套管壓裂井不壓井完井工藝技術(shù)研究及應(yīng)用*

平恩順 王林 解同川 王志民 劉松 滕俊男 張磊

(中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司)

0 引 言

隨著頁(yè)巖油、致密油等低滲透油藏的勘探開(kāi)發(fā)，泵送橋塞射孔聯(lián)作體積壓裂技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[1]。目前非常規(guī)光套管壓裂井放噴后，關(guān)井壓力高，常規(guī)完井工藝采用壓井液壓井，壓井完成后上修井機(jī)進(jìn)行完井作業(yè)，存在污染儲(chǔ)層和降低壓裂效果的問(wèn)題。另外，采用帶壓作業(yè)裝置下泵完井不僅成本較高，施工周期長(zhǎng)，而且存在不能下入電泵完井作業(yè)的局限。

楊康敏等[2]研制了液控找堵水開(kāi)關(guān)器及配套管柱，可實(shí)施不動(dòng)管柱多級(jí)分層找水和堵水等工藝；王子健等[3]研制了井下開(kāi)關(guān)滑閥及配套的連續(xù)管傳送井下控制工具，形成了連續(xù)管水平井找堵水作業(yè)技術(shù)；孫丕昊等[4]針對(duì)油井檢泵作業(yè)地層壓力較大的情況，研制了液控式修井井下開(kāi)關(guān)；王玲玲等[5]介紹了高壓油井免帶壓作業(yè)的檢泵技術(shù)，研制了配套的相關(guān)工具，但并未指出關(guān)鍵工具一旦遇堵如何保持連續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題。

以上研究成果均未明確解決套管壓裂后如何帶壓完井的問(wèn)題[6-11]。鑒于此，本文研究了套管壓裂后完井過(guò)程中的不壓井作業(yè)工藝技術(shù)，不僅研究了不壓井作業(yè)工藝管柱及主要施工步驟，還詳細(xì)介紹了配套工具的結(jié)構(gòu)、原理和主要技術(shù)參數(shù)，形成了適用于光套管壓裂井不壓井的完井工藝技術(shù)；不僅實(shí)現(xiàn)了使用修井機(jī)下泵或后期小修檢泵作業(yè)時(shí)的不壓井作業(yè)，而且滿足了低成本不壓井完井工藝技術(shù)的需要，有效避免了壓井液壓井，對(duì)油層無(wú)污染，保證了壓裂效果，同時(shí)降低了作業(yè)成本，施工周期明顯長(zhǎng)于常規(guī)帶壓作業(yè)工藝。該工藝不僅適用于有桿泵完井工藝，還適用于電泵完井工藝，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1 不壓井完井工藝技術(shù)

1.1 完井工藝管柱

套管壓裂井不壓井完井工藝管柱主要由連續(xù)管、坐封工具、通孔橋塞、滑套閥、壓控開(kāi)關(guān)閥、尾管(包括篩管)和絲堵等組成[12-13]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1—連續(xù)管+坐封工具；2—通孔橋塞；3—滑套閥；4—壓控開(kāi)關(guān)閥；5—尾管(包括篩管)；6—絲堵；7—空心光桿；8—防噴盒；9—井口四通；10—?73 mm加厚油管；11—?22 mm H級(jí)桿；12—?19 mm H級(jí)桿；13—?28 mm加重桿；14—?38 mm等徑防砂泵；15—?73 mm平式油管；16—通孔橋塞及以下工具串。

連續(xù)管下入工具串后可暫閉油層，通過(guò)通孔橋塞、滑套閥與壓控開(kāi)關(guān)閥三者之間的有效配合，調(diào)控采油的流通通道，保證井口處于安全受控保護(hù)狀態(tài)，避免壓井液壓井，使油層不受壓井液污染，實(shí)現(xiàn)了油井壓裂后不壓井完井作業(yè)。

1.2 施工步驟

套管壓裂井不壓井完井工藝的主要施工步驟如下。

(1)連續(xù)管沖砂，通井，刮削，熱洗井。

(2)在井口帶壓狀態(tài)下，下入連續(xù)管工具串：連續(xù)管+鉚釘連接器+單流閥+安全接頭+扶正器短節(jié)+坐封工具+通孔橋塞+滑套閥+壓控開(kāi)關(guān)閥+尾管(包括篩管)+絲堵。

(3)上水泥車，通過(guò)連續(xù)管正加壓20 MPa坐封通孔橋塞并脫手，上提連續(xù)管工具串，下放連續(xù)管工具串復(fù)探通孔橋塞。

(4)復(fù)探通孔橋塞位置無(wú)誤后，上提連續(xù)管工具串。打開(kāi)套管閥門(mén)，觀察溢流情況，如無(wú)溢流顯示，則說(shuō)明通孔橋塞坐封情況良好。至此完成封閉油套環(huán)空的施工工序。

(5)之后關(guān)閉套管閥門(mén)，水泥車通過(guò)連續(xù)管正加壓20 MPa，穩(wěn)壓10 min，然后水泥車泄壓至0。打開(kāi)套管閥門(mén)，觀察溢流情況，以此來(lái)驗(yàn)證壓控開(kāi)關(guān)閥是否打開(kāi)。如有溢流顯示，且溢流持續(xù)穩(wěn)定，則說(shuō)明壓控開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)狀態(tài)良好。之后關(guān)閉套管閥門(mén)。

(6)水泥車?yán)^續(xù)通過(guò)連續(xù)管正加壓20 MPa，穩(wěn)壓10 min，然后水泥車泄壓至0。打開(kāi)套管閥門(mén)，觀察溢流情況，如無(wú)溢流顯示，且持續(xù)無(wú)溢流顯示，則說(shuō)明壓控開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉狀態(tài)良好。至此完成一次暫閉油層的施工工序。之后關(guān)閉套管閥門(mén)。

(7)起出連續(xù)管，撤連續(xù)管設(shè)備，上修井機(jī)通過(guò)油管下入抽油泵(包括有桿泵或無(wú)桿泵，下面以有桿泵為例)。

(8)下入活塞+泵桿組合。試抽憋壓合格后，把活塞放入泵筒底部，最上部1根泵桿倒扣起出。

(9)換采油樹(shù)上掛，下入泵桿對(duì)扣，上提重新緊扣后，下入泵桿短節(jié)及光桿，試抽合格后，裝配好地面抽油機(jī)，之后打開(kāi)套管閥門(mén)，通過(guò)水泥車向井筒內(nèi)加壓20 MPa，穩(wěn)壓10 min，然后水泥車泄壓至0，則可以打開(kāi)壓控開(kāi)關(guān)閥，完井。

(10)采油很長(zhǎng)一段時(shí)間后，如遇產(chǎn)量降低，則可通過(guò)水泥車向井筒內(nèi)加壓30 MPa，穩(wěn)壓10 min，然后水泥車泄壓至0，則可以打開(kāi)滑套閥，繼續(xù)進(jìn)行采油作業(yè)。

2 主要配套工具

2.1 通孔橋塞

2.1.1 結(jié)構(gòu)

通孔橋塞是一種通過(guò)液壓坐封工具坐封，上提打撈工具解封的井下封隔工具，具有承受壓差高，坐封、解封穩(wěn)定的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，坐封機(jī)構(gòu)主要由鎖定接頭、連接頭和剪釘?shù)冉M成；密封機(jī)構(gòu)主要由連接筒、膠筒Ⅰ、膠筒Ⅱ和下規(guī)環(huán)等組成；卡瓦錨定機(jī)構(gòu)采用單卡瓦雙向錨定方式，卡瓦置于卡瓦筒內(nèi)，主要由上錐體、限位套、卡瓦筒、卡瓦、卡瓦彈簧和下錐體等組成。鎖定結(jié)構(gòu)主要由鎖套接頭、鎖套和開(kāi)口鎖環(huán)組成。

1—鎖定接頭；2—連接頭；3—解封頭；4—鎖套接頭；5—鎖套；6—開(kāi)口鎖環(huán)；7—連接筒；8—膠筒Ⅰ；9—膠筒Ⅱ；10—心軸；11—下規(guī)環(huán)；12—上錐體；13—限位套；14—卡瓦筒；15—卡瓦；16—下錐體；17—導(dǎo)向頭；18—卡瓦彈簧。圖2 通孔橋塞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic structure of through-hole bridge plug

2.1.2 工作原理

將通孔橋塞上端與液壓坐封工具連接，向坐封工具加壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，液壓坐封工具推動(dòng)鎖定接頭，鎖定接頭推動(dòng)解封頭、鎖套接頭和鎖套下移，卡瓦先靠近套管壁，繼續(xù)下移，壓縮膠筒，膠筒壓縮好后，繼續(xù)加壓，直至卡瓦牙咬死套管壁。鎖套帶動(dòng)開(kāi)口鎖環(huán)下移至中心管外部鎖齒處，鎖定整個(gè)工具。

2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑：104 mm；

最小內(nèi)徑：36 mm；

總長(zhǎng)度：780 mm；

工作壓差：50 MPa；

工作溫度：150 ℃；

坐封壓力：18～20 MPa。

2.2 滑套閥

2.2.1 結(jié)構(gòu)

滑套閥主要由上接頭、限位套、滑套、卡環(huán)、限位環(huán)、滑閥套、外筒和下接頭組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—上接頭；2—限位套；3—盤(pán)根Ⅰ；4—滑套；5—卡環(huán)；6—限位環(huán)；7—緊定螺釘；8—盤(pán)根Ⅱ；9—滑閥套；10—剪釘；11—外筒；12—下接頭。圖3 滑套閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic structure of sleeve valve

2.2.2 工作原理

滑套閥上端連接通孔橋塞，下端連接壓控開(kāi)關(guān)閥，通過(guò)水泥車向井筒加壓，高壓流體進(jìn)入傳壓孔，流體在壓差作用下推動(dòng)滑套呈下移趨勢(shì)，最終剪切銷釘，滑套閥下移，露出環(huán)空過(guò)液孔。在下泵采油很長(zhǎng)一段時(shí)間后，如遇產(chǎn)量減少，很可能是壓控開(kāi)關(guān)閥堵塞，則可通過(guò)井筒加壓打開(kāi)滑套閥，露出環(huán)空循環(huán)孔，則可繼續(xù)進(jìn)行采油作業(yè)。

2.2.3 主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑：89 mm；

總長(zhǎng)度：540 mm；

工作壓差：50 MPa；

工作溫度：150 ℃；

打開(kāi)壓力：30～35 MPa。

2.3 壓控開(kāi)關(guān)閥

2.3.1 結(jié)構(gòu)

壓控開(kāi)關(guān)閥主要由上接頭、上外套、彈簧、上中心管、滑銷套、滑銷、活塞、O形密封圈、連接套、下外套、下中心管、閥罩、鋼球、球座和下接頭組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。

1—上接頭；2—上外套；3—彈簧；4—上中心管；5—滑銷套；6—滑銷；7—活塞；8—O形密封圈；9 —連接套；10—下外套；11—下中心管；12—閥罩；13—鋼球；14—球座；15—下接頭。圖4 壓控開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic structure of pressure-controlled switch valve

2.3.2 工作原理

壓控開(kāi)關(guān)閥上端連接滑套閥。當(dāng)需要壓控開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)時(shí)，從套管加壓，高壓流體推動(dòng)活塞和滑銷套上行，使滑銷沿上中心管的長(zhǎng)軌道上行，壓縮彈簧，當(dāng)液壓力達(dá)到一定壓力值時(shí)，滑銷到達(dá)長(zhǎng)軌道的上頂點(diǎn)。泄壓后，滑銷在彈簧力的作用下下行至短軌道的下頂點(diǎn)，打開(kāi)中心管的進(jìn)液孔，地層流體通過(guò)球座及閥罩流經(jīng)進(jìn)液孔進(jìn)入工具串內(nèi)部，通過(guò)泵抽出地面[14-15]。

當(dāng)需要壓控開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉時(shí)，從套管再次加壓，高壓流體推動(dòng)活塞和滑銷套上行，使滑銷到達(dá)短軌道的上頂點(diǎn)。泄壓后，滑銷在彈簧力的作用下下行至長(zhǎng)軌道的下頂點(diǎn)，同時(shí)推動(dòng)活塞下行，關(guān)閉中心管的進(jìn)液孔，關(guān)閉進(jìn)液通道，隔離工具串與地層流體。

2.3.3 主要技術(shù)參數(shù)

本體最大外徑：106 mm；

內(nèi)通徑：48 mm；

總長(zhǎng)度：1 050 mm；

工作壓差：50 MPa；

工作溫度：150 ℃；

換向打開(kāi)/關(guān)閉壓力：18～20 MPa。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)通孔橋塞解封機(jī)構(gòu)通過(guò)下入打撈工具，打撈矛卡瓦牙錨住解封頭內(nèi)壁，上提載荷，剪斷銷釘，實(shí)現(xiàn)解封。

(2)滑套閥盤(pán)根Ⅰ設(shè)置為兩個(gè)V形盤(pán)根對(duì)稱布置，且兩個(gè)V形盤(pán)根中間設(shè)置有中間擋環(huán)；卡環(huán)、限位環(huán)與兩個(gè)V形盤(pán)根設(shè)置在一起，保證在井底高溫高壓條件下，長(zhǎng)時(shí)間性能可靠，不易碳化失效。

(3)壓控開(kāi)關(guān)閥上中心管設(shè)計(jì)為長(zhǎng)、短軌道式，通過(guò)液壓力與彈簧力的共同作用，控制滑銷在長(zhǎng)、短軌道上交替滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中心管液流通道的打開(kāi)與關(guān)閉?；N在滑銷套的帶動(dòng)下，做軸向移動(dòng)和徑向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。壓控開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，可重復(fù)多次使用。

(4)不壓井完井工藝采用通孔橋塞封閉環(huán)空，壓控開(kāi)關(guān)閥暫閉油層的方式。壓控開(kāi)關(guān)閥通過(guò)井筒多次加壓實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉，調(diào)控采油流通通道，保證井口處于安全受控的保護(hù)狀態(tài)，有效避免了壓井液壓井。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 基本情況

截至2020年7月，套管壓裂井不壓井完井工藝在大港油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用4口井，其中井口最高壓力5.2 MPa，最大井斜91.2°，橋塞最大下入井深5 073 m，不壓井作業(yè)工藝成功率100%。套管壓裂井不壓井完井工藝的成功應(yīng)用，是套管壓裂井帶壓完井技術(shù)的又一次突破。

該工藝管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅實(shí)現(xiàn)了使用修井機(jī)下泵或后期小修檢泵作業(yè)時(shí)的不壓井作業(yè)，而且滿足了低成本不壓井完井工藝技術(shù)的需要，單井縮短施工周期4～6 d，有效避免了壓井液壓井，對(duì)油層無(wú)污染，保證了壓裂效果。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 套管壓裂井不壓井完井工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Field applications statistics of completion technique without killing in casing fracturing wells

4.2 典型井例

2020年1月12日，套管壓裂井不壓井完井工藝在大港油田G2井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在井口壓力5.1 MPa條件下，首先通過(guò)連續(xù)管底帶鉚釘連接器+單流閥+安全接頭+扶正器短節(jié)+坐封工具+?104 mm通孔橋塞×780 mm+?89 mm滑套閥×540 mm+?106 mm變扣×140 mm+?106 mm壓控開(kāi)關(guān)閥×1 050 mm+尾管(包括篩管)+絲堵。下到設(shè)計(jì)深度2 997 m，正加壓25 MPa坐封通孔橋塞，上提連續(xù)管工具串10 m，再下放連續(xù)管工具串加壓15 kN，復(fù)探通孔橋塞位置無(wú)變化。打開(kāi)套管閥門(mén)，觀察溢流25 min。無(wú)溢流顯示，說(shuō)明通孔橋塞坐封良好。之后關(guān)閉套管閥門(mén)。水泥車連接熱水罐車通過(guò)連續(xù)管正加壓25 MPa，穩(wěn)壓10 min，然后水泥車泄壓至0。打開(kāi)套管閥門(mén)，觀察有溢流顯示，繼續(xù)觀察20 min，溢流持續(xù)穩(wěn)定，說(shuō)明壓控開(kāi)關(guān)閥已打開(kāi)。之后關(guān)閉套管閥門(mén)。通過(guò)連續(xù)管正加壓25 MPa，穩(wěn)壓10 min，然后水泥車泄壓至0。打開(kāi)套管閥門(mén)，持續(xù)觀察溢流25 min，無(wú)溢流顯示，說(shuō)明壓控開(kāi)關(guān)閥已關(guān)閉，試驗(yàn)成功。然后通過(guò)修井機(jī)下入完井生產(chǎn)管柱，對(duì)井筒加壓25 MPa，打開(kāi)壓控開(kāi)關(guān)閥后進(jìn)行采油生產(chǎn)。

2020年6月18日，在井口壓力4.5 MPa條件下，需要上小修檢泵作業(yè)時(shí)，上水泥車先反洗井，然后打開(kāi)套管閥門(mén)，對(duì)井筒加壓25 MPa關(guān)閉壓控開(kāi)關(guān)閥，穩(wěn)壓10 min，然后水泥車泄壓至0。之后打開(kāi)套管閥門(mén)，持續(xù)觀察溢流25 min，無(wú)溢流顯示，說(shuō)明壓控開(kāi)關(guān)閥已關(guān)閉，之后小修進(jìn)行不壓井檢泵作業(yè)。G2井成功應(yīng)用套管壓裂井不壓井完井工藝，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，投產(chǎn)后最大日產(chǎn)液23.7 m3，最大日產(chǎn)油4.9 m3，達(dá)到了降本增效的施工目的。

5 結(jié) 論

(1)套管壓裂井不壓井完井工藝解決了套管壓裂井帶壓完井的問(wèn)題，通過(guò)通孔橋塞、滑套閥與壓控開(kāi)關(guān)閥三者之間的有效配合，調(diào)控采油的流通通道，使井口處于安全受控保護(hù)狀態(tài)，有效避免了壓井液壓井，對(duì)油層無(wú)污染，保證了壓裂作業(yè)效果，滿足了非常規(guī)油井套管壓裂后不壓井完井作業(yè)的需要。

(2)套管壓裂井不壓井完井工藝配套工具耐高溫、高壓，性能安全可靠。壓控開(kāi)關(guān)閥通過(guò)井筒加壓實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉，控制壓力低，可重復(fù)多次使用。滑套閥解決了壓控開(kāi)關(guān)閥一旦遇堵則不能保持連續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題。

(3)套管壓裂井不壓井完井工藝管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通孔橋塞封閉環(huán)空，壓控開(kāi)關(guān)閥暫閉油層，對(duì)儲(chǔ)層起到了很好的隔離保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)了使用修井機(jī)下泵或后期小修檢泵作業(yè)時(shí)的不壓井作業(yè)，滿足了低成本不壓井完井工藝技術(shù)的需要。該工藝不僅適用于有桿泵完井工藝，而且適用于電泵完井工藝，具有良好的推廣應(yīng)用前景。