選擇性重復(fù)壓裂工具關(guān)鍵技術(shù)

秦金立

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

油氣藏開發(fā)過程中，隨著開發(fā)時間增長，地層滲透率逐漸降低,導(dǎo)致初次壓裂后的產(chǎn)油量不斷降低。研究和現(xiàn)場實踐表明，重復(fù)壓裂是目前解決“三低”(低產(chǎn)、低效和低滲)問題比較有效的方法[1-4]。目前，國內(nèi)重復(fù)壓裂方法主要有原有裂縫延伸、層內(nèi)壓出新裂縫和轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂[5-6]。針對原有裂縫延伸的重復(fù)壓裂，一般下入雙封單卡管柱進行壓裂；層內(nèi)壓出新裂縫的重復(fù)壓裂常規(guī)工藝是“射孔槍+火藥射孔”，再下入雙封單卡拖動管柱進行分隔，兩趟作業(yè)增加了作業(yè)成本，也增加了雙封單卡管柱的定位難度[7-8]。另外，常用的雙封單卡管柱中的封隔器一般選用重疊鋼片或鋼絲簾線等骨架內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的K344/K341型封隔器，該封隔器在一定程度上改善了擴張膠筒在承壓過程中的受力情況，但骨架內(nèi)襯封隔器在坐封后承壓時，骨架內(nèi)襯會在壓力作用下向背壓端呈喇叭口翻卷，導(dǎo)致其重復(fù)坐封可靠性低、失封率高[9-12]。針對重復(fù)壓裂工藝存在的問題，筆者提出用水力噴射射孔替代火工品射孔，并研制了用于射孔壓裂的選擇性重復(fù)壓裂工具，以期用一趟管柱既能延伸原有裂縫，又能在層內(nèi)壓出新裂縫，且能降低封隔器反復(fù)坐封的失封率。

1 選擇性重復(fù)壓裂工具的研制

1.1 選擇性重復(fù)壓裂管柱組成

選擇性重復(fù)壓裂工具可壓老縫、造新縫，主要設(shè)計思路為：1)管柱內(nèi)應(yīng)具有造新縫工具、壓裂工具及隔離已壓裂層位的跨接封隔工具；2)造新縫工具和壓裂工具可選擇使用，當層內(nèi)需要造新縫時，造新縫射孔通道開啟，壓裂工具的過流通道關(guān)閉，且管柱內(nèi)能夠聚積高壓能，并通過噴嘴轉(zhuǎn)換成動能，切割套管實現(xiàn)射孔造縫；延伸裂縫時，壓裂工具的壓裂通道開啟，使裂縫延伸；3)跨接式封隔器應(yīng)可以進行選擇性坐封，射孔作業(yè)時跨接封隔器解封，壓裂作業(yè)時封隔器坐封并隔離已壓裂層位。

設(shè)計的選擇性重復(fù)壓裂管柱如圖1所示。適時坐封跨接式封隔器由上封隔器和下封隔器組成，跨接在選擇性射孔壓裂工具的兩端，實現(xiàn)適時坐封。選擇性射孔壓裂工具通過聯(lián)作芯軸的軸向移動切換過流通道，分別實現(xiàn)射孔和加砂壓裂。射孔時，跨接式封隔器處于解封狀態(tài)；加砂壓裂時，跨接封隔器坐封并隔離上、下初始裂縫。

圖1 選擇性重復(fù)壓裂工藝管柱Fig.1 Selective refracturing string

1.2 選擇性射孔壓裂工具的結(jié)構(gòu)

設(shè)計的選擇性射孔壓裂工具的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。選擇性射孔或壓裂是通過聯(lián)作芯軸的軸向運動來實現(xiàn)過流通道的轉(zhuǎn)換。選擇射孔功能時，管內(nèi)聚積高壓能的同時，高壓流體通過噴嘴轉(zhuǎn)換成動能切割套管實現(xiàn)射孔造縫；選擇壓裂功能時，管內(nèi)管外實現(xiàn)溝通，且過流通道遠大于射孔通道，增大施工排量，縮短施工時間，減小射孔通道-噴嘴單段過砂量。

圖2 選擇性射孔壓裂工具的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the selective refracturing tool

1.3 選擇性重復(fù)壓裂原理

選擇性重復(fù)壓裂工具既可以壓開閉合的原有老縫(初始裂縫)，又可在層內(nèi)壓出新裂縫(如圖3所示)，其原理是：將管柱下至預(yù)定射孔位置，開啟射孔通道，向管內(nèi)注入一定濃度的混合磨料，經(jīng)過液體加壓混合磨料液體通過噴嘴將高壓能轉(zhuǎn)換為動能，形成高速射流，射穿套管和近井地層，從而射開一定深度和直徑的孔眼[11-12]；上提下放管柱可實現(xiàn)過流通道的轉(zhuǎn)換，同時跨接式封隔器可適時坐封，隔離上、下初始裂縫，然后通過工具中的加砂通道將壓裂液和支撐劑注入新裂縫，使新裂縫處于開啟狀態(tài)，進而提高地層滲流能力。施工結(jié)束后，泄壓，上提管柱，解封跨接式封隔器，使選擇性射孔壓裂工具通道實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，拖到下一層段，繼續(xù)進行射孔或壓裂作業(yè)。

圖3 層內(nèi)壓出新縫的重復(fù)壓裂示意Fig.3 Schematic diagram of refracturing new fractures

2 選擇性射孔和壓裂關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水力噴砂射孔技術(shù)

影響水力噴射切割套管和巖石的因素主要有砂粒沖擊速度、砂粒含量、砂粒磨料性質(zhì)和套管材料性質(zhì)，而砂粒的沖擊速度取決于噴射壓力及噴嘴直徑等因素。 其中，噴射壓力是油管內(nèi)液體形成的高壓；噴嘴是高壓水力噴射射流發(fā)生裝置，其結(jié)構(gòu)決定了噴嘴的耐磨性和射流能力[13-16]。 那么，關(guān)鍵是如何保證油管內(nèi)密封及噴嘴的射流能力和耐磨性。為解決該問題，開展了選擇性射孔和壓裂關(guān)鍵技術(shù)研究。

2.1.1 高壓密封技術(shù)

在噴嘴處形成高壓流體的條件是油管內(nèi)密封，而選擇性射孔壓裂工具要實現(xiàn)射孔及壓裂的選擇，聯(lián)作芯軸上的密封組件需要往復(fù)運動且過孔。為保證密封組件的完整性、密封性并降低插拔阻力，設(shè)計了雙密封裝置，如圖4所示。

圖4 雙密封裝置示意Fig.4 Schematic diagram of double sealing device

研究表明，該雙密封裝置可降低膠圈過盈量和插拔阻力，提高軸向往復(fù)運動時密封的可靠性，降低橡膠剪切帶來的失效概率，保證油管內(nèi)密封及高壓流體的形成。該雙密封裝置在進行100余次反復(fù)過孔試驗后，在30，50和70 MPa壓力下分別進行穩(wěn)壓試驗，均未出現(xiàn)滲漏及壓力下降現(xiàn)象(見圖5)。

圖5 選擇性射孔壓裂工具密封壓力曲線Fig.5 Sealing pressure curve of the selective perforating fracturing tool

2.1.2 噴嘴優(yōu)化設(shè)計

噴嘴是水力噴砂射孔發(fā)生裝置的執(zhí)行元件。通過噴嘴內(nèi)孔橫截面的收縮，將高壓水流的壓能聚集并轉(zhuǎn)化為動能，以獲得最大的射流沖擊力，然后作用于套管上進行切割[17-20]。通過對比不同結(jié)構(gòu)噴嘴的性能，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括圓柱段長度l、收縮角α、入口直徑D、出口直徑d和噴嘴長度L等(如圖6所示)。利用Fluent軟件分析不同噴嘴直管段長徑比(l/d)下的射流速度(如圖7所示)，以及不同收縮角條件下的流場分布(如圖8所示)。通過上述方法，可以優(yōu)選出噴嘴最佳的長徑比和收縮角。

圖6 噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Nozzle structure diagram

圖7 噴嘴直管段某長徑比下的噴射流場分布Fig.7 Injection flow field distribution of nozzle straight pipe under some l/d ratio

圖8 某收縮角條件下的流場分布Fig.8 Flow field distribution under some covergence angle α

噴射工具工作時噴嘴磨損嚴重，噴射返流會對噴射工具表面造成損傷，故不僅要優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，還要選擇合適的噴嘴材料，延長噴射工具的使用壽命。為提高噴嘴的耐磨性，延長其使用壽命，應(yīng)選擇硬度較高且韌性好的硬質(zhì)合金材料。

2.2 射孔和壓裂通道轉(zhuǎn)換技術(shù)

通過轉(zhuǎn)換過流通道選擇射孔作業(yè)和壓裂作業(yè)，而轉(zhuǎn)換過流通道通過聯(lián)作芯軸和摩擦機構(gòu)來實現(xiàn)。聯(lián)作芯軸控制壓裂滑套過流通道的開啟與關(guān)閉，選擇射孔壓裂工具上的扶正塊(如圖9所示)和下封隔器上的扶正一體化卡瓦裝置(如圖10所示)構(gòu)成雙摩擦機構(gòu)，其在強力彈簧的作用下給外層套管一個正向壓力，并與套管形成摩擦，產(chǎn)生足夠的摩擦力，為通道轉(zhuǎn)換提供保證。

圖9 扶正塊摩擦機構(gòu)Fig.9 Friction mechanism of centralizing block

2.3 選擇封隔技術(shù)

跨接式封隔器用于隔離上、下已有裂縫，封隔器的封隔能力及重復(fù)坐封可靠性是保障重復(fù)壓裂作業(yè)成功的關(guān)鍵。根據(jù)選擇性射孔壓裂工具的工作特點，優(yōu)化跨接封隔器組合，下封隔器為常規(guī)機械式坐封封隔器，上封隔器為液壓式可控坐封封隔器。同時，通過優(yōu)化上、下封隔器膠筒結(jié)構(gòu)，提高跨接封隔器重復(fù)坐封的可靠性，降低封隔器的殘余變形。

2.3.1 上封隔器膠筒封隔技術(shù)[7]

為避免鋼絲骨架和重疊鋼帶等內(nèi)襯式封隔器坐封可靠性低、失封率高等問題，上封隔器膠筒采用液壓脹封無骨架式結(jié)構(gòu)(如圖11所示)。該封隔器膠筒內(nèi)部不設(shè)任何骨架(稱之為無骨架內(nèi)襯適時擴張式封隔器)，僅在兩端嵌入彈簧，保護橡膠在壓力作用下不被擠出，保證解封后順利回縮。彈簧采用多層嵌套方式，以減小張開后的間隙，增強其對脹開膠筒端部的支撐力，提高封隔器整體的承壓能力。

模擬分析不同內(nèi)壓和不同膠筒長度條件下膠筒與護體、彈簧接觸區(qū)域的應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，不管內(nèi)壓和膠筒長度如何變化，變形最大區(qū)域均出現(xiàn)在膠筒兩端，變形最大處為彈簧和護體接觸處的587號單元(如圖12所示)。由于彈簧和護體接觸處是較為明顯的薄弱環(huán)節(jié)，如果變形較大，橡膠會被撕裂，導(dǎo)致膠筒損壞，失去密封作用。

圖12 膠筒與護體、彈簧接觸區(qū)域的平面最大主應(yīng)變Fig.12 The maximum horizontal principal strain in the contact areas among packer rubber,coating and spring

為控制膠筒兩端的變形，防止膠筒損壞，模擬了不同內(nèi)壓和膠筒長度下587號單元的平面主應(yīng)變，結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出，內(nèi)壓小于28 MPa時，587號單元平面主應(yīng)變隨內(nèi)壓增加而迅速增大；內(nèi)壓超過28 MPa后增大趨勢放緩，內(nèi)壓為70 MPa時應(yīng)變達到最大；內(nèi)壓為70 MPa、膠筒長度分別為100和350 mm時，587號單元的平面主應(yīng)變分別為0.86和0.82；在相同內(nèi)壓下，膠筒長度小于150 mm時，兩端的應(yīng)變較大；膠筒長度大于200 mm時，隨著膠筒長度增長，兩端應(yīng)變趨于定值?？紤]到膠筒較短時下入封隔器時的安全性較高，因此確定膠筒長度為200 mm，此時587號單元的最大應(yīng)變?yōu)?.80。

圖13 不同內(nèi)壓和膠筒長度下587號單元的平面主應(yīng)變Fig.13 Principal strain of unit 587 under various internal pressure and packer rubber length

2.3.2 膠筒適時坐封控制技術(shù)

選擇射孔造縫作業(yè)時，為保證管內(nèi)外的循環(huán)，上封隔器應(yīng)處于解封狀態(tài)，但上封隔器為液壓脹封且進行射孔作業(yè)時，油管內(nèi)又聚積高壓能量。那么，如何保證管內(nèi)高壓封隔器仍不坐封，是選擇射孔作業(yè)的關(guān)鍵。上封隔器設(shè)計了適時坐封控制機構(gòu)，其由限位軸、外套、高強度復(fù)位彈簧和密封組件等組成，如圖14所示。

圖14 上封隔器適時坐封控制機構(gòu)Fig.14 Control mechanism of upper packer timely setting

限位軸和高強度復(fù)位彈簧共同控制膠筒的進液通道，彈簧空間與管內(nèi)連通，且上下截面相等，上提芯軸時，不論管內(nèi)聚積了多大壓力也不會使進液通道打開。待下壓限位軸后，彈簧壓縮，芯軸活動，進液通道打開，膠筒在節(jié)流壓力小于2 MPa時即可實現(xiàn)封隔器的脹封。上封隔器的適時坐封，與選擇射孔和壓裂作業(yè)工具同步，能確保施工的安全性。

3 主要技術(shù)參數(shù)及地面性能測試

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

以φ139.7 mm選擇性重復(fù)壓裂工具為例，其技術(shù)參數(shù)：最小內(nèi)徑為50.0 mm；管柱總長為4 900.0 mm；射孔噴嘴過流面積為0.58 cm2；下封隔器坐封方式為上提下放管柱；下封隔器坐封力小于20 kN；下封隔器封隔能力為70 MPa；射孔壓裂選擇方式為上提下放管柱；壓裂通道過流面積為21.19 cm2；下封隔器活動距離為230.0 mm；上封隔器啟動壓力小于2 MPa；上封隔器封隔能力為70 MPa。

3.2 地面性能測試

為驗證射孔通道及壓裂通道的選擇及轉(zhuǎn)換能力、跨接式封隔器的適時坐封能力及射孔造縫時的能量聚積能力，進行了選擇性重復(fù)壓裂工具的功能測試。

測試套管柱組合為φ139.7 mm套管+壓差式滑套(上、下封隔器脹封，滑套打開，釋放壓力)+φ139.7 mm套管。

將測試套管柱組合下入φ339.7 mm試驗井內(nèi)，并坐于井口；按選擇性重復(fù)壓裂管柱的結(jié)構(gòu)連接各部件，并下入φ139.7 mm套管柱內(nèi)；連接試驗封頭及鉆井泵管線，上提試驗管柱，開泵觀察液體的流出位置，驗證封隔器狀態(tài)(試驗流體在φ139.7 mm套管內(nèi)循環(huán)，則上封隔器處于解封狀態(tài)；試驗流體在φ139.7 mm套管外循環(huán)，則上封隔器可能已坐封)；下放管柱，使下封隔器坐封于φ139.7 mm套管內(nèi)，同時下壓500.0 mm，并施加20 kN的力，以確保射孔通道與加砂通道實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，上封隔器處于進液狀態(tài)；再次開泵，壓差滑套明顯打開，證明上、下封隔器完全坐封，且實現(xiàn)了射孔通道與加砂通道的轉(zhuǎn)換。

測試結(jié)果表明，選擇性重復(fù)壓裂工具的射孔通道及加砂壓裂通道可實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)換；射孔通道開啟，壓裂通道關(guān)閉時，跨接式封隔器均處于解封狀態(tài)，且管內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)壓力聚積；壓裂通道開啟時，管內(nèi)再次憋壓，井眼管柱中的壓差滑套打開，表明跨接式封隔器已有效封隔。

4 現(xiàn)場試驗

定X井是延長油田定邊采油廠一口定向生產(chǎn)井，初次對長8上層(2 491.00～2 496.00 m井段)射孔、壓裂，產(chǎn)液量僅143.0 m3且產(chǎn)油量僅有75.0 m3，為改善該井地層的滲透性和對近井地帶的地層堵塞進行解堵，提高產(chǎn)量，對該井進行了再次壓裂。

定X井完鉆井深2 585.00 m，油層套管外徑139.7 mm，鋼級J55(抗內(nèi)壓36.7 MPa)，井身結(jié)構(gòu)及油層位置如圖15所示。因油層套管承壓低，既有新產(chǎn)層需要壓裂(2 522.00～2 527.00 m井段)，也有老縫延伸壓裂(2 491.00～2 496.00 m井段)，故選用選擇性重復(fù)壓裂工具對該井進行重復(fù)壓裂。

圖15 定X井井身結(jié)構(gòu)及油層位置Fig.15 Casing program of Well Ding X and production formation depth

選擇性重復(fù)壓裂工具管柱組合為導(dǎo)引頭+下封隔器(機械式坐封封隔器)+選擇射孔壓裂工具+φ73.0 mm外加厚油管+上封隔器(適時液壓擴張式封隔器)+水力錨+安全接頭+φ73.0 mm外加厚油管至井口+250型井口+油補距。

選擇性重復(fù)壓裂工具下至預(yù)定井深后，上提油管，選擇射孔通道開啟，壓裂通道關(guān)閉，上封隔器處于解封狀態(tài)。泵入射孔液，最大排量1.0 m3/min，砂比7.4%，砂粒粒徑20/40目，最高管內(nèi)壓力38.0 MPa。共計泵注射孔液20 min，其中攜砂液15.0 m3。外層套管為J55鋼級套管，根據(jù)噴射速度和噴射時間判斷已經(jīng)射開，停泵。下放管柱，坐封下封隔器，轉(zhuǎn)換過流通道，以1.0 m3/min排量注入壓裂液，坐封上封隔器(上、下封隔器形成跨接式封隔器)，此時繼續(xù)注液并對剛射孔的孔眼進行擠注壓裂，注液128.0 m3，排量2.2 m3/min，加砂25.0 m3，施工壓力25.0～28.0 MPa，跨接式封隔器坐封顯示明顯(如圖16所示)。壓裂完成后，封隔器順利解封，起出壓裂管柱發(fā)現(xiàn)封隔器膠筒完好且具有較好的彈性，直徑殘余變形率不到1.0%；選擇性射孔工具過流孔完好，未出現(xiàn)沖蝕損壞。

圖16 定X井壓裂施工曲線Fig.16 Fracturing construction curve of Well Ding X

5 結(jié)論與建議

1) 選擇性重復(fù)壓裂工具集水力射孔、壓裂、適時封隔于一體，可根據(jù)產(chǎn)層特性選擇老縫再延伸還是射孔造新縫再壓裂。

2) 可實現(xiàn)射孔通道和壓裂通道的自由轉(zhuǎn)換和選擇，降低射孔通道(噴嘴)的單段過砂量，進而提高單趟管柱的使用壽命。

3) 無骨架內(nèi)襯適時擴張式封隔器內(nèi)部采用高強度彈簧控制膠筒進液通道，保證了封隔器按要求脹封和解封；膠筒采用彈簧作為端部保護支撐結(jié)構(gòu)，可以隨膠筒端部同時擴張/收縮，提高了封隔能力，降低了膠筒的殘余變形，避免了膠筒端部塞縫等問題。

4) 地面功能性測試和現(xiàn)場試驗均驗證了選擇性重復(fù)壓裂管柱的合理性，建議繼續(xù)進行現(xiàn)場試驗，以充分驗證選擇性重復(fù)壓裂工具的可靠性。