雙封拖動分層壓裂管柱的研制與應用

劉科偉,李家明, 魏光華,盧玉靈,方 野

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450000;2.中國石化河南石油勘探局油氣技術服務公司)

雙封拖動分層壓裂管柱的研制與應用

劉科偉1,李家明1, 魏光華2,盧玉靈1,方 野1

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450000;2.中國石化河南石油勘探局油氣技術服務公司)

以前河南油田分層壓裂管柱為不動分層壓裂管柱，這類不動管柱配套工具多、結構復雜，每層壓裂后不能及時反洗井，存在砂埋管柱風險；另外K344封隔器組配成拖動分層壓裂管柱，耐溫耐壓相對較低，壓裂后如果封隔器回收不好，在拖動過程中可能損壞膠筒，從而影響封隔器密封性。鑒于上述情況，進一步優化了雙封拖動分層壓裂管柱結構。新型壓裂管柱工具少，同時ZY331封隔器和Y211封隔器結構簡單，易于坐封解封，耐溫耐壓較高，適合拖動分層壓裂施工工藝。

河南油田；雙封拖動分層壓裂；沉砂口袋；封隔器

河南油田早已進入高含水階段，配套的油井壓裂工藝技術在油田穩產中起著重要作用，每年約有50口井需進行壓裂工藝改造，其中，分層壓裂井約有5～8口。以前河南油田分層壓裂管柱為不動分層壓裂管柱，這種管柱組配較為復雜，所需工具多，雖然采取多種安全措施，仍然存在砂埋管柱的風險。另外，壓裂完下層后，不動管柱接著投球壓裂上層，如此往復通過投球對多個油層壓裂，砂埋壓裂層封隔器的可能性很大，主要來源于兩個方面，一是壓完一層后，存留有沒頂替完管柱內的攜砂液；二是所有油層壓裂完后不能反洗井，在排液放噴過程中，地層可能返吐砂子，這樣就可能造成砂埋封隔器的風險，并會影響整個管柱的安全起出，造成作業井下事故。因此研制出“雙封拖動分層壓裂管柱”，以適應河南油田老區及新區塊多層分層壓裂的需要。

1 壓裂封隔器結構設計原理及特點

1.1 ZY331-115壓裂封隔器結構設計[1-3]

圖1 ZY331-115封隔器結構示意

1.1.1 組合式密封結構

組合式密封結構由兩個餅式膠筒、骨架、鋼絲、自封皮碗部件組成。骨架、鋼絲、自封皮碗經硫化工藝融為一個整體。餅式膠筒、自封皮碗的膠料選用優質膠，餅式膠筒邵氏硬度相對較高，耐高溫高壓，具備多次坐封特性；自封皮碗邵氏硬度相對較低，鋼絲要有彈性并具有足夠承壓能力。這種組合式密封結構，易于坐封解封及反洗井，以適應管柱反洗井要求。

1.1.2 工作原理

(1)坐封原理。自封皮碗緊貼套管內壁，當封隔器下壓高于上壓時，隨著下壓不斷增加，在自封皮碗密封作用下，皮碗骨架向上產生的軸向推力也增加，當壓差達到15 MPa時，向上軸推力達到13 t，此時兩個餅式膠筒完成坐封，隨著壓力不斷升高，由自封皮碗承壓轉向餅式膠筒承壓，體現耐壓高的特點。

(2)解封原理：停泵泄壓后，膠筒自動回彈，完成解封。

1.1.3 特點

(1)耐壓差70 MPa；耐溫145 ℃。

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(2)可多次坐封，解封可靠，停泵自動解封。

(3)適用范圍廣，可實現分層壓裂、酸化等多種施工作業。

(4)單向承壓，具有反洗井功能。用于壓裂時，中途遇到砂堵現象，可立即進行反洗井，消除砂堵，繼續壓裂施工。

1.2 Y211-115壓裂封隔器結構設計[1-3]

在進行結構設計時，仍要考慮壓裂封隔器耐溫耐壓性能和封隔器有多次坐封的特點及解封的可靠性。其結構設計思想是，將噴砂器與該封隔器設計為一個整體，這種封隔器坐封、解封通過提放管柱實現，現場利于操作，工作性能穩定可靠，其結構組成見圖2。

1.2.1 結構設計

圖2 Y211-115封隔器結構示意

(1)噴砂結構。通常的噴砂器結構設計成一個獨立體，噴砂口離下封隔器膠筒距離相對較長，一般在0.35 m以上，有一定的沉砂口袋高度，而圖2設計的噴砂器與封隔器設計為一整體，噴砂口離下封隔器膠筒距離很短，僅為0.075 m，沉砂口袋很小，這有利于管柱的安全起出。

(2)密封結構。密封結構有兩個餅式膠筒，其承壓能力與前述ZY331-115封隔器相同，同樣有多次坐封與解封功能。

(3)坐封、解封結構。其由錐體、卡瓦、箍簧、上護套、摩擦體、摩擦塊、彈簧片、下護套、中心管及中心管上的長軌道槽和短軌道槽組成，其中摩擦塊耐磨，彈簧片有足夠彈力，這樣能確保該封隔器坐封解封可靠。

1.2.2 工作原理

(1)坐封原理。管柱下到設計位置后，直接上提管柱，摩擦體凸柱進入中心管長軌道槽，然后下放管柱，錐體下行，摩擦體、卡瓦等相對靜止，錐體與卡瓦接觸，繼續下放管柱，錐體楔入卡瓦里，使卡瓦卡在套管內壁不動，然后繼續下放管柱壓縮膠筒，封隔油套環空，完成坐封動作。

(2)解封原理：直接上提管柱，摩擦體、卡瓦、摩擦塊相對不動，摩擦體凸柱進入中心管短軌道槽，錐體與卡瓦分離，膠筒回收，完成解封動作。如此往復上提下放管柱實現多層壓裂。

1.2.3 特點

(1)耐壓差70 MPa；耐溫145 ℃；

(2)噴砂口與膠筒距離小，沉砂口袋小(高僅為0.075 m)，可消除砂埋封隔器風險；

(3)適用范圍廣，可實現分層壓裂、酸化等多種施工作業。

2 雙封拖動分層壓裂管柱現場實施

2.1 壓裂管柱組成和井筒壓前準備

(1)該管柱由壓裂油管、平衡閥、水力錨、安全接頭、ZY331-115封隔器、Y211-115封隔器及絲堵組成，壓裂管柱見圖3。

圖3 雙封拖動分層壓裂管柱

(2) 井筒壓前準備。先用通井規通井到人工井底，起出通井管柱，檢查套管有無變徑；利用刮削器刮削到井底，起出刮削管柱，清潔套管內壁。對于壓力擴散慢的井，井口要配帶壓作業裝置及油管堵塞器，以提高現場壓裂施工效率。

2.2 工藝施工過程

(1)封隔器坐封：在下管柱過程中，壓力平衡閥實現油套連通，油管大排量憋壓后壓力平衡閥關閉，油套不連通。管柱下到設計位置后，上提管柱，再下放管柱壓縮膠筒，完成坐封。座好壓裂井口，等待施工。

(2)根據設計壓裂規模的要求，進行壓裂車組的確定，連接好地面管線，關閉井口高壓閥門，并對地面管線進行高壓試壓。

(3)對壓裂層進行壓裂：按照泵注程序擠入前置液、攜砂液、頂替液，精確控制頂替液量，要求頂替液大于2 m3，以確保管柱內無攜砂液，完成第一層壓裂。對于壓力擴散快的淺層系油藏，可直接上提管柱，對第二層進行壓裂，直到壓裂完所有層。對于壓力擴散慢的井，井口配套上帶壓作業裝置，油管里配套油管堵塞器，仍通過上提管柱，可進行多層壓裂。

(4)壓裂管柱的起出。壓裂施工結束后，等油管壓力降到油層閉合壓力后，可直接起出管柱，如果上提管柱遇卡，可通過反洗井方式，洗出Y211封隔器膠筒上部砂子，這樣便可安全起出管柱。

(5)卡管柱風險預案。如果反洗井后還是無法起出管柱，可通過正轉管柱倒掉安全接頭，逐個起出井下工具。因為噴砂口離下封膠筒距離僅為0.075 m，沉砂口袋小，再加上該管柱在任何時候可以反洗井，因此，消除了砂卡管柱的可能性。

3 現場應用

截至2014年10月底，該技術已在現場應用3口井，其中，壓裂3層1口井，壓裂2層2口井，工藝成功率100%，壓裂井最大井深達3 200 m，泵車施工壓力高達78 MPa，施工最大排量4.5 m3/min，最高砂比達46%，起出管柱解封負荷僅為3 t，達到工藝成功和安全起出的目的，取得了較好的經濟效益。

4 結論

(1)研制的新型壓裂管柱施工成功率高，結構簡單，可廣泛用于壓裂、酸化、注水、注聚等注入工藝，具有較好的應用前景。

(2) 封隔器耐溫耐壓高，可用于復雜斷塊深層系、淺層系油藏的單層或多層分層壓裂。

(3)優化后的設計管柱及配套工具，消除了砂埋管柱風險。

[1] 羅英俊，萬仁溥.采油技術手冊[M].北京：石油工業出版社，2005：58-70.

[2] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004:75-92

[3] 吳奇，王林,陳顯進，等.井下作業工程師手冊[M].北京：石油工業出版社，2007:120-132.

編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)04-0141-03

2015-01-30

劉科偉，工程師，1980年生，2004年畢業于中原工學院機械工程系工業設計專業，現從事油氣田開發工程研究工作。

TE357.13

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