深層頁(yè)巖氣套損井全通徑無(wú)級(jí)滑套水平井分段壓裂投產(chǎn)技術(shù)
——以WY9-2HF井為例

龍 剛，薛麗娜，楊曉莉

（1.四川德陽(yáng)新場(chǎng)氣田開(kāi)發(fā)有限公司，四川德陽(yáng)618000；2.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽(yáng)618000）

頁(yè)巖氣水平井尤其是深層頁(yè)巖氣水平井套變問(wèn)題突出，一直是困擾頁(yè)巖氣分段壓裂開(kāi)發(fā)的難題。為了防止頁(yè)巖氣井壓裂丟段，常規(guī)做法是優(yōu)選套管[1-3]，優(yōu)化鉆完改工藝[4-6]，盡量減少套變發(fā)生。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生套變的井，鄭瑞[7]提出套管輕微變形實(shí)施整形后壓裂，劉合等[8]，CAO等[9]人通過(guò)改用自主研發(fā)小橋塞，使用連續(xù)油管＋液壓投放工具的工藝，成功實(shí)施過(guò)套變點(diǎn)。張瑞典等[10]、李軍龍等[11]針對(duì)變形量限制小橋塞使用的套變井，提出采取噴砂射孔砂塞分段壓裂工藝。肖勇軍等[12]、梁興等[13]、郭建春等[14]、肖暉等[15]、王興文等[16]則針對(duì)套管變形井,介紹了可降解暫堵球壓裂、縫內(nèi)填砂分段壓裂和復(fù)合暫堵多級(jí)轉(zhuǎn)向壓裂等常用的套變段暫堵轉(zhuǎn)向分段壓裂工藝。然而，對(duì)于套管既發(fā)生套變又產(chǎn)生破損的井，尤其當(dāng)套變破損井段發(fā)生在直井段或造斜段，常規(guī)的套管補(bǔ)貼、化學(xué)封堵等方法無(wú)法同時(shí)滿足頁(yè)巖氣高壓裂壓力、大排量施工和小橋塞通過(guò)時(shí)，急需尋找一種新的方法，既要滿足頁(yè)巖氣分段壓裂排量和規(guī)模，又要實(shí)現(xiàn)盡可能多的分段數(shù)，達(dá)到地質(zhì)目標(biāo)體積壓裂效果。本文針對(duì)WY9-2HF頁(yè)巖氣套損井，采用懸掛封隔器管柱隔離套管破損井段，通過(guò)上部套管注入結(jié)合下部油管注入方式以提高排量；采用全通徑無(wú)級(jí)滑套結(jié)合機(jī)械分段進(jìn)行31 級(jí)分段壓裂，實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣分段壓裂施工排量和規(guī)模，達(dá)到了預(yù)期壓裂目的。

1 頁(yè)巖氣井套變破損情況及難點(diǎn)與對(duì)策分析

1.1 套損井基本情況

WY9-2HF 井是川西南坳陷威遠(yuǎn)構(gòu)造的一口以龍馬溪組—五峰組為目的層水平井。A 靶點(diǎn)斜深3 820.00 m，B 靶點(diǎn)斜深5 320.00 m，采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，油層套管為φ139.7 mm 和φ145.6 mm 組合套管。地層溫度136 ℃，地層壓力68.9 MPa。

該井通井刮管至2 818.94 m 遇阻8 t，通過(guò)可視化測(cè)井可見(jiàn)套管內(nèi)壁存在凸起變形區(qū)域（圖1），鉛模打印顯示擠壓位置最小處僅92 mm（圖2），井筒內(nèi)打壓38.51 MPa，25 min下降5.2 MPa。錄井指示劑循環(huán)驗(yàn)證分析竄氣點(diǎn)為套變破損位置。

圖1 可視化測(cè)井變形套管和套管未變形接箍對(duì)比Fig.1 Comparison of collar of deformed casing and undeformed casing in visualized logging

圖2 鉛模出井照片F(xiàn)ig.2 Lead mold

1.2 頁(yè)巖氣套損井工藝難點(diǎn)分析

1.2.1 漏點(diǎn)化學(xué)封堵

對(duì)于直井段的套管破損點(diǎn)，首先考慮化學(xué)封堵的方式，但是前期采用GT-SA2+高強(qiáng)度樹(shù)脂球堵漏劑、膨脹填充+橋接堵漏、LTTD 堵劑三次堵漏后，井筒最高穩(wěn)壓僅達(dá)30 MPa，不滿足壓裂限壓95 MPa的要求，且第三次堵漏后塞面下移明顯，堵漿沒(méi)有在漏失段形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，漏點(diǎn)外通道暢通。鑒于化學(xué)封堵費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，前期三次堵漏效果不理想，需要考慮采用封隔器封隔等機(jī)械封堵方式。

1.2.2 套管補(bǔ)貼

套管補(bǔ)貼主要包括軟金屬錨、波紋管和實(shí)體膨脹管3種材料，但屈服強(qiáng)度最大的膨脹管材料屈服強(qiáng)度僅能達(dá)到N80鋼級(jí)，抗內(nèi)壓強(qiáng)度不滿足頁(yè)巖氣施工要求；同時(shí)補(bǔ)貼后套管內(nèi)徑會(huì)縮小約15～20 mm，套管內(nèi)徑縮小為98～103 mm，加上套管變形，不滿足橋塞（外徑95～103 mm）泵送作業(yè)要求。

1.2.3 常規(guī)油管封隔器機(jī)械分段

采用多封隔器管柱和配套工藝可兼顧封隔器封隔套損點(diǎn)和水平井分段的要求，但由于投球滑套極差限制，分段數(shù)有限，難以滿足頁(yè)巖氣壓裂的工程地質(zhì)目標(biāo)。同時(shí)，由于通徑的影響，摩阻較大，也遠(yuǎn)不滿足該井大排量壓裂要求。

因此，需要針對(duì)該井套變破損情況，利用現(xiàn)有井筒條件,在滿足井控安全的前提下，設(shè)計(jì)出一套分段壓裂管柱及配套工藝，既滿足頁(yè)巖氣高施工壓力、高排量要求，又滿足細(xì)分段、多分段的壓裂要求。

2 套損水平井全通徑無(wú)級(jí)滑套分段壓裂投產(chǎn)管柱設(shè)計(jì)

針對(duì)該井套變破損情況，利用現(xiàn)有井筒條件，通采用懸掛封隔器管柱隔離套管破損井段，通過(guò)上部由套管注入、下部由油管注入方式以提高排量；采用全通徑無(wú)級(jí)滑套實(shí)現(xiàn)31 級(jí)細(xì)分段壓裂，同時(shí)降低摩阻提高排量，達(dá)到頁(yè)巖氣體積壓裂要求。

2.1 管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 懸掛封隔器分段管柱結(jié)構(gòu)

采用懸掛封隔器坐封于套管變形破損點(diǎn)以上，懸掛機(jī)械分段油管管柱，總體結(jié)構(gòu)為：懸掛封隔器+油管+分段管串（Y341 封隔器+滑套）+坐封球座+引鞋（圖3）。該管柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，隔離套管破損井段，能夠承受頁(yè)巖氣高施工壓力要求；同時(shí)，通過(guò)上部由套管注入、下部由油管注入方式，可以提高排量，達(dá)到頁(yè)巖氣壓裂排量要求。

圖3 懸掛器+滑套+封隔器管柱示意圖Fig.3 String consisted of hanger+sliding sleeve+packer

其中，懸掛器是工藝實(shí)施的關(guān)鍵，需要滿足：①實(shí)現(xiàn)懸掛管柱和密封環(huán)空；②壓裂施工限壓95 MPa，懸掛器承壓90 MPa；③滿足不掛卡滑套開(kāi)啟工具。針對(duì)該井研制了機(jī)械丟手的懸掛封隔器，額定負(fù)荷達(dá)780 kN。懸掛封隔器完成常壓80 MPa下整體承壓試驗(yàn)，為了保證密封性，懸掛封之下增加1只Y341封隔器助封。為了保證端部臺(tái)階下的開(kāi)啟工具多次導(dǎo)入和導(dǎo)引口的抗沖蝕，設(shè)計(jì)導(dǎo)引結(jié)構(gòu)，通過(guò)多次室內(nèi)及入井開(kāi)展鑰匙對(duì)懸掛封隔器的通過(guò)性試驗(yàn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

2.1.2 全通徑無(wú)級(jí)滑套分段

常規(guī)投球滑套由于極差限制，分段數(shù)受限，且由于未實(shí)現(xiàn)全通徑，施工摩阻增加，影響壓裂排量和規(guī)模。本次采用自主研發(fā)的全通徑無(wú)級(jí)滑套[17-18]，通過(guò)“機(jī)械式嚙合、唯一性匹配”滑套開(kāi)啟工具打開(kāi)滑套，滑套耐壓差70 MPa，滑套和封隔器內(nèi)徑與73 mm 油管內(nèi)徑保持一致，減少了摩阻提高了排量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了31級(jí)分段。

同時(shí)，以應(yīng)用較為成熟的水平井分段壓裂工具Y341 為基礎(chǔ)，為適應(yīng)大排量大液量壓裂對(duì)封隔器的作用力，將中心管抗拉提高到60 t，耐壓差70 MPa。

2.1.3 排量預(yù)測(cè)

本井為φ139.7 mm和φ145.6 mm組合套管（內(nèi)徑118.62 mm），采用懸掛封隔器管柱，φ139.7 mm套管+φ73 mm 油管注入，以及采用全通徑無(wú)級(jí)滑套，可以有效降低摩阻，提高施工排量。預(yù)測(cè)單段排量4.2 m3/min（第1 級(jí)）—7.1m3/min（第31 級(jí)），滿足原泵送橋塞壓裂方案要求的每簇4.0～5.3m3/min。

2.2 管柱力學(xué)校核

多封隔器管柱需考慮溫度效應(yīng)、膨脹效應(yīng)、軸力效應(yīng)和屈曲效應(yīng)[19-20]，通過(guò)管柱力學(xué)分析，可不加伸縮節(jié)，在保證安全的前提下減少管柱漏點(diǎn)；最終管柱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，管柱安全系數(shù)大于等于1.41（圖4），理論計(jì)算不同工況下管柱軸力327 kN（圖5），遠(yuǎn)小于管柱和工具抗拉強(qiáng)度，滿足施工要求。

圖4 不同工況下的三軸安全系數(shù)Fig.4 Triaxial safety factors under different working conditions

圖5 不同工況下的軸力Fig.5 Axial forces under different working conditions

3 套損水平井全通徑無(wú)級(jí)滑套分段壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 多封隔器管柱下入

考慮到下部井筒套變，帶32 個(gè)封隔器管柱井眼軌跡原因致下入摩阻過(guò)大。首先進(jìn)行多封隔器管柱下入分析（圖6），預(yù)測(cè)管柱余量20 t，管柱通過(guò)性良好。為保證多封隔器管柱順利下入，采用整形器套修復(fù)套變點(diǎn)使φ116 mm 銑錐通過(guò)后無(wú)損傷，并提前組下模擬通井管串：鉆桿+φ112 mm 套管通井規(guī)1#+φ73 mm×5.51mmP110 NU 油管45 m+φ112 mm 套管通井規(guī)2#+φ73 mm×5.51 mmP110 NU 油管45 m+φ112 mm 套管通井規(guī)3#+φ73 mm×5.51 mmP110 NU油管。

圖6 管柱下入模擬示意圖Fig.6 Simulation of string running into stratum

3.2 完井測(cè)試安全井控措施

Y341 封隔器啟動(dòng)壓力13.5 MPa，替漿時(shí)有提前坐封風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)調(diào)整泥漿性能，限壓10 MPa 驗(yàn)通，控制排量0.2～0.4 m3/min，控制泵壓55 MPa。同時(shí)，多封隔器管柱在泥漿狀態(tài)下入井內(nèi)，替漿后全井替為清水，球座帶單流閥封油管，懸掛封隔器封環(huán)空，實(shí)現(xiàn)井控安全。

3.3 分段壓裂投產(chǎn)

結(jié)合WY9-2HF井地質(zhì)和工程甜點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)分31段，達(dá)到儲(chǔ)層整體控制。該井模擬通井后帶32個(gè)封隔器和滑套的管柱順利下到位，替漿后坐封封隔器，丟手起甩懸掛封隔器上部油管，采用φ139.7 mm套管+φ73 mm油管注入，開(kāi)滑套進(jìn)行分段壓裂，設(shè)計(jì)施工排量4～7 m3/min。采用低砂比膠液連續(xù)加砂為主的壓裂工藝，優(yōu)化單段砂量55～65 m3，總砂量1 835 m3，單段壓裂液量1 200～1 300 m3，總壓裂液量37 210 m3。試氣層在限壓88 MPa 下最高施工排量6 m3/min，整體施工未受到套損影響（表1），在井口壓力26.48 MPa下以產(chǎn)氣量8.75×104m3/d投產(chǎn)。

表1 壓裂施工參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of fracturing parameters

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）對(duì)于套損井，利用現(xiàn)有井筒條件，采用“懸掛封隔器+Y341封隔器+全通徑無(wú)級(jí)滑套”分段壓裂管柱，“上部套管注入＋下部油管注入”特殊注入方式，可實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣井有效分段、大規(guī)模、較大排量壓裂的目的。該技術(shù)對(duì)類似井況的頁(yè)巖氣井有一定的借鑒作用。

2）采用滿足承壓90 MPa、不掛卡滑套開(kāi)啟工具的懸掛器和耐壓差70 MPa的全通徑無(wú)級(jí)滑套是全通徑無(wú)級(jí)滑套水平井分段壓裂投產(chǎn)管柱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。配套多封隔器管柱下入技術(shù)、完井測(cè)試安全井控措施，保障工藝順利實(shí)施。

3）WY9-2HF套損井采用該工藝，實(shí)現(xiàn)大排量、大規(guī)模31級(jí)分段壓裂，達(dá)到預(yù)期壓裂目標(biāo)，獲投產(chǎn)產(chǎn)氣量8.75×104m3/d。