海上油田精細(xì)分段壓裂工藝及關(guān)鍵工具

羅建偉，劉 鵬，左 凱，劉傳剛，魏愛(ài)栓，嚴(yán)孟凱

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452)

隨著海上油田的開發(fā)生產(chǎn)，致密油氣、頁(yè)巖氣、煤層氣等低滲透油氣藏的開發(fā)成為油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要來(lái)源。壓裂是低滲油氣藏常用的增產(chǎn)措施之一，較常用的是投球滑套分段壓裂工藝和泵送橋塞壓裂工藝。投球滑套分段壓裂工藝需要多次投球，球座尺寸依次遞減，施工層位一般不超過(guò)7層，后期某一段出水嚴(yán)重時(shí)壓裂滑套無(wú)法進(jìn)行關(guān)閉；泵送橋塞壓裂工藝需要多次下入橋塞，并進(jìn)行鉆銑，如果施工段數(shù)較多，施工成本較高，可溶橋塞雖然可以減少鉆銑，但可溶性材料的性能研究還不夠深入，不具備廣泛推廣應(yīng)用的條件[1-8]。

針對(duì)上述問(wèn)題，為了精細(xì)分段壓裂，設(shè)計(jì)了不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關(guān)固井滑套無(wú)限級(jí)分段壓裂工藝，前者可實(shí)現(xiàn)不低于12層的分段壓裂，后者可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限級(jí)分段壓裂。

1 不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝

1.1 管柱組成及工藝原理

不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱組成如圖1所示。該管柱通過(guò)一趟管柱下入井內(nèi)，施工層位從最下一層開始。最下一層是普通水力噴射器，可以直接進(jìn)行噴砂射孔。噴砂射孔過(guò)程中油管的壓力較高，可達(dá)到70 MPa。當(dāng)油、套管內(nèi)壓力有明顯下降時(shí)，表明套管已射開，即可進(jìn)行壓裂。該工藝采用向油管內(nèi)加壓裂液，向油套環(huán)空補(bǔ)液的方式進(jìn)行壓裂施工。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)加砂量時(shí)，停泵并記錄停泵壓力。本層壓裂施工結(jié)束，接著進(jìn)行上一層的施工。除了最下一層，上面各層對(duì)應(yīng)的水力噴射器是滑套式的，需要先增加液壓力，剪斷滑套式水力噴射器的剪釘，露出水力噴射器的噴砂孔，然后再進(jìn)行噴砂射孔和壓裂作業(yè)。流體射入孔道實(shí)現(xiàn)增壓的過(guò)程具有水力封隔作用，壓裂液定點(diǎn)注入只產(chǎn)生局部增壓，不會(huì)導(dǎo)致井筒其他部位形成高壓而壓開新裂縫,也不會(huì)導(dǎo)致已有裂縫重新張開。壓裂液經(jīng)作業(yè)管柱泵入，通過(guò)噴嘴射入孔道，很少進(jìn)入其他部位，孔道高速射流的抽吸作用可進(jìn)一步強(qiáng)化封隔效果[9]。

圖1 不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱示意

水力噴射壓裂技術(shù)不使用機(jī)械密封或化學(xué)封隔，而是利用流體自身的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，將大部分流體轉(zhuǎn)移到地層中的某個(gè)特定點(diǎn)，這個(gè)概念主要基于簡(jiǎn)明巖石力學(xué)和伯努利流體液壓原理[10]。

1.2 技術(shù)參數(shù)

不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝參數(shù)如表1所示。

表1 不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝參數(shù)

1.3 關(guān)鍵工具

1.3.1 滑套式噴射器

滑套式噴射器是不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝的核心工具，該工具在下入過(guò)程以及施工其他段時(shí)，噴砂孔被滑套密封，無(wú)法進(jìn)行噴砂射孔；當(dāng)施工本層位時(shí)，通過(guò)投球剪斷剪釘，打開滑套，露出噴砂孔，進(jìn)行噴砂射孔及壓裂。

通過(guò)調(diào)整滑套球座尺寸，將該工具分為多級(jí)，最下層為第1級(jí)，依次向上分別遞增。隨著級(jí)數(shù)的增加，內(nèi)通徑越來(lái)越大，以保證下一壓裂段的球可以通過(guò)上一壓裂段噴射器的球座。該工具在井中的使用數(shù)量取決于要施工的段數(shù)，每級(jí)滑套式噴射器對(duì)應(yīng)一個(gè)施工層位。球的極差為1.6 mm(英寸)。為了保證球可以順利通過(guò)上層段噴射器的球座，最終設(shè)計(jì)了11級(jí)的滑套式噴射器，如圖2所示。

除此之外，最下面一級(jí)噴射器可設(shè)計(jì)成常規(guī)噴射器，無(wú)須設(shè)置滑套結(jié)構(gòu)，即無(wú)球無(wú)滑套結(jié)構(gòu)，如圖3所示，加上這一級(jí)，一共12級(jí)，技術(shù)參數(shù)如表2，12級(jí)球及球座尺寸如表3。

1—本體；2—可溶球；3—噴嘴；4—O型圈；5—滑套；6—O型圈；7—O型圈；8—剪釘；9—鎖環(huán)；10—下接頭。

1—本體；2—噴嘴；3—O型圈；4—O型圈；5—下接頭。

外徑/mm球外徑/mm長(zhǎng)度/mm開啟壓力/MPa噴嘴材質(zhì)噴嘴尺寸/mm98.5最上層:53最下層:2842012～15碳化鎢4.5/5.5/6.3

表3 12級(jí)對(duì)應(yīng)的球和球座尺寸

1.3.2 水力錨

水力錨的作用是進(jìn)行噴砂射孔時(shí)錨定施工管柱，防止其振動(dòng)的幅度過(guò)大。當(dāng)進(jìn)行噴砂射孔時(shí)，油管內(nèi)壓力遠(yuǎn)高于油套環(huán)空壓力，水力錨保持張開狀態(tài)，卡在套管內(nèi)壁。水力錨的結(jié)構(gòu)如圖4，技術(shù)參數(shù)如表4。當(dāng)施工結(jié)束后泄壓，油管串內(nèi)壓力與油套環(huán)空壓力相近，錨爪在彈簧的回復(fù)力作用下收回，錨爪失去對(duì)套管的錨定作用。

1—上接頭；2—錨爪；3—彈簧；4—壓板；5—螺釘；6—O型圈；7—篩管；8—下?lián)醐h(huán)；9—下接頭。

外徑/mm內(nèi)徑/mm可承受內(nèi)壓/MPa錨定力/kN長(zhǎng)度/mm上下扣型11460704004212 EU BxP

1.3.3 扶正器

對(duì)于套管井，由于套管井內(nèi)徑較規(guī)則，因此扶正器采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于139.7 mm(5.5英寸)套管井，其內(nèi)徑為124.3 mm，扶正器外徑為117 mm，在剛性扶正器外側(cè)設(shè)有過(guò)流通道，便于噴射液返排，具體結(jié)構(gòu)如圖5，技術(shù)參數(shù)如表5。

1—連接管；2—扶正套；3—接箍。

外徑/mm內(nèi)徑/mm內(nèi)部耐壓/MPa長(zhǎng)度/mm上下扣型11762704002 EU BxP

1.3.4 單流閥

單流閥的結(jié)構(gòu)如圖6所示。該工具由過(guò)流擋板、下接頭和閥芯三部分組成。閥芯分別由螺母、過(guò)流墊片、皮碗壓環(huán)、皮碗和中心桿組成。單流閥連接在管柱的最下端，該閥有3個(gè)作用：

1) 使油管與油套環(huán)空溝通，保證油管串順利下入。

2) 為第1段的壓裂提供密封，具有堵頭的作用。

3) 可以在管柱下入后進(jìn)行反洗井作業(yè)。

1—過(guò)流擋板；2—螺母；3—過(guò)流墊片；4—皮碗壓環(huán)；5—皮碗；6—中心桿；7—下接頭。

目前，常規(guī)單流閥一般采用球和球座單向密封的方式。但是對(duì)于大斜度井，球在重力作用下容易脫離球座。為了解決上述問(wèn)題，將密封結(jié)構(gòu)改成具有扶正作用的中心桿密封組合，密封桿上有橡膠進(jìn)行輔助密封，通過(guò)金屬和橡膠共同密封，提高單流閥密封的可靠性。

2 可開關(guān)固井滑套無(wú)限級(jí)分段壓裂工藝

2.1 工藝管柱結(jié)構(gòu)及工藝原理

工藝原理：將各層的固井滑套設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，與套管連接一并下入井中，并進(jìn)行水泥固井。固井完成后，下入內(nèi)管柱，通過(guò)接箍定位器找到壓裂層位，上提下放管柱坐封Y211型封隔器，將壓裂層與其他層分隔。然后套管加液壓，打開壓裂層的固井滑套，進(jìn)行壓裂施工；如果未打開，則需要通過(guò)連續(xù)油管連接的水力噴射器進(jìn)行噴砂射孔，最后通過(guò)套管和連續(xù)油管環(huán)空進(jìn)行壓裂施工，第1層施工完畢后拖動(dòng)連續(xù)油管重復(fù)上面層位的壓裂施工。該工藝施工完成提出內(nèi)管柱后，管柱內(nèi)部的通徑與油藏套管一致，可以進(jìn)行二次壓裂等增產(chǎn)措施。后期某一層出水嚴(yán)重時(shí)，可下入液壓開關(guān)工具關(guān)閉該層的壓裂滑套。

圖7 無(wú)限級(jí)可選擇分段壓裂工藝管柱示意圖

2.2 技術(shù)參數(shù)

無(wú)限級(jí)可選擇分段壓裂工藝參數(shù)如表6所示。

表6 無(wú)限級(jí)可選擇分段壓裂工藝參數(shù)

2.3 關(guān)鍵工具

Y211型封隔器和扶正器等工具屬于較成熟工具，不再贅述，僅對(duì)關(guān)鍵工具進(jìn)行介紹。

2.3.1 可開關(guān)無(wú)限級(jí)固井滑套

可開關(guān)無(wú)限級(jí)固井滑套與套管連接，工具結(jié)構(gòu)如圖8，下連接套內(nèi)部光滑，作為底部封隔器坐封用的密封筒，密封筒較長(zhǎng)，可以保證封隔器順利坐封。待封隔器坐封后，通過(guò)套管與油管環(huán)空加壓，移動(dòng)套受壓差作用向下移動(dòng)，此時(shí)上連接套上的連通孔露出，形成壓裂液流通通道。上連接套內(nèi)部有凹槽與彈性爪相咬合，可防止管內(nèi)工具串上提下放時(shí)造成移動(dòng)套的誤動(dòng)作。

1—上接頭；2、10—防松釘；3、5、7、9、12— O型圈；4—上連接套；6—剪釘；8—移動(dòng)套；11—下連接套；13—下接頭。

在上一層進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí)，下一層的壓力滑套處于關(guān)閉狀態(tài)。壓裂液通過(guò)下接頭端部的傳壓孔與下連接套上的細(xì)長(zhǎng)孔連通，從而使關(guān)閉套處于壓力平衡，保持移動(dòng)套處于靜止?fàn)顟B(tài)?；椎募夹g(shù)參數(shù)如表7。

表7 滑套的技術(shù)參數(shù)

2.3.2 液控開關(guān)工具

液控開關(guān)工具是關(guān)閉固井滑套的專用工具，結(jié)構(gòu)如圖9所示，工具下入到目的層固井滑套位置，油管正循環(huán)，保持循環(huán)壓力1～2 MPa即可使兩個(gè)壓縮套往開關(guān)工具兩端移動(dòng)，開關(guān)塊在小彈簧的作用下向外張開，管柱緩慢上提直至開關(guān)塊卡住滑套的移動(dòng)套，管柱懸重增加，繼續(xù)上提管柱，開關(guān)塊接觸到固井滑套上接頭內(nèi)部臺(tái)階，開關(guān)塊受到擠壓徑向收縮，開關(guān)塊與移動(dòng)套脫開，管柱懸重減小?？啥啻沃貜?fù)上述過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。

在開關(guān)工具上提遇卡時(shí)，泄掉油管壓力，上提管柱；如無(wú)法解卡，增大上提力30～50 kN，開關(guān)塊向下壓剪切套，剪斷剪釘后也可實(shí)現(xiàn)解卡。

1—上接頭；2、7、8、12—O型圈；3、15—防松剪釘；4—中心管；5—彈簧；6—壓縮套；9—開關(guān)塊；10—小彈簧；11—剪切套；13—剪釘；14—下接頭。圖9 液控開關(guān)工具結(jié)構(gòu)示意

壓力等級(jí)/MPa溫度等級(jí)/℃開關(guān)塊張開最小壓差/MPa緊急脫手拉力/kN35120130(可調(diào))

3 應(yīng)用前景

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，低孔低滲油田的開采逐漸受到關(guān)注，不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關(guān)固井滑套無(wú)限級(jí)分段壓裂工藝可用于低孔低滲油氣藏開發(fā)中，在山西致密氣田有較好的應(yīng)用前景，海上的渤中25-1、歧口18-2和潿洲11-1等油田，對(duì)該技術(shù)也有較好的應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

1) 不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝可實(shí)現(xiàn)12段的精細(xì)分層壓裂，施工中不使用封隔器，可降低管柱遇卡風(fēng)險(xiǎn)和減少壓裂施工成本。

2) 可開關(guān)固井滑套無(wú)限級(jí)分段壓裂工藝可實(shí)現(xiàn)壓裂施工的段數(shù)不受限制，并可根據(jù)油藏需要精細(xì)化分壓裂段數(shù)，且可關(guān)閉相應(yīng)層位的固井滑套，控制產(chǎn)液的采出。

3) 不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關(guān)固井滑套無(wú)限級(jí)分段壓裂工藝施工后均能保證全通徑生產(chǎn)，可進(jìn)行二次壓裂。