水平井套管定位球座分段多簇壓裂技術

趙振峰 唐梅榮 杜現飛 安杰 馬兵 徐創朝

中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院

1 技術原理

結合儲層地質情況和壓裂方案改造段數要求，在儲層需要壓裂改造位置處的生產套管上預置多個工作筒固井完井，第1段采用定壓滑套光套管壓裂［7-8］，見圖1（a）。第2段壓裂時，采用電纜配合水力泵送方法，用“射孔+球座投放”聯作工具串上的磁儀器探測到預置工作筒，上提電纜使得投放工具下端位于工作筒之上2～3 m，地面點火將球座推出投放工具，此時球座位于工作筒上方，見圖1（b）。接著上提聯作工具串到達射孔位置，地面點火完成多簇射孔，見圖1（c）。射孔后起出聯作工具串，投入可溶球并泵送其入井，當可溶球與球座相遇后，由于很大的節流作用會推動可溶球與球座的組合體繼續向前運移直至到達工作筒密封位置，此時球座、可溶球、工作筒三者形成可靠封隔，進行壓裂，見圖1（d）。重復上述步驟依次完成多段壓裂改造，見圖1（e）。壓后可溶球完全溶解，井筒不需要任何處理就實現大通徑，見圖1（f），可快速投產，后期亦可進行重復作業。

圖1 套管球座分段多簇壓裂技術原理Fig. 1 Technical principle of multi-cluster staged fracturing with casing ball seat

2 關鍵工具

2.1 套管預置工作筒

在?139.7 mm生產套管上預置工作筒，主要用來與球座配接，錨定球座，并與球座配合形成金屬密封替代傳統膠筒封隔。預置工作筒方法：采用常規套管固井完井方法，鉆完井下生產套管前，利用測錄井技術優選出預壓裂的油層位置，然后開始下入套管，在該位置處的套管上連接工作筒，最后與套管一起固井完成工作筒的預置程序。工作筒外徑與套管接箍尺寸一致且長度較短，對套管本身的下入和固井沒有影響。

優化設計形成的預置工作筒呈微縮徑錐度結構，見圖2，長度420 mm，最大外徑153.7 mm，最小內徑117.5 mm，120 ℃承壓70 MPa，設計成錐度結構是為了將壓裂時的正壓力轉化為球座閉合力，滿足錨定與密封承壓要求，室內模擬測試錨定力可達65 t。

圖2 預置工作筒結構示意圖Fig. 2 Structural sketch of preset working barrel

2.2 彈性球座

彈性球座見圖3，呈“C型”薄壁圓筒，壁厚4.5 mm，長70 mm，內徑112.5 mm，主要依靠彈性材料變形形成球座。球座底部矩形切槽是“彈性爪”設計，可進一步增強球座前端誘導入座功能。

作業時，采用電纜泵送方式將彈性球座送達預置工作筒位置，電纜點火啟動坐封工具使球座丟手，多簇射孔后投可溶球，球落座后推動球座往錐體工作筒縮徑處下行，此時球座依靠自身彈性能量迫使外徑擴張變大，形成尺寸約束替代卡瓦結構進行錨定，同時彈性球座與預置工作筒形成類似“缸體活塞”的“金屬密封”替代傳統膠筒封隔。

圖3 自由狀態下彈性球座結構Fig. 3 Structure of elastic ball seat in the free state

卷曲回彈測試試驗表明，該彈性球座在承壓70 MPa情況下，重復坐封次數達3次以上，完全滿足施工需求，測試數據見表1，多次卷曲回彈試驗的卷曲時長為24 h。

表1 卷曲回彈測試數據Table 1 Curl springback test data

2.3 球座投放工具

彈性球座投放工具具備2個功能：在泵送過程中約束球座外徑，使其順利通過多級工作筒；到預定位置后地面點火，投放工具火藥腔爆燃產生推力將球座投出，解除其約束力，彈性球座自由擴張到預定尺寸緊貼在井筒預置工作筒內壁上。

球座投放工具主要由電纜連接頭、火藥腔、外筒、芯桿、下接頭、投放短接等組成，見圖4，主要技術指標見表2。抗外擠、有效推力、機構運動、有效行程等評價測試表明，其抗外擠達到50 MPa，有效推力為15 t，機構運動平穩，有效行程達160 mm。

圖4 球座投放工具Fig. 4 Ball seat releasing tool

表2 球座投放工具主要技術指標Table 2 Main technical indexes of ball seat releasing tool

2.4 可溶球

可溶球主要用來封堵彈性球座中心通道，在壓裂時起封隔下層作用，壓后可完全溶解，能實現井筒大通徑，不需要重新處理井筒。可溶球直徑116 mm，承壓達70 MPa，溶解試驗表明，50 ℃條件下在EM30與胍膠返排液中20 h即達到溶解尺寸要求，80 h后徹底溶解，見圖5。

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圖5 可溶球溶解曲線Fig. 5 Solution curve of soluble ball

3 大型地面物模試驗

為檢驗工具系統綜合性能，開展了工作筒、球座、投放工具等工具的地面聯調測試和固井膠塞通過性測試的大型地面物模試驗，見圖6。物模試驗就是在地面建立一套水平井模擬系統，用壓裂車泵送的方式，輸送球座與射孔聯作工具串在水平井段前行，觀測工具串在水平井中泵送是否順暢，測試在水平井中工具串的泵送性能，探索最佳泵送參數及固井膠塞的通過性等。

圖6 大型地面物模試驗流程及臺架構成示意圖Fig. 6 Flow chart of large ground physical simulation test and schematic diagram of bench constitution

試驗結果表明，套管球座及相關配套工具達到設計預期，在70 MPa下坐封可靠，承壓穩定，固井膠塞通過性良好。試驗形成了集泵注排量、電纜張力、下入速度、井斜角為一體的泵送參數圖版，見圖7，直井段依靠自重下放，至井斜30°開泵泵送，初始排量0.4 m3/min，最高排量2.5 m3/min，下行速度不超過3000 m/h，這些泵送參數可用于現場施工。

圖7 套管球座泵送參數圖版Fig. 7 Pumping parameter chart of casing ball seat

4 施工參數

該技術主要用于致密儲層水平井大排量、大液量體積壓裂工藝上。與國外致密油相比，受陸相沉積環境的影響，鄂爾多斯盆地致密油儲集層致密、物性差，相對高孔、高滲帶不發育，儲集層主體帶平均孔隙度為 8.9%，氣測滲透率為 0.17 mD。根據儲層情況和水平井套管球座壓裂工藝特點，對施工排量、液量、簇間距工藝參數進行了優化。

4.1 施工排量

盆地致密油水平井生產套管采用外徑127 mm，內徑124.26 mmP110鋼級套管，施工設計套管限壓55 MPa，結合前期致密油體積壓裂礦場試驗經驗［9］，預測出限壓55 MPa時最高排量可達15 m3/min。大量井下微地震監測裂縫形態結果顯示，排量大于10 m3/min后裂縫帶寬增加不明顯，排量在6～10 m3/min時可形成最優的裂縫帶寬。

4.2 單級液量

國內外非常規儲層改造的目標主要是增大改造體積，實現裂縫全覆蓋［10］。結合盆地致密油儲層特征參數，應用Stim Plan模擬縫網壓裂不同入地液量對縫網形態的影響，以增大改造體積為目的優化入地液量，模擬結果顯示，單級入地液量在1000～1500 m3時可獲得最經濟有效的改造體積。

4.3 簇間距

利用多簇射孔簇間應力干擾提高裂縫復雜程度，擴大縫控面積［11］。統計前期井下微地震監測結果數據，裂縫帶寬90～150 m、單段射孔3～5簇條件下壓裂可實現對儲層的全覆蓋，推薦設計簇間距20～30 m。

5 現場試驗

2016年長慶油田開展了6口水平井套管球座分段多簇壓裂礦場先導試驗，見表3，成功率100%。

表3 水平井套管球座分段多簇壓裂施工參數及效果Table 3 Construction parameters and effect of multi-cluster staged fracturing of horizontal well with casing ball seat

試驗井中固平X2井水平段長度達1525 m，壓裂11段，入地液量15307 m3，砂量1823 m3；木平X1井壓裂改造6段，下入5級預置工作筒，投放5個彈性球座，成功率100%，壓裂坐封起壓明顯，球、球座、工作筒密封配合良好，每段作業之間除備水等因素以外幾乎沒有間隔，球座泵送投放及壓裂施工累計用時4 d，該井微地震監測顯示段間裂縫充分覆蓋，分段壓裂有效率100%。

現場應用表明，技術優勢明顯：第一，增產效果明顯，單井產量較鄰井提高20%以上；第二，施工效率高，與速鉆橋塞分段壓裂技術相比，減少了壓后鉆磨橋塞時間，試油周期縮短30%；第三，作業成本低，相比速鉆橋塞壓裂技術成本降低了10%。

6 結論

（1）研發的套管預置工作筒、彈性球座、可溶球等關鍵工具，坐封、承壓、封隔穩定，可滿足無限級多簇射孔、大排量壓裂要求，壓后可溶球完全溶解，可實現井筒免鉆，快速投產。

（2）通過大型地面物模試驗和工藝參數優化，驗證了工具的可靠性和工藝的可行性，建立了泵送參數圖版，為現場試驗奠定了基礎。

（3）現場試驗表明，該技術提效降本效果明顯，能滿足致密儲層長水平段體積壓裂技術需求，且優勢明顯，可進一步推廣應用。