套損井噴砂器改進與現場試驗

李 才,王彥興,趙亞芬,胡振江

(大慶油田有限責任公司井下作業分公司工具廠,黑龍江大慶163112)

套損井噴砂器改進與現場試驗

李 才,王彥興,趙亞芬,胡振江

(大慶油田有限責任公司井下作業分公司工具廠,黑龍江大慶163112)

原套損井噴砂器不適用于規模較大的壓裂。分析了原套損井噴砂器在壓裂過程中出現的問題、原因及實例。對套損井噴砂器進行了結構改進,通過對7口井的試驗,能夠滿足通徑>?108 mm套變井和加固井的壓裂要求。

套損井;噴砂器;改進;壓裂試驗

針對常規壓裂管柱無法通過套管變形點和加固管導致的變形點、加固管以下油層無法分層壓裂改造的問題,成功地研制了套損井壓裂管柱。噴砂器是套損井壓裂管柱的主要組成工具,其工作性能關系到管柱的適應性,因此,結合外徑小的特點設計并完善了新結構的噴砂器,已成功應用了近百口井。但在2008-06壓裂西91-17井時,套損井噴砂器出現滑套打不下去的故障,經分析是由于該井的施工排量和加砂量大所致,說明套損井噴砂器的適應性還有一定的局限性。因此,根據套損井壓裂管柱的結構原理[1]對套損井噴砂器進行改進,對保證套損井壓裂施工具有重要意義。

1 施工問題及原因分析

1.1 施工問題

西91-17井原設計采用55 MPa壓裂管柱壓裂3層,壓裂管柱下至最上部預壓層段內遇阻,即在最上部預壓層段內發生套管變形,最上部預壓層段棄壓后,改用套損井壓裂管柱對下部薩Ⅲ7-10和薩Ⅱ3-12二個層段進行重復限流法壓裂,壓裂前每層擠土酸2 m3,下入小直徑封隔器4級和套損井噴砂器A、B各1級。擠土酸后利用套損井噴砂器B對第1層薩Ⅲ7-10進行壓裂,施工最高壓力37 MPa,停注壓力36 MPa,施工排量3.2～3.8 m3/min,加砂9.5m3,施工正常。擠土酸投球采用套損井噴砂器A壓裂第2層薩Ⅱ3-12,憋壓16次,峰值壓力為34～39 MPa,持續時間28 min,無排量顯示,停止壓裂施工。提出壓裂管柱后發現鋼球坐在套損井噴砂器A滑塊上,但下滑套未動,打開工具發現方形滑塊被沖刷成楔形。

1.2 原因分析

結合套損井噴砂器A的結構原理進行分析,在正常情況下,打入下滑套時鋼球坐在方形滑塊上(如圖1),液壓力作用下的軸向力大大超過徑向力,推動滑塊帶動下滑套剪斷滑套固定銷釘后下行,到達預定位置滑塊失去外支撐后退,鋼球下落到下級噴砂器內,實現打套動作。但是該井壓裂時將方形滑塊沖刷成楔形,鋼球坐在楔形滑塊上(如圖2),在液壓力作用下產生的徑向力遠遠大于軸向力,使滑塊卡于中心管內壁上,無法將下滑套打到預定位置。方形滑塊變成楔形可能是因為在第1層壓裂過程中,由于3.2～3.8 m3/min的施工排量和9.5 m3的加砂量均超過通常的2.4 m3/min施工排量和6 m3加砂量,將滑塊沖刷成楔形。此外,該井鋼球到達楔形滑塊上產生的軸向力和徑向力之比發生變化,不能及時把下滑套打下去,含有壓裂砂的液體通過鋼球與下滑套之間的較小間隙時,形成流速很高的液流沖刷滑塊,加劇其楔形變化。

圖1 噴砂器滑塊磨損前打入滑套

2 結構改進及工作原理

2.1 結構改進

改進前的套損井噴砂器為雙滑套結構,滑套移動時不離開本級噴砂器,具有自封性。結合不動管柱分層壓裂的技術思路[2-3],改進后的套損井噴砂器為單滑套結構,打滑套時鋼球坐在滑套上(如圖3),在滑套和鋼球的上下壓差超過剪斷滑套固定銷釘壓力約8.7 MPa[4]時,即能準確地完成打滑套動作,滑套下行離開本級噴砂器到下一級噴砂器中,對下一級噴砂器進行密封。

圖2 噴砂器滑塊磨損后打入滑套

圖3 噴砂器改進后打入滑套

2.2 工作原理

改進后的套損井噴砂器分為有滑套和無滑套2種形式,組配管柱時,有滑套的噴砂器在上,無滑套的噴砂器在下。改進后的壓裂管柱結構如圖4。壓裂下部層段時,直接向管柱內注入一定排量和壓力的壓裂液,無滑套噴砂器的中心管出液孔處于開啟狀態,高壓液體經過噴砂器的閥時,由于彈簧作用和過液通道的節流作用,在管柱內和油套環空之間形成壓差,該壓差保證封隔器坐封。高壓液體經無滑套噴砂器和油套環空進入下部預壓層段壓開裂縫,經加砂、頂替完成下部層段的壓裂施工。在壓裂上部層段之前,向管柱內投入一鋼球,鋼球在液壓力作用下打入有滑套噴砂器的滑套,使其中心管出液孔處于開啟狀態,鋼球頂著滑套繼續下行落入無滑套噴砂器的中心管內,密封中心管出液孔。高壓液體經打入滑套的噴砂器和油套環空進入上部預壓層段,壓開裂縫,經加砂、頂替完成上部層段的壓裂施工。擴散后活動壓裂管柱,解封后提出壓裂管柱完成全部壓裂施工。

圖4 套損井分層壓裂管柱

3 改進前后對比

3.1 主要技術參數

對總長和最小通徑進行了改進,最小通徑由?37mm改為?33 mm,施工中產生的節流損失有所增加,但從目前壓裂設備的性能指標來看,不會對壓裂施工產生影響。套損井噴砂器改進前后的主要技術參數如表1。

3.2 性能

改進前套損井噴砂器為雙滑套結構,打滑套時鋼球坐在滑塊上,在液壓力的作用下使滑套移動不離開本級噴砂器,鋼球繼續下行,噴砂器具有自封性。用該噴砂器組配壓裂管柱可不使用工作筒及其配套的堵塞器。改進后套損井噴砂器為單滑套結構,打滑套時鋼球坐在滑套上,在液壓力的作用下,鋼球頂著滑套下行離開本級噴砂器,落入下一級無滑套噴砂器的中心管內,對下一級噴砂器進行密封,具有打滑套動作準確的特點。用改進后的噴砂器組配壓裂管柱時,需要在壓裂管柱上連接工作筒并配備相應的堵塞器,以解決提出壓裂管柱時發生的反噴問題。

表1 套損井噴砂器改進前后技術參數

4 現場試驗

套損井噴砂器改進后已經試驗7口井,使用有滑套噴砂器 7套、無滑套噴砂器 7套,成功率100%,對前3口試驗井進行了現場跟蹤,試驗數據如表2。

由表2看出,壓裂施工的最高壓力達到 38 MPa、最大加砂量達到 14 m3、最大排量達到 3 m3/min。改進后套損井噴砂器能夠滿足通徑>?108 mm套變井和加固井的壓裂要求。

表2 改進后的套損井噴砂器試驗數據

5 結論

1) 原套損井噴砂器的結構存在問題是造成套損井壓裂施工不成功的原因。

2) 經過7口井的現場試驗表明,改進后的套損井噴砂器強度適中,工作可靠,能夠滿足通徑> ?108 mm套變井和加固井的壓裂要求,為套損井壓裂提供了硬件支持。

[1] 王彥興,蘭中孝,張曉君.套損井壓裂管柱的研制[J].石油礦場機械,2006,35(6):90-92.

[2] 李興煜.不動管柱分層壓裂技術研究[J].石油礦場機械,2008,37(9):103-106.

[3] 劉文喜,張 鵬,韓 俠.井下工具的可靠性設計[J].石油礦場機械,2009,38(7):56-59.

[4] 蘇翼林.材料力學:上冊[M].北京:高等教育出版社, 1979:50-53.

Improvement and Site Test of Sand-sprayer for Casing Damage Wells

LI Cai,WAN G Yan-xing,ZHAO Ya-fen,HU Zhen-jiang
(Tool Factory of Downhole Service S ub-company,Daqing Oilf ield Co.,Ltd.,Daqing163112,China)

Since the sand-sprayer was successfully developed,it has played an important role in the fracture of casing damage wells.With incessant use of the sand-sprayer we found that original sand-sprayer for casing damage wells was limited in larger dimension fracture.An example is adduced that the sand-sprayer for casing damage wells had a screw loose in fracture,analyses the reason why sand-sprayer had a screw loose,the configuration improvement of sand-sprayer for casing damage wells was presented,and an introduction to the property change of sand-sprayer around the improvement of sand-sprayer for casing damage wells was made.

casing damage wells;sand-sprayer;improvement;fracture test

TE934.2

B

2009-07-29

李 才(1961-),男,黑龍江通河人,工程師,從事井下工具研究工作,E-mail:Jx_licai@petrochina.com.cn。