水平井不動(dòng)管柱無(wú)限級(jí)分段重復(fù)壓裂技術(shù)研究

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(新疆油田 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

水平井分段壓裂改造是提高油氣田勘探開(kāi)發(fā)綜合效益的重要途徑，新疆油田于2007年首次應(yīng)用。截止2017年年底，現(xiàn)場(chǎng)共實(shí)施534余口井，最高分壓31級(jí)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，在開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，產(chǎn)層由于受多種因素的影響而發(fā)生了不同程度的堵塞，或因首次壓裂規(guī)模未能達(dá)到其最佳要求等原因，造成了部分水平井低產(chǎn)，甚至停產(chǎn)，亟待進(jìn)行二次壓裂改造。傳統(tǒng)的不動(dòng)管柱雙封單卡技術(shù)[1-2]、連續(xù)油管雙封單卡技術(shù)[3]均存在施工排量低的問(wèn)題，不能滿(mǎn)足二次壓裂設(shè)計(jì)方案的需求，同時(shí)，針對(duì)地層壓力系數(shù)較高的井況，前者還具有不能夠連續(xù)施工的缺點(diǎn)。隨著新疆油田低產(chǎn)水平井?dāng)?shù)量逐年攀升，老井穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的措施需求日益迫切，因此在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)新型可溶性材料在井下工具的應(yīng)用，提出了一種新型水平井不動(dòng)管柱無(wú)限級(jí)分段重復(fù)壓裂管柱技術(shù)。

1 水平井不動(dòng)管柱無(wú)限級(jí)分段重復(fù)壓裂技術(shù)

該新型不動(dòng)管柱無(wú)限級(jí)分段重復(fù)壓裂工藝主要針對(duì)139.7 mm(5英寸)套管固井完井，初次采用射孔壓裂的水平井而設(shè)計(jì)。

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

水平井不動(dòng)管柱無(wú)限級(jí)分段重復(fù)壓裂技術(shù)的管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示，其自上而下主要由密封插管、懸掛式封隔器、無(wú)限級(jí)壓裂單元(自解封型封隔器+無(wú)限級(jí)滑套)、液壓開(kāi)啟滑套、導(dǎo)向頭等組成。

1—密封插管；2—懸掛式封隔器；3—自解封型封隔器；4—無(wú)限級(jí)滑套；5—液壓開(kāi)啟滑套；6—導(dǎo)向頭。

1.2 工藝原理

利用油管將壓裂管柱送入至設(shè)計(jì)位置，正循環(huán)洗井結(jié)束后，井口投球，坐封球落于第1級(jí)液壓開(kāi)啟壓滑套內(nèi)置球座，管柱內(nèi)整體憋壓，同時(shí)坐封自解封型封隔器，實(shí)現(xiàn)對(duì)套管水平段原射孔層段的有效卡封分隔。與此同時(shí)，懸掛式封隔器坐封、錨爪伸出錨定于套管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)壓裂管柱的固定支撐。泵車(chē)泄壓，井口進(jìn)行密封插管正向旋轉(zhuǎn)丟手操作，起出密封插管及以上油管。

第1級(jí)壓裂施工時(shí)，井口泵液，管內(nèi)階梯憋壓打開(kāi)第1級(jí)滑套，進(jìn)行第1級(jí)重復(fù)壓裂施工。第2級(jí)壓裂施工時(shí)，利用連續(xù)油管送入第2級(jí)無(wú)限級(jí)滑套匹配球座，起出連續(xù)油管，井口投第2級(jí)壓裂球，打開(kāi)第2級(jí)滑套，進(jìn)行第2級(jí)重復(fù)壓裂施工。重復(fù)第2級(jí)施工操作步驟，自下而上逐級(jí)分段完成重復(fù)壓裂改造。后期，封隔器自動(dòng)解封，待井口壓裂合格后，下入專(zhuān)用打撈工具與懸掛式封隔器上部工作密封筒對(duì)接，上提管柱，懸掛式封隔器解封、錨爪縮回、錨定解除，對(duì)壓裂尾管進(jìn)行整體打撈作業(yè)，恢復(fù)井筒全通徑。

2 主要完井工具

2.1 插管

2.1.1結(jié)構(gòu)

插管與懸掛式封隔器配套使用，用于完井管柱的連接送入、坐封丟手。主要由棘爪連接部分、密封部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—上接頭；2—中心管；3—“O”型密封圈；4、7— 防轉(zhuǎn)剪釘；5—分瓣棘爪；6—硫化密封件總成；8—導(dǎo)向頭。

2.1.2工作原理

插管分瓣棘爪和懸掛式封隔器密封工作筒上部母扣進(jìn)行插入式配合連接，硫化密封件和工作筒下部密封面采用過(guò)盈配合進(jìn)行環(huán)空密封。分瓣棘爪為偏梯形反扣設(shè)計(jì)，當(dāng)完井管柱坐封后，井口正向旋轉(zhuǎn)油管，插管與懸掛封隔器脫開(kāi)分離。

2.1.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑114 mm，通徑72 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，棘爪抗拉力600 kN。

2.2 懸掛式封隔器

2.2.1結(jié)構(gòu)

懸掛式封隔器[4]用于管柱套管內(nèi)的整體固定，防止壓裂施工時(shí)由于管柱移動(dòng)而引起的封隔器失封，集錨定與密封功能為一體，液壓坐封、上提解封。主要由卡瓦錨定部分、膠筒密封部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—密封工作筒；2—中心管；3—解封剪釘；4—壓帽；5、13、14、16、17、18—“O”型密封圈；6—分瓣襯管；7—活塞缸；8、12—邊膠筒；9、11—隔環(huán)；10—中膠筒；15—擋環(huán)；19—上椎體；20—鎖環(huán)；21—坐封剪釘；22—卡瓦架；23—雙向卡瓦；24—彈簧；25—下接頭。

2.2.2工作原理

管柱內(nèi)憋壓，活塞缸上行，擠壓坐封膠筒，鎖環(huán)止回。同時(shí)，上椎體下行，下椎體固定，擠壓雙向卡瓦，卡瓦伸出，錨定于套管，使得管柱整體固定于套管內(nèi)壁。打撈作業(yè)時(shí)，油管連接專(zhuān)用打撈工具與懸掛式封隔器上部密封工作筒對(duì)接，上提管柱，封隔器中心管上行，解封剪釘剪斷，封隔器解封，與此同時(shí)，襯管末端分瓣爪內(nèi)向彈出，下椎體下行，卡瓦縮回，套管固定解除。

2.2.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑115 mm，通徑68 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，坐封壓力23 MPa，解封力<20 kN，最大錨定力900 kN。

2.3 自解封型封隔器

2.3.1結(jié)構(gòu)

自解封型封隔器[5]用于將水平段原射孔層段進(jìn)行卡封分隔，防止層間干擾，液壓坐封、溶解解封。主要由密封部分、鎖環(huán)止回部分組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—上接頭；2—坐封剪釘；3—鎖環(huán)；4—活塞缸；5、6、14—“O”型密封圈；7、13—公脹環(huán)；8、12—母脹環(huán)；9、11—護(hù)環(huán)；10—膠筒；15—下接頭。

2.3.2工作原理

管柱內(nèi)憋壓，活塞缸下行，坐封剪釘剪斷，活塞缸壓縮坐封膠筒，鎖環(huán)止回，鎖塊阻擋結(jié)構(gòu)選用可溶性金屬材料，壓后可自行溶解，封隔器解封。

2.3.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑110 mm，通徑70 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，坐封壓力18 MPa，解封條件：溫度>60℃，返排液氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～3%。

2.4 無(wú)限級(jí)滑套及球座

2.4.1結(jié)構(gòu)

無(wú)限級(jí)滑套[6]與球座[7]配套使用，用于建立壓裂液與地層的溝通渠道，位于兩個(gè)自解封型封隔器之間，正對(duì)所需改造的原射孔位置。主要由密封部分、卡槽限位部分組成，結(jié)構(gòu)分別如圖5～6所示。

1—上接頭；2、11—防轉(zhuǎn)剪釘；3、4、7、9、10—“O”型密封圈；5—內(nèi)襯套；6—擋環(huán)；8—護(hù)套；12—下接頭。

1—本體；2—分瓣卡環(huán)；3—硫化密封件。

球座[8]采用雙臺(tái)階設(shè)計(jì)，壓裂球受三向約束，可有效防止密封球跳動(dòng)，確保密封可靠。同時(shí)，球座表面采用硬化熱處理處理工藝[9]，提高了耐磨性。

2.4.2工作原理

無(wú)限級(jí)滑套內(nèi)襯套限位凹槽與球座分瓣卡環(huán)采用軸向級(jí)差設(shè)計(jì)，且尺寸對(duì)應(yīng)配合。利用連續(xù)油管將球座送至對(duì)應(yīng)滑套位置，凹槽與卡環(huán)完成固定約束，球座硫化密封件與滑套內(nèi)襯套表面形成外部環(huán)空密封，起出連續(xù)油管，通過(guò)井口投球入座憋壓的方式打開(kāi)滑套噴砂口，進(jìn)行壓裂施工，重復(fù)以上步驟，完成自下而上分段重復(fù)壓裂改造。球座限位和滑套打開(kāi)狀態(tài)分別如圖7～8所示。

圖7 球座限位狀態(tài)示意

圖8 滑套開(kāi)啟狀態(tài)示意

2.4.3主要技術(shù)參數(shù)

耐溫120 ℃、耐壓50 MPa,滑套開(kāi)啟壓差15 MPa,球座單層過(guò)砂量>80 m3。

3 施工排量模擬計(jì)算

以TADPro軟件管內(nèi)流體摩阻計(jì)算[10]為基礎(chǔ)，模擬和預(yù)測(cè)不同施工排量下連續(xù)油管、常規(guī)不動(dòng)管柱、新型壓裂管柱3種不同作業(yè)方式的井口施工泵壓。已知條件：水平井完鉆井深3 500 m，直井段2 500 m，水平段1 000 m；管套規(guī)格139.7 mm×9.17 mm；連續(xù)油管規(guī)格50.8 mm×4.45 mm；油管規(guī)格73 mm×5.51 mm；地層破裂壓力梯度0.02 MPa/m,設(shè)計(jì)砂比30%；井口限壓55 MPa。模擬計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果表明：新型壓裂管柱方式下的最大允許排量是常規(guī)方式的2.0倍，是連續(xù)油管方式的5.4倍。

表1 管內(nèi)摩阻及井口泵壓預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

1) 新型水平井重復(fù)壓裂技術(shù)采用尾管懸掛不動(dòng)管柱，并結(jié)合連續(xù)油管球座送入作業(yè)。前者擴(kuò)大了液體流動(dòng)空間，減少了沿程摩阻，有效提高了施工排量；后者避免了球座泵送困難，不易到位的問(wèn)題。

2) 球座卡環(huán)和滑套凹槽采用卡槽配合、級(jí)差設(shè)計(jì)，可在軸向?qū)崿F(xiàn)無(wú)限級(jí)；封隔器鎖塊阻擋機(jī)構(gòu)選用新型可溶性金屬材料，壓后可自行溶解，實(shí)現(xiàn)了封隔器自解封。

3) 針對(duì)部分地層壓后地層出砂嚴(yán)重、管柱易砂埋的問(wèn)題，可在封隔器解封后，即進(jìn)行壓裂管柱的井口帶壓打撈作業(yè)。

4) 隨著新型可溶性球座的研制及套損井套管補(bǔ)貼技術(shù)的不斷應(yīng)用，該技術(shù)將具有良好的推廣應(yīng)用前景。