直井全通徑分層壓裂關(guān)鍵技術(shù)及試驗研究

韓永亮，馮 強，周后俊，詹鴻運，劉志斌，駱勁羽，張 鵬，竇占強

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，天津300280）①

蘇里格氣田盒8、山1段為典型的低孔、低滲、低壓致密砂巖儲層，儲層砂體縱向多期疊置，橫向非均質(zhì)性強，直井分層壓裂技術(shù)已經(jīng)成為“三低”油氣藏經(jīng)濟高效開發(fā)的主要技術(shù)手段。該技術(shù)主要采用“K344型封隔器+噴砂滑套”的壓裂方式，通過一趟管柱下入，可以實現(xiàn)多層壓裂、合層求產(chǎn)的目的［1］。大部分氣井通常把壓裂管柱作為生產(chǎn)管柱使用，由于壓后受到噴砂滑套球座內(nèi)徑的限制，整個管柱不能實現(xiàn)全通徑，影響后續(xù)排液采氣、沖砂、測試，且無法進行二次改造作業(yè)。劉志斌等［2-3］針對常規(guī)分2層壓裂管柱不能實現(xiàn)油管暢通，影響后期測試的問題，研發(fā)了無阻噴砂滑套和工藝管柱，可實現(xiàn)分2層壓裂、壓后油管無阻和方便后期測試，但也存在無法實現(xiàn)3層以上多層壓裂后油管暢通的問題。詹鴻運等人［4］針對常規(guī)氣井3層壓裂管柱存在壓后鋼球停留在管柱內(nèi)，制約排液采氣效果的問題，研制了自帶無阻噴砂滑套的K344型封隔器和壓裂管柱，大通徑的封隔器和水力錨保證了2個滑套芯子均能順利打落井底，實現(xiàn)全井筒無阻生產(chǎn)，但也存在無法實現(xiàn)4層以上多層壓裂全井筒無阻生產(chǎn)的問題。鄭鋒等［5］針對直井多層壓裂施工后鋼球滯留在油管內(nèi)無法實現(xiàn)井筒無阻生產(chǎn)的問題，研制了可打開對應(yīng)噴砂滑套的輕質(zhì)球和多層壓裂管柱，壓裂后輕質(zhì)球在排液過程中返出地面，實現(xiàn)全井筒無阻生產(chǎn)，但也存在噴砂滑套芯子滯留在管柱內(nèi)，無法實現(xiàn)管柱全通徑，影響后期測試的問題。安倫等人［6-7］針對水平井儲層改造對實現(xiàn)大規(guī)模壓裂和壓后井筒全通徑的問題，介紹了國內(nèi)外各公司近幾年推出的套管滑套技術(shù)。該技術(shù)通過特殊工具（球、飛鏢）或者連續(xù)油管加井下工具組合打開滑套，滿足有限級或者無級壓裂施工，壓后通過鉆除球座或者關(guān)閉出水層對應(yīng)的滑套進行堵水作業(yè)，實現(xiàn)全井筒完整性。但也存在施工工藝復(fù)雜、對固井質(zhì)量要求高、滑套打開困難、需連續(xù)油管配合作業(yè)、作業(yè)費用高的問題。李梅等人［8-9］針對水平井裸眼分段壓裂方式受油管尺寸和滑套變徑的影響，導(dǎo)致分段級數(shù)受限，無法進行后續(xù)二次作業(yè)的難題，介紹了連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空壓裂技術(shù)，該技術(shù)通過連續(xù)油管帶接箍定位器、Y211型封隔器等井下工具組合，實現(xiàn)一趟管柱完噴砂射孔、封隔器隔離和套管大規(guī)模無限級壓裂施工，壓后井筒保持全通徑。但也存在需連續(xù)油管配合作業(yè)、射孔效率低、封隔器易砂卡、作業(yè)費用高和施工周期長的問題。朱正喜等人［10-11］針對非常規(guī)油氣藏需要滿足大規(guī)模、風(fēng)險低、投產(chǎn)時間短和實現(xiàn)二次改造的難題，介紹了國內(nèi)外可溶橋塞的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用情況，提出了研制國產(chǎn)可溶橋塞的必要性和迫切性，但也存在施工周期長、作業(yè)費用高和不適用于常規(guī)直井低成本開發(fā)的問題。王遷偉等人［12-13］針對水平井裸眼分段壓裂工藝二次改造施工困難的難題，開展了可打撈滑套分段壓裂工藝試驗，可以實現(xiàn)井筒全通徑，但也存在需要下入專用工具打撈、打撈成功率低的問題。李敢［14］針對常規(guī)分段壓裂不能滿足油氣田對全通徑、無限級、大規(guī)模和高效開發(fā)的難題，開展了電控式全通徑壓裂技術(shù)研究，改變了傳統(tǒng)的壓裂開關(guān)打開方式，實現(xiàn)了選擇性壓裂、重復(fù)壓裂、選擇性開采和堵水作業(yè)，達到全通徑、無限極、大規(guī)模和高效開發(fā)的目的。但該壓裂技術(shù)只進行了部分室內(nèi)試驗，并未見到現(xiàn)場試驗的相關(guān)報道。陳聯(lián)國等人［15-16］針對傳統(tǒng)分段壓裂技術(shù)隨著壓裂級數(shù)的增加，井筒管徑受限的難題，研發(fā)了一種基于RFID 技術(shù)的智能分段壓裂滑套控制系統(tǒng)，通過識別壓裂滑套中RFID 標簽球的信息完成對直流無刷電機正反轉(zhuǎn)的控制，從而實現(xiàn)對壓裂滑套開啟、關(guān)閉和壓裂級數(shù)的智能控制，但該技術(shù)只進行了理論研究和部分室內(nèi)試驗，并未進行現(xiàn)場工程應(yīng)用。

在常規(guī)“K344型封隔器+噴砂滑套”分層壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用可溶金屬材料，筆者設(shè)計了一種直井全通徑分層壓裂工藝管柱，并研制出了新型的噴砂滑套、滑套密封器和節(jié)流底閥。壓后節(jié)流底閥、滑套密封器的可溶部分和可溶球自動溶解，不可溶部分脫離可溶部分的束縛，全部掉落到井底，最終實現(xiàn)整個管柱全通徑，滿足后續(xù)作業(yè)的要求。

1 直井全通徑分層壓裂工藝管柱

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

以分4層壓裂工藝管柱為例，主要由安全接頭、水力錨、K344型封隔器、噴砂滑套、滑套密封器、節(jié)流底閥等組成，通過?73.02 mm 外加厚油管連接，由下到上的順序下入到設(shè)計深度。如圖1所示。

圖1 分4層壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)示意

1.2 壓裂施工步驟

1） 打開套管閥，以0.5 m3／min的排量正替1個油管容積的前置液后，迅速提高排量至1.2 m3／min，當油套管壓差達到0.3～0.5 MPa時，封隔器完成坐封。

2） 關(guān)閉套管閥，通過節(jié)流底閥進行第1層壓裂施工。

3） 第1層施工完成后，油管內(nèi)投入與噴砂滑套1匹配的可溶球，加壓13～15 MPa，內(nèi)滑套下行，露出噴砂口，同時可溶球與內(nèi)滑套一起下落到滑套密封器的滑套座上，實現(xiàn)對第1層的封堵，開始進行第2層壓裂施工，重復(fù)步驟3），完成第3～4層壓裂施工。

4） 施工結(jié)束后，節(jié)流底閥、滑套密封器的可溶部分和可溶球自動溶解，由于不可溶部分脫離可溶部分的束縛，全部掉落到井底，最終實現(xiàn)整個管柱全通徑。

1.3 技術(shù)特點

1） 繼承了“K344型封隔器+噴砂滑套”分層壓裂管柱的優(yōu)點，加壓后進行坐封壓裂，砂堵后及時進行反洗井，泄壓后擴張膠筒自動解封，同時也便于起管柱作業(yè)。

2） 可以實現(xiàn)下入一趟管柱分7層壓裂施工，作業(yè)效率高。

3） 采用可溶材料，壓裂后，節(jié)流底閥、滑套密封器的可溶部分和可溶球自動溶解。不可溶部分脫離可溶部分的束縛，全部掉落到井底，最終可以實現(xiàn)整個管柱全通徑，滿足后續(xù)作業(yè)的要求。

4） 工藝管柱現(xiàn)場操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，施工成功率高。

2 關(guān)鍵工具

2.1 噴砂滑套和滑套密封器

噴砂滑套是實現(xiàn)與地層連通的核心工具，通過與滑套密封器配合使用，可以實現(xiàn)封堵下層、壓裂上層的目的。噴砂滑套主要包括外筒、內(nèi)滑套、噴砂孔、銷釘和硫化橡膠，如圖2所示。滑套密封器主要包括外筒、滑套座機構(gòu)和可溶合金套，如圖3所示。

圖2 噴砂滑套結(jié)構(gòu)示意

圖3 滑套密封器結(jié)構(gòu)示意

壓裂施工時，向油管內(nèi)投入與噴砂滑套相匹配的可溶球，送球到位，憋壓剪斷銷釘，可溶球與內(nèi)滑套在壓力的推動下下行，露出噴砂孔，對上部油氣層進行壓裂。同時，可溶球與內(nèi)滑套繼續(xù)下行，穿過水力錨和K344型封隔器，掉落到滑套密封器內(nèi)。通過內(nèi)滑套下端面設(shè)置的硫化橡膠與滑套密封器內(nèi)的滑套座機構(gòu)形成密封，實現(xiàn)對下部油氣層的封堵隔離。壓裂施工結(jié)束后，可溶球和滑套密封器內(nèi)的可溶合金套開始溶解，內(nèi)滑套與滑套座機構(gòu)脫離可溶合金套的束縛下行掉落，保持管柱大通徑。

噴砂滑套技術(shù)參數(shù)：承壓70 MPa，耐溫120℃，總長280 mm，滑套開啟壓力13～17 MPa，最大外徑?110 mm，內(nèi)滑套最小內(nèi)徑?27 mm，內(nèi)滑套最大內(nèi)徑?42 mm，內(nèi)滑套級差3 mm，壓后內(nèi)通徑?57mm。

滑套密封器技術(shù)參數(shù)：承壓70 MPa，耐溫120℃，總長250 mm，最大外徑?95 mm，最小內(nèi)徑?43 mm，初始溶解時間大于72 h（1%KCl溶液中），完全溶解時間小于7 d（1%KCl溶液中），壓后內(nèi)通徑?61 mm。

2.2 節(jié)流底閥

節(jié)流底閥是實現(xiàn)K344型封隔器坐封和第1層壓裂施工的工具。節(jié)流底閥主要包括上接頭、節(jié)流閥芯、可溶合金套和下接頭，如圖4所示。

壓裂施工時，通過節(jié)流閥芯變徑產(chǎn)生的節(jié)流壓差，可以實現(xiàn)K344型封隔器坐封，同時通過節(jié)流閥芯通道實現(xiàn)對第1 層的壓裂施工。壓裂施工結(jié)束后，可溶合金套開始溶解，節(jié)流閥芯脫離可溶合金套的束縛下行掉落到井底，同時噴砂滑套內(nèi)滑套和滑套密封器滑套座機構(gòu)也穿過節(jié)流底閥下行掉落到井底，實現(xiàn)整個管柱全通徑。

圖4 節(jié)流底閥結(jié)構(gòu)示意

技術(shù)參數(shù)：承壓70 MPa，耐溫120 ℃，總長230 mm，最大外徑?95 mm，最小內(nèi)徑?30 mm，初始溶解時間大于72 h（1%KCl水溶液中），完全溶解時間小于7 d（1%KCl水溶液中），壓后內(nèi)通徑?61 mm。

3 室內(nèi)試驗

直井全通徑分層壓裂技術(shù)室內(nèi)試驗是在溫度為90 ℃、介質(zhì)為1%KCl水溶液中，對初始溶解時間、噴砂滑套打開壓力、承高壓性能和溶解時間進行試驗。試驗工裝由2根?73.02 mm 外加厚油管短節(jié)將噴砂滑套（盲孔）和滑套密封器相連接組成，如圖5所示。

圖5 試驗工裝示意

試驗步驟及結(jié)果：將試驗工裝放在溫度為90℃、介質(zhì)為1%KCl水溶液中浸泡72 h，取出并觀察滑套密封器內(nèi)的可溶合金套開始溶解；投入與噴砂滑套內(nèi)滑套相匹配的可溶球，上端連接試壓管線，加壓剪斷銷釘。重復(fù)試驗3次，滑套開啟壓力為14～16 MPa；繼續(xù)加壓至70 MPa，穩(wěn)壓1 h，試驗工裝整體承高壓性能良好，不滲漏且壓降小于0.5 MPa；卸壓后，將試驗工裝放在溫度為90 ℃、介質(zhì)為1%KCl水溶液中繼續(xù)浸泡，直到滑套密封器內(nèi)的可溶合金套溶解后，噴砂滑套內(nèi)滑套和滑套密封器滑套座機構(gòu)一起掉落，溶解時間為2 d，滿足設(shè)計要求。溶解試驗過程如圖6所示。

4 現(xiàn)場試驗

直井全通徑分層壓裂技術(shù)在蘇里格氣田共施工9口井，施工效果良好。并在已投產(chǎn)的3 口井進行了鋼絲帶通井規(guī)通徑作業(yè)，確認了工藝管柱的全通徑，同時也驗證了關(guān)鍵工具溶解性能的可靠性。

圖6 溶解試驗過程示意

以蘇20-X 為例。該井完鉆井深3 284.0 m，完鉆層位是太原組。氣層套管采用N80鋼級、壁厚為9.17 mm 的?139.7 mm 套管完井。壓裂方式采用?73.02 mm 外加厚油管注入，通過直井全通徑分層壓裂工藝管柱進行3層分壓施工，第1層施工山2段88-89號層，射孔井段3 607.0～3 609.0 m，所在射砂體厚度6.9 m；第2層施工山1段82-84號層，射孔井段3 576.5～3 578.5 m，所在砂體厚度11.9 m；第3層施工盒8段74號層，射孔井段3 535.3～3 536.8 m，所在砂體厚度11.2 m。地層溫度分別為107、106和105℃。該井工藝管柱按施工設(shè)計要求下入到井內(nèi)指定位置，在井底浸泡2 d后進行壓裂施工，整個壓裂施工過程順利，施工壓力平穩(wěn)，套壓穩(wěn)定，工藝管柱及配套工具耐溫、承壓和密封性能良好，2 個噴砂滑套打開壓力顯示明顯，總液量627.5 m3，加砂65 m3，施工排量2.9～3.2 m3／min，最高施工壓力70 MPa，歷時5 h，順利完成3層壓裂施工。該井壓裂施工曲線如圖7所示。

5 結(jié)論

1） 直井全通徑分層壓裂工藝管柱及關(guān)鍵工具溶解時間可控，初始溶解時間大于72 h，壓裂后工具內(nèi)的可溶部分溶解時間小于7 d，不可溶部分脫離可溶部分的束縛，下行掉落到井底，整個管柱全通徑可達?57 mm。現(xiàn)場操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，耐溫、承壓和密封性能良好，噴砂滑套打開壓力顯示明顯，能夠滿足一趟管柱分7 層壓裂施工和后續(xù)作業(yè)的要求。

2） 直井全通徑分層壓裂技術(shù)不但具有“K344型封隔器+噴砂滑套”分層壓裂技術(shù)的優(yōu)點，而且還可以實現(xiàn)壓后整個管柱的全通徑，為后續(xù)排液采氣、沖砂、測試、監(jiān)測產(chǎn)液剖面和二次改造作業(yè)提供了全通徑通道，實現(xiàn)了氣田的低成本高效開發(fā)。

圖7 蘇20-X 井壓裂施工曲線