水平井裸眼分段壓裂完井關(guān)鍵工具研制

張海燕 魏新芳 余金陵 許嬋嬋

（1.勝利油田采油工程處，山東東營 257000；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

水平井裸眼分段壓裂技術(shù)是近年來興起的非常規(guī)油氣儲層改造和投產(chǎn)新技術(shù)，能顯著改善非常規(guī)油氣藏開發(fā)效果。裸眼分段壓裂管柱一般是采用?177.8 mm 技術(shù)套管懸掛?114.3 mm 壓裂配套完井管柱的結(jié)構(gòu)，常見的配套管柱是由懸掛器、裸眼封隔器、滑套開關(guān)、單向閥等組成，裸眼封隔器和滑套開關(guān)的數(shù)量由壓裂段數(shù)決定。裸眼分段壓裂工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能參數(shù)是這項(xiàng)技術(shù)能否成功實(shí)現(xiàn)的。

陳作［1］等介紹了國內(nèi)幾種常用的水平井分段壓裂技術(shù)并將水平井裸眼分段壓裂技術(shù)列為未來的發(fā)展方向。韓永亮［2-4］等利用流體力學(xué)分析軟件對裸眼封隔器、壓裂滑套等核心工具進(jìn)行了模擬仿真并介紹了應(yīng)用實(shí)例。BUFFINGTON N［5-7］等介紹了水平井裸眼分段壓裂技術(shù)在Bakken 地區(qū)的應(yīng)用情況。國內(nèi)外學(xué)者的研究集中在水平井裸眼分段壓裂工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真模擬、現(xiàn)場應(yīng)用等方面，取得了良好的效果。筆者將重點(diǎn)研究裸眼分段壓裂工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、技術(shù)參數(shù)優(yōu)化等內(nèi)容，進(jìn)一步加強(qiáng)水平井裸眼分段壓裂技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性、多樣性，使其在非常規(guī)油氣藏開發(fā)中更好的發(fā)揮作用。

1 裸眼分段壓裂完井管柱技術(shù)方案

采用?177.8 mm×?114.3 mm 壓裂管串，懸掛器采用自主研制的膨脹式懸掛器。投球式壓裂滑套最小球座內(nèi)徑為26 mm，壓裂用球最小直徑29 mm，級差4 mm。若采用?88.9 mm 油管回接則可實(shí)現(xiàn)13 級壓裂，而?114.3 mm 套管內(nèi)直接投球則可實(shí)現(xiàn)24 級壓裂。管柱下入到位后，先坐封裸眼分段壓裂封隔器、懸掛器，然后自下而上逐級投球打開滑套進(jìn)行對應(yīng)層的壓裂作業(yè)。每只壓裂球只能落入并打開對應(yīng)球座，防止了對已壓裂層段的干擾，保證了各段的壓裂效果。同時(shí)，由于各個(gè)層段壓裂作業(yè)連續(xù)進(jìn)行，提高了壓裂作業(yè)效率，降低了壓裂作業(yè) 成本。

2 裸眼分段壓裂關(guān)鍵工具研制

2.1 膨脹懸掛器

膨脹式懸掛器采用高強(qiáng)高膨脹率材料鋼管，膨脹后達(dá)到N80 鋼級性能，抗內(nèi)壓大于50 MPa，抗外擠大于30 MPa，滿足了懸掛器坐封后管柱懸掛、層間密封要求及壓裂作業(yè)對管柱的抗內(nèi)擠要求。

懸掛部分由三段合成橡膠支撐尾管的重量并提供足夠的密封能力。合成橡膠既能完成氣密封，也能保證尾管懸掛器的懸掛能力，從而避免常規(guī)方法采用單獨(dú)的頂部封隔器，也無需在重疊部分和懸掛器上方進(jìn)行注水泥作業(yè)以保證密封完整性。特殊設(shè)計(jì)表現(xiàn)在兩方面：一是采用金屬顆粒作為懸掛體，提高懸掛能力；二是重新設(shè)計(jì)了內(nèi)管，采用了液壓、機(jī)械雙丟手結(jié)構(gòu)，保障脫手成功（見圖1）。

圖1 膨脹懸掛器

室內(nèi)進(jìn)行了常規(guī)膨脹懸掛器與帶金屬顆粒的膨脹懸掛器性能對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，兩種類型膨脹懸掛器環(huán)空密封壓力均達(dá)到65 MPa 以上，常規(guī)膨脹懸掛器可承受懸掛載荷700 kN，但增加金屬顆粒后承受懸掛載荷增大到800 kN 以上，而整個(gè)膨脹過程中，泵壓一直穩(wěn)定在30 MPa，表明金屬顆粒設(shè)計(jì)提升了懸掛器性能的同時(shí)未增加施工風(fēng)險(xiǎn)。

表1 懸掛器性能對比實(shí)驗(yàn)

2.2 裸眼壓裂封隔器

裸眼封隔器的核心部件膠筒采用四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚等共聚而成的全氟橡膠，它具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、耐熱性能，長期耐溫可達(dá)170 ℃以上。采用特殊設(shè)計(jì)的可膨脹金屬環(huán)結(jié)構(gòu)，在下入過程中可以有效保護(hù)膠筒，防止與井壁摩擦造成損壞；在膠筒膨脹過程中隨之膨脹，將橡膠限制在金屬環(huán)之間，防止膠筒沿軸向變形過度而造成密封失效。同時(shí)，在橡膠中加入網(wǎng)狀鋼絲結(jié)構(gòu)骨架，骨架易彎曲，對膠筒的膨脹過程影響小，同時(shí)又能增加膠筒的韌性，防止由橡膠開裂造成的密封失效（圖2）。

圖2 裸眼封隔器

用外徑144 mm 的裸眼封隔器分別在內(nèi)徑為159 mm、166 mm 套管內(nèi)實(shí)驗(yàn)，環(huán)空承壓能力分別達(dá)到75、60 MPa 以上（見表2），能在外徑較小的情況下完成對大直徑井眼的封隔。采用不同膠筒組合及膨脹金屬環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3，可以看出，多段膠筒可提升封隔器性能，但是當(dāng)膠筒超過2 段后，其封隔性能提升緩慢，因此采用2 段膠筒既可以達(dá)到封隔效果又保證了經(jīng)濟(jì)性。金屬環(huán)對膠筒膨脹過程中限位作用明顯，保證了膠筒的密封效果，提升封隔壓差30 MPa 左右。

表2 裸眼封隔器耐壓性能實(shí)驗(yàn)

圖3 膠筒及膨脹金屬環(huán)對封隔器性能的影響

2.3 滑套球座

投球滑套研制的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于提高壓裂滑套耐沖蝕性。壓裂施工中壓裂液排量可以達(dá)到5 m3/min左右，壓裂液中混雜的支撐劑對壓裂滑套密封錐面反復(fù)沖刷，一旦密封錐面被沖蝕變形，球落座后將無法形成有效密封，造成壓裂滑套打開失敗，影響多級壓裂作業(yè)的連續(xù)進(jìn)行。采用有限元分析方法模擬流體攜帶砂粒流過球座時(shí)的情況，得出球座在壓裂作業(yè)過程中易出現(xiàn)沖蝕破壞的區(qū)域（見圖4、圖5），即球座內(nèi)錐面部分。為保證球座在壓裂過程中不受損壞，保證各級的壓裂效果，必須加強(qiáng)球座表面的機(jī)械性能。

圖4 球座流道三維模型

圖5 球座沖蝕結(jié)果預(yù)測

投球滑套球座基體選用可鉆的鑄鐵材料，通過特殊表面處理工藝在高溫下將合金元素快速熔入基體表面，使之混合后迅速凝固，從而在坐封錐面表面形成0.5～2 mm 厚的致密合金層，處理后表面硬度可達(dá)HRC55，有效提高了球座表面耐沖蝕性能。該技術(shù)的特點(diǎn)是：通過合金體系優(yōu)選，可以控制處理后表面硬度；通過修改施工工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)合金層深度的控制；整個(gè)工藝的熱影響區(qū)小，不影響球座的物理性能?；w采用鑄鐵材料利于鉆除，鉆掉球座后壓裂管串內(nèi)通徑大利于后續(xù)作業(yè)。

3 壓裂管柱地面實(shí)驗(yàn)

開展了?114.3 mm 裸眼分段壓裂管柱（三級）的地面實(shí)驗(yàn)，管柱由隔離閥、壓差式滑套、裸眼封隔器、投球打開滑套、膨脹式懸掛器等組成。

實(shí)驗(yàn)過程：（1）接好管線試壓5 MPa，無泄漏；（2）繼續(xù)增大壓力至24 MPa，壓差式滑套開啟；（3）拆開試壓接頭，投入?30 mm 低密度壓裂球，泵送球至1#投球滑套處；（4）增加泵壓至35 MPa，1#滑套開啟，繼續(xù)加壓至70 MPa，檢驗(yàn)封隔器封隔壓力；（5）再重復(fù)步驟（3），泵送?50 mm 低密度壓裂球至2#投球滑套；（6）增加泵壓至35 MPa，2#滑套開啟，繼續(xù)加壓至70 MPa 檢驗(yàn)封隔器封隔壓力；（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，記錄實(shí)驗(yàn)參數(shù)并分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裸眼封隔器環(huán)空耐壓可達(dá)70 MPa，壓力打開滑套及投球滑套開啟壓力設(shè)定在24 MPa 合理，膨脹式懸掛器懸掛及密封能力強(qiáng)。整套管柱已經(jīng)具備現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

勝利油田某區(qū)塊開發(fā)層位為沙三中，屬于低孔特低滲透儲層，平均孔隙度14.9%，平均滲透率1.1 mD。該區(qū)塊A 水平井完鉆井深3 080 m，水平位移1 279 m，分10 段進(jìn)行裸眼分段壓裂施工。壓裂完井管柱自下而上分別為水平井底部循環(huán)閥（裸眼）1 套、水平井井筒隔離閥（裸眼）1 套、水平井壓差滑套（裸眼）1 套、水平井裸眼壓裂封隔器10 套+水平井投球滑套（裸眼）9 套交叉組合、頂部懸掛封隔器1套。壓裂過程中累計(jì)注入壓裂液3 240 m3，累計(jì)使用支撐劑270 m3。施工過程順利，投產(chǎn)至今累計(jì)產(chǎn)油 2 985.1 t。

B 水平井完鉆井深4 030 m，水平位移1 580 m，分11 段進(jìn)行裸眼分段壓裂施工。壓裂完井管柱自下而上分別為水平井底部循環(huán)閥（裸眼）1 套、水平井井筒隔離閥（裸眼）1 套、水平井壓差滑套（裸眼）1 套、水平井裸眼壓裂封隔器11 套+水平井投球滑套（裸眼）10 套交叉組合、頂部懸掛封隔器1套。壓裂過程中累計(jì)注入壓裂液3 957 m3，累計(jì)使用支撐劑305 m3。施工順利完成，投產(chǎn)至今累計(jì)產(chǎn)油 2 272.8 t。

5 結(jié)論及建議

（1）通過水平井裸眼分段壓裂配套完井管柱技術(shù)的攻關(guān)，開發(fā)出了膨脹懸掛器、裸眼封隔器和壓裂滑套球座等具有獨(dú)特設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工具。

（2）膨脹懸掛器改善了管柱在密封和連接上的完整性，懸掛載荷大，雙丟手設(shè)計(jì)降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

（3）裸眼封隔器采用可膨脹金屬環(huán)及金屬骨架膠筒結(jié)構(gòu)，外徑減小的同時(shí)有效封隔井眼的直徑有所提高，降低了對井眼要求，減少鉆井成本的同時(shí)降低了下管柱風(fēng)險(xiǎn)。

（4）選用球墨鑄鐵制造滑套球座，利用激光表面處理技術(shù)在球座表面形成高致密薄層，在保證球座可鉆性的同時(shí)提高球座壓裂時(shí)的耐沖蝕能力，為多級壓裂施工成功提供有效保障。

（5）根據(jù)壓裂現(xiàn)場實(shí)際需求，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)在封隔器、滑套、壓裂球等材料方面提高工具性能參數(shù)和可靠性。

［1］ 陳作，王振鐸，曾華國.水平井分段壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（9）：78-80.

［2］ 韓永亮，劉志斌，程智遠(yuǎn)，等.水平井分段壓裂滑套的研制與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2011，39（2）：64-65.

［3］ 董建輝.水平井裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)在蘇10 區(qū)塊的應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2011，25（2）：103-104.

［4］ 詹鴻運(yùn)，劉志斌，程智遠(yuǎn)，等.水平井分段壓裂裸眼封隔器的研究與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：123-125.

［5］ BUFFINGTON N, KELLNER J, KING J G, et al. New technology in the bakken play increases the number of stages in packer/sleeve completions［R］. SPE 133540, 2010.

［6］ YAKELEY S, WOOD E, KNEBEL M. Contacting the reservoir–benefits of horizontal open-hole completions［R］. SPE 124074, 2009.

［7］ GOODLOW K, HUIZENGA R. Multilateral completions in the granite wash∶ Two case studies［R］. SPE 120478, 2009.