Frac プラグはどのように機能しますか?

従来の複合プラグには、マンドレル、上部スリップ/コーン、エレメント、および下部スリップ/コーンが含まれています。マンドレルは、他のコンポーネントが「乗る」プラグの構造を提供し、プロファイルが機械加工されるか、慣らし運転、セッティング、フラクシング中にコンポーネントを拘束する追加の部品が取り付けられます。スリップは、押し合わされると外側に移動してケーシングに接触するように、コーンと相互作用するように設計されています。スリップのエッジは硬化されており、ケーシングに「食い込み」、所定の位置にロックされるように設計されています。スリップは、何らかのバンドで固定された完全なリングまたは個々のセグメントになります。いずれの場合も、設定シーケンスによって分離され、コーンを上に移動してケーシングに固定されるまで、それらは一緒に留まるように設計されています。
上からの圧力のみを保持するように設計されたフラクプラグの場合、下部スリップはフラックの全力を保持するように設計され、上部スリップはプラグ、主にエレメントをセット後に圧縮状態に保つように設計されます。この要素は、ケーシング壁の ID とマンドレルの間にシールを形成する設定力の下で圧縮するように設計されています。このシールは、ウェルを 2 つの部分に分離するのに必要な隔離を提供し、その上のゾーンを個別に処理できるようにします。ボール ドロップ プラグの場合、ボールは表面からマンドレルに着地するまで落下し、絶縁が完了します。

複合プラグの性能の最初のテストは、ポンプダウン操作中に行われます。このシーケンスでは、複合プラグは、プラグ、設定ツール、穿孔ガンを含むワイヤーライン底穴アセンブリ (BHA) で構成されます。この BHA は水平井戸内のキックオフ ポイントまで落とされ、ポンプを使用して目的の場所に展開されます。この作業中は、コンポーネントが組み立てられた状態を維持することが重要です。スリップは一緒に留まらなければなりません。そうしないと、展開中にスリップがケーシングに接触し、コーンが上に移動し、事前設定されたイベントが発生します。
同じ運命を避けるためにも、要素は所定の位置に留まらなければなりません。ゴム製の要素の場合、これは難しい場合があります。たとえば、一般的な 5.5 インチのプラグの外径は 4-3/8 インチ、ケーシングの ID は 4.778 インチで、プラグとケーシングの間に小さな隙間が残ります (片側わずか 0.2 インチ)。プラグの移動速度とポンプで送られる流体の流量に応じて、このプラグの周囲に多くのバイパスが存在する可能性があります。このバイパスが増加すると、プラグの周囲に低圧ゾーンが形成され、エレメントが膨張してケーシングに接触する可能性があります。このため、展開中にプラグをバイパスする流体の量を理解することが重要であり、ほとんどのプロバイダーは、さまざまなポンプ速度でプラグがどれくらいの速度で移動する必要があるかについてのガイドラインを提供しています。

プラグのセッティングは爆発セッティングツールを使用して行われます。 2 つの主なタイプの設定ツールがどのように機能するかについての詳細は、こことここの過去の記事を参照してください。プラグマンドレルは静止状態に保たれ、コンポーネントが強制的に結合されてツールがセットされます。通常、エレメントは圧縮され、その後スリップが破損し、コーンがケーシングに押し込まれて所定の位置にロックされるまでコーンを上に移動します。スリップが設定されると、設定ツールによって生成される力はプラグ剪断媒体の剪断力を超え、設定ツールはプラグを剪断し、プラグをウェル内に自律的に残します。設定後、マンドレルの一部が新しく圧縮されたコンポーネントの上に露出します。この露出したマンドレルの長さは、組み立てられた状態で上部スリップの上にある複合材料の量に、工具をセットするのに必要なストローク長を加えたものと等しくなります。
複合プラグの重要な設計制約の 1 つは、ツールをセットするために必要なストロークです。この長さは、ベーカー設定ツールによって提供されるストロークによって決まります。ストロークは、E4-10 では 5.875 インチ、E4-20 では 8.625 インチです。ツールがこれよりも大きなストロークを必要とする場合、設定ツールがプラグから切り落とされない可能性があります。
この構成では、設定直後のアッパースリップのパフォーマンスが重要です。圧縮をエレメントにロックしてシールを維持するには、上部スリップがケーシングに食い込む必要があります。上部スリップが設計どおりに機能しない場合、エレメントが緩んでシールが失われます。興味深いのは、この要素が独自の圧縮を維持する役割を果たしているということです。要素が上部コーンに反対の力を生成しない場合、ケーシングとの係合を維持するために必要な滑りの下でサポートを維持できません。圧縮された要素からの「背圧」がなければ、上部スリップはその役割を果たせません。

設定後、ワイヤーライン BHA を使用してプラグの上のケーシングに穴を開け、ウェルから取り外します。その後、表面フラクシング装置が装備されます。ボール ドロップ プラグの場合、ほとんどの場合、ボールは表面からドロップされます。坑井の水平部分に到達すると、ポンプでポンプで降下してプラグに到達し、坑井を 2 つのセクションに分離します。ボールが着地してフラクションが始まると、圧力によりマンドレルが上部スリップの上部と相互作用するまで下方に押し下げられます。シールがエレメント内をスライドする間、シールを維持する必要があります。
これにより、プラグの下のマンドレルの長さは、ストロークにプラグの底部を加えたものと等しくなります。これはプラグのパフォーマンスのセッティングやフラク成分にはあまり影響しませんが、ミルアップには影響する可能性があります。
刺激中、プラグの上側には高い圧力がかかり、プラグの底部には低い圧力がかかります。この圧力差により、加えられる力に耐えるようにプラグをどのように設計する必要があるかが決まります。以下に示すように、フラクからの圧力がボールとエレメント上のマンドレルにかかります。ボールとエレメントの下には、リザーバーからの圧力のみが存在します。これにより、シール上のマンドレルに圧潰圧力がかかります。シール部では、マンドレルは要素の崩壊圧力と圧縮に耐えなければなりません。
下部スリップとコーンは、圧力差によってエレメントとプラグに発生する機械的な力に耐える必要があります。プラグの提供者は、これらの条件下で機能するプラグを実現するために、材料の厚さと強度を使用する必要があります。通常、従来のフラクプラグの故障は、下部のコーン/マンドレルが崩壊し、下部のスリップが噛み込みを失うことによって引き起こされます。工具の性能は複合材料の強度に依存します。
設計者にとってのもう 1 つの懸念は、高圧および高温の状況における要素の性能です。ゴム要素は柔軟性があり、高温下ではさらに柔軟になります。混合物に高圧が加えられると、ゴム要素が圧力の方向に流れる可能性があります。市場にある従来のプラグの多くには、エレメントがセットされると拡張するように設計されたエレメント バックアップ システムが組み込まれており、フラクチャの高圧段階でエレメントを所定の位置に保持する構造を提供します。
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