Y管壓裂生產(chǎn)一體化管柱工藝及配套工具研究

針對常規(guī)壓裂管柱壓裂后需先起壓裂管柱，再下入電潛泵生產(chǎn)管柱，壓裂與返排間隔時間過長增加壓裂液污染儲層的風險，且其無法批量壓裂，作業(yè)成本高等問題，研究了Y管壓裂生產(chǎn)一體化管柱工藝。通過在Y接頭內(nèi)預置密封隔套的方式防止砂液進入電泵，壓裂后通過鋼絲作業(yè)可將密封隔套撈走，不影響后期的啟泵。為了壓裂時可監(jiān)測環(huán)空壓力同時保證電潛泵的順利運行，研發(fā)了液控穿越隔離封隔器，該封隔器在壓裂時不坐封，壓裂后通過向地面的液控管線加液壓完成該封隔器的坐封。通過對預置Y接頭密封隔套總成進行數(shù)模和物模分析，得到該工具壓裂后的打撈上提力約為2.65 kN?，F(xiàn)場應用結(jié)果表明，該封隔器通過液控管線坐封，可減少2趟鋼絲作業(yè)，縮短井口占用時間，也適用于設(shè)備不足的無人平臺。研究結(jié)果可為我國海洋石油裝備提供更多選擇。

壓裂生產(chǎn)；一體化管柱；Y管生產(chǎn)井；預制密封隔套；彈性機構(gòu)打撈

中圖分類號：TE934

文獻標識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.009

基金項目：中國海洋石油集團有限公司“十四五”重大科研項目所屬課題“海上大型壓裂工程技術(shù)研究”（KJGG2022-0704）；中海油能源發(fā)展級科研基金項目“增儲上產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)/產(chǎn)品研究重大專項”（HFKJ-ZX-GJ-2023-02）部分成果。

Technology and Support Tools of Y-Pipe

Fracturing-Production Integrated String

Wu Jianshu1" Wu Guangai1" Ji Juxiang2" Li Zhun1" Zhang Yunchi2" Chen Zhengrong1" Liu Peng2

（1.CNOOC Research Institute Co.，Ltd.；2.CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.，Ltd.）

In conventional fracturing，the fracturing string is pulled out of hole，and then the electrical submersible pump （ESP） production string is run in hole.In this process，the time interval between fracturing and flowback is long，imposing a higher risk of reservoir damage by fracturing fluid.Moreover，fracturing cannot be conducted in batches，resulting in high operation costs.To solve these problems，a Y-pipe fracturing-production integrated string was designed.The sand fluid was prevented from entering the ESP by presetting a sealing spacer in the Y-joint.After fracturing，the sealing spacer was fished by wireline，without affecting the later pump start-up.In order to monitor the annulus pressure during hydraulic fracturing and ensure the trouble-free operation of the ESP，a hydraulic control crossing isolation packer was developed.This packer was not set during fracturing，but set by applying hydraulic pressure to the surface hydraulic control pipeline after fracturing.Numerical and physical simulations were conducted on the sealing spacer assembly preset in the Y-joint，obtaining the post-fracturing fishing pick up force of the tool as about 2.65 kN.Field applications show that the packer is set by hydraulic control pipeline，can reduce two wireline operations and minimize wellhead occupation time，and is also suitable for unmanned platforms with insufficient equipment.The research results provide more choices for offshore petroleum equipment in China.

fracturing；integrated string；Y-pipe production well；prefabricated sealing spacer；elastic mechanism fishing

0 "引" 言

對于低滲致密砂巖儲層，壓裂是常用增產(chǎn)方式［1-2］。對于海上Y管電泵井，如需要增產(chǎn)壓裂，現(xiàn)有工藝是先下入壓裂管柱，壓裂作業(yè)完成后，提出壓裂管柱，再下入帶有電潛泵的Y管生產(chǎn)管柱［3-4］，進行后期的返排及生產(chǎn)作業(yè)，換管柱施工過程較長，壓裂與返排間隔時間過長，導致壓裂液污染儲層［5-6］。另外，當多口井進行壓裂施工時，壓裂后需逐井起出壓裂管柱，再逐井下入電泵生產(chǎn)管柱，無法實現(xiàn)批量作業(yè)，對于無鉆機平臺，鉆井船需要長時間待命，施工成本較高［7-9］。

吳建樹，等：Y管壓裂生產(chǎn)一體化管柱工藝及配套工具研究

鑒于上述問題，對常規(guī)壓裂管柱和電潛泵生產(chǎn)管柱進行改進，提出了Y管壓裂生產(chǎn)一體化管柱工藝。該工藝將生產(chǎn)管柱和壓裂管柱進行集成，通過控制過電纜封隔器的坐封順序，實現(xiàn)壓裂時可監(jiān)控壓裂情況，生產(chǎn)時保證電泵的沉沒度，最終實現(xiàn)多井次連續(xù)壓裂作業(yè)、壓裂后快速返排，最大限度地減輕儲層污染，降低作業(yè)成本。

1" 壓裂生產(chǎn)一體化管柱

1.1" 管柱工藝原理

壓裂生產(chǎn)一體化管柱如圖1所示，主要包括井下安全閥、過電纜封隔器、Y接頭預制密封隔套總成（包括Y接頭和密封隔套）、電潛泵、循環(huán)滑套、水力錨、懸掛封隔器、投球壓裂滑套、分層封隔器等設(shè)備。

Y接頭采用三通結(jié)構(gòu)，上分支和下分支分別連接油管串，側(cè)分支連接電潛泵［10-11］。下井前Y接頭內(nèi)下入預制密封隔套，該密封隔套可將側(cè)分支的電潛泵與其他2個分支封隔。壓裂時通過逐級投球開啟滑套的方式實現(xiàn)分層壓裂，壓裂液直接從上分支的油管串進入Y接頭，然后順著預制密封隔套流入下分支的油管串中，避免高壓壓裂液進入電潛泵內(nèi)損傷泵頭。壓裂完成后，可進行初步返排，將前期帶有支撐劑的返排液返排到井口；然后通過鋼絲作業(yè)將預制的密封隔套撈出井口，并投入生產(chǎn)堵塞器，此時啟動電潛泵可以繼續(xù)進行生產(chǎn)液的返排和生產(chǎn)。由于壓裂后無需鉆機下生產(chǎn)管柱，所以對于無鉆機平臺可以縮短鉆井船的等候時間，大幅降低施工成本。

1.2" 施工工序

壓裂生產(chǎn)一體化管柱施工工序主要有5步：①下入壓裂管柱，下入的壓裂生產(chǎn)一體化工藝管柱可分2趟，也可分1趟完成。如果分2趟管柱則先通過鉆桿將懸掛封隔器、投球壓裂滑套和分層封隔器1趟下入井底預定深度，投球加壓坐封懸掛封隔器和分層封隔器，并丟手；第2趟是將帶有井下安全閥、過電纜封隔器、Y接頭、電潛泵、循環(huán)滑套和插入密封的管柱插入懸掛封隔器密封筒內(nèi)。如果井斜較小，則可以將2趟并作1趟，即將插入密封與懸掛封隔器密封筒通過左旋方扣連接，不影響壓裂和生產(chǎn)，后期修井時可以右旋管柱實現(xiàn)插入密封與懸掛封隔器的脫手。

②分層壓裂作業(yè)，通過逐級投球開啟滑套的方式進行分層壓裂作業(yè)，并返排。

③鋼絲作業(yè)打撈Y接頭內(nèi)的預制密封隔套。

④通過液控管線坐封液控穿越隔離封隔器。

⑤投堵塞器，啟動電潛泵，繼續(xù)返排和后續(xù)生產(chǎn)。

1.3" 技術(shù)特點

（1）該管柱工藝適用于井底溫度不超過180 ℃、油藏套管外徑為244.5 mm的大套管井，且具有70 MPa以上的井口限壓值。

（2）該管柱內(nèi)油管串外徑以114.3 mm為主，壓裂時可以滿足最大8 m3/min的施工排量。

（3）壓裂管柱和生產(chǎn)管柱一趟下入，可實現(xiàn)快速返排和生產(chǎn)作業(yè)，同時可以實現(xiàn)批量化作業(yè)，大幅降低施工成本。

2" 關(guān)鍵零部件設(shè)計及分析

2.1" Y接頭預置密封隔套總成

2.1.1" 結(jié)構(gòu)及工作原理

Y接頭預置密封隔套總成主要包括上密封筒、Y接頭、密封隔套和下密封筒，如圖2所示。其中密封隔套在管柱下入前，提前預制于Y接頭內(nèi)部。密封隔套包括3部分，從上向下分別是打撈部分、定位部分和封隔器部分。打撈部分可以與GS打撈工具配合實現(xiàn)打撈，打撈部分下方有6個橢圓孔結(jié)構(gòu)，用于防止壓裂過程密封隔套與上密封筒之間留有砂子，影響密封隔套的打撈。密封隔套的定位部分具有彈性機構(gòu)結(jié)構(gòu)，彈性機構(gòu)與上密封筒凹槽配合固定，防止管柱下入過程密封隔套脫離Y接頭。密封隔套的密封部分分別與上密封筒和下密封筒配合，防止高壓壓裂液進入Y接頭的側(cè)分支而損壞電潛泵。

2.1.2" 技術(shù)參數(shù)

Y接頭預置密封隔套總成技術(shù)參數(shù)為：適用套管直徑為244.5 mm，溫度等級為180 ℃，最大外徑為215 mm，最小內(nèi)通徑為48 mm，整體密封壓力為7×107 Pa，打撈上提力為200～300 kN，Y接頭上分支扣型為95.2 mm EUB，Y接頭下分支扣型為78.6 mm EUB，Y接頭側(cè)分支扣型為78.6 mm EUB。

2.1.3" 打撈力數(shù)模和物模分析

（1）數(shù)模分析。

壓裂后，由于Y接頭預置密封隔套總成需要被撈出工作筒，打撈上提力依靠彈性機構(gòu)來實現(xiàn)。為了分析彈性機構(gòu)與打撈上提力的關(guān)系，建立了彈性機構(gòu)結(jié)構(gòu)模型，考慮彈性機構(gòu)為周向均布，結(jié)構(gòu)具有對稱性，取1/6模型作為計算模型，如圖3所示。其中彈性機構(gòu)的懸臂梁寬度為8 mm，厚度為5.5 mm，長度為65 mm，凸起厚度為7.6 mm，凸起長度為15 mm，凸起上、下與中心線夾角分別為45°和20°。

對模型進行四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為161 727，最低網(wǎng)格質(zhì)量0.32。設(shè)置彈性機構(gòu)為彈性體，上密封筒為剛體，接觸類型為摩擦接觸，摩擦因數(shù)0.2；接觸算法為Augmented Lagrange，上密封筒施加固定約束，對預置隔套施加位移載荷。

打撈上提過程中，彈性機構(gòu)發(fā)生變形，最大變形下的應力云圖如圖4所示，彈性機構(gòu)根部處應力最大達到800 MPa。接著計算位移載荷沿水平方向的打撈力，根據(jù)圖5結(jié)果分析，單個最大力為782.11 N，該力量為單爪打撈力，預置隔套總計有3個彈性機構(gòu)，因此總打撈力為2 346.33 N，滿足設(shè)計要求。

（2）物模分析。

在室內(nèi)對加工后的Y接頭預置密封隔套總成進行70 MPa的整體耐壓測試后，進行打撈上提力測試，即測試密封隔套脫離Y接頭上下密封筒的力值。

打撈力測試是將Y接頭預制隔套總成的下密封筒下方的螺紋裝上加壓頭，同時投入鋼球，鋼球與密封隔套下端斜面配合密封，將Y接頭預制隔套總成進行180°旋轉(zhuǎn)，原理如圖6所示。

向加壓頭加壓，當壓力達到0.74 MPa時，密封隔套從Y接頭脫離出來，密封隔套外徑為68 mm，密封隔套脫離Y接頭力值為2 686.1 N，與模擬值的符合率達到87.4%。

2.2" 液控穿越隔離封隔器

2.2.1" 結(jié)構(gòu)原理

液控穿越隔離封隔器依靠側(cè)面液控管線坐封，壓裂時，油管內(nèi)有壓力。該封隔器不會坐封，不會將油套環(huán)空壓力封隔，環(huán)空壓裂仍可檢測壓裂情況；壓裂返排后，該封隔器通過井口向液控管線加液壓，坐封該封隔。該封隔器屬于偏心結(jié)構(gòu)，側(cè)面可穿越電纜和液控管線，并連有放氣閥。相比常規(guī)液壓封隔器，該封隔器坐封時不需投撈堵塞器，可節(jié)省2趟鋼絲作業(yè)，僅用手壓泵即可完成，同時可節(jié)省占用井口時間［12-14］。在結(jié)構(gòu)上該過電纜封隔器主要由本體、坐封鎖緊、膠筒和錨定解封部分組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

本體部分由本體頭和中心管焊接而成，作為該封隔器的主體，將各部分串接；坐封鎖緊部分由活塞、活塞套和鎖環(huán)組成，使封隔器坐封于目的層段，并防止膠筒回復；密封部分由膠筒和規(guī)環(huán)組成，是過電纜封隔器的核心；錨定解封部分由上下錐體、卡瓦和解封剪釘組成，防止封隔器縱向移動而影響密封性能，或引起過電纜封隔器過早解封［15］。

該封隔器通過液控管線實現(xiàn)3級坐封，通過向油管內(nèi)施加液壓，壓力通過本體頭的傳壓孔傳遞至活塞，當液壓達到6～8 MPa，第1坐封釘被剪斷，膠筒開始被壓縮；當壓力達到10～12 MPa，第2坐封釘被剪斷，卡瓦張開并撐住套管；當壓力達到13～15 MPa，第3坐封釘被剪斷，膠筒開始被壓縮；當壓力達到21 MPa，穩(wěn)壓15 min，膠筒被壓縮充分，泄壓后鎖環(huán)通過單向鋸齒鎖住活塞，防止膠筒回復。解封只需整體上提生產(chǎn)管柱，剪斷解封剪釘，使下錐體相對中心管下移，卡瓦在卡瓦簧片的作用下收回，同時封隔器的膠筒也將回復。

2.2.2" 主要技術(shù)參數(shù)

液控穿越隔離封隔器適用于244.5 mm的套管，溫度等級150 ℃，最大外徑215.9 mm，最小內(nèi)通徑76 mm，整體密封壓力70 MPa，坐封壓力21 MPa，解封上提力200 kN。

3" 現(xiàn)場應用

液控穿越隔離封隔器在現(xiàn)場成功應用2口井，以其中的某口井為例。該井所在平臺為無人平臺，無鉆井和加壓設(shè)備，為常規(guī)生產(chǎn)井，上部完井管柱從下至上分別為：73.0 mm EU油管+化學藥劑注入閥+210.0 mm Y接頭（帶有上下工作筒）+88.9 mm EU油管+液控穿越隔離封隔器（側(cè)面連有33.4 mm放氣閥和48.3 mm電纜穿透器，深度473 m）+71.5 mm安全閥+油管直至井口。管柱下入到位且坐井口采油樹后，不需要鋼絲作業(yè)投入堵塞器進行憋壓，而是直接在井口通過手壓泵向液控管線加液壓21 MPa，由于深度較深，壓力緩慢升高，升至21 MPa后，穩(wěn)壓20 min確保液控穿越隔離封隔器坐封完全，泄壓完成坐封。坐封后對該封隔器進行環(huán)空驗封，通過井口翼閥向油套環(huán)空加液壓，驗證封隔器膠筒的密封性。為了避免井內(nèi)電纜被壓力擊穿，進行7.5 MPa的驗封，不滲不漏，液控穿越隔離封隔器坐封結(jié)束，節(jié)省了2趟鋼絲作業(yè)來投撈生產(chǎn)堵塞器。

4" 結(jié)" 論

（1）Y管壓裂生產(chǎn)一體化管柱可以一趟管柱完成壓裂和返排生產(chǎn)，減少壓裂液對地層污染，同時可實現(xiàn)批量施工作業(yè)，大幅降低施工成本。

（2）液控穿越隔離封隔器通過液控管線坐封，可減少2趟鋼絲作業(yè)，縮短井口占用時間，也適用于設(shè)備不足的無人平臺。

（3）通過對Y接頭預制密封隔套總成進行數(shù)模和物模分析，該工具可以滿足壓裂時70 MPa的耐高壓要求，也可通過鋼絲作業(yè)在約2.65 kN上提力下完成打撈，不影響后續(xù)啟泵生產(chǎn)。

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第一吳建樹，工程師，生于 1995 年，2021年畢業(yè)于中國石油大學（北京）油氣井工程專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)從事油氣井巖石力學與海上低滲及陸上非常規(guī)儲層壓裂增產(chǎn)改造相關(guān)的研究工作。地址：（100020）北京市朝陽區(qū)。電話：（010）84522604。 email：wujsh11@cnooc.com.cn。2024-06-20南麗華