連續(xù)油管拖動(dòng)底封水力噴射環(huán)空加砂分段壓裂技術(shù)

王金友，許國文，李　琳，姚國慶，張宏巖，王　澈

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第六采油廠，黑龍江 大慶 163453)

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連續(xù)油管拖動(dòng)底封水力噴射環(huán)空加砂分段壓裂技術(shù)

王金友1，許國文1，李琳1，姚國慶1，張宏巖1，王澈2

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453；2.大慶油田有限責(zé)任公司 第六采油廠，黑龍江 大慶 163453)

連續(xù)油管拖動(dòng)底封水力噴射環(huán)空加砂壓裂工藝是集射孔、壓裂、封隔于一體的新型增產(chǎn)改造技術(shù)。針對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)Y211型封隔器或K344型封隔器及噴槍不完全滿足工藝需求的問題，采用Solidworks、Ansys等軟件對(duì)新型Y211型封隔器、噴槍等工具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)特殊密封結(jié)構(gòu)膠筒及其肩部保護(hù)機(jī)構(gòu)，研制抗拉強(qiáng)度和延伸率高的膠料配方，降低了坐封力，提高了承壓性能。優(yōu)化卡瓦結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)防砂卡機(jī)構(gòu)，提高了封隔器錨定及坐封可靠性。研制了內(nèi)嵌整體式噴槍，提高耐磨性能，滿足多段壓裂需要。通過攻關(guān)研究，工藝管柱達(dá)到耐溫120 ℃、承壓70 MPa指標(biāo)，單趟管柱可壓裂14段，成本比國外降低50%以上。

連續(xù)油管；封隔器；分段壓裂；工藝

連續(xù)油管拖動(dòng)底封水力噴射環(huán)空加砂壓裂技術(shù)是近年來研究的集射孔、壓裂于一體的新型增產(chǎn)改造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多簇射孔大規(guī)模壓裂，管柱配套底部封隔器實(shí)現(xiàn)了層段間有效封隔，改造針對(duì)性強(qiáng)[1-2]。但底部封隔器采用K344-110型封隔器時(shí)，存在施工時(shí)油套壓差控制難、操作不便及壓裂后封隔器內(nèi)壓擴(kuò)散慢、易沉砂難解封等問題，底封失封，既影響改造效果，又為施工安全帶來風(fēng)險(xiǎn)。國外主要采用新型Y211型封隔器作為底封進(jìn)行水力噴射環(huán)空加砂壓裂施工，通過機(jī)械坐封、解封方式解決了擴(kuò)張式底封存在的問題，有效提高了工藝可控性和施工效率。目前，國外新型Y211型底封僅租不售，而國內(nèi)同類產(chǎn)品的核心部件——膠筒和卡瓦仍需進(jìn)口。為滿足壓裂高效環(huán)保和降成本需求，自主研究了以新型Y211封隔器和內(nèi)嵌整體式噴槍為核心的連續(xù)油管拖動(dòng)底封水力噴射環(huán)空加砂分段壓裂技術(shù)。同常規(guī)結(jié)構(gòu)Y211型封隔器相比，新型Y211型封隔器研制難點(diǎn)是在連續(xù)油管僅能提供20 kN坐封力條件下，滿足水平井一趟管柱多次重復(fù)錨定、坐封、水力噴砂射孔、環(huán)空加砂壓裂及防砂卡安全起下管柱的多功能需求。此外，該新型Y211型封隔器及配套工具用于固井滑套分段壓裂等工藝，更顯高效與環(huán)保(無需放噴)優(yōu)勢(shì)，其先進(jìn)設(shè)計(jì)理念應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

1　水力噴射環(huán)空加砂分段壓裂工藝管柱組成

為能夠與連續(xù)油管施工能力相匹配，管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化組合與受力分析[3]，確定了工藝管柱主要由安全接頭、高導(dǎo)流扶正器、內(nèi)嵌整體式噴槍、單流閥、平衡閥、Y211封隔器、導(dǎo)向頭等組成(如圖1)。將連續(xù)油管和噴槍、底封等工具連接，通過油管水力噴砂射孔，環(huán)空加砂實(shí)現(xiàn)壓裂，利用底封對(duì)已壓層段進(jìn)行封隔，由下至上逐級(jí)分段壓裂。

1—安全接頭；2—高導(dǎo)流扶正器；3—內(nèi)嵌整體式噴槍；4—單流閥；5—平衡閥；6—Y211型封隔器；7—彈性扶正器；8—導(dǎo)向頭。

2　配套工具研究

2.1新型Y211型封隔器設(shè)計(jì)

2.1.1特殊密封結(jié)構(gòu)膠筒設(shè)計(jì)與油浸試驗(yàn)[4]

新型Y211型封隔器的核心部件是膠筒，最初設(shè)計(jì)的I型壓縮式單膠筒，經(jīng)過多次油浸試驗(yàn)均未達(dá)到承壓40 MPa。采用Ansys有限元軟件對(duì)膠筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作狀態(tài)模擬，承壓密封機(jī)理探索，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了特殊密封結(jié)構(gòu)膠筒及其肩部保護(hù)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了承壓指標(biāo)的突破。通過對(duì)該結(jié)構(gòu)3種不同端角及肩部保護(hù)膠筒的多輪次油浸試驗(yàn)、高抗拉強(qiáng)度膠料配方及膠筒二次成型硫化工藝等試制攻關(guān)，達(dá)到了20 kN坐封力下承壓70 MPa、耐溫120 ℃的應(yīng)用指標(biāo)(如圖2)。

a　膠筒應(yīng)力云圖

b　膠筒油浸試驗(yàn)曲線

c　膠筒油浸試驗(yàn)后照片

2.1.2封隔器卡瓦結(jié)構(gòu)優(yōu)化和防砂卡設(shè)計(jì)

Y211型封隔器在壓裂過程中，卡瓦將承受極大的交變載荷，且易被砂卡。因此，除了低坐封力、承受高壓的膠筒外，封隔器卡瓦和防砂結(jié)構(gòu)對(duì)新型Y211型封隔器工作性能的可靠與否至關(guān)重要。采用Solidworks和Ansys軟件對(duì)卡瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工作狀態(tài)模擬計(jì)算分析(如圖3)，優(yōu)選了具有良好加工性能、抗疲勞性能和較高硬度與韌性的超高強(qiáng)度合金鋼，并采取特種熱處理工藝對(duì)卡瓦進(jìn)行了處理。同時(shí)，對(duì)Y211型封隔器錨定、坐封換向、扶正等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了防砂卡設(shè)計(jì)，提高了封隔器錨定及工藝的可靠性能。

圖3　Y211型封隔器卡瓦設(shè)計(jì)及計(jì)算分析結(jié)果

2.1.3新型Y211型封隔器原理試驗(yàn)與模擬井試驗(yàn)

將30%砂比的壓裂液注入試驗(yàn)套管和增壓缸組成的便捷試驗(yàn)裝置，在20 kN坐封力下坐封封隔器，并使其承壓20、30、50、70 MPa，如此反復(fù)5次，封隔器重復(fù)坐封、錨定、承壓、解封和防砂卡性能可靠，試驗(yàn)裝置無變形，無滲漏，最高承載力845 kN，封隔器無位移，取出完好；模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，將Y211型封隔器與平衡閥、單流閥、噴槍、高導(dǎo)流扶正器等相連，下入模擬試驗(yàn)井1 000 m處，重復(fù)坐封、解封30余次，成功率100%(如圖4)。

a　30%砂比壓裂液

b　原理性試驗(yàn)裝置

c　模擬試驗(yàn)井

2.2內(nèi)嵌整體式噴槍的優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]

水力噴砂射孔時(shí)，噴槍的工作環(huán)境異常惡劣，高速攜砂流體對(duì)其磨蝕破壞極為嚴(yán)重。對(duì)此，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌整體式噴嘴結(jié)構(gòu)，避免了外置分體式噴嘴被磨蝕后從槍體中脫離造成卡管柱的可能性。通過CFD對(duì)噴槍進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究了噴槍噴嘴孔徑、孔數(shù)、孔距、相位、靶距合理匹配對(duì)流態(tài)的影響，確定最優(yōu)的噴嘴組合結(jié)構(gòu)(如圖5)。同時(shí)，槍體要具有極高的硬度和抗沖擊韌性，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、熱處理工藝等方面開展攻關(guān)，從而提高了噴槍的耐磨蝕性能。

a　噴槍速度流線

b　使用前的噴槍

c　過砂168 m3后的噴槍

2.3平衡閥、單流閥、高導(dǎo)流扶正器等配套工具的研制

在平衡閥內(nèi)部設(shè)計(jì)了密封和導(dǎo)流排砂洗井機(jī)構(gòu)，其開啟或關(guān)閉狀態(tài)均可實(shí)現(xiàn)反洗井功能，射孔和壓裂時(shí)處于密封狀態(tài)，壓后上提管柱時(shí)可快速平衡Y211型封隔器上、下壓差，利于封隔器的順利解封；設(shè)計(jì)了低啟開力鋼性與橡膠組合密封的凡爾式單流閥，避免了鋼球式單流閥易磨損失效問題，提高了單流閥密封及耐沖蝕性能；研制了既可扶正、保護(hù)工具、提高密封性，又具有防砂卡導(dǎo)流功能的高導(dǎo)流扶正器，提高了壓裂工藝管柱的可靠性能。

3　應(yīng)用情況及效果

截止目前，應(yīng)用自主研發(fā)的連續(xù)油管拖動(dòng)底封水力噴射環(huán)空加砂分段壓裂技術(shù)，在大慶油田完成了36口井285層(段)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，單井最高施工壓力70 MPa，最高工作溫度120 ℃，加砂306 m3，施工排量7.4 m3/min，一趟管柱最多完成14段壓裂施工。截至2015-10，統(tǒng)計(jì)24口油井壓裂后初期平均單井日增油8 t，平均有效期13.5個(gè)月后仍有效，取得了較好的應(yīng)用效果。該工藝正常情況下每壓裂一層段后30 min內(nèi)即可完成轉(zhuǎn)層壓裂，1 d內(nèi)可完成6～7段壓裂施工，且自主研發(fā)的產(chǎn)品成本降低50%以上。

4　結(jié)論

1)研制了連續(xù)油管拖動(dòng)底封水力噴射環(huán)空加砂壓裂工藝管住，耐溫120 ℃、耐壓差70 MPa，施工排量7.4 m3/min，單趟管柱最大加砂量306 m3，一趟管柱最多完成14段壓裂施工，為大慶油田難采儲(chǔ)量動(dòng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2)該工藝壓后無需放噴，且底封封隔可靠，具有改造針對(duì)性強(qiáng)、高效環(huán)保、增產(chǎn)效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，成為水平井分段壓裂改造的主體技術(shù)之一。

3)新型Y211型封隔器的設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，還可用于固井滑套分段壓裂等工藝技術(shù)領(lǐng)域。

[1]王鳳山，張書進(jìn)，王文軍，等.大慶油田低滲透水平井壓裂改造技術(shù)新發(fā)展[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2009，28(5)：234-238.

[2]吳濤.水平井多段壓裂技術(shù)在大慶油田的發(fā)展與應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2004(7)：169-171.

[3]王瑤，馮強(qiáng)，丁柯宇.適用于連續(xù)油管的封隔器管串結(jié)構(gòu)及原理分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42(1)：83-86.

[4]王金友.高溫高壓油浸試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)[J].油氣田地面工程，2006，25(12)：29.

[5]楊光煉，潘勇，駱曉雪.水力噴射工具的研究及開發(fā)[J].鉆采工藝，2013，36(2)：90-92.

Technology of Coiled Tubing Abrasive Perforating and Annulus Fracturing

WANG Jinyou1，XU Guowen1，LI Lin1，YAO Guoqing1，ZHANG Hongyan1，WANG Che2

(1.Production Engineering and Research Institute，Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163453，China；2.No.6 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163453，China)

The technology of abrasive perforating and annulus fracturing with coiled tubing is a novel stimulation method that integrates perforation with fracturing and zonal isolation.The bottom packer is set to seal the annulus between casing and tubing to plug lower reservoirs.Conventional structure Y211 packer or K344 packer and spray gun does not fully meet the technical requirements.So the design of the inflatable packers and hydraulic jet was optimized and improved by the software of Ansys and Solidworks.Both the innovative design of packing element and its shoulder protection mechanism and the formula of elastomer with high tensile strength and elongation could reduce the setting pressure and improve the bearing performance.Optimized slip structure and sand stuck prevention mechanism could improve the packers’ anchor and sealing reliability.The integral embedded hydraulic jet improves the wear resistance of the string to fracture the multiple stages with high efficiency.The pipe string rated up to 70 MPa at 120 degrees Celsius with maximum 14 stages in one trip.The cost was reduced more than 50% compared with that of foreign countries.

coiled tubing；packer；multi-stage fracturing；technology

1001-3482(2016)05-0069-04

2015-10-18

中國石油股份公司項(xiàng)目“油氣藏儲(chǔ)層改造技術(shù)持續(xù)攻關(guān)專項(xiàng)《大慶油田致密油層壓裂技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)》”(2015CGCGZ002)部分研究?jī)?nèi)容

王金友(1965-)，男，黑龍江拜泉人，高級(jí)工程師，博士，2010年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，現(xiàn)從事分層采油和油氣藏改造技術(shù)研究，E-mail：wangjinyou@petrochina.com.cn。

TE934.207

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.015