深井高溫高壓儲層新型分層改造工具研制與應用

潘 勇， 王 娟， 張 權， 張道鵬

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司)

我國常規油氣藏的勘探開發逐漸轉向深部復雜油氣儲層，該儲層具有埋藏深、非均質性強、地層破裂壓力大、溫度高等特點，增產改造難度大，對增產改造工具提出了更高的要求[1-5]。以分層壓裂酸化工具為例，目前國內高溫高壓儲層分層壓裂酸化均采用同時坐封管柱中所有封隔器的常規方式進行施工，如圖1所示。施工過程中，第一層高擠施工前就將三套封隔器同時坐封，施工中平衡壓力只能加到封隔器Ⅲ之上，封隔器Ⅰ與封隔器Ⅲ之間的管柱無法加平衡壓力，若施工壓力高將可能致使該段工具管柱超壓而影響管柱安全。

圖1 常規分三層壓裂酸化工具管柱示意圖

因此，常規分層壓裂酸化工具管柱在高壓儲層改造中存在不足，難以滿足深部復雜油氣儲層分層改造的需要，成為當前亟待解決的難題[6-10]。

一、新型分層壓裂酸化技術

針對常規分層壓裂酸化工具技術在高溫高壓儲層改造中存在的不足，通過長期技術攻關，提出了能分時啟動各封隔器的新型分層壓裂酸化工具技術。分層施工時，啟動施工層的封隔器，其余封隔器不啟動，且每一段工具管柱均可施加平衡壓力。

1. 新型分層壓裂酸化工藝原理

施工第一層時，啟動封隔器Ⅰ，封隔器Ⅱ和封隔器Ⅲ未啟動，平衡壓力可施加至封隔器Ⅰ之上，如圖2(a)示；施工第二層時，只啟動封隔器Ⅰ和封隔器Ⅱ，封隔器Ⅲ未啟動，平衡壓力即可施加至封隔器Ⅱ之上，如圖2(b)示；施工第三層時，只啟動封隔器Ⅱ和封隔器Ⅲ，平衡壓力即可施加至封隔器Ⅲ之上，如圖2(c)示。由此可見，分層施工中每套封隔器均可施加平衡壓力，可有效避免封隔器及管柱超壓。

圖2 新型分層壓裂酸化工藝示意圖

2. 新型分層壓裂酸化工具管柱結構

針對新型分層壓裂酸化工藝特點，開發出了滿足工藝的工具管柱。以三層分層壓裂酸化為例，管柱結構(自下而上)：球座Ⅰ+油管+水力錨+Y344封隔器+水力錨+油管+分層控制滑套Ⅰ+油管+球座Ⅱ+油管+水力錨+Y344可控坐封封隔器Ⅰ+水力錨+油管+分層控制滑套Ⅱ+油管+Y344可控坐封封隔器Ⅱ+水力錨+反循環重復開關滑套+油管至井口，如圖3示。

圖3 新型分層壓裂酸化工具管柱結構示意圖

分層施工時，完成低替后提高排量或投球打壓啟動Y344封隔器，對第一層進行壓裂酸化施工，施工中Y344可控坐封封隔器Ⅰ和Ⅱ不啟動，平衡壓力可施加至Y344封隔器之上。第一層施工結束后投入相匹配的球啟動Y344可控坐封封隔器Ⅰ，完成啟動后自動釋放該啟動球，球落入分段控制滑套Ⅰ的球座上，打壓開啟分段控制滑套Ⅰ，滑套開啟后自動將球釋放，球下落坐于球座Ⅰ上，封堵第一層，且對Y344封隔器具有保壓作用而不致解封，實施第二層壓裂酸化施工，此時上封隔器未啟動，平衡壓力可施加至中間封隔器之上。同理第二層施工結束后投入相匹配的球，啟動Y344可控坐封封隔器Ⅱ和開啟分段控制滑套Ⅱ后，球坐于球座Ⅱ上，對第三層進行壓裂酸化施工。

二、關鍵工具研制

分層壓裂酸化工具管柱主要由封隔器及配套工具組成，其功能靠各封隔器和配套工具來實現。為此，根據新型分層壓裂酸化工藝需要，研發了Y344可控坐封封隔器、分層控制滑套和反循環重復開關滑套等產品。其中，Y344可控坐封封隔器可實現分時控制啟動，是新型分層壓裂酸化工藝技術的關鍵；分層控制滑套可為第二層以上施工提供過液通道，是分層壓裂酸化施工必不可少的配套工具；施工作業結束后，如果封隔器解封存在異常，反循環重復開關滑套可溝通油套管環空。

1. Y344可控坐封封隔器

Y344可控坐封封隔器主要由上接頭、保護套、中心管、膠筒、密封圈、缸套、下接頭、控制球、變徑球座、控制套、擴徑腔和剪釘等部分組成，如圖4所示。需要啟動坐封封隔器時，從井口向油管內投入相匹配的控制球，控制球下落至變徑球座上，通過井口向油管內打壓，當油管內壓力升至一定值時，剪斷剪釘，控制套、變徑球座和控制球同時下移，當變徑球座移動到與擴徑腔正對時，變徑球座散開，內徑增大，控制球通過變徑球座下落。同時，下接頭上的傳壓孔外露，壓力通過傳壓孔傳至由缸套、中心管和下接頭組成液壓缸內，推動缸套上行，壓縮脹大膠筒，使膠筒貼緊套管，完成密封封隔。

圖4 Y344可控坐封封隔器結構示意圖

2. 分層控制滑套

分層控制滑套主要由殼體、開啟球、哈弧式球座、密封圈、內套、擴徑內腔和剪釘等部分組成，如圖5所示。Y344可控坐封封隔器啟動后釋放的球下落至哈弧式球座上，通過井口向油管內打壓，當壓力升至一定值時，剪斷剪釘，內套、密封圈、哈弧式球座和開啟球一同下移，露出殼體上的側孔，當哈弧式球座移動到與擴徑內腔正對時，哈弧式球座散開，內徑增大，開啟球通過哈弧式球座下落。

圖5 分層控制滑套結構圖

3. 反循環重復開關滑套

反循環重復開關滑套主要由上接頭、固定螺釘、密封圈、殼體、開關套、剪釘和下接頭等部分組成，如圖6所示。反循環重復開關滑套連接在工具管柱頂封隔器之上，施工結束若封隔器解封困難，通過井口從環空打壓至一定值，壓力通過殼體循環孔傳至開關套與殼體形成的液壓缸內，產生一向左的推力，剪斷剪釘，開關套向左移動，開關套上的孔與殼體上循環孔對正時，滑套完成開啟。若需要關閉時，提高排量正注，流體在開關套側孔處形成一定節流阻力，使開關套內部的壓力大于外部壓力，推動開關套向右移動，重新關閉滑套。

圖6 反循環重復開關滑套結構圖

三、室內試驗

分層壓裂酸化關鍵工具試制加工完成后，進行了室內結構組裝，并對可控坐封封隔器性能、反循環重復開關滑套和分段控制滑套等開展室內試驗，如表1所示。

表1 分層壓裂酸化關鍵工具室內試驗

通過對可控坐封封隔器性能、反循環重復開關滑套和分層控制滑套等分層壓裂酸化關鍵工具進行一系列的室內試驗，達到了設計要求，具備入井使用條件，具體試驗結果如下：

(1)研制的分層壓裂酸化工具管柱最高承受工作壓差70 MPa，最高耐溫180℃，較好的滿足了現場作業需求。

(2)研制的分層壓裂酸化工具管柱各封隔器能實現分時啟動，平衡壓力可施加到每套封隔器，施工管柱更加安全可靠，并可直觀判斷各層封隔器的密封情況，管柱結構新穎獨特，能有效滿足高溫高壓儲層分層改造工藝要求。

(3)研制的封隔器耐溫承壓可靠、解封順利，可控坐封封隔器可獨立控制啟動，水力錨能克服施工中管柱受力變化，反循環重復開關滑套重復開關操作簡單方便，分層控制滑套開啟動作靈活可靠。

四、現場應用

新型分層壓裂酸化工具管柱進行了6井次的現場應用，工具管柱最大下深5 470.27 m，最高井溫160℃，最大施工泵壓90.4 MPa，最大施工壓差59.03 MPa。以某井現場施工為例，其壓裂施工曲線如圖7所示，該井分3段壓裂，共注入地層液量842.92 m3，砂量73.9 m3，最大施工泵壓89 MPa；施工作業中，Y344可控坐封封隔器坐封密封承壓性能良好，各封隔器能實現分時啟動，滿足了高溫高壓儲層分層改造工藝需求；排液測試后，工具管柱可順利起出，取得了較好的應用效果。

圖7 某井分段壓裂施工曲線

五、結論

(1)新型分層壓裂酸化工具管柱各封隔器能實現分時啟動，平衡壓力可施加到每套封隔器，施工管柱更加安全可靠，并可直觀判斷各層封隔器的密封情況，管柱結構新穎獨特，能滿足高溫高壓儲層分層改造工藝需求。

(2)封隔器耐溫承壓可靠、解封順利，可控坐封封隔器可獨立控制啟動，反循環重復開關滑套重復開關操作簡單方便，分層控制滑套開啟動作靈活可靠。

(3)管柱中設置反循環重復開關滑套，施工中若意外開啟，可重新關閉保證施工正常運行，同時，也為施工結束后保證油套管溝通提供了一套技術手段。