薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱研究與應用

呂 瑋

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

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薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱研究與應用

呂 瑋

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

針對勝利油田套管內封隔器機械分層壓裂工藝存在的壓裂后砂埋砂卡管柱、工具刺壞等問題，研制了以YQK344-113型滑套封隔器為核心的精細分層壓裂工藝管柱。該管柱具有密封壓差高、滑套噴口耐沖蝕、可全井段反洗井等特點，可實現2～4層分層壓裂施工，滿足了薄互層低滲透油藏細分層、高排量、大規模壓裂施工的要求。現場成功應用15井次，有效提高了分層壓裂的工藝可靠性和經濟效益。

低滲透；分層壓裂；YQK344-113滑套封隔器；YFS-113型壓裂防砂卡水力錨；反洗井

0 引 言

勝利油田薄互層低滲透油藏儲層具有埋藏深、物性差、泥砂交互、層多、層薄、非均質性嚴重等特點[1-3]，為了提高動用程度和開發效益，前期采取了分層投球限流壓裂和管內封隔器機械分層壓裂等工藝措施，在現場實施中相繼暴露出了分層效果差、砂卡砂埋管柱、刺壞工具和油管等問題[4-7]，為此開展了薄互層低滲透油藏分層壓裂工藝管柱的研究，優化了管柱結構，研制了噴砂投球一體化的YQK344-113滑套封隔器，可實現全井段反洗井，一次管柱可連續完成2～4層的分層壓裂施工[8-10]；同時對出砂口進行材質優選和結構優化，大幅度提高了耐沖蝕能力，滿足了薄互層低滲透油藏精細分層、大規模壓裂改造、管柱安全可靠等技術要求。

1 工藝管柱

1.1 管柱結構

薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱主要由安全接頭、YFS-113型壓裂防砂卡水力錨、YLK344-113壓裂封隔器、YQK344-113滑套封隔器、單流閥等工具組成(圖1)。

圖1 薄互層低滲透油藏分層壓裂工藝管柱

1.2 工藝原理

根據壓裂井的地質、測井、鉆完井資料和分層改造要求設計和配接分層壓裂工藝管柱，YQK344-113滑套封隔器應盡量控制在距射孔位置2～5 m處，封隔器和水力錨均應避開套管接箍位置，最下一

級滑套封隔器的噴砂口處于打開狀態。管柱下入井內設計位置后，從油管內小排量替前置液至油層位置，然后加大排量，利用噴砂器的節流壓差坐封全部YQK344-113滑套封隔器及YLK344-113封隔器，按設計實施第1層壓裂。之后投入對應規格的低密度球至第2級YQK344-113滑套封隔器的滑套球座位置，打壓剪斷滑套銷釘，滑套下行打開噴砂口，實施第2層壓裂。依次投入相應規格的低密度球打開各級滑套，實施分層壓裂。壓裂完成后，泄壓解封各級封隔器，放噴求產。當需要起出井內壓裂管柱時，進行全井段反洗井，保證環空無沉砂，安全起出壓裂管柱。

1.3 技術參數

一次管柱最多分層(段)數為4層；工作溫度為150℃；工作壓差為70 MPa；適用?139.7 mm套管。

2 關鍵技術

2.1 YQK344-113滑套封隔器

2.1.1 結構及工作原理

YQK344-113滑套封隔器主要由上接頭、彈簧、噴砂體、噴砂口保護機構、滑套、密封膠筒、坐封機構、下接頭等組成(圖2)。

工作原理：將噴砂體和封隔器優化整合，噴砂體上的噴砂口隱藏于噴砂口保護機構內。壓裂時，坐封機構控制擴張式膠筒膨脹坐封，實現分層封隔；投低密度球到達球座處，加壓打開滑套，此時噴砂口保護機構在壓差作用下完全開啟，保證壓裂過程中噴砂口無障礙出砂；壓裂完后泄壓，密封膠筒回收，封隔器解封，此時噴砂口保護機構關閉，可以實現全井段反洗井，沖洗出環空內壓裂砂，保證工具及壓裂管柱的順利起出。

圖2 YQK344-113型滑套封隔器結構

2.1.2 技術特點與優勢

(1) 研制了新型高溫橡膠密封材料，優化設計了帶有加強筋的擴張式密封膠筒結構，實現了重復坐封條件下的耐高壓、耐高溫要求。

(2) 設計了噴砂口保護機構，在壓裂過程中靠壓差完全打開，保證噴砂口無障礙出砂，避免壓裂砂刺壞噴砂口保護機構及噴砂口，對工具和套管提供有效保護。壓裂后封隔器解封，噴砂口保護機構自動關閉噴砂口，可以實現全井段反洗井，保證壓裂管柱一次從井內起出，避免了砂卡風險，降低了作業成本。

(3) 設計了耐磨合金材質球座，增加了分層級數，滿足在施工排量為5 m3/min、單層加砂50 m3等條件下，一次管柱分4層壓裂的需要。

2.1.3 性能參數

啟動壓差不大于1.5 MPa；工作溫度為150℃；工作壓差為70 MPa；滑套開啟壓差為10 MPa；球座級差為4 mm。

2.2 噴砂口優化設計

2.2.1 噴砂口形狀的優化

選擇橢圓形、圓形、長方形3種噴砂口形狀，進行了流場速度矢量、流道壓力云圖和顆粒運動軌跡等對比(圖3)。由圖3可知：在相同截面積以及施工條件下，在噴砂口處以及附近區域沖蝕磨損最為嚴重的結構是長方形結構，其次是圓形結構，沖蝕最輕的是橢圓形結構。因此，工具的噴砂口選為橢圓形結構。

2.2.2 噴砂口數目的優化

在保證噴砂口總面積不變的情況下，建立了4種模型：噴砂口為2個(圓周相位角180°分布)、4個(圓周相位角90°分布)、6個(圓周相位角60°分布)和8個(圓周相位角45°分布)，見圖4。

通過對流場速度矢量、流道壓力云圖和顆粒運動軌跡等對比表明：孔數增加，噴砂工具的耐沖蝕磨損性能得到提升，但綜合考慮噴砂口磨損情況以及沖壞時間，在保證噴砂口面積以及抗拉強度的情況下，六孔模型具有最好的耐沖蝕磨損性能。

圖3 不同噴砂口形狀速度矢量

圖4 噴砂口結構示意圖

2.2.3 噴砂口材質的優選

噴砂口材質對其耐磨性有很大影響，通過對各種耐磨材料沖蝕磨損率的實驗分析對比(表1)，最終優選了內嵌式結構的超高強度合金材料，該材料強度高，耐高壓，可提高噴口的耐沖蝕能力。

表1 噴砂口材質性能參數

2.3 YFS-113型壓裂防砂卡水力錨

2.3.1 結構及工作原理

針對常規水力錨在壓裂施工時錨爪內腔容易進砂和存砂造成錨爪復位困難的問題，研制了YFS-113型壓裂防砂卡水力錨。主要由本體、錨定機構、防砂機構、下接頭等組成。其中防砂機構由多層金屬濾砂網、帶孔芯管、中心襯管以及橡膠密封等組成(圖5)。

工作原理：壓裂時，液體由防砂網經中心襯管與本體環空進入各個錨爪錨定機構，在壓差作用下使錨爪伸出，錨定在套管內壁上。壓裂完后，隨著工具內外壓差的消失，在彈簧作用下錨爪復位，解除錨定。

2.3.2 技術特點與優勢

(1) 設計了防砂機構，使得進出錨爪內腔的液體通過擋砂濾網過濾，可有效防止壓裂砂等雜質進入錨爪內腔而導致錨爪卡死等事故的發生。

(2) 在水力錨本體上設計了凹槽結構，增加了環空過流面積，減少了管柱起下、洗井等措施的環空摩阻。

(3) 與原有常規水力錨相比，增加了錨爪數量，提高了錨定力，減輕了對套管的局部損壞。

圖5 YFS型防砂卡壓裂水力錨結構

2.3.3 技術參數

啟動壓差為1.5 MPa；密封壓差為70 MPa；工作溫度為150℃；擋砂精度為60～100 μm。

3 現場應用

自2014年12月以來，薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱在勝利油田試驗15口井，施工成功率為100%。壓裂過程中封隔器密封良好，分層可靠，滑套打開正常，壓裂后能實現全井段反洗井，管柱能夠順利起出，起出后觀察工具無明顯的刺壞等損壞現象。壓裂后平均單井日產油為9.8 t/d，是同區塊常規壓裂井的1.5倍，增產效果明顯，較好地滿足了薄互層低滲透油藏分層壓裂的工藝需要。

典型井例：B435-A井，目的層為低孔、特低滲透儲層，主力含油砂體為沙四上，孔隙度為10.2%，滲透率為1.8×10-3μm2，地層溫度為140～150℃，壓力系數為1.2，完鉆井深為3 580 m，采用?139.7 mm套管固井完井。該井測井解釋儲層非均質性強、物性差，層間跨度大，需分層壓裂改造以提高產能。第1層設計加砂30 m3；第2層設計加砂40 m3；第3層設計加砂50 m3。該井分層壓裂施工順利，封隔器密封良好，投球打開滑套顯示正常，3段共累計加砂120 m3，最高排量為4.7 m3/min，最高砂比為50%，最高施工壓力為69.5 MPa。該井壓裂后平均日產油為12.9 t/d，含水為22%，已累計產油4 500 t，增產效果顯著。

4 結 論

(1) YQK344-113滑套封隔器，在壓裂過程中噴砂口保護機構能完全開啟，減緩噴口沖蝕，壓裂后自動關閉，實現全井段反洗井，有效解決了原有壓裂滑套沖蝕損壞、砂埋等問題。

(2) YFS-113型防砂卡壓裂水力錨具有錨定可靠、防砂卡、環空過流面積大的優勢，防止了管柱蠕動，提高了分層密封可靠性和管柱安全性。

(3) 薄互層低滲透油藏分層壓裂工藝技術具有密封壓差高、滑套噴口耐沖蝕、可全井段反洗井等特點?，F場試驗應用15口井表明，可有效提高分層壓裂的工藝可靠性，滿足了薄互層低滲透油藏精細分層、大規模壓裂施工和安全高效的要求，已成為勝利油田下步重點推廣應用技術。

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編輯 孟凡勤

20150226；改回日期：20150516

國家重大專項“勝利油田薄互層低滲透油田開發示范工程”(2011ZX05051)

呂瑋(1977-)，女，工程師，2006年畢業于中國石油大學(華東)石油工程專業，現從事采油工藝、壓裂完井工藝的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.04.037

TE934

A

1006-6535(2015)04-0140-04