒁妶D4,雙快速變徑過渡帶)。雖然使用與傳統管柱相同的焊接工藝來制造這些較厚的偏置焊縫,但是它們的疲勞壽命與相鄰管柱基本相同,從而消除了降額因數的影響。這種取得專利的雙快速變徑過渡帶構造還可以在不使用階梯式變徑偏置焊接的情況下快速增加或減少壁厚,同時優化了連續油管的重量與整體抗疲勞性能。

新技術讓連續油管伸的更遠(上)

圖4.市場上可用的連續油管管柱的結構剖面圖

這項革命性的技術通過增強壁厚較厚、強度較大的連續油管管柱的薄弱區域,來增加管柱的安全性與可靠性。此外,它的壁厚的快速變化可用于特殊的管柱構造設計,以達到前所未有的井的水平延伸長度。

復雜井況與復雜井眼的工程解決方案

憑借其在北美的首次成功應用,最新過渡帶技術的靈活性與作業優勢變得眾所周知。它的應用擴展至其他作業與地區,特別是非常規資源的開發,連續油管在此經受了極端、具有挑戰性的環境。

為什么壁厚的快速過渡能夠擴大連續油管在大位移井的利用率?通常,使用變徑設計沿著管柱變化壁厚,以優化連續油管的一些特征。變徑連續油管(階梯式變徑與連續式變徑)已經用了超過25年,主要是為了優化重量與軸向載荷能力。這些設計有助于提升連續油管在更深、壓力更高條件下的作業表現,也是連續油管能夠成功運用于非常規大位移水平井的關鍵原因。

階梯式變徑油管的缺點是需要備有連續油管制造商提供的每種壁厚,以便于從較厚的壁厚轉變為較薄的壁厚。此外,由于焊縫處產生的鉸接效應,階梯式變徑偏置焊縫的壁厚形狀差別會對管柱的耐久性產生負面影響。這種鉸接效應在尺寸更大的連續油管中會加劇,并對管柱抗疲勞性能產生顯著的限制,因為沿著管柱的每個壁厚變化都會產生高降額因數。常規的連續式變徑連續油管設計會有壁厚線性變化段,該段超過過渡段的長度(長度平均小于1800英尺)。這種類型的變徑連續油管的優點是所有焊接接頭(偏置焊縫)都具有相同的壁厚形狀,與階梯式變徑連續油管相比,增加了油管的耐用性。雖然這些過渡帶可以在兩種壁厚間過渡,但它們有物理限制,因此它們的長度是固定的,過渡段很長。這點限制了連續油管構造設計的靈活性。

開發雙快速變徑過渡帶技術是為了克服現有變徑結構的缺點,現有結構在兩種壁厚間需要的過渡較長。這在大位移連續油管設計中特別重要,因為設計中壁厚的變化結構決定了其他變量,比如從井口傳遞到井底的剛度以及軸向力。

連續油管形狀(連續油管尺寸與壁厚的結合)決定了井內油管的剛度,連續油管剛度越低,越容易發生螺旋彎曲,因此限制了連續油管的延伸長度。通過在油管可能發生螺旋彎曲的區域(直井段)布置加厚材料,井壁并迅速過渡到更薄壁厚,這就能將特定尺寸連續油管的水平延伸達到最長。

克服階梯式變徑管柱與常規連續式變徑管柱的局限性的最有效方法是在每個偏置焊縫處都具有均勻的厚度,并快速過渡到所需的壁厚。雙快速變徑過渡帶技術,過渡長度小于300英尺,具有提升偏置焊縫的疲勞壽命、提升大位移能力、將總重量減至最小以及提升作業安全性與可靠性的優點。圖四展示了連續油管市場中不同類型的變徑構造的橫截面剖面圖:階梯式變徑,連續式變徑與雙連續式變徑。

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