全可溶變徑球座體積壓裂工具研制與應用

郭思文, 王治國， 薛曉偉, 趙敏琦, 李治君, 張家志, 任國富, 費二戰

(1中石油長慶油田分公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 3中石油長慶油田分公司第四采氣廠 4中石油長慶油田分公司第三采油廠)

長慶油田致密油氣藏的高效開發是實現5 000×104t持續穩產的關鍵，該類油氣藏的主體改造技術為密切割體積壓裂，即“多簇射孔+大排量+大液量+低黏液”體積壓裂模式，能夠實現裂縫對儲層的全覆蓋，大幅度提高單井產量[1-5]。前期體積壓裂工具采用進口可溶橋塞和快鉆橋塞，通過橋塞-射孔聯作，完成射孔和段間封隔。然而這兩種工具在長水平段中遇到如下問題：一是隨著可溶橋塞橋塞數量的增加，可溶橋塞橡膠件溶解慢的影響越來越大，易形成殘留物堵塞井筒通道；二是由于在長水平段中鉆壓難以施加，快鉆橋塞鉆磨效率低。為了解決這些問題，開展了全可溶變徑球座研制，并在現場規模運用，取得了較好的效果。

一、全可溶變徑球座技術思路及工藝流程

1. 技術思路

為確保可溶球座對現有壓裂模式的適應性，保持橋塞-射孔聯作工藝不變[6]，主要改變在于水平段套管上增加球座承接器，并研制可溶分瓣式變徑球座，通過可溶球座、承接器和可溶球之間的金屬密封實現段間封隔，壓裂技術示意圖如圖1所示。

圖1 全可溶變徑球座壓裂技術示意圖

2. 工藝流程

(1)球座承接器與套管連接，入井后固井完井。

(2)第一段采用油管傳輸射孔打開地層，進行光套管壓裂。

(3)水力泵送球座-射孔聯作工具串到球座承接器上方，點火坐封球座并丟手，上提進行多簇射孔。

(4)起出工具串，投可溶球，推動球座至承接器處，封隔上一段，光套管壓裂第二段。

(5)重復3、4步驟依次完成各段壓裂改造。

(6)可溶球與可溶球座全部溶解，井筒恢復全通徑，投產。

二、關鍵工具研制

1. 全可溶分瓣式變徑球座

球座材料為全可溶金屬，由兩個上瓣、兩個下瓣、底座構成。上下瓣側面設計有燕尾槽式導軌，上下瓣通過導軌連接，導軌與軸線成一定夾角，因此上下瓣沿導軌運動能夠實現擴徑，擴徑后球座外徑122 mm, 擴徑率8%以上，球座所需的閉合行程90 mm，常用火藥坐封工具可以滿足球座閉合行程要求，當上下瓣完全閉合后，與底座鎖定在一起。坐封前后狀態如圖2所示。

圖2 分瓣式可溶球座坐封前后狀態

可溶變徑球座設計的難點在于：①由于球座承壓高，需要提高可溶材料強度;②為保證金屬密封效果，需要可溶材料有一定的塑性。然而提高可溶材料強度與塑性存在矛盾，為了解決該矛盾從兩方面入手：一是優化球座密封機構，使其主要承受正壓力，避免承受過大的剪切力，可降低球座對材料強度的要求；二是調整可溶材料配方、熱處理參數，使可溶材料的強度和塑性達到平衡點[7]。

2. 投放工具

投放工具用于實現球座坐封及丟手。投放工具的芯桿通過丟手剪釘與下瓣相連，錐筒與上瓣相連。通過芯桿與錐筒的相對運動可以實現上下瓣的相對運動，完成球座坐封。球座坐封后剪斷丟手剪釘，完成工具丟手。為防止中途坐封，錐筒與芯桿之間設計有坐封啟動剪釘。投放工具結構如圖3所示。

圖3 投放工具結構圖

3. 承接器

承接器外徑153.6 mm，與套管接箍一致，可保證下鉆安全性，內部設計有錐形臺階密封面，能夠承接擴徑后的可溶球座，承接器與球座、可溶球形成金屬密封，實現壓裂過程的段間封隔。壓后球座全部溶解，形成大的排液和生產通道，不影響后期井下作業。承接器結構及密封原理如圖4所示。

圖4 承接器結構示意圖

4. 大尺寸可溶球

球座配備?115 mm大尺寸可溶球。由于大尺寸可溶球在鑄造過程中存在偏析現象，即合金元素分布不均勻導致溶解不徹底，因此創新提出雙層鑄造工藝，解決了偏析問題，能夠實現壓后可溶球的徹底溶解。

5. 可溶球座關鍵技術指標

關鍵工具技術指標如表1所示。

表1 可溶球座關鍵技術指標

三、室內試驗與評價

1. 坐封、丟手性能測試

由于火藥工具受相關法規管控較多，不便于室內測試，因此設計了專用的液壓坐封工具，用于檢驗可溶變徑球座坐封和丟手性能，測試結果表明：導軌機構運動靈活，開始坐封的啟動力2 t，丟手力4.5 t，滿足設計要求。

2. 承壓性能測試

將可溶球座、可溶球依次放入承接器內，承接器上端連接打壓接頭，承壓性能測試結果表明，可溶球座承壓70 MPa。

3. 溶解性能測試

模擬返排環境，設計了恒溫溶解裝置，將閉合后的可溶球座置于承接器中，一起放入50℃的EM30返排液中， 120 h后球座全部溶解，滿足體積壓裂返排制度要求。

四、現場應用

1. 現場實施

現場共計開展2批次、共計6口井的現場試驗。第1批選擇2口井進行先導性試驗，尋找問題并進行了改進；第2批選擇4口井擴大試驗，最長水平段1 560 m，現場最大改造段數17段，成功率100%，工具性能穩定。

1.1 現場施工情況

5口井的基本施工情況見表2。

表2 全可溶分瓣式變徑球座試驗情況

1.2 射孔-球座聯作工具串結構

從下向上依次為：全可溶分瓣式變徑球座+投放工具+火藥坐封工具+炮尾+射孔槍+點火炮頭+快速接頭+磁定位短節+馬龍頭+魚雷+電纜。

1.3 泵送參數

為確保泵送過程中球座平穩運動，泵送參數如表3所示。

表3 泵送參數

2. 存在問題及改進措施

在先導性試驗過程中，遇到主要問題是投球后壓力變化不明顯，無法準確判斷段間封隔狀態，原因分析及改進措施如表4所示。

表4 存在問題及改進措施

3. 應用效果

改進后的球座在投球后起壓明顯，施工過程中封隔可靠，與鄰井進口可溶橋塞施工相比壓力曲線特征相同，能夠滿足密切割體積壓裂的需求，施工曲線如圖5所示。壓后下沖砂管柱試探，順利通過，證明球座全部溶解，解決了可溶橋塞溶解不徹底、壓后需要鉆磨的難題，節省了作業費用，與進口可溶橋塞相比工具成本降低了40%，經濟效益非常顯著。

圖5 華H*井可溶球座施工曲線

五、結論與建議

(1)全可溶分瓣式變徑球座能夠滿足長水平段水平井密切割體積壓裂需求，溶解徹底，實現了壓后免鉆磨。

(2)與可溶橋塞相比，工具成本降低40%，并且節約了鉆磨費用，降本增效明顯。

(3)長水平段井筒易沉砂，可能會影響平穩泵送以及金屬密封，建議施工結束后采用雙倍井容(滑溜水+高黏液)大排量頂替，保證井筒清潔。