復雜斷塊油藏直井多段壓裂工具研制

李博睿（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）

復雜斷塊油藏直井多段壓裂工具研制

李博睿
（大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）①

海拉爾盆地屬于低孔低滲的復雜斷塊油藏，平面、層間物性差異大，非均質性強，有效動用程度低。采用常規壓裂工藝，難以滿足高溫高壓要求；加砂規模小，改造強度低，難以建立有效驅動體系。通過對節流損失計算、流態模擬、室內油浸耐溫承壓試驗以及現場試驗，研發出適合海拉爾地層條件的直井不動管柱多段壓裂技術及配套工具，包括大通徑封隔器及膠筒、大通徑水力錨的研制，實現大砂量、大排量的大規模壓裂。現場應用30口井，實現大規模加砂，大排量施工，壓后增產明顯。

直井；分層壓裂；工具

海拉爾油田總體上為邊際油田，屬于低孔低滲的復雜斷塊油藏。Ⅲ類儲層發育，平面、層間物性差異大，開發難度大，有效動用程度低。儲層砂體規模較小，非均質性強。單層厚度小，平均僅為1．1m，小于2．0m的油層占總層數的85．6%。常規壓裂技術由多組K344-114型擴張式封隔器與DQKPS-114型彈簧噴砂器組成。存在問題：當排量過大時，壓力差可能提前打開彈簧噴砂器滑套，導致無法按設計處理目的層；噴砂器滑套孔徑逐級減小，產生節流效應，限制了排量的提升。一趟管柱雖然最多壓裂10段，但全井加砂量僅50m3，達不到大規模施工改造目的。承壓指標50MPa，耐溫指標90℃，難以滿足海拉爾油田高溫高壓壓裂（100℃，70MPa）需求。針對上述問題，開展直井多段壓裂技術研究，提高單趟管柱加砂規模，施工排量及耐溫承壓指標。

1　直井不動管柱多段壓裂管柱結構及原理

圖1　工藝管柱組成

不動管柱多段壓裂工藝管柱主要由安全接頭、大通徑水力錨、K344-115型封隔器、導噴封隔器、導壓噴砂器、死堵組成（如圖1）。工作原理：第1段由導噴封隔器（1級）與大通徑封隔器單卡目的層，直接通過導壓噴砂器進行壓裂。其他層段每兩級導噴封隔器單卡目的層，通過投球開啟導噴封隔器內滑套進行逐層壓裂。與常規壓裂相比，卡距任意可調。適用于直井139．7mm（5英寸）套管固井完井分段壓裂［1-4］。

2　配套工具研制

2．1 技術難點

1） 球座防磨設計。噴砂器滑套的球座過砂量增大，易被磨損，導致球座內徑增大，鋼球無法密封，滑套將無法開啟。

2） 節流嘴尺寸小，限制施工排量提升。

3） 當壓裂級數很多，使用兩級封隔器單卡目的層時，由于工具串長而增加卡管柱風險。

4） 由于膠筒壁薄，導致工具耐溫承壓性能較差。

5） ?50mm內徑的水力錨限制了壓裂級數的提升。

2．2 工具壁厚及結構優化

根據強度分析理論，工具最小壁厚設計為6mm，以利于增加壓裂級數。噴砂口流道采用15°緩變徑設計［6］。對工具內部的流態用Fluent軟件進行模擬分析，發現變徑處的流速最高。當壓裂液攜帶支撐劑以高速在工具內部流過時，流動狀態屬于紊流，如圖2。由圖2可以看出，內徑突變處（中心深色部分）流速最高，高速攜砂液對工具的破壞性非常大。當排量提升至6～8m3／min時，流態變化更為明顯。高流速區附近產生的小渦流對工具造成嚴重磨蝕［7］。

所以，對于球座采用合金材質。合金材質硬度高，耐磨性好，但是材料脆，非常容易損壞。鋼球在重力加速度以及高速壓裂液帶動下，很容易砸壞球座。為此設計了緩沖座，現場應用來看，球座無一碎裂。優化設計的球座結構提高關鍵部件耐磨性能70%以上，進而提高單井加砂量，提高單井改造規模。

圖2　工具內部速度分布

2．3 節流嘴尺寸優化

為了實現大排量施工，對工具節流嘴進行壓力損失計算，結果如表1。

表1　節流壓力損失計算

由表1可能看出節流嘴內徑越大，產生的節流損失越小，即壓差越小。當節流嘴內徑為40mm時，壓差為1．2MPa。而封隔器的坐封力為1．1 MPa。這說明節流嘴內通徑為40mm時，產生的節流壓差已經大于封隔器坐封力，從而最大限度減少能量損失。考慮到現場施工排量大，選擇40mm節流嘴完全可以使工具坐封。

2．4 導噴封隔器設計

新工具保留了封隔器的耐溫承壓性能和導壓噴砂器的耐磨蝕性能。單個工具長度較原來兩種工具連接在一起縮短400mm，降低起下遇卡風險。如圖3。創新點：由于噴砂體和封隔器在一個壓力系統，需要設計壓力傳遞通道，使液壓由濾網經橋式通道傳遞到中心管，從而使膠筒膨脹密封。而且壓力通道應當進行保護設計，防止其被破壞導致工具坐封失效。另外，工具下鋼碗采用單活動端設計，可以隨膠筒膨脹而發生位移，并且有限位環限制移動量，從而最大化減小膠筒應力集中，提高膠筒的穩定性。

圖3　導噴封隔器

工具上、下接頭螺紋采用2UPTBG（加厚油管扣），方便連接油管以及配套工具，經計算滿足工作強度，安全系數1．5。采用萬能試驗機，進行室內拉伸試驗，結果如圖4，表明設計的中心管強度安全可靠。

導噴封隔器工作原理：壓裂目的層時，首先從井口投鋼球（有時為了提高施工效率，在井口配備投球器），坐落在滑套球座上，憋壓至12 MPa（滑套開啟壓力），滑套剪斷銷釘，隨鋼球下行，噴砂口露出，實施壓裂［5］。

圖4　導壓噴砂封隔器中心管拉伸試驗曲線

2．5 耐溫承壓膠筒研制

導噴封隔器中心管外徑提高，導致膠筒內徑變大，外徑不變的情況下，膠筒壁厚變薄會影響其耐溫承壓性能。

針對導噴封隔器，研制出了HNBR、NBR、二價鹽改性、高彈性炭黑增強的共混納米膠筒，其物理性能大幅度提高。炭黑顆粒小于100 nm，屬納米材料，納米顆粒分布更加均勻。在受力后，產生無數小裂紋，阻止了導致膠筒損壞的大裂紋產生［6］。

對導噴封隔器進行了油浸試驗，檢驗其耐溫承壓性能。任取導噴封隔器及新研制膠筒各3支，分別命名a，b，c。試驗數據如表2，試驗表明導噴封隔器可達到耐溫100℃、承壓70MPa。試驗后膠筒如圖5。

表2　K344115型導噴封隔器油浸試驗數據

圖5　100℃、70 MPa試驗后的膠筒

提升油浸溫度至120℃時，膠筒承壓30 MPa，肩部即發生刺漏，如圖6。下步擬在膠筒肩部增加保護裝置，能隨膠筒膨脹打開，防止肩部突出，進一步提高承壓性能，滿足高壓施工要求。

圖6　120℃試驗后膠筒肩部破壞

2．6 大通徑水力錨研制

常規水力錨的內徑為50mm，導致球與滑套的級數受到限制。因此研制大通徑水力錨十分必要。

經過大量試驗，新設計的水力錨，通過尺寸優選，使用了2種不同尺寸的膠圈，并且只在第一道膠圈處加聚四氟乙烯墊片。這樣使內通徑達到55mm。單趟管柱施工層數可以由原來的6層提高到8層。錨爪采用硬質合金材質，柱狀牙設計［8］，硬度大于89 HRC，能有效防止其與套管摩擦帶來的損壞，并且能夠有效防止管柱蠕動。室內試驗壓力70MPa。如圖7～9。

圖7　水力錨爪剖面圖

圖8　水力錨內通徑

圖9　硬質合金錨爪

3　現場試驗

截止目前，該項技術在海拉爾已累計應用30口井。壓裂層段單井4～6層，最大施工排量8．0m3／min，最高施工壓力60 MPa，溫度100℃，最高加砂量150m3。

井A加砂120m3，管柱起出后，工具只有輕微磨損。如圖10～11。

圖10　噴砂口磨損情況

圖11　滑套磨損情況

壓裂后總體產量明顯提高。其中井B的壓裂試油曲線如圖12，壓后初期日產油10．08 t／d，為同區塊相鄰直井的4倍。

圖12　壓裂試油求產曲線

4　結論

1） 研發的直井不動管柱多段壓裂技術滿足了海拉爾盆地復雜斷塊油藏高溫高壓大砂量施工要求，已在現場應用30口井，成功率100%。

2） 導噴封隔器的成功研制可以提高多段壓裂的加砂量至150m3。大通徑水力錨的成功研制可以提高壓裂段數，并且提高了管柱的錨定力。

3） 工藝管柱初步實現了大排量（8m3／min）、大規模壓裂施工。

4） 該技術的規?；瘧?，可成為海拉爾復雜巖性儲層進一步提高動用儲量及單井產量的主體技術，可在國內其他油田推廣應用。

［1］ 張永國，劉友權，鄭文靜，等．水力噴射分層加砂壓裂液室內研究及現場試驗［J］．石油與天然氣化工，2011，40 （6）：590-593．

［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］ 景亮，肖春金．雙封隔器機械分層壓裂工藝技術研究［J］．內蒙古石油化工，2011（2）：116-117．

［4］ 高應祥，白興達，丁紅，等．TAP閥直井分層壓裂完井技術在吉深1井的應用［J］．中國石油和化工標準與質量，2011，31（6）：53-56．

［5］ 李琳．深層氣井大砂量分層壓裂工藝管柱［J］．油氣田地面工程，2011（4）：16-18．

［6］ 黃粟．直井不動管柱10段壓裂工藝技術研究與應用［J］．內蒙古石油化工，2013（18）：103-105．

［7］ 陳家瑯．水力學［M］．北京：石油工業出版社，1984：．

［8］ 王志堅，鄧衛東，林忠超．水平井封隔器卡瓦的有限元分析及結構改進［J］．石油鉆采工藝，2013，35（4）：78-81．

Study on Multi-stage Fracturing Technology in Vertical Wells in Complex Fault Block Reservoir

LI Borui
（Production Technology Institute，Daqing Oilfield Company Ltd．，Daqing 163453，China）

Hailar basin，with its property of low porosity and permeability，is complex fault block reservoir which is hardly recovered because of heterogeneity．Regular frac technology with ineffec-tive stimulation cannotmeet the requirements of HPHT and high sand volume．To realize larg e-scale fracturing and to increase the well production and efficiency，by pressure calculation，flow state simulation and experiment indoor and site application，vertical wellmulti-stage fracturing withoutmoving string in Hailar basin is developed．It has realized big scale fracturing with big sand volume and rate．Matched tools including big diameter packer and relevant rubber element，big diameter hydraulic anchor have been developed．The technology has been applied in 30 wells with obvious effect under the big sand volume and rate fracturing．

vertical well；separate layer fracturing；tool

TE934．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．014

1001－3482（2015）08－0059－05

①2015－02－09

李博睿（1984-），男，黑龍江大慶人，工程師，2007年畢業于哈爾濱工程大學熱能與動力工程專業，目前主要從事分層壓裂工藝及配套工具的研發及推廣工作，Email：lbrwj＠hotmail．com。