煤層氣分段壓裂壓縮式裸眼封隔器技術(shù)與應(yīng)用

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266580 中石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101 德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司，山東德州253005)

中國是世界上煤層氣資源儲量比較豐富的國家之一，特別是在山西晉城地區(qū)，煤層氣早期開發(fā)技術(shù)，多借鑒常規(guī)油氣井的壓裂開發(fā)工藝，初步形成了直井分層壓裂、水平井分段壓裂、重復(fù)壓裂等多項開發(fā)工藝。在當今能源供求矛盾日趨嚴重的新形勢下，為改變單井產(chǎn)能較低的現(xiàn)狀，擴大單井泄壓面積，多采用連續(xù)油管拖動壓裂、分簇射孔、使用復(fù)合橋塞壓裂技術(shù)[1～3]。在增大單井經(jīng)濟效益的同時，最大限度地降低單井完井工藝設(shè)備成本、簡化完井作業(yè)工序等新問題日益突出。水平井壓縮式裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)，是一項先進的新型完井技術(shù)[4～6]。裸眼封隔器的性能好壞，對完井壓裂作業(yè)流程的成敗，直接起到了決定性的作用[7～9]。國外Baker Hughes、Halliburton等公司均開發(fā)了配套封隔器技術(shù)，達到了生產(chǎn)封隔器整體性能的更高要求[10～12]，但結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，不適用于煤層氣開發(fā)應(yīng)用。國內(nèi)對裸眼封隔器的研究主要集中在擴張式裸眼封隔器方面，工具設(shè)計整體結(jié)構(gòu)較長，容易發(fā)生工具下入困難等問題，對壓縮式裸眼封隔器的研究還處于起步階段。為此，筆者針對煤層氣井壓裂管柱設(shè)計特點，開展了適用于煤層氣井水平壓裂的?140mm壓縮式裸眼封隔器的研制，優(yōu)化了防突機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)，進行了環(huán)空高壓密封試驗。在完成地面性能試驗的基礎(chǔ)上，在山西晉城地區(qū)煤層氣井進行了現(xiàn)場入井試驗，封隔效果良好。

1 ?140mm壓縮式裸眼封隔器

?140mm壓縮式裸眼封隔器主要由剛性本體、卡簧、液缸、整體式膠筒、內(nèi)支撐環(huán)、防突環(huán)、擋環(huán)、擋塊等單元組成，如圖1所示。為提高裸眼封隔器的高效封隔能力，縮小工具外徑，采用整體式膠筒密封結(jié)構(gòu)；將液缸和優(yōu)選的鎖緊機構(gòu)采取一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，配合端面防突功能，增強工具入井的可靠性；優(yōu)化液缸內(nèi)外徑結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)封隔器設(shè)計單元緊湊，提高工具入井的適應(yīng)性。

1.1 工作原理

裸眼封隔器隨完井管柱下至設(shè)計井深位置，壓裂過程中通過憋壓，壓力通過傳壓孔傳入液缸，在液壓作用下驅(qū)動裸眼封隔器坐封。當壓力升至液缸剪釘設(shè)計數(shù)值時，剪斷剪釘，推動液缸發(fā)生軸向移動，同時壓縮整體式膠筒，迫使膠筒發(fā)生徑向擴張，填充環(huán)空間隙，膠筒貼緊裸眼井壁后發(fā)生擠壓，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，從而實現(xiàn)封堵封隔器與裸眼井壁之間環(huán)空的功能。在液缸發(fā)生軸向移動時，同步帶動鎖緊機構(gòu)移動，在防退卡簧裝置的作用下不產(chǎn)生回退，從而保證了裸眼封隔器密封效果的可靠性和封隔環(huán)空的長久性。

圖1 ?140mm壓縮式裸眼封隔器

1.2 技術(shù)特點

1)防退鎖緊機構(gòu)。由防退卡簧套和防退卡簧2部分組成。相比常規(guī)的防退鎖緊機構(gòu)，優(yōu)選的雙面螺紋卡簧結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外表面分別設(shè)計有不同螺距、不同大小的倒齒螺紋，防退卡簧套與液缸設(shè)計為一體式，內(nèi)表面螺紋與本體上的鋸齒螺紋鎖緊實現(xiàn)防退，外表面螺紋則是通過卡簧套施加到螺紋錐面的作用力產(chǎn)生對卡簧的徑向抱緊力，提高防退效果。該結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，安裝方便，在卡簧套上設(shè)計剪釘孔，將卡簧套與封隔器本體固定在一起，防止封隔器在下入過程中受井壁的刮擦而提前坐封。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是坐封后回彈距離較小，且卡簧及本體受力均勻，防退承載能力更強。

2)整體式膠筒防突機構(gòu)。包括整體式膠筒、三套防突環(huán)和內(nèi)支撐環(huán)。3個防突環(huán)組合，可有效支撐膠筒，防止膠筒膨脹過程中出現(xiàn)肩部突出，影響密封效果。防突環(huán)Ⅲ裝于膠筒兩側(cè)，在封隔過程中起到支撐保護膠筒作用；防突環(huán)Ⅰ和防突環(huán)Ⅱ設(shè)計為C形結(jié)構(gòu)，且開口處成180°對置，采用凹凸槽平面配合，在膠筒膨脹的過程中，為保護膠筒提供軸向支撐與限位作用，阻止膠筒受軸向載荷作用下朝套管與井壁的環(huán)形間隙內(nèi)“流動”，迫使膠筒呈均勻壓縮狀態(tài)處在一個密閉空間內(nèi)，從而達到提高與井壁保持較高接觸應(yīng)力的目的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是起到了擴大封隔支撐面的作用，保護膠筒免受油、氣侵蝕，從而延長封隔膠筒的使用壽命。

3)設(shè)計技術(shù)參數(shù)。設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計技術(shù)參數(shù)

2 性能分析

2.1 雙面螺紋鎖緊機構(gòu)有限元分析

圖2 鎖緊機構(gòu)有限元模型及受力云圖

封隔器在承受環(huán)空高壓時，作用在密封元件上的力會傳遞到鎖緊機構(gòu)上。通過對鎖緊機構(gòu)建立有限元模型(見圖2(a))進行分析，在本體、卡簧、卡簧套所涉及的彈性模量E=2.06×105MPa、泊松比μ=0.3、屈服強度σs=758MPa的參數(shù)下，在卡簧套下表面施加70MPa的軸向載荷后，應(yīng)力數(shù)值分別為：本體應(yīng)力最大值168.3MPa，卡簧應(yīng)力最大值406.7MPa，卡簧套應(yīng)力最大值286.7MPa，計算分析安全系數(shù)都大于1.5，結(jié)構(gòu)強度，滿足要求。雙面螺紋鎖緊機構(gòu)整體應(yīng)力均勻，沒有應(yīng)力集中，且各零部件最大Mises應(yīng)力較小，雙面螺紋鎖緊機構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(見圖2(b))。

2.2 整體式膠筒防突試驗分析

將封隔器膠筒放置在有軸向支持的模擬井眼內(nèi)，如圖3所示。通過液壓方式對封隔膠筒進行壓縮坐封，壓縮后的膠筒在鎖緊機構(gòu)的作用下位置鎖定，有效防止膠筒后退，保持膠筒壓縮狀態(tài)，無松弛現(xiàn)象，維持膠筒與井壁的高接觸應(yīng)力狀態(tài)，在實現(xiàn)環(huán)空高壓封隔的情況下，檢驗防突機構(gòu)性能。

1)組裝?140mm裸眼封隔器，膠筒末端未安裝防突環(huán)，將封隔器裝入模擬井眼內(nèi)徑為?216mm試驗裝置，放入90℃的水浴加熱裝置中，分別正向反向打壓至11、21、30、40、50、61、71MPa，各穩(wěn)壓5min。未安裝防突環(huán)的封隔器膠筒末端出現(xiàn)了以壓碎和撕裂為主的破壞。

圖3 整體試驗裝置

圖4 試驗后的膠筒

2)重新組裝?140mm裸眼封隔器，膠筒末端安裝防突環(huán)，采取第1次試驗的方式，分別正向反向打壓至21、35、50、65、70MPa，各穩(wěn)壓5～8min。安裝防突環(huán)的封隔器膠筒無破損，防突環(huán)均勻脹開，未出現(xiàn)整體式膠筒破損的現(xiàn)象，如圖4所示。

2.3 裸眼封隔器高溫高壓性能試驗

將裸眼封隔器裝入設(shè)計內(nèi)徑為216mm井眼的套管內(nèi)，進行密封能力和膠筒承壓能力試驗。把試驗工具放入150、155、170℃的油浴加熱裝置中，如圖5、圖6、圖7所示。分別加熱2h，將封隔器連接電動試壓泵，打壓至20MPa剪釘剪斷，之后分別環(huán)空正向打壓30、40、50、60、70MPa，均穩(wěn)壓5min無壓降。試驗結(jié)束后，測量封隔器本體無變形，整體式膠筒膨脹均勻無破損。

圖5 封隔器試驗裝置

圖6 不同加熱溫度

圖7 170℃條件下封隔器環(huán)空試壓情況

使用同樣的試樣方法，把裸眼封隔器裝入內(nèi)徑為?226mm(井徑擴大率5%)和?237mm(井徑擴大率10%)模擬井眼進行膠筒封隔試驗，觀察封隔器變化。重新試制滿足?171.5mm井眼的最大外徑為165mm，最小內(nèi)徑為121mm的改進型壓縮式裸眼封隔器，按照同樣的試驗方法，對封隔器的膠筒密封能力進行了地面測試。試驗結(jié)果表明，研發(fā)的壓縮式裸眼封隔器在內(nèi)徑為?216mm的模擬井眼內(nèi)的封隔能力達到70MPa以上，在5%井徑擴大率井眼內(nèi)封隔能力達到70MPa，在10%井徑擴大率井眼內(nèi)封隔能力達到50MPa，在?171.5mm模擬井眼內(nèi)封隔能力達70MPa。工具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，裝配方便，卡簧防退效果良好，防突機構(gòu)設(shè)計合理，完全滿足煤層氣井壓裂封隔技術(shù)要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

以山西晉城沁水盆地上的一口煤層氣對接井為例。該地區(qū)煤層硬度高、瓦斯含量高等[13]。該井設(shè)計為三開制井身結(jié)構(gòu)，完鉆井深1444.5m，井眼設(shè)計為水平井，水平位移1147m，最大井斜97.2°，全井在500～540m，600～610m，650～660m，990～1000m，1280～1290m井段存在狗腿度較大的問題，最大狗腿度11.71°/30m。一開采用?381mm鉆頭鉆至35m，下?273mm套管固井；二開采用?241.3mm鉆頭鉆至513m，下?193.7mm技術(shù)套管494m完成固井；三開采用?171.5mm鉆頭鉆至1444.5m，計劃下入?139.7mm套管采取“回接壓裂+懸掛封隔+壓縮式裸眼封隔器+壓差滑套”分段壓裂工藝完井，壓裂區(qū)間1044m。壓裂管柱結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 壓裂管柱結(jié)構(gòu)圖

3.1 施工工藝

1)預(yù)置完井管柱。根據(jù)該井水平段的長度及地質(zhì)狀況，設(shè)計壓裂段數(shù)為5級，設(shè)計預(yù)置管柱并進行地面檢查編號，分段壓裂完井工具性能參數(shù)及入井數(shù)量詳見表2。

2)現(xiàn)場施工。組織適應(yīng)?193.7mm套管的刮壁器，對距離二開套管鞋30m以上套管進行刮壁處理；使用單螺旋扶正器模擬管串結(jié)構(gòu)：?171.5mm牙輪鉆頭+雙母+?88.9mm斜坡鉆桿1根+?168mm螺旋扶正器1個+?88.9mm斜坡鉆桿+加重鉆桿+鉆桿，通井至井底；在做好井筒準備工作、檢查所有設(shè)備確認完好后，按照預(yù)制管柱設(shè)計進行下完井壓裂管柱作業(yè)；管柱下至預(yù)定位置后，對管柱進行稱重；完成懸掛器封隔器坐掛，環(huán)空試壓檢測密封性，泄壓打開閘板防噴器，完成丟手操作；下入回接壓裂管柱，調(diào)整方余，為壓裂施工做好準備。

表2 改造完井工具數(shù)量及技術(shù)參數(shù)

3.2 壓裂情況

該井壓裂施工前期，通井及投球滑套和壓縮式裸眼封隔器等工具管串下入正常，懸掛封隔器坐掛、丟手、環(huán)空密封試驗均很正常，回接壓裂管柱插入正常。壓裂過程中，壓差式滑套和投球式滑套均按照設(shè)計值正常打開，期間出現(xiàn)的偏高施工壓力證明了壓縮式裸眼封隔器具備良好的封隔性能，施工壓力正常趨勢明顯，無竄層等異?，F(xiàn)象發(fā)生。

目前規(guī)格為?140mm高性能壓縮式裸眼封隔器先后在煤層氣成功應(yīng)用4口井，共計完成壓裂20段次，累計應(yīng)用該型號封隔器40余套。在壓裂過程中瞬時最高壓力35MPa，壓裂期間無泄漏現(xiàn)象，保證了壓裂施工的順利進行，表明該壓縮式裸眼封隔器技術(shù)安全可靠，施工工藝設(shè)計合理，滿足現(xiàn)場需求。

4 結(jié)論

1)研發(fā)的高性能壓縮式裸眼封隔器，通過應(yīng)力分析，鎖緊機構(gòu)強度足夠，地面試驗防突效果理想，驗證了工具結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，滿足壓裂密封要求。

2)通過在不同井徑擴大率井眼中的高溫高壓分層封隔模擬試驗，驗證了壓縮式裸眼封隔器在不同井徑條件下同樣具有良好的封隔、密封能力。

3)現(xiàn)場通過大狗腿度、長水平段、窄間隙等復(fù)雜井況的應(yīng)用，表明壓縮式裸眼封隔器具備良好的通過性和適應(yīng)性，層段壓裂成功率100%，工具施工安全可靠，滿足了復(fù)雜井況作業(yè)需求。