海上油田精細分段壓裂工藝及關鍵工具

羅建偉，劉 鵬，左 凱，劉傳剛，魏愛栓，嚴孟凱

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

隨著海上油田的開發生產，致密油氣、頁巖氣、煤層氣等低滲透油氣藏的開發成為油田穩產增產的重要來源。壓裂是低滲油氣藏常用的增產措施之一，較常用的是投球滑套分段壓裂工藝和泵送橋塞壓裂工藝。投球滑套分段壓裂工藝需要多次投球，球座尺寸依次遞減，施工層位一般不超過7層，后期某一段出水嚴重時壓裂滑套無法進行關閉；泵送橋塞壓裂工藝需要多次下入橋塞，并進行鉆銑，如果施工段數較多，施工成本較高，可溶橋塞雖然可以減少鉆銑，但可溶性材料的性能研究還不夠深入，不具備廣泛推廣應用的條件[1-8]。

針對上述問題，為了精細分段壓裂，設計了不動管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關固井滑套無限級分段壓裂工藝，前者可實現不低于12層的分段壓裂，后者可以實現無限級分段壓裂。

1 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝

1.1 管柱組成及工藝原理

不動管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱組成如圖1所示。該管柱通過一趟管柱下入井內，施工層位從最下一層開始。最下一層是普通水力噴射器，可以直接進行噴砂射孔。噴砂射孔過程中油管的壓力較高，可達到70 MPa。當油、套管內壓力有明顯下降時，表明套管已射開，即可進行壓裂。該工藝采用向油管內加壓裂液，向油套環空補液的方式進行壓裂施工。當達到設計加砂量時，停泵并記錄停泵壓力。本層壓裂施工結束，接著進行上一層的施工。除了最下一層，上面各層對應的水力噴射器是滑套式的，需要先增加液壓力，剪斷滑套式水力噴射器的剪釘，露出水力噴射器的噴砂孔，然后再進行噴砂射孔和壓裂作業。流體射入孔道實現增壓的過程具有水力封隔作用，壓裂液定點注入只產生局部增壓，不會導致井筒其他部位形成高壓而壓開新裂縫,也不會導致已有裂縫重新張開。壓裂液經作業管柱泵入，通過噴嘴射入孔道，很少進入其他部位，孔道高速射流的抽吸作用可進一步強化封隔效果[9]。

圖1 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱示意

水力噴射壓裂技術不使用機械密封或化學封隔，而是利用流體自身的動態運動，將大部分流體轉移到地層中的某個特定點，這個概念主要基于簡明巖石力學和伯努利流體液壓原理[10]。

1.2 技術參數

不動管柱水力噴射分段壓裂工藝參數如表1所示。

表1 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝參數

1.3 關鍵工具

1.3.1 滑套式噴射器

滑套式噴射器是不動管柱水力噴射分段壓裂工藝的核心工具，該工具在下入過程以及施工其他段時，噴砂孔被滑套密封，無法進行噴砂射孔；當施工本層位時，通過投球剪斷剪釘，打開滑套，露出噴砂孔，進行噴砂射孔及壓裂。

通過調整滑套球座尺寸，將該工具分為多級，最下層為第1級，依次向上分別遞增。隨著級數的增加，內通徑越來越大，以保證下一壓裂段的球可以通過上一壓裂段噴射器的球座。該工具在井中的使用數量取決于要施工的段數，每級滑套式噴射器對應一個施工層位。球的極差為1.6 mm(英寸)。為了保證球可以順利通過上層段噴射器的球座，最終設計了11級的滑套式噴射器，如圖2所示。

除此之外，最下面一級噴射器可設計成常規噴射器，無須設置滑套結構，即無球無滑套結構，如圖3所示，加上這一級，一共12級，技術參數如表2，12級球及球座尺寸如表3。

1—本體；2—可溶球；3—噴嘴；4—O型圈；5—滑套；6—O型圈；7—O型圈；8—剪釘；9—鎖環；10—下接頭。

1—本體；2—噴嘴；3—O型圈；4—O型圈；5—下接頭。

外徑/mm球外徑/mm長度/mm開啟壓力/MPa噴嘴材質噴嘴尺寸/mm98.5最上層:53最下層:2842012～15碳化鎢4.5/5.5/6.3

表3 12級對應的球和球座尺寸

1.3.2 水力錨

水力錨的作用是進行噴砂射孔時錨定施工管柱，防止其振動的幅度過大。當進行噴砂射孔時，油管內壓力遠高于油套環空壓力，水力錨保持張開狀態，卡在套管內壁。水力錨的結構如圖4，技術參數如表4。當施工結束后泄壓，油管串內壓力與油套環空壓力相近，錨爪在彈簧的回復力作用下收回，錨爪失去對套管的錨定作用。

1—上接頭；2—錨爪；3—彈簧；4—壓板；5—螺釘；6—O型圈；7—篩管；8—下擋環；9—下接頭。

外徑/mm內徑/mm可承受內壓/MPa錨定力/kN長度/mm上下扣型11460704004212 EU BxP

1.3.3 扶正器

對于套管井，由于套管井內徑較規則，因此扶正器采用剛性結構設計。對于139.7 mm(5.5英寸)套管井，其內徑為124.3 mm，扶正器外徑為117 mm，在剛性扶正器外側設有過流通道，便于噴射液返排，具體結構如圖5，技術參數如表5。

1—連接管；2—扶正套；3—接箍。

外徑/mm內徑/mm內部耐壓/MPa長度/mm上下扣型11762704002 EU BxP

1.3.4 單流閥

單流閥的結構如圖6所示。該工具由過流擋板、下接頭和閥芯三部分組成。閥芯分別由螺母、過流墊片、皮碗壓環、皮碗和中心桿組成。單流閥連接在管柱的最下端，該閥有3個作用：

1) 使油管與油套環空溝通，保證油管串順利下入。

2) 為第1段的壓裂提供密封，具有堵頭的作用。

3) 可以在管柱下入后進行反洗井作業。

1—過流擋板；2—螺母；3—過流墊片；4—皮碗壓環；5—皮碗；6—中心桿；7—下接頭。

目前，常規單流閥一般采用球和球座單向密封的方式。但是對于大斜度井，球在重力作用下容易脫離球座。為了解決上述問題，將密封結構改成具有扶正作用的中心桿密封組合，密封桿上有橡膠進行輔助密封，通過金屬和橡膠共同密封，提高單流閥密封的可靠性。

2 可開關固井滑套無限級分段壓裂工藝

2.1 工藝管柱結構及工藝原理

工藝原理：將各層的固井滑套設置為關閉狀態，與套管連接一并下入井中，并進行水泥固井。固井完成后，下入內管柱，通過接箍定位器找到壓裂層位，上提下放管柱坐封Y211型封隔器，將壓裂層與其他層分隔。然后套管加液壓，打開壓裂層的固井滑套，進行壓裂施工；如果未打開，則需要通過連續油管連接的水力噴射器進行噴砂射孔，最后通過套管和連續油管環空進行壓裂施工，第1層施工完畢后拖動連續油管重復上面層位的壓裂施工。該工藝施工完成提出內管柱后，管柱內部的通徑與油藏套管一致，可以進行二次壓裂等增產措施。后期某一層出水嚴重時，可下入液壓開關工具關閉該層的壓裂滑套。

圖7 無限級可選擇分段壓裂工藝管柱示意圖

2.2 技術參數

無限級可選擇分段壓裂工藝參數如表6所示。

表6 無限級可選擇分段壓裂工藝參數

2.3 關鍵工具

Y211型封隔器和扶正器等工具屬于較成熟工具，不再贅述，僅對關鍵工具進行介紹。

2.3.1 可開關無限級固井滑套

可開關無限級固井滑套與套管連接，工具結構如圖8，下連接套內部光滑，作為底部封隔器坐封用的密封筒，密封筒較長，可以保證封隔器順利坐封。待封隔器坐封后，通過套管與油管環空加壓，移動套受壓差作用向下移動，此時上連接套上的連通孔露出，形成壓裂液流通通道。上連接套內部有凹槽與彈性爪相咬合，可防止管內工具串上提下放時造成移動套的誤動作。

1—上接頭；2、10—防松釘；3、5、7、9、12— O型圈；4—上連接套；6—剪釘；8—移動套；11—下連接套；13—下接頭。

在上一層進行壓裂作業時，下一層的壓力滑套處于關閉狀態。壓裂液通過下接頭端部的傳壓孔與下連接套上的細長孔連通，從而使關閉套處于壓力平衡，保持移動套處于靜止狀態。滑套的技術參數如表7。

表7 滑套的技術參數

2.3.2 液控開關工具

液控開關工具是關閉固井滑套的專用工具，結構如圖9所示，工具下入到目的層固井滑套位置，油管正循環，保持循環壓力1～2 MPa即可使兩個壓縮套往開關工具兩端移動，開關塊在小彈簧的作用下向外張開，管柱緩慢上提直至開關塊卡住滑套的移動套，管柱懸重增加，繼續上提管柱，開關塊接觸到固井滑套上接頭內部臺階，開關塊受到擠壓徑向收縮，開關塊與移動套脫開，管柱懸重減小。可多次重復上述過程進行驗證。

在開關工具上提遇卡時，泄掉油管壓力，上提管柱；如無法解卡，增大上提力30～50 kN，開關塊向下壓剪切套，剪斷剪釘后也可實現解卡。

1—上接頭；2、7、8、12—O型圈；3、15—防松剪釘；4—中心管；5—彈簧；6—壓縮套；9—開關塊；10—小彈簧；11—剪切套；13—剪釘；14—下接頭。圖9 液控開關工具結構示意

壓力等級/MPa溫度等級/℃開關塊張開最小壓差/MPa緊急脫手拉力/kN35120130(可調)

3 應用前景

隨著油田開發進入中后期，低孔低滲油田的開采逐漸受到關注，不動管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關固井滑套無限級分段壓裂工藝可用于低孔低滲油氣藏開發中，在山西致密氣田有較好的應用前景，海上的渤中25-1、歧口18-2和潿洲11-1等油田，對該技術也有較好的應用需求。

4 結論

1) 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝可實現12段的精細分層壓裂，施工中不使用封隔器，可降低管柱遇卡風險和減少壓裂施工成本。

2) 可開關固井滑套無限級分段壓裂工藝可實現壓裂施工的段數不受限制，并可根據油藏需要精細化分壓裂段數，且可關閉相應層位的固井滑套，控制產液的采出。

3) 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關固井滑套無限級分段壓裂工藝施工后均能保證全通徑生產，可進行二次壓裂。