水平井不動管柱無限級分段重復壓裂技術研究

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(新疆油田 工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

水平井分段壓裂改造是提高油氣田勘探開發綜合效益的重要途徑，新疆油田于2007年首次應用。截止2017年年底，現場共實施534余口井，最高分壓31級，取得了良好的經濟效益。但是，在開發過程當中，產層由于受多種因素的影響而發生了不同程度的堵塞，或因首次壓裂規模未能達到其最佳要求等原因，造成了部分水平井低產，甚至停產，亟待進行二次壓裂改造。傳統的不動管柱雙封單卡技術[1-2]、連續油管雙封單卡技術[3]均存在施工排量低的問題，不能滿足二次壓裂設計方案的需求，同時，針對地層壓力系數較高的井況，前者還具有不能夠連續施工的缺點。隨著新疆油田低產水平井數量逐年攀升，老井穩產、增產的措施需求日益迫切，因此在現有技術的基礎上，結合近年來新型可溶性材料在井下工具的應用，提出了一種新型水平井不動管柱無限級分段重復壓裂管柱技術。

1 水平井不動管柱無限級分段重復壓裂技術

該新型不動管柱無限級分段重復壓裂工藝主要針對139.7 mm(5英寸)套管固井完井，初次采用射孔壓裂的水平井而設計。

1.1 管柱結構

水平井不動管柱無限級分段重復壓裂技術的管柱結構如圖1所示，其自上而下主要由密封插管、懸掛式封隔器、無限級壓裂單元(自解封型封隔器+無限級滑套)、液壓開啟滑套、導向頭等組成。

1—密封插管；2—懸掛式封隔器；3—自解封型封隔器；4—無限級滑套；5—液壓開啟滑套；6—導向頭。

1.2 工藝原理

利用油管將壓裂管柱送入至設計位置，正循環洗井結束后，井口投球，坐封球落于第1級液壓開啟壓滑套內置球座，管柱內整體憋壓，同時坐封自解封型封隔器，實現對套管水平段原射孔層段的有效卡封分隔。與此同時，懸掛式封隔器坐封、錨爪伸出錨定于套管內壁，實現壓裂管柱的固定支撐。泵車泄壓，井口進行密封插管正向旋轉丟手操作，起出密封插管及以上油管。

第1級壓裂施工時，井口泵液，管內階梯憋壓打開第1級滑套，進行第1級重復壓裂施工。第2級壓裂施工時，利用連續油管送入第2級無限級滑套匹配球座，起出連續油管，井口投第2級壓裂球，打開第2級滑套，進行第2級重復壓裂施工。重復第2級施工操作步驟，自下而上逐級分段完成重復壓裂改造。后期，封隔器自動解封，待井口壓裂合格后，下入專用打撈工具與懸掛式封隔器上部工作密封筒對接，上提管柱，懸掛式封隔器解封、錨爪縮回、錨定解除，對壓裂尾管進行整體打撈作業，恢復井筒全通徑。

2 主要完井工具

2.1 插管

2.1.1結構

插管與懸掛式封隔器配套使用，用于完井管柱的連接送入、坐封丟手。主要由棘爪連接部分、密封部分組成，結構如圖2所示。

1—上接頭；2—中心管；3—“O”型密封圈；4、7— 防轉剪釘；5—分瓣棘爪；6—硫化密封件總成；8—導向頭。

2.1.2工作原理

插管分瓣棘爪和懸掛式封隔器密封工作筒上部母扣進行插入式配合連接，硫化密封件和工作筒下部密封面采用過盈配合進行環空密封。分瓣棘爪為偏梯形反扣設計，當完井管柱坐封后，井口正向旋轉油管，插管與懸掛封隔器脫開分離。

2.1.3主要技術參數

最大外徑114 mm，通徑72 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，棘爪抗拉力600 kN。

2.2 懸掛式封隔器

2.2.1結構

懸掛式封隔器[4]用于管柱套管內的整體固定，防止壓裂施工時由于管柱移動而引起的封隔器失封，集錨定與密封功能為一體，液壓坐封、上提解封。主要由卡瓦錨定部分、膠筒密封部分組成，結構如圖3所示。

1—密封工作筒；2—中心管；3—解封剪釘；4—壓帽；5、13、14、16、17、18—“O”型密封圈；6—分瓣襯管；7—活塞缸；8、12—邊膠筒；9、11—隔環；10—中膠筒；15—擋環；19—上椎體；20—鎖環；21—坐封剪釘；22—卡瓦架；23—雙向卡瓦；24—彈簧；25—下接頭。

2.2.2工作原理

管柱內憋壓，活塞缸上行，擠壓坐封膠筒，鎖環止回。同時，上椎體下行，下椎體固定，擠壓雙向卡瓦，卡瓦伸出，錨定于套管，使得管柱整體固定于套管內壁。打撈作業時，油管連接專用打撈工具與懸掛式封隔器上部密封工作筒對接，上提管柱，封隔器中心管上行，解封剪釘剪斷，封隔器解封，與此同時，襯管末端分瓣爪內向彈出，下椎體下行，卡瓦縮回，套管固定解除。

2.2.3主要技術參數

最大外徑115 mm，通徑68 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，坐封壓力23 MPa，解封力<20 kN，最大錨定力900 kN。

2.3 自解封型封隔器

2.3.1結構

自解封型封隔器[5]用于將水平段原射孔層段進行卡封分隔，防止層間干擾，液壓坐封、溶解解封。主要由密封部分、鎖環止回部分組成，結構如圖4所示。

1—上接頭；2—坐封剪釘；3—鎖環；4—活塞缸；5、6、14—“O”型密封圈；7、13—公脹環；8、12—母脹環；9、11—護環；10—膠筒；15—下接頭。

2.3.2工作原理

管柱內憋壓，活塞缸下行，坐封剪釘剪斷，活塞缸壓縮坐封膠筒，鎖環止回，鎖塊阻擋結構選用可溶性金屬材料，壓后可自行溶解，封隔器解封。

2.3.3主要技術參數

最大外徑110 mm，通徑70 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，坐封壓力18 MPa，解封條件：溫度>60℃，返排液氯離子質量分數1%～3%。

2.4 無限級滑套及球座

2.4.1結構

無限級滑套[6]與球座[7]配套使用，用于建立壓裂液與地層的溝通渠道，位于兩個自解封型封隔器之間，正對所需改造的原射孔位置。主要由密封部分、卡槽限位部分組成，結構分別如圖5～6所示。

1—上接頭；2、11—防轉剪釘；3、4、7、9、10—“O”型密封圈；5—內襯套；6—擋環；8—護套；12—下接頭。

1—本體；2—分瓣卡環；3—硫化密封件。

球座[8]采用雙臺階設計，壓裂球受三向約束，可有效防止密封球跳動，確保密封可靠。同時，球座表面采用硬化熱處理處理工藝[9]，提高了耐磨性。

2.4.2工作原理

無限級滑套內襯套限位凹槽與球座分瓣卡環采用軸向級差設計，且尺寸對應配合。利用連續油管將球座送至對應滑套位置，凹槽與卡環完成固定約束，球座硫化密封件與滑套內襯套表面形成外部環空密封，起出連續油管，通過井口投球入座憋壓的方式打開滑套噴砂口，進行壓裂施工，重復以上步驟，完成自下而上分段重復壓裂改造。球座限位和滑套打開狀態分別如圖7～8所示。

圖7 球座限位狀態示意

圖8 滑套開啟狀態示意

2.4.3主要技術參數

耐溫120 ℃、耐壓50 MPa,滑套開啟壓差15 MPa,球座單層過砂量>80 m3。

3 施工排量模擬計算

以TADPro軟件管內流體摩阻計算[10]為基礎，模擬和預測不同施工排量下連續油管、常規不動管柱、新型壓裂管柱3種不同作業方式的井口施工泵壓。已知條件：水平井完鉆井深3 500 m，直井段2 500 m，水平段1 000 m；管套規格139.7 mm×9.17 mm；連續油管規格50.8 mm×4.45 mm；油管規格73 mm×5.51 mm；地層破裂壓力梯度0.02 MPa/m,設計砂比30%；井口限壓55 MPa。模擬計算數據如表1所示，結果表明：新型壓裂管柱方式下的最大允許排量是常規方式的2.0倍，是連續油管方式的5.4倍。

表1 管內摩阻及井口泵壓預測數據

4 結語

1) 新型水平井重復壓裂技術采用尾管懸掛不動管柱，并結合連續油管球座送入作業。前者擴大了液體流動空間，減少了沿程摩阻，有效提高了施工排量；后者避免了球座泵送困難，不易到位的問題。

2) 球座卡環和滑套凹槽采用卡槽配合、級差設計，可在軸向實現無限級；封隔器鎖塊阻擋機構選用新型可溶性金屬材料，壓后可自行溶解，實現了封隔器自解封。

3) 針對部分地層壓后地層出砂嚴重、管柱易砂埋的問題，可在封隔器解封后，即進行壓裂管柱的井口帶壓打撈作業。

4) 隨著新型可溶性球座的研制及套損井套管補貼技術的不斷應用，該技術將具有良好的推廣應用前景。