超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂管柱研究及應(yīng)用

宋鵬舉，徐路，王甲昌，李彥召，陳飛

中國(guó)石油塔里木油田分公司安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心（新疆 庫(kù)爾勒841000）

0 引言

隨著勘探開發(fā)進(jìn)程的發(fā)展，塔里木油田勘探開發(fā)難度越來越大，油氣井的深度越來越深，溫度和壓力也越來越高，尤其是塔里木油田庫(kù)車山前區(qū)塊，多數(shù)井深超過7 000 m，井口壓力超過100 MPa，井口溫度超過100℃，儲(chǔ)層以低滲透砂巖為主，物性較差，面對(duì)極端的地質(zhì)條件，對(duì)勘探開發(fā)技術(shù)提出了更高的要求。要取得較高的產(chǎn)量就需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，壓裂改造技術(shù)已成為低滲透、超低滲透油氣藏增產(chǎn)的主體技術(shù)手段，若采用“一套層系”的開發(fā)系統(tǒng)，層間矛盾突出，“籠統(tǒng)壓裂”沒有擺脫“一套層系”開發(fā)思維，不能解決層間矛盾干擾的嚴(yán)重問題[1-5]。已往的機(jī)械分層壓裂工藝主要是針對(duì)中淺井，常規(guī)封隔器耐壓強(qiáng)度、封隔密封效果均無法滿足超深高溫高壓工況要求，另外超深高溫高壓氣井機(jī)械分層管柱封隔器間較大的軸向應(yīng)力也是需要面對(duì)的棘手問題，在實(shí)踐中采用THT永久式封隔器，以及在封隔器間增加高強(qiáng)度伸縮管，較好地解決了以上問題。

塔里木油田超深高溫高壓氣井主力儲(chǔ)層主要分布在庫(kù)車山前白堊系巴什基奇克組，層間非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)層縱向跨度大，滿足機(jī)械分層要求。由于儲(chǔ)層縱向應(yīng)力差較大，儲(chǔ)層改造若采用籠統(tǒng)改造難以實(shí)現(xiàn)均勻改造目的，為適應(yīng)勘探開發(fā)的要求，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)缺陷，同時(shí)降低儲(chǔ)層改造作業(yè)成本，針對(duì)性地進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)選，使不同層系均達(dá)到最優(yōu)的開發(fā)狀態(tài)，充分挖掘非主力層潛力，解決層間矛盾突出問題，提高采收率，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。探索出采用機(jī)械分層是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層改造的最佳方式，研制了能夠滿足適應(yīng)庫(kù)車山前超深高溫高壓氣井極端工況，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱。該管柱的研制為科研技術(shù)人員對(duì)管柱受力分析及復(fù)雜工藝設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)[6-9]。

1 技術(shù)分析

超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱結(jié)構(gòu)自上而下依次為POP球座+油管+壓裂滑套2+油管+127.0 mm(5")THT封隔器+油管+壓裂滑套1+油管+伸縮管+油管+177.8 mm（7"）THT封隔器+油管+SP井下安全閥+油管+油管掛。該管柱創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了適用于高壓井的永久式封隔器，解決了一般封隔器坐封效果不好而導(dǎo)致竄層的難題，并且為消除在酸化、壓裂改造產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，該管柱配置了伸縮管。

超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱的封隔器用于封隔產(chǎn)層，防止竄層及避免地層能量進(jìn)入環(huán)空起到保護(hù)套管作用；伸縮管主要起到消除儲(chǔ)層改造過程中封隔器間管柱軸向應(yīng)力過大；投球壓裂滑套起到溝通所改造的目的層的作用。

1.1 油管材質(zhì)選擇

高溫高壓極端工況下一般材質(zhì)油管更容易腐蝕甚至開裂、穿孔。開裂、穿孔等隱患較難預(yù)測(cè)及防范，研究發(fā)現(xiàn)單井綜合含水率較高情況下，油管材質(zhì)腐蝕更為嚴(yán)重。由于P110鋼級(jí)油管無法滿足超深高溫高壓氣井極端工況，研究了不同鋼級(jí)油管抗腐蝕性[10]。為保證超深高溫高壓氣井在改造作業(yè)及生產(chǎn)過程中的井筒完整性，創(chuàng)新性地提出了模擬井筒全生命周期的油管選材、選扣的方法。通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)，超級(jí)13Cr可以在不超過170℃環(huán)境中使用，大于170℃時(shí)，采用15Cr材質(zhì)。

1.2 油管尺寸選擇

超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱在壓裂過程的注入流量很大，或者正常生產(chǎn)時(shí)流量很大，油管內(nèi)流體必將承受較大的摩阻。摩阻損失過大，也將影響壓裂施工或者氣井正常生產(chǎn)。

運(yùn)用PIPESIM軟件對(duì)不同規(guī)格型號(hào)油管在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖1所示，Φ73.0 mm(內(nèi)徑62 mm)、88.9 mm(內(nèi)徑76 mm)和Φ114.3 mm(內(nèi)徑95 mm)油管的摩阻損失均可以滿足要求。在考慮經(jīng)濟(jì)性及井況的情況下，采用Φ114.3 mm、Φ88.9 mm及Φ73.0 mm的油管組合配置。

圖1 不同尺寸和產(chǎn)氣量下油管摩阻對(duì)比

1.3 工藝原理及特點(diǎn)

根據(jù)塔里木油田庫(kù)車山前高溫高壓油氣藏地質(zhì)特征，要求所采用完井管柱要需滿足壓裂改造、正常自噴生產(chǎn)、替液排液等要求。

1.3.1 替液、坐封、驗(yàn)封

超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱按設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)連接入井。在調(diào)整好封隔器坐封位置后，將井筒內(nèi)原井泥漿替成鹽水，然后投球1于POP球座并在油管內(nèi)逐級(jí)加壓，隨著壓力的升高，127.0 mm(5")和177.8 mm（7"）THT永久式封隔器分別完全坐封。環(huán)空反加壓驗(yàn)封，若驗(yàn)封合格，則繼續(xù)正加壓至球座被擊落。然后再投球2坐于壓裂滑套2（APR全通徑），分級(jí)加壓直至球2落到井底，下層油氣通道打開。

1.3.2 壓裂改造

由于儲(chǔ)層在鉆井過程中可能發(fā)生儲(chǔ)層傷害或者由于層間矛盾突出，導(dǎo)致油氣井產(chǎn)量較低，如果要最大程度提高產(chǎn)能就需要進(jìn)行儲(chǔ)層改造，目前儲(chǔ)層改造最好的方式就是分層壓裂。超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱一般先壓裂改造下層，下層改造完成后投球3至壓裂滑套1，分級(jí)加壓至打開壓裂滑套1，溝通上部?jī)?chǔ)層流動(dòng)通道。球3為可溶解球，并沒有立即落入井底，而是起到暫堵下部?jī)?chǔ)層作用。超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱能夠承受較高的壓力，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱直接進(jìn)行分層壓裂作業(yè)。

1.3.3 工藝特點(diǎn)

超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-完井投產(chǎn)一體化管柱具有依靠永久式封隔器錨定管柱和伸縮管補(bǔ)償軸向應(yīng)力功能，在油氣井生產(chǎn)、大型壓裂改造過程中可克服常規(guī)完井管柱弊端，增強(qiáng)完井管柱完整性；該一體化管柱，簡(jiǎn)化了施工工序，縮短了作業(yè)周期，降低了施工成本[10-11]。

2 配套工具

2.1 永久式封隔器

THT永久式液壓封隔器是專為高溫高壓、超深井設(shè)計(jì)的完井工具。該封隔器不受靜壓限制。該類型封隔器采用一次性管柱完井，提高了工作效率，節(jié)約了成本；獨(dú)特的密封元件設(shè)計(jì)，提高了持久密封和抗壓差性能；適合大尺寸油管完井，保持管柱的全通徑，方便后期繩纜作業(yè)；封隔器坐封操作簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，成功率高。地面管線內(nèi)加壓，液壓經(jīng)工具下部傳壓孔作用在活塞底部，剪斷銷釘后上推下部卡瓦總成向上運(yùn)動(dòng)，從而上推密封總成帶動(dòng)錐體剪斷上卡瓦固定銷釘后撐開上瓦塊，錨定在套管內(nèi)壁。密封總成繼續(xù)受壓，使膠筒膨脹并密封油套環(huán)空。該封隔器的軸心采用整體軸心，封隔器整體密封只有膠筒一道密封，具有可靠的密封性能，一旦坐封，就會(huì)永久保持錨定。

2.2 壓裂滑套

壓裂滑套是一種在封隔器之間采取滑套來形成生產(chǎn)和壓裂液流通通道的工具。投球滑套通過投球后加壓剪切球座來開啟，在壓裂施工中可以在前一次壓裂結(jié)束，第2層壓力開始時(shí)投入相應(yīng)尺寸的球來完成連續(xù)壓裂施工。這種方式可以大幅減少壓裂施工時(shí)間，并且容易執(zhí)行連續(xù)多層壓裂[12-13]。

2.3 伸縮管

伸縮管是適用于高溫高壓、測(cè)試生產(chǎn)完井及酸化壓裂措施井的一種補(bǔ)償管柱，用于補(bǔ)償因壓力、溫度等因素引起管柱伸長(zhǎng)或收縮量的專用工具。伸縮管具有承壓能力強(qiáng)，最高可承70 MPa壓差，密封可靠，伸縮行程大，單只伸長(zhǎng)量最多達(dá)3 m；可調(diào)節(jié)式開啟銷釘組合，剪切力可在需要范圍調(diào)整；另外可以在任意位置傳遞扭矩?？梢愿鶕?jù)井況的不同需要，在入井前預(yù)先設(shè)定其銷釘鎖定位置和數(shù)量，在作業(yè)過程中當(dāng)管柱產(chǎn)生軸向應(yīng)力伸長(zhǎng)所造成的力超過銷釘?shù)募羟兄禃r(shí)，銷釘剪斷，工具進(jìn)入伸長(zhǎng)或壓縮行程，從而降低或消除管柱作用在封隔器或井口上的力，確保封隔器和井口在作業(yè)過程中的密封狀態(tài)[14-16]。

3 一體化管柱受力分析

超深高溫高壓氣井在壓裂改造、生產(chǎn)過程中管柱受力情況較為復(fù)雜。在生產(chǎn)、壓裂改造過程中，管柱在多種因素的綜合作用下將產(chǎn)生彎曲效應(yīng)、胡克效應(yīng)、溫度效應(yīng)和壓力效應(yīng)等［10］。

該一體化管柱是一組帶2個(gè)永久式封隔器的管柱，永久式封隔器對(duì)于保證管柱在各種工況下的密封性起到至關(guān)重要作用。一體化完井管柱要求具備不動(dòng)管柱實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)、壓裂改造作業(yè)等功能，設(shè)計(jì)一體化完井管柱時(shí)必須考慮管柱的完整性及完井工具性能是否滿足超深高溫高壓油氣藏的極端工況的要求[17]。

3.1 管柱伸長(zhǎng)量

超深高溫高壓氣井在進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)層改造作業(yè)時(shí)，完井管柱的軸向變形主要是管柱自重、溫度效應(yīng)、壓差作用、彎曲變形4種作用產(chǎn)生的變形量的總和。如果完井管柱在儲(chǔ)層改造作業(yè)過程中的變形量超過管柱額定負(fù)荷，將導(dǎo)致完井管柱及完井工具承受較大的應(yīng)力，這可能導(dǎo)致管柱失效[10]。因此，預(yù)測(cè)管柱在各種工況的伸縮變形量，為消除管柱伸縮變形量，保證管柱安全，就需要配置相應(yīng)長(zhǎng)度的伸縮管來消除在極端工況下產(chǎn)生的軸向應(yīng)力而避免完井管柱及完井工具失效。

采用WELLCAT軟件模擬預(yù)測(cè)一體化管理柱在各工況下的收縮量。全井管柱在空氣中的抗拉安全系數(shù)為2.19，管柱剩余拉力在1 027 kN上。在密度2.13 g/cm3的壓井液中的抗拉安全系數(shù)為2.99以上，管柱剩余拉力在1 047 kN以上，管柱抗拉強(qiáng)度滿足正常作業(yè)要求。

3.2 封隔器受力分析

永久式封隔器和水力錨配合使用，使永久式封隔器能夠承受雙向壓差，在儲(chǔ)層改造作業(yè)時(shí)可以保護(hù)儲(chǔ)層以上部分的套管，一體化完井管柱中永久式封隔器在不同工況下封隔器的受力預(yù)測(cè)見表1。

據(jù)表1所示，儲(chǔ)層改造作業(yè)時(shí)不同改造排量下雙封隔器間油管伸縮量為0.782～0.844 m，最大軸向載荷為400 kN。為補(bǔ)償改造期間油管軸向應(yīng)力導(dǎo)致的封隔器受力過大，在雙封隔器間配置1.5 m的伸縮管，從而消除過大的軸向應(yīng)力來平衡封隔器受力[18-19]。

表1 各種工況下封隔器受力伸縮量預(yù)測(cè)結(jié)果

3.3 管柱強(qiáng)度校核

油管柱受到管柱自身重力、壓差作用、溫度作用和彎曲變形等效應(yīng)產(chǎn)生的力可用三軸應(yīng)力來表示。該力以Hencky-Mises的應(yīng)變能量理論為基礎(chǔ)[10]，通常也被稱為馮米塞斯力，若管柱結(jié)構(gòu)的三軸應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，完井管柱將發(fā)生屈服失效。

在研究三軸應(yīng)力過程中繪制三軸應(yīng)力橢圓可以直觀地比較API額定值與三軸應(yīng)力值，如果管柱受力載荷安全可靠則在三軸應(yīng)力橢圓內(nèi)，利用WELLCAT模擬計(jì)算一體化管柱在各種工況下所受的載荷。若管柱所受的載荷均在橢圓內(nèi)，表明該一體化管柱的配置滿足工況要求。

不同工況下的三軸安全系數(shù)沿管柱的分布，如圖2所示。完井管柱在不同工況下最薄弱的位置在1 000 m(88.9 mm和油管的變徑處114.3 mm)，此處最為危險(xiǎn)，井口位置的三軸安全系數(shù)也較低，因?yàn)榫谔幊惺苤喂苤淖灾刈饔?。根?jù)軟件模擬結(jié)果，完井管柱在不同工況下的三軸安全系數(shù)均大于規(guī)定的安全系數(shù)（1.500），這表明設(shè)計(jì)的完井管柱可以滿足實(shí)際需要。

圖2 管柱三軸應(yīng)力分布圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 基本情況

中秋1井是塔里木油田的一口重點(diǎn)探井。該井位于塔里木盆地庫(kù)車坳陷秋里塔格構(gòu)造帶中秋段中秋1號(hào)背斜構(gòu)造。井深6 220 m，地層壓力120.78 MPa，地層壓力系數(shù)2.01，溫度146.5℃。目的層在古近系砂礫巖段、白堊系巴什基奇克組，儲(chǔ)層厚度109 m，物性分布不均勻，儲(chǔ)層間滿足機(jī)械分層要求，滿足壓裂工具坐封、控制縫高及防止壓裂裂縫竄壓提供較好條件。

4.2 壓裂工具的選擇

依據(jù)該井儲(chǔ)層構(gòu)造特征實(shí)際情況，采用雙層機(jī)械分層工具對(duì)中秋1井白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層進(jìn)行分層壓裂改造（表2）。

表2 壓裂工具技術(shù)參數(shù)

采用127.0 mm(5″)+177.8 mm（7″）THT永久式液壓封隔器組合，永久式液壓封隔器具有良好的耐溫性和密封性，可保證壓裂施工工藝的成功。壓裂滑套球座可以保障加壓打開壓裂滑套和堵球落座密封性能要求。

4.3 壓裂工藝優(yōu)化

根據(jù)測(cè)井解釋相關(guān)資料，壓裂起裂點(diǎn)優(yōu)選儲(chǔ)層氣測(cè)顯示比例高、物性分布好的層段；選擇封隔器坐封位置時(shí)，優(yōu)先考慮在儲(chǔ)層電性解釋較差并且井段物性較差的泥質(zhì)砂巖段。按照大型壓裂隔層厚度不小于15 m的原則，采用中等加砂規(guī)模、中低砂比，造中長(zhǎng)縫作為設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想[12]。該井具體施工參數(shù)見表3。

表3 中秋1井壓裂施工參數(shù)

4.4 應(yīng)用效果分析

中秋1井儲(chǔ)層改造分層壓裂2段，共進(jìn)行了3次投球，各階段施工均達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，在壓裂改造過程中，上下封隔器密封完好，目的儲(chǔ)層均被有效壓開，加砂壓裂后形成獨(dú)立的裂縫系統(tǒng)。該井在加砂壓裂后排液過程中地層噴通，加砂壓裂改造效果顯著，通過地面調(diào)產(chǎn)產(chǎn)氣量至53.0×104m3/d，油壓83 MPa保持穩(wěn)定，與早期地層測(cè)試相比產(chǎn)能提高了2倍。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)塔里木油田秋里塔格構(gòu)造帶中秋1井含油氣層系進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)、構(gòu)造特征、各層系跨度及施工工藝等方面進(jìn)行分析，該區(qū)塊可以實(shí)現(xiàn)分層壓裂改造。

2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，超深高溫高壓氣井機(jī)械分層壓裂-投產(chǎn)完井一體化管柱的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用形成了一套較為成熟的技術(shù)體系，較好地解決了庫(kù)車山前地區(qū)超深高溫高壓氣井層間矛盾突出，層間物性差異較大，層間跨距變化大，單層逐層改造成本高等問題，為后續(xù)該區(qū)塊整體開發(fā)探索出了有效的技術(shù)途徑。

3）該工藝對(duì)多層改造效果好，可以最大程度提高儲(chǔ)層動(dòng)用率，作業(yè)成本較常規(guī)壓裂低30%左右。

4）該工藝可以準(zhǔn)確地定位造縫位置，進(jìn)行精準(zhǔn)壓裂改造，不會(huì)在井筒其他位置產(chǎn)生裂縫，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。