連續(xù)油管壓裂用平衡閥優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉海龍,祝 歡,韓子建,杜軍軍,金成洪,韓光耀,南榮麗

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院,新疆 克拉瑪依834000;2.中國(guó)石油新疆油田分公司 儲(chǔ)氣庫(kù)有限公司,新疆 克拉瑪依834000;3.中國(guó)石油新疆油田分公司 石西油田作業(yè)區(qū),新疆 克拉瑪依834000)

水平井分段壓裂是目前經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的致密油氣藏最為有效和成功的體積壓裂改造技術(shù),水平井分段壓裂技術(shù)的突破和大面積推廣應(yīng)用使得非常規(guī)油氣藏得到了有效開(kāi)發(fā)。其中橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂工藝因其具有施工排量大、分壓段數(shù)不受限制、可實(shí)現(xiàn)多簇壓裂等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為國(guó)內(nèi)外水平井分段改造的主體技術(shù)[1-3]。但在強(qiáng)非均質(zhì)、近底水和低壓易漏儲(chǔ)層中,橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂工藝存在部分射孔簇未充分改造、部分射孔簇裂縫過(guò)度延伸溝通水層導(dǎo)致高含水以及鉆塞過(guò)程中無(wú)法建立循環(huán)導(dǎo)致卡鉆事故等風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝研究應(yīng)用,通過(guò)連續(xù)油管下入由定位器、封隔器、平衡閥、噴槍等組成的井下工具管串,逐級(jí)噴砂射孔或開(kāi)啟滑套進(jìn)行分段壓裂[7-12]。

連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝的核心是井下工具,其使用壽命和施工安全性不足將導(dǎo)致提下管柱更換工具延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間或井下事故,直接影響現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、效率和成本。工具性能主要包括定位器抗磨損性能與彈性、封隔器重復(fù)坐封解封性能、平衡閥多次開(kāi)關(guān)及密封性能以及噴槍噴嘴耐磨及與本體抗返濺沖蝕性能等。為提高連續(xù)油管壓裂井下工具性能,國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了理論研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。羅建偉等[13]設(shè)計(jì)了一種固井滑套液壓關(guān)閉工具,降低了復(fù)雜井況中工具遇卡無(wú)法脫開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn);張道鵬[14]等設(shè)計(jì)了封隔器、平衡閥、定位器等井下工具,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證具有工具坐封、密封可靠,可反沖砂解卡等特點(diǎn);楊林[15]對(duì)封隔器膠筒、卡瓦、摩擦塊等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了坐封成功率和防砂卡性能;韓婧[16]優(yōu)選了噴槍本體及噴嘴材料,提高了耐磨及抗沖蝕性能,同時(shí)開(kāi)展了平衡閥正反循環(huán)流體力學(xué)分析,優(yōu)化了循環(huán)孔位置和角度,以提高沖砂解堵效果。本文主要通過(guò)對(duì)平衡閥進(jìn)行插入密封總成和閥桿排砂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高多次開(kāi)關(guān)安全性和密封可靠性,同時(shí)降低工具維護(hù)成本。

1 技術(shù)分析

1.1 工作原理

連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝井下工具主要由平衡閥、封隔器、接箍或滑套定位器等組成,如圖1所示。首先通過(guò)定位器判斷套管接箍或固井滑套位置,調(diào)整工具串至設(shè)計(jì)改造位置后下壓連續(xù)油管坐封封隔器、關(guān)閉平衡閥,對(duì)封隔器上部噴砂射孔或開(kāi)啟滑套后進(jìn)行環(huán)空加砂壓裂。壓裂結(jié)束后上提連續(xù)油管開(kāi)啟平衡閥,封隔器上下連通壓力平衡,便于膠筒回縮;同時(shí)可通過(guò)環(huán)空泵液方式將封隔器上部沉砂通過(guò)平衡閥插入密封通道沖洗至封隔器下部,便于封隔器順利解封。上提工具串至下一層段重復(fù)上述操作進(jìn)行分段壓裂,全井壓裂結(jié)束后提出連續(xù)油管及工具串即可放噴投產(chǎn)。其中平衡閥是連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝井下工具的重要組成部分,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-平衡閥;2-封隔器;3-滑套定位器;4-導(dǎo)向頭。圖1 連續(xù)油管分壓工藝井下工具結(jié)構(gòu)

圖2 平衡閥開(kāi)關(guān)示意

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平衡閥主要由上接頭、壓帽、閥桿、插入密封總成、外筒等組成,如圖3所示。組裝時(shí)首先將壓帽套入上接頭,然后將裝好插入密封總成的閥桿與上接頭通過(guò)螺紋連接并裝入防松螺釘固定,最后套入外筒并與壓帽連接。平衡閥關(guān)閉時(shí)(即閥桿插入至外筒內(nèi)臺(tái)階孔中)通過(guò)閥桿與外筒內(nèi)部的臺(tái)階限位,開(kāi)啟時(shí)通過(guò)閥桿和上接頭連接形成的臺(tái)階與壓帽限位。外筒上設(shè)計(jì)4個(gè)圓形和4道條形通孔作為液體流動(dòng)通道。平衡閥設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,該平衡閥適用于外徑?114.3～?139.7 mm的套管中分段壓裂。

表1 平衡閥設(shè)計(jì)參數(shù)

1-上接頭;2-壓帽;3-防松螺釘;4-閥桿;5-插入密封總成;6-外筒。

每層壓裂施工結(jié)束后,若停泵壓力顯著高于上一層,則上提解封封隔器需克服封隔器上下壓差作用力,相比正常狀態(tài)下所需解封力增加。

F-F0=(p1-p2)·S×10-3

(1)

式中:F為封隔器解封實(shí)際所需拉力,kN;F0為封隔器原始解封力,kN;p1為封隔器上部壓力,MPa;p2為封隔器下部壓力,MPa;S為封隔器上下壓差作用面積,mm2。

以?139.7 mm×10.54 mm套管為例,若不使用平衡閥,則壓差作用面積即為套管內(nèi)截面積,取封隔器上下壓差10 MPa帶入式(1)計(jì)算,可得需要增加解封拉力110 kN。使用平衡閥時(shí)開(kāi)啟平衡閥后封隔器上下即壓力平衡,而在開(kāi)啟平衡閥過(guò)程中壓差作用面積為插入密封孔內(nèi)截面積,按上述參數(shù)計(jì)算可得只需增加拉力9 kN,降低約92%,大幅降低了高壓差下封隔器解封難度。

1.3 插入密封優(yōu)化設(shè)計(jì)

平衡閥多次開(kāi)關(guān)及密封能力是其最核心技術(shù)指標(biāo),為此,對(duì)平衡閥插入密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖4所示。插入密封總成由密封套、防沖套、鎖帽等組成。防沖套通過(guò)平衡閥下部連接的封隔器固定在外筒內(nèi)部臺(tái)階上并通過(guò)O型橡膠圈密封,內(nèi)壁采用滲碳淬火處理,硬度≥HRC60,提高了表面耐磨性能。密封套通過(guò)鎖帽固定在閥桿上并通過(guò)O型橡膠圈密封,對(duì)外壁同樣進(jìn)行滲碳淬火處理以提高耐磨性能。密封套外部采用硫化工藝將密封圈固定,防止在平衡閥多次開(kāi)關(guān)過(guò)程中脫落導(dǎo)致密封失效。同時(shí)當(dāng)平衡閥經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用無(wú)法密封時(shí),可通過(guò)單獨(dú)更換密封套、防沖套和密封圈恢復(fù)密封能力,大幅降低了工具維護(hù)保養(yǎng)成本。

1-O型密封圈;2-密封套;3-防沖套;4-外筒;5-硫化橡膠密封圈;6-防松螺釘;7-鎖帽;8-閥桿。

1.4 排砂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

壓裂過(guò)程中不可避免地會(huì)造成砂粒沉降,若砂粒夾在閥桿和外筒之間的縫隙內(nèi)將導(dǎo)致平衡閥開(kāi)關(guān)困難及嚴(yán)重磨損。為此,設(shè)計(jì)了如圖5所示的排砂結(jié)構(gòu),閥桿上含有兩個(gè)循環(huán)通孔,同時(shí)圓周方向分布12道排砂槽,一方面減小了閥桿與外筒的接觸面積,降低了砂?？ㄔ诳p隙中的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)當(dāng)平衡閥內(nèi)部沉砂時(shí)可通過(guò)正反循環(huán)將砂粒自循環(huán)孔和排砂槽沖至環(huán)空或管內(nèi),便于閥桿順利移動(dòng)實(shí)現(xiàn)平衡閥開(kāi)關(guān)。

圖5 平衡閥閥桿排砂結(jié)構(gòu)示意

2 室內(nèi)試驗(yàn)

壓裂作業(yè)過(guò)程中,平衡閥關(guān)閉狀態(tài)下與下部封隔器、套管及井口共同形成封閉空間,室內(nèi)試驗(yàn)條件下對(duì)平衡閥上部試壓檢驗(yàn)其密封性所需工具設(shè)備較多。為降低室內(nèi)試驗(yàn)難度,設(shè)計(jì)了如圖6所示的試壓接頭。將試壓接頭連接至平衡閥下部固定防沖套,如圖7所示。通過(guò)拉壓機(jī)反復(fù)開(kāi)關(guān)平衡閥50次后,將平衡閥處于關(guān)閉狀態(tài)并通過(guò)拉壓機(jī)夾緊固定防止開(kāi)啟。連接液壓管線至試壓接頭,反向逐級(jí)打壓至70 MPa,穩(wěn)壓30 min無(wú)滲漏,如圖8所示,表明平衡閥多次開(kāi)關(guān)后承壓密封性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的條件。

圖6 平衡閥試壓接頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 平衡閥與試壓接頭試驗(yàn)樣機(jī)

圖8 平衡閥室內(nèi)承壓試驗(yàn)曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的平衡閥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井8層,施工成功率100%。

以5DXX37井為例,該井完鉆井深1 903 m,設(shè)計(jì)采用無(wú)限級(jí)固井滑套工藝分6層壓裂改造。將定位器、封隔器、平衡閥等工具連接至連續(xù)油管下入井中自下而上進(jìn)行分層壓裂。各層作業(yè)過(guò)程中平衡閥開(kāi)關(guān)正常、密封可靠,一趟管柱順利完成全井固井滑套開(kāi)啟和分層壓裂施工,施工排量3.5～5.0 m3/min,最大施工壓力35 MPa,封隔器上下最大壓差7 MPa,入井液量756 m3,總加砂量70 m3,如表2所示。全井平均轉(zhuǎn)層時(shí)間(上一層壓裂施工結(jié)束至下一層壓裂施工開(kāi)始時(shí)間)僅13.4 min,一天內(nèi)完成全井6層壓裂施工。壓后提出工具檢查發(fā)現(xiàn)平衡閥本體、閥桿及密封件均未見(jiàn)明顯損傷,具備重復(fù)使用條件。

表2 5DXX37井無(wú)限級(jí)固井滑套現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1) 通過(guò)插入密封結(jié)構(gòu)和密封面處理工藝優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了平衡閥開(kāi)關(guān)過(guò)程中密封可靠性,同時(shí)可單獨(dú)更換易損部件,降低了工具維護(hù)保養(yǎng)成本。

2) 設(shè)計(jì)了閥桿排砂結(jié)構(gòu),可以通過(guò)正反循環(huán)沖出平衡閥內(nèi)壓裂沉砂,提高了平衡閥開(kāi)關(guān)可靠性并降低磨損,保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全和效率。

3) 室內(nèi)密封試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)成功試驗(yàn)表明,優(yōu)化設(shè)計(jì)的平衡閥開(kāi)關(guān)正常且多次開(kāi)關(guān)后密封可靠,可以滿足水平井多級(jí)壓裂使用需求。