大慶油田直井高效坐壓多段工藝技術研究與應用

王金成

（大慶油田有限責任公司第七采油廠，黑龍江大慶 163453）

大慶油田直井高效坐壓多段工藝技術研究與應用

王金成

（大慶油田有限責任公司第七采油廠，黑龍江大慶 163453）

常規(guī)不動管柱多段壓裂工藝，不適應目前細分壓裂改造層段和加砂規(guī)模逐漸加大的需要。而多趟管柱施工作業(yè)量大，現(xiàn)有施工隊伍、設備難以滿足需求，且對儲層傷害大，施工周期長、效率低、成本高。為此，研究了耐溫120 ℃、承壓60 MPa不動管柱逐級投球打滑套高效坐壓多段工藝，研制了滑套式導壓噴砂封隔器、大通徑水力錨等配套核心關鍵工具，創(chuàng)新了小級差滑套、導壓噴砂器、封隔器一體化設計方法，解決了坐壓多段易卡管柱和如何解卡以及大通徑工具設計強度與其安全工作可靠性等難點問題。實現(xiàn)了不動管柱壓裂段數(shù)由4段到10段的飛躍，已在大慶油田應用683口，工藝成功率99.4%，為提高大慶油田外圍薄差儲層的有效動用和長垣水驅精細挖潛開發(fā)效果提供了技術手段。

大慶油田；高效；坐壓；多段；工藝技術；研究與應用

大慶油田根據(jù)儲層特征分為外圍和老區(qū)油田，大慶油田外圍改造對象主要為葡萄花、扶揚及海塔復雜巖性等儲層，縱向上小層多、薄，且低孔、低滲、低豐度，壓裂改造需要做到縱向多動用、橫向高強度。長垣水驅精細挖潛區(qū)內(nèi)部開發(fā)小層多，滲透率差異大，需對二、三類儲層實施精細改造，小層分布跨度大，且與高含水層交互存在，壓裂改造需要做到精細控制，以提高精細挖潛開發(fā)效果。大慶油田于上世紀90年代初，在榆樹林油田開展了通過上提管柱實現(xiàn)一趟管柱壓裂5段工藝研究與應用，最大加砂規(guī)模不到50 m3，改造強度低。多趟管柱施工作業(yè)量大，現(xiàn)有施工隊伍、設備難以滿足需求，控遞減、降投資等矛盾尤為突出，且對儲層傷害大，施工周期長、效率低、成本高。無法滿足大慶油田外圍增儲上產(chǎn)的高效、低成本和老區(qū)精細改造多段壓裂需要。經(jīng)過研究攻關，成功研發(fā)了以不動管柱逐級投球打滑套為核心的直井高效坐壓多段工藝技術，為提高外圍薄差儲層的有效動用和長垣水驅精細挖潛提供了技術手段。

1 直井高效坐壓多段工藝管柱研究

該工藝管柱由安全接頭、水力錨、K344/ Y344-115封隔器、滑套式導壓噴砂封隔器等組成[1,2]（圖1）。通過逐級投球打滑套方式完成坐壓多段施工，施工結束后，起出全部管柱。若出現(xiàn)砂卡現(xiàn)象，可通過反洗解卡，或者由安全接頭處丟手，起出油管。

圖1 直井高效坐壓多段工藝管柱

2 壓裂工藝管柱磨蝕機理研究

在直井坐壓多段時，由于加砂規(guī)模加大，使滑套球座過砂磨蝕增大，并因壓裂段數(shù)增多，需縮小滑套級差，又加劇了滑套小極差設計及其耐磨蝕性能的雙重矛盾[3，4]。為解決多段大規(guī)模壓裂管柱磨蝕失效的問題，根據(jù)流體力學理論，采用Fluent軟件對壓裂管柱在大規(guī)模壓裂條件下的內(nèi)部流態(tài)進行數(shù)值模擬，分析不同參數(shù)條件下管柱內(nèi)部液固兩相的分布規(guī)律，確定管柱的磨蝕機理。將壓裂液在管柱內(nèi)的流動簡化為二維模型。由于壓裂管柱局部存在變徑，結構較復雜，針對管柱變徑處進行了模擬計算（圖2），同時開展了不同材料不同沖蝕速度的試驗。

圖2 排量為4 m3/min條件下壓裂管柱變徑處流態(tài)圖

理論研究及試驗表明：管徑突變產(chǎn)生渦流區(qū)是磨損的主要原因，變徑角度＞15°時，磨損急劇增大，如圖2中的紅色區(qū)域為高流速區(qū)域，是由于壓裂管柱管徑發(fā)生變化所導致的，而且還產(chǎn)生渦流，渦流區(qū)砂比及流速均增加。另外，影響耐磨設計主要因素還應考慮工具材質和熱處理硬度，材料硬度越高，抗沖刷能力越強（圖3）。

3 壓裂工具研制

3.1 滑套式導壓噴砂封隔器

3.1.1 滑套式導壓噴砂封隔器整體結構設計

圖 3 五種材料的硬度與磨蝕關系曲線

以往常規(guī)不動管柱多段壓裂工藝，主要由多級K344-114擴張式封隔器與DQKPS-114彈簧噴砂器等壓裂工具組成，噴砂器可帶滑套，壓裂時逐級投球，分別打開相應滑套進行分層壓裂，不動管柱最多壓3～4段，但存在耐磨蝕性能差、加砂規(guī)模有限。而本文研究的大慶油田直井高效坐壓多段工藝，因壓裂管柱串長，工具多，一旦砂卡難以處理。創(chuàng)新了導壓噴砂器、封隔器和小極差滑套一體化集成設計，縮短工具長度，最大限度地縮短膠筒距導壓噴砂器噴口長度，有效降低了砂卡管柱風險。并設計了利于降低膠筒殘余變形的可移動鋼體結構，改善了膠筒受力狀況，最大限度地為膠筒在擴張和收縮時提供自由空間，利于膠筒多次疲勞坐封后回收。同時，設計了反循環(huán)閥沖砂洗井機構，可有效防卡和解卡，提高了管柱安全性。

3.1.2 小級差滑套的研制

為提高單趟管柱壓裂段數(shù)，研究確定了集坐封節(jié)流嘴和球座于一體的小級差（級差即密封球外徑與球座內(nèi)徑之差）滑套設計思路[5]，要確保提高其耐磨蝕性能的同時，又能實現(xiàn)密封球與滑套的密封，從而保證滑套正常開啟壓裂。首先，設計靈感從“削果皮”得到啟發(fā)，果皮的厚薄即相當于級差的大小，果皮越薄越易削，也即級差越小越易遭到磨蝕破壞。因流經(jīng)滑套的壓裂砂量由下至上逐級增大，研究確定了變比例小級差設計原則（圖4），在管柱內(nèi)通徑允許的條件下，級差由2 mm逐漸增大到3.5 mm，不僅增大了工具的耐磨性和加砂規(guī)模，又提高了打滑套成功率，還保證了增加壓裂段數(shù)目的；其次，對小級差滑套進行結構優(yōu)化與材質優(yōu)選，滑套采取分體式設計（圖5），具有易組裝更換、節(jié)約成本的特點。將節(jié)流嘴上部采取特殊淬火熱處理工藝，使硬度提高到HRC48，又對滑套節(jié)流嘴和球座優(yōu)選了特殊耐磨蝕高強度硬質合金材料，提高了耐磨性能。

圖4 密封球與球座級差示意圖

圖5 小級差滑套結構及實物圖

3.1.3 大通徑短膠筒研制攻關

研制了將傳統(tǒng)尼龍簾線設計為“鋼絲+尼龍簾線”的大通徑短膠筒，但因膠筒長度縮短了38%，內(nèi)徑擴大28%，指標僅能達到耐溫70℃、承壓35 MPa，滿足不了壓裂要求，仍需開展技術攻關。首先，采用Ansys有限元方法對大通徑短膠筒結構進行分析，見圖6、圖7、圖8，發(fā)現(xiàn)在膠筒肩部存在應力集中問題，通過優(yōu)化設計，并對鋼絲和簾線的排布角度進行了探索性設計與試驗，應力均勻；其次，將膠料由丁腈橡膠（NBR）改為氫化丁腈橡膠（HNBR），并加入納米級添加劑；再次，將“鋼絲+尼龍簾線”設計為強度更高的“鋼絲+芳綸簾線”，并研究了特種處理工藝解決芳綸與橡膠的粘接性能差的問題，使鋼絲、橡膠、膠漿和芳綸簾線在硫化成膠筒工作時融為一體不“分層”，使膠筒內(nèi)部幾種不同材料的變形率趨于一致，從而解決膠筒工作時斷絲或斷線問題。

圖6 大通徑短膠筒

圖7 封隔器膠筒軸對稱有限元離散圖

圖8 結構優(yōu)化前后膠筒擴張時肩部拉應力

3.2 大通徑水力錨

通過對管柱力學計算與流態(tài)分析，表明封隔器蠕動位移與施工壓力成正比（圖9），需對壓裂管柱采取錨定措施，有助于減小管柱蠕動，提高封隔器密封性能，確保壓裂成功率和施工安全，為實現(xiàn)大卡距及多層段壓裂提供技術保證。水力錨應具備錨定穩(wěn)固壓裂管柱及工作后解除錨定可靠不致卡管柱雙重功能要求，常規(guī)水力錨存在的不適應性：一是通徑小，內(nèi)徑只有φ46 mm，在壓裂管柱頂部存在“縮頸”，無法實現(xiàn)小級差滑套導壓噴砂封隔器一體化結構設計；二是在同井深和同類型壓裂液的前提下，由縮徑節(jié)流產(chǎn)生的節(jié)流損失所消耗能量是限制施工排量提高和施工壓力升高的重要因素，給壓裂工藝造成無謂的壓力損失；三是耐磨蝕性能差，制約了大規(guī)模壓裂。

圖9 不同壓力、卡距、油管壁厚下封隔器位移對比

為此，將錨爪設計為特種密封結構，使內(nèi)通徑增加了30%，達到φ60 mm，降低了流體流速，計算表明流速降低1.7倍，磨蝕量相應降低3倍，并設計了錨爪限位結構，避免擠毀中心襯管。同時，設計緩磨蝕結構和硬質合金襯套（圖10），使水力錨既打破了通徑小的瓶頸，又大幅度提高了耐磨性能。

圖10 大通徑耐磨蝕水力錨

4 現(xiàn)場應用情況及效果

截止到2014年底，直井高效坐壓多段工藝在大慶油田共完成油水井壓裂683口，且應用比例逐年增加，最大加砂量160 m3，工藝成功率99.4%。在GFx-y井實現(xiàn)一趟管柱坐壓10段，全部施工時間由6～8 d減少到2 d，施工效率提高3倍以上（圖11），各層噴砂器滑套均成功打開，施工過程順利，創(chuàng)造了大慶直井不動管柱壓裂層段數(shù)新紀錄。PFx-y井為老井，鉆遇FI1-FI7共9個小層，有效厚度19.1 m，原已壓裂4段，加砂40 m3。重復壓8段，采用大規(guī)模清水壓裂，加砂160 m3，用液2 500 m3，多層段大規(guī)模壓裂改善了油層動用狀況，本次壓裂前產(chǎn)油已降至0.7 t，壓后日產(chǎn)油10.7 t，提高了15.3倍，取得了較好的效果。直井高效坐壓多段工藝緩解了作業(yè)人員及設備緊張的局面，并有效降低壓裂操作成本，實現(xiàn)了儲層有針對性的細分改造，提高了儲層的動用程度。

5 結論與認識

圖11 常規(guī)工藝與高效坐壓多段工藝效果對比圖

（1）研究形成的大慶油田直井高效坐壓多段工藝技術，具有精細控制不同層段、加砂規(guī)模大、施工效率高、成本低的特點。

（2）大慶油田精細挖潛措施支撐了油田穩(wěn)產(chǎn)，而直井高效坐壓多段工藝是精細挖潛措施的核心關鍵之一，為老區(qū)精細挖潛、外圍難采儲量有效動用提供了技術手段，已規(guī)?；茝V，且應用比例逐年增加，推動了壓裂工藝技術進步。

[1]張洋. 不動管柱多層壓裂工藝技術[J]. 科學技術與工程，2011， 11（35）： 8869-8871.

[2]黃粟. 直井不動管柱10段壓裂工藝技術研究與應用[J]. 內(nèi)蒙古石油化工， 2013（18）： 103-105.

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[4]王尊策， 徐艷， 李森， 等. 深層氣井壓裂管柱突擴結構內(nèi)流態(tài)及磨損規(guī)律模擬[J]. 大慶石油學院學報， 2010， 34（5）： 87-91.

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Study and Application of High-efficient Multi-stage Fracturing with Fixed String in Vertical Well in Daqing Oilfield

WANG Jincheng
（The No.7 Petroleum Production Company of Daqing Oilfield Co.Ltd., Daqing 163453, China）

The conventional multi-stage fracturing technique cannot meet the demand of exquisite separating layer stimulation and increasing sand-adding scale. The execution of multi-trip string, however, may result in excessive workloads, reservoir damage, long time consuming, low efficiency as well as high cost. Besides, the possession of crews and equipments are not geared up to the requirements. Therefore, the author conducted a research on the technology of high-efficient multi-stage fracturing with fixed string which can be applied in the circumstance of 120 ℃, 60 MPa, developed some associated fracturing tools including slide-sleeve pressure-transmitting sand blast packer, large drift diameter hydraulic anchor, innovated the integrated design of small range slide-sleeve, pressure-transmitting and packer, resolved some difficult problems such as string block and anti-block, design strength and security as well as reliability etc. It also makes it possible that 10 intervals can be treated in one trip without strings running up and down instead of the previous 4 intervals. This technology has been applied in 683 wells with success ratio at 99.4%, is also useful to the effective reserve-producing from the poor and thin reservoir in the peripheral area of Daqing Oilfield and to the fine potential tapping with water flooding in Changyuan area.

Daqing Oilfield; high efficiency; fracturing with fixed string; multi-stage; technology; study and application

TE357.1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2016.04.051

1008-2336（2016）04-0051-05

2016-03-25；改回日期：2016-05-16

王金成，男，1968年生，2009年畢業(yè)于大慶石油學院石油工程專業(yè)，從事油氣藏改造技術研究和采油管理工作。

E-mail：wangjinyou@petrochina.com.cn。