自膨脹封隔器封壓性能技術分析

楊德鍇，杜鵬德，薛占峰，侯乃賀

（德州大陸架石油工程技術有限公司，山東德州 253005）＊

多級分段壓裂完井是低滲透油氣藏和頁巖氣儲層開發的重要增產措施之一，已經得到了越來越廣泛的應用。使用常規裸眼封隔器作為層間分隔工具進行多級分段壓裂，雖然可以有效提高產量，但在操作過程中需要多次進行起下鉆，使現場施工費用和時間大幅增加［1］。

自膨脹封隔器是一種新型的裸眼層間分隔工具，遇到井下油或水時可膨脹而封隔環空，具有結構簡單、對不規則井眼適應性強等特點。通常用于儲層的分段開采、控水堵水、礫石填充等作業，不僅可以減少施工過程中管串的下入次數，實現1趟起下鉆完成施工，降低施工操作的復雜性和壓裂施工成本，而且可以實現最優化生產，延長井的壽命［2－4］。隨著自膨脹封隔器技術的發展，自膨脹封隔器的封壓性能也有了很大提高，最高工作壓差可達到103 MPa，滿足多級分段壓裂的施工要求。目前，國外使用自膨脹封隔器進行多級分段壓裂的技術已較為成熟，國內一些研究單位也開展了自膨脹封隔器技術的研究，但由于封壓能力不足，還未能進行多級分段壓裂的現場應用。針對這一問題，本文從分析自膨脹封隔器的結構出發，研究了影響封隔器封壓性能的關鍵因素，并提出了提高自膨脹封隔器封壓性能的主要方法。

1 結構及特點

自膨脹封隔器一般由基管、自膨脹橡膠膠筒和端部防突保護裝置3個主要部分組成：可使用任意尺寸套管作為基管，通過套管螺紋與入井管串相連接；自膨脹橡膠膠筒的主要材料為遇油或遇水膨脹橡膠，通過硫化與基管粘結為一體，是自膨脹封隔器封隔環空的關鍵部件；端部防突保護裝置一般通過緊定螺釘固定于基管上，主要用于在入井過程中防止膠筒的磨損，及在膨脹過程中限制膠筒軸向位移，使膠筒只能沿徑向膨脹，從而保證封隔器的密封能力［5－6］，結構如圖1所示。

圖1 自膨脹封隔器結構組成

相對于常規裸眼封隔器，自膨脹封隔器具有其自身的特點：

1）機械結構簡單，可避免因井下環境復雜所引起的機械結構失效而造成的封壓失敗，使用可靠性更高，更適用于超深井、大位移井、大斜度井等復雜油氣井的完井作業。

2）入井后遇井內液體自動膨脹，無需下入專用脹封工具或進行專門的脹封作業，簡化了施工流程，提高了完井效率，降低了作業成本。

3）對井況的適應能力更高，在各種地層條件、地層礦化度、溫度、壓力等條件下，均可實現對油層、水層、泥巖層等層段的有效隔離，實現對多個油層的分層開采。

4）具有不規則膨脹特性和自修復功能，適用于不規則井眼的封隔，提高了井下受損封隔器的封隔能力。

5）自膨脹封隔器基于橡膠吸收井內液體膨脹，密封持續性好，性能可靠，使用壽命長。

6）隨著自膨脹封隔器技術的發展，封壓性能得到很大提高，已滿足多級分段壓裂的施工要求。

2 封壓性能影響因素

由于多級分段壓裂施工需要的壓力較高，系統對自膨脹封隔器的封壓能力提出了較高的要求。理論研究及試驗表明，影響自膨脹封隔器封壓能力的因素主要包括3個方面。

2.1 自膨脹橡膠材料

自膨脹橡膠材料主要由吸水或吸油樹脂等組分與橡膠基體材料按照一定比例混煉而成，通過吸水或吸油樹脂吸收環境液體，使橡膠產生膨脹。研究表明：接觸應力是評價橡膠密封能力的主要指標［7］，通過橡膠強度的提高和膨脹性能的提高均可起到增加接觸應力的作用。

橡膠強度的提高可以使橡膠本身具有較強的應力，在較小的體積膨脹率下對井壁的擠壓作用即可形成較高的接觸應力，從而提高自膨脹封隔器的封壓性能。取2件自膨脹封隔器樣機，在相同的條件下進行膨脹試驗和封壓性能試驗，樣機1和樣機2的強度分別為4.2 MPa和7.6 MPa，試驗結果如圖2所示。結果表明：隨著自膨脹橡膠強度的增大，自膨脹封隔器的封壓性能隨之提高。

圖2 不同強度自膨脹封隔器的封壓性能對比

提高自膨脹橡膠的膨脹性能，可以得到較大的最終膨脹體積。研究表明：對于相同尺寸的井眼，自膨脹膠筒的體積壓縮量越大，其對井壁的擠壓力也越大，接觸應力也越大。因此，提高自膨脹橡膠材料的膨脹性能可以起到提高自膨脹封隔器的封壓性能的效果。取相同配方的2件自膨脹封隔器，在相同內徑的模擬井眼中進行試驗，圖3～4分別為150%和190%體積膨脹率時的表面接觸應力仿真。結果表明：隨著膠筒體積的增大，將其壓縮至相同內徑模擬井眼中時，其對井壁的接觸應力也隨之增大，進而證明其封壓性能也隨之提高。

圖3 150%體積膨脹率膠筒的表面接觸應力分布

圖4 190%體積膨脹率膠筒的表面接觸應力分布

2.2 膠筒長度

封隔器膠筒長度是影響封隔器封壓性能的重要因素之一，膠筒長度越長，其與井壁的接觸面積也越大，在接觸應力相同的前提下，對井壁的擠壓作用力也越大。取5件自膨脹封隔器進行試驗，長度分別為標準樣件長度x的1～5倍，在相同的條件下進行膨脹試驗和封壓性能試驗，試驗結果如圖5所示。由試驗結果可以看出：隨著膠筒長度的增加，封隔器的最大封壓性能呈線性關系增加。因此，增加自膨脹封隔器膠筒的長度是提高其封壓性能的重要方法之一。

圖5 膠筒長度與封壓性能的關系

2.3 端部防突保護裝置

端部防突保護裝置是自膨脹封隔器結構中的主要組成部分，其作用為在入井過程中保護封隔器膠筒，防止膠筒劃傷，并在膨脹過程中對膠筒起軸向支撐作用。常規結構的端部保護裝置的外徑無法隨著膠筒的膨脹而增大，當膠筒膨脹至一定尺寸并與井壁產生擠壓時，橡膠會由端部保護裝置與井壁之間的間隙流出，不僅會降低封壓性能，嚴重時甚至會導致橡膠撕裂損壞。

針對上述問題，威德福、哈利伯頓、Swellfix 等公司深入開展了端部防突保護裝置的研究，并研制出了一系列各具特色的自膨脹封隔器產品。其原理為：在膠筒膨脹過程中，膠筒通過徑向撐開力或軸向擠壓力使端部防突裝置的外徑增大，為膠筒的膨脹提供更大面積的軸向支撐，限制膠筒的軸向膨脹，防止橡膠擠出，從而增加膠筒對井壁的接觸應力，提高封壓能力。圖6為威德福的Fraxsis型自膨脹封隔器的組合式端部防突保護裝置，由4層不同材質的防突環加端部端環組成。對于膠筒長度為1.5 m的Fraxsis型自膨脹封隔器，最大封壓能力可達40 MPa，比相同膠筒長度的常規自膨脹封隔器提高1倍。

圖6 威德福公司的Fraxsis型自膨脹封隔器

3 現場應用

國外已廣泛使用自膨脹封隔器進行多級分段壓裂完井，并且取得了較好的應用效果。

3.1 遇水膨脹封隔器分段壓裂應用

巴肯頁巖油藏是美國歷史上僅次于阿拉斯加油田的最大油藏。該區塊早期主要采用直井固井加壓裂增產和水平井固井加射孔壓裂增產的完井方式，這2種方式都存在效率低且單井采收率低的問題，且長期產能的跟蹤表明壓裂段水泥會對產層造成破壞，影響產量及壽命。該區塊后期大量采用裸眼完井后壓裂增產的完井方式，由于裸眼井沒有分段環空隔離，壓裂后雖然在投產初期產量有明顯提高，但由于井壁穩定性較差，產量會隨著開采過程中井眼的坍塌而降低，且對整個水平段進行整體壓裂的作業方式，會由于壓力向整個水平段中壓力最低的部分傳遞而造成某些部分無法達到預期的壓裂效果，增產效果不明顯。

近幾年，隨著自膨脹封隔器技術的快速發展，使用自膨脹封隔器進行分段隔離的裸眼完井方式得到普遍應用。如圖7所示為1口使用尾管完井的三分支水平井，該井不固井并且不進行環空封隔。對三水平段同時進行壓裂改造，在施工過程中由于整個井內的地層情況差異較大，井內壓力向地層壓力較低的方向傳遞，從而產生層間竄流的現象。如圖8所示為1口單一井眼水平井，使用尾管完井但不進行固井，管串中連接有5段自膨脹封隔器，通過其自身膨脹來實現多段環空分隔，并對單水平段進行分段壓裂。

圖7 三分支水平井結構

圖8 單一井眼水平井結構

開采4個月后對使用不同完井工藝的2口井的累計產量進行對比（如圖9所示），可以看出：使用自膨脹封隔器的單水平段井比三分支井產量顯著提高［8］。

圖9 2口井累計產量對比

3.2 遇油膨脹封隔器分段壓裂應用

同位于巴肯頁巖油藏區域的另一口生產井上層采用?177.8mm（英寸）套管進行固井，使用貝克休斯的REPacker遇油膨脹封隔器和壓裂滑套的組合管串對水平裸眼段進行多級分段壓裂完井。該井垂深3023.6m，水平段長度為2359m，是采用該種技術進行壓裂的水平段長度最長的井。管串由封隔式尾管懸掛器懸掛?114.3 mm 尾管、7個?114.3 mm 遇油膨脹封隔器、7個投球式壓裂滑套及最下端的1個壓差式壓裂滑套組成，遇油膨脹封隔器坐封位置的裸眼井徑為?152.4mm，如圖10所示。

圖10 管串結構示意

根據設計，將2359m的水平裸眼段使用7個遇油膨脹封隔器分隔為8個獨立的區域。管串下入至設計位置后，使用柴油頂替泥漿，并在注入設計量的柴油后投入懸掛器的坐掛銅球，在柴油充滿環空空間的同時，坐掛銅球到達球座位置，憋壓坐掛懸掛器并坐封尾管頂部封隔器，完成丟手后起出送入鉆具。遇油膨脹封隔器在柴油環境中進行膨脹的同時，拆除鉆機并進行壓裂準備工作。

?114.3mm 遇油膨脹封隔器膠筒長度為9m，外徑為?146mm，根據軟件預測，在井底99℃的柴油環境中，封隔器在2.3d后可實現在?152.4mm 裸眼中封壓28MPa。按照軟件預測結果，當封隔器充分膨脹后，首先憋壓28MPa打開最下端壓差式壓裂滑套，再分別投球自下而上依次打開剩余7個投球式壓裂滑套進行壓裂，所有8級壓裂作業在10h內全部完成，總注沙量為861.84t，在6.2m3／min的排量下，平均壓力為31.03MPa，最高壓力為49.56MPa。

相對于傳統的組合式橋塞固井加射孔完井方式，采用自膨脹封隔器加壓裂滑套結構的多級分段壓裂工藝可節省時間3.5d，在壓裂作業后的24h內，該井總產量為原油170t、天然氣5.66×104m3；隨后的30d內，該井平均產量［9］為原油105t／d、天然氣2.34×104m3／d。

4 結論

1）自膨脹橡膠材料、膠筒長度和端部防突保護裝置是影響封壓性能的主要因素，通過橡膠強度、膨脹性能及膠筒長度的選擇，并設計合理的端部防突保護裝置，可大幅提高封隔器承受壓差的能力，提高施工的安全性。

2）使用自膨脹封隔器作為層間封隔工具進行多級分段壓裂完井，可對分隔段形成有效的層間分隔，為分段壓裂提供有效的層間密封，提高單井產量。

3）使用自膨脹封隔器可以減少施工過程中管串的下入次數，大幅降低成本。

［1］詹鴻運，劉志斌，程智遠，等.水平井分段壓裂裸眼封隔器的研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：123－125.

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［3］Al－Yami A S，Nasr－El－Din H A，Awang M Z.Swelling packers：lab testing and field application［R］.IPTC 11997，2008.

［4］Martijn Kleveriaan，van Roger＿H，Jones N I.Deployment of swelling elastomer packers in Shell E＆P［R］.SPE／IADC 92346，2005.

［5］張國文，沈澤俊，童征，等.遇油＼遇水自膨脹封隔器在水平井完井中的應用［J］.石油礦場機械，2012，41（2）：41－44.

［6］劉陽，馬蘭榮，郭朝輝，等.自膨脹封隔器技術在完井作業中的應用［J］.石油礦場機械，2012，41（3）：77－81.

［7］趙志正.決定橡膠密封能力的幾個因素［J］.世界橡膠工業，2001，28（5）：31－37.

［8］Tim Davis，Doug McCrady.Using swellable packers to provide annular isolation for multistage fracture treatments［R］.SPE 115775，2008.

［9］Tim Davis，Doug McCrady.Using unlocking tight oil：selective multi－stage fracturing in the Bakken Shale［R］.SPE 116105，2008.