無限級(jí)固井滑套分壓工具研制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

劉海龍, 趙文龍, 孫 新, 孟劍波, 王 磊, 田志華, 韓光耀

(1.新疆油田公司 工程技術(shù)研究院, 新疆 克拉瑪依834000; 2.新疆油田公司 新疆昆侖工程咨詢公司, 新疆 克拉瑪依834000; 3.新疆油田公司 開發(fā)公司, 新疆 克拉瑪依834000)

非常規(guī)油氣由于具有儲(chǔ)層致密、物性差和豐度低等特點(diǎn),采用常規(guī)開采技術(shù)無法達(dá)到有效開發(fā)的目的。分層壓裂是實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣藏均勻充分改造、提高油氣井產(chǎn)量的主要措施之一[1-5]。隨著油田勘探開發(fā)的深入,儲(chǔ)層物性逐漸變差,對(duì)精細(xì)分層改造需求越來越高,分壓層數(shù)、施工排量和加砂量不斷增大,傳統(tǒng)的油管封隔器+投球滑套分壓管柱工藝逐漸暴露出處理層數(shù)不足、管柱工具沖蝕嚴(yán)重、壓后管柱斷脫、封隔器砂卡風(fēng)險(xiǎn)大等問題[6-7]。

近年來,國(guó)內(nèi)外先后開展了無限級(jí)固井滑套分壓工藝研究。趙銘[8]等對(duì)比了橋塞射孔聯(lián)作和無限級(jí)固井滑套2種分壓工藝的優(yōu)缺點(diǎn),固井滑套工藝在水馬力需求、作業(yè)效率、產(chǎn)量等方面具有優(yōu)勢(shì);李梅、楊文波、王湯等[9-11]闡述了固井滑套工藝原理、在國(guó)內(nèi)油氣田的應(yīng)用情況及現(xiàn)場(chǎng)異常工況應(yīng)對(duì)措施;朱和明[12]研制了1種可開關(guān)固井滑套,并開展了球座高壓密封及耐沖蝕技術(shù)、反復(fù)過孔高壓密封技術(shù)、滑套鎖緊限位技術(shù)、開關(guān)工具定壓節(jié)流啟動(dòng)技術(shù)、開關(guān)顯示技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究;羅建偉等[13]設(shè)計(jì)了1種可實(shí)現(xiàn)液壓開啟和機(jī)械關(guān)閉的固井滑套以及配套的關(guān)閉工具,在室內(nèi)測(cè)試成功。新疆油田于2017年引進(jìn)了無限級(jí)固井滑套分壓技術(shù),在水平井中開展現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn),取得了較好的應(yīng)用效果[14]。但是,進(jìn)口工具的費(fèi)用高昂,不利于在直井、定向井中推廣。為此,新疆油田公司開展了無限級(jí)固井滑套分壓工具的研制及試驗(yàn),以降低工具成本,實(shí)現(xiàn)低滲致密油氣藏直井、定向井的充分改造和效益開發(fā)。

1 管柱結(jié)構(gòu)及工藝

油層套管下入前,根據(jù)電測(cè)結(jié)果分析確定各級(jí)固井滑套下入位置,然后將固井滑套與油層套管一起下入,并固井、完井,如圖1所示。壓裂作業(yè)時(shí),通過連續(xù)油管下入如圖2所示的滑套開啟工具串,自下而上依次開啟各級(jí)滑套,進(jìn)行分層壓裂。壓裂結(jié)束后,提出連續(xù)油管和滑套開啟工具串,即可放噴投產(chǎn)。

1-油層套管;2-固井滑套;3-浮鞋(浮箍)。

1) 導(dǎo)向頭。端部為球面或楔形結(jié)構(gòu),周向設(shè)置扶正塊,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能,便于工具串下入。

2) 泄流短節(jié)?？籽厶幯b有破裂盤。開啟第1級(jí)滑套時(shí),破裂盤爆破,為液體提供泄壓通道,利于封隔器下行。

3) 滑套定位器。采用機(jī)械定位方式。本體上設(shè)置定位塊,并沿軸向開槽,使其具有彈性?；锥ㄎ黄鹘?jīng)過滑套內(nèi)部變徑處時(shí),定位塊張并開嵌入。脫離時(shí)需要增加一定拉力,使定位塊收縮,此時(shí)可通過地面連續(xù)油管懸重變化判斷滑套位置。

4) 封隔器。通過上提、下放連續(xù)油管,進(jìn)行坐封、解封。坐封在滑套內(nèi)筒后,在上部加壓產(chǎn)生活塞效應(yīng),封隔器卡瓦卡住,推動(dòng)內(nèi)筒下行并開啟滑套。同時(shí),該封隔器封隔下部層段,避免段間干擾。

5) 平衡閥。通過上提打開,下壓關(guān)閉。封隔器坐封時(shí)關(guān)閉,隔離下部地層壓力;封隔器解封時(shí),連續(xù)油管上提,打開平衡閥(因開關(guān)機(jī)構(gòu)截面積較小,開啟所需克服液注壓力的上拉力較小),平衡膠筒上下壓差,便于封隔器解封。

6) 噴槍。由高硬度本體和耐磨噴嘴組成。液體在噴嘴的截流下形成高速射流流體,在固井滑套無法開啟時(shí)可進(jìn)行噴砂射孔,免丟段。同時(shí),在壓裂過程中用于連續(xù)油管補(bǔ)液,避免環(huán)空壓裂砂進(jìn)入連續(xù)油管。

7) 扶正器。與引鞋、定位器彈性定位塊配合,使工具串保持相對(duì)居中,防止下入過程中發(fā)生磨損。

8) 安全接頭。工具串因沉沙、套管變形等影響而無法順利提出時(shí),可通過增大連續(xù)油管上拉力,剪斷安全接頭上的銷釘,實(shí)現(xiàn)分離。提出連續(xù)油管及上部工具后,再進(jìn)行落魚打撈。

9) 連續(xù)油管連接器。用于連接連續(xù)油管和下部工具串,按結(jié)構(gòu)可分為外卡瓦式、內(nèi)卡瓦式、螺釘式等。

2 配套工具研制

2.1 無限級(jí)固井滑套

無限級(jí)固井滑套結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由上接頭、內(nèi)滑套、連接筒、下接頭等組成。上接頭設(shè)計(jì)6道條形通孔,作為壓裂端口。壓裂時(shí),滑套開啟工具帶動(dòng)內(nèi)滑套下行,露出孔道,可進(jìn)行環(huán)空加砂壓裂。壓裂端口總過流面積與油層套管內(nèi)截面積相近,壓裂過程中不會(huì)產(chǎn)生孔眼節(jié)流壓差而導(dǎo)致施工壓力增大?；组_啟前,內(nèi)滑套下部與下接頭連接形成的臺(tái)階作為滑套定位槽?；锥ㄎ黄鹘?jīng)過時(shí),通過拉力變化確定滑套位置。無限級(jí)固井滑套設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.2 滑套開啟工具

無限級(jí)固井滑套開啟工具串結(jié)構(gòu)如圖4所示。因連續(xù)油管連接器和安全接頭是連續(xù)油管作業(yè)的必備工具,施工隊(duì)伍均已成熟配備。因此,本文主要研制了扶正器、噴槍、平衡閥、封隔器、滑套定位器、泄流短節(jié)和導(dǎo)向頭共7種滑套開啟關(guān)鍵配套工具。設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

1-扶正器;2-噴槍;3-平衡閥;4-封隔器;5-滑套定位器;6-泄流短節(jié);7-導(dǎo)向頭。

圖5 無限級(jí)固井滑套室內(nèi)承壓試驗(yàn)曲線

1) 扶正器。由兩端扶正塊和中間短節(jié)通過螺紋連接組成,便于扶正塊加工,同時(shí)當(dāng)扶正塊發(fā)生磨損時(shí)可單獨(dú)更換,降低工具維護(hù)成本。

2) 噴槍。包含4個(gè)噴嘴。本體外部裝有硬質(zhì)合金保護(hù)套,在滑套無法正常開啟并進(jìn)行噴砂射孔時(shí),可以保護(hù)噴槍不受返濺沖蝕損傷。

3) 平衡閥。內(nèi)部閥桿設(shè)計(jì)排砂槽,壓裂后可通過循環(huán)液體將沉降在閥內(nèi)的砂子沖出,避免開關(guān)困難及密封失效。

4) 封隔器。通過上、提下放管柱,實(shí)現(xiàn)坐封、解封。設(shè)計(jì)坐封力約為20～30 kN,當(dāng)井斜或狗腿度較大時(shí),連續(xù)油管仍可施加足夠的坐封壓力。

5) 滑套定位器。最大外徑大于套管內(nèi)徑,下入過程中與套管壁緊貼,可收縮至與開啟工具串其他工具最大外徑一致,不影響正常下入,定位掛卡力約5 kN±2 kN ,可在地面明顯觀察到連續(xù)油管懸重變化。

6) 泄流短節(jié)。安全2個(gè)破裂盤,破裂壓力10 MPa±0.5 MPa,低于固井滑套開啟壓力。

7) 導(dǎo)向頭。端部為球面結(jié)構(gòu),周向設(shè)置6個(gè)扶正塊,最大外徑與扶正器一致。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 滑套承壓試驗(yàn)

將無限級(jí)固井滑套一端用堵頭封堵,另一端連接打壓接頭。加壓至70 MPa,穩(wěn)壓30 min無滲漏,如5所示,表明滑套承壓性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 滑套開啟試驗(yàn)

設(shè)計(jì)了無限級(jí)固井滑套開啟試驗(yàn)工裝(如圖6所示),可以實(shí)現(xiàn)開啟工具串在滑套內(nèi)移動(dòng)、封隔器坐封和環(huán)空打壓功能。將固井滑套、開啟工具、試驗(yàn)工裝連接好,置于臥式拉壓試驗(yàn)裝置中(如圖7所示),上提滑套開啟工具,重復(fù)2次,經(jīng)過滑套定位槽時(shí)拉力變化分別為4 kN 和6 kN ;下放到施加壓力20 kN,滑套開啟工具無位移,表明封隔器已坐封。連接加壓管線,加壓至11.73 MPa時(shí)壓力突降,如圖8所示,同時(shí)滑套壓裂端口出水,表明開啟工具定位,坐封及滑套開啟性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖7 無限級(jí)固井滑套室內(nèi)開啟試驗(yàn)裝置

圖8 無限級(jí)固井滑套室內(nèi)開啟試驗(yàn)曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過程

研制的無限級(jí)固井滑套分壓工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井,分8個(gè)層位壓裂,滑套全部成功開啟,壓裂施工成功率100%。以5DXX37井為例,該井完鉆井深1 903 m,設(shè)計(jì)分6層壓裂改造,平均層間距21.08 m,施工排量3.5～5.0 m3/min,總加砂量70 m3。固井滑套順利入井并完成固井作業(yè),各級(jí)滑套平均開啟壓差13.7 MPa,平均轉(zhuǎn)層時(shí)間(上一層壓裂施工結(jié)束至下一層壓裂施工開始時(shí)間)13.4 min,1 d內(nèi)完成全井6層壓裂施工,并按設(shè)計(jì)完成加砂量。提出開啟工具檢查,定位器、封隔器均未見明顯損傷,具備重復(fù)使用條件。5DXX37井試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 5DXX37井無限級(jí)固井滑套現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 生產(chǎn)效果分析

5DXX37井壓后自噴生產(chǎn)平均日產(chǎn)油4.5 t,51 d累計(jì)產(chǎn)油231 t,平均含水率37%。與同區(qū)塊鄰井采用暫堵分壓和封隔器+投球滑套分壓工藝相比,平均日產(chǎn)油量提高2.2～2.7倍,平均含水率降低27%～35%,如表4所示。生產(chǎn)效果對(duì)比表明,無限級(jí)固井滑套分壓工藝各層均得到充分改造;無限級(jí)固井滑套分壓工藝采用定點(diǎn)壓裂方式,改造位置精準(zhǔn),可以避免裂縫規(guī)模失控導(dǎo)致溝通水層。

表4 不同分壓工藝壓后生產(chǎn)效果對(duì)比

5 結(jié)論

1) 研制了適用于139.7 mm(5.5 in)套管的無限級(jí)固井滑套及配套開啟工具。試驗(yàn)證明,滑套密封及開啟性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

2) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及壓后效果表明,無限級(jí)固井滑套具有施工排量大、作業(yè)效率高、壓后井筒全通徑、儲(chǔ)層改造精準(zhǔn)充分等優(yōu)勢(shì),是致密油氣藏高效開發(fā)的有效技術(shù)。

3) 研制的無限級(jí)固井滑套工具的成本相比引進(jìn)工具大幅降低(70%以上),但連續(xù)油管設(shè)備動(dòng)遷及施工費(fèi)用較高。該技術(shù)適宜在分壓層數(shù)較多的直井、定向井中應(yīng)用,以降低單層改造成本。