提升氣井不動管柱多層壓裂可靠性的質量措施

郭寶杉，蔡萌，李俊亮，吳恩成

1.中國石油大慶油田有限責任公司 采油工程研究院 （黑龍江 大慶 163453）2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室 （黑龍江 大慶 163453）

0 引言

氣井不動管柱多層壓裂工藝管柱結構主要由安全接頭、水力錨（或Y444壓裂生產封隔器）、帶滑套的導壓噴砂封隔器（或Y341平衡壓裂封隔器+投球滑套）等組成（圖1）。該技術采用多級封隔器封隔壓裂層段，通過水力錨（或Y444壓裂生產封隔器）實現管柱錨定，投球打開相應層位的滑套實現多層壓裂，壓裂后直接返排試氣[1-3]。該油管壓裂工藝能夠有效地保護生產套管且工藝簡單，目前已成為大慶油田深層氣開發的主體技術。

深層致密氣開發及天然氣老井改造需要體積壓裂才能實現儲層的有效動用，要求耐溫170～200℃、承壓差90 MPa、單層加砂100 m3、施工排量6～7 m3/min（表1），現有的不動管柱多層壓裂技術僅能耐溫150℃、承壓差70 MPa、單層最大加砂80 m3、最大排量5 m3/min。超高溫、超高壓、大砂量及其在定向井中的拓展應用對整個工藝及工具的可靠性提出了更加嚴格的要求?；诖?，從工具設計、工具加工檢驗及現場施工3個方面提出質量控制措施，旨在提升整個工藝技術的可靠性，保證壓裂施工改造效果。

圖1 氣井不動管柱多層壓裂工藝管柱結構

表1 致密氣儲層單層最大加砂量和最大施工排量統計表

1 工具設計質量控制措施

1.1 設計核心工具大砂量導壓噴砂封隔器的設計

針對現有壓裂封隔器加砂量少、排量低、耐溫承壓性能不夠等技術問題，設計大砂量、大排量、高性能導壓噴砂封隔器，能夠滿足耐溫170℃、承壓差90 MPa，單層加砂120 m3。

更改中心通道內置節流嘴結構為側壁節流坐封結構（圖2），工具最大過砂內徑由40mm增至49mm，相同壓降下排量提高20%，壓裂段數由6段提升至8段。

圖2 大砂量導壓噴砂封隔器結構改進示意圖

原始導壓噴砂封隔器本體采用調質40Cr材料，壓裂后工具起出磨損嚴重，單層最大加砂80 m3，不能滿足致密氣體積壓裂要求。更改導壓噴砂封隔器本體采用高強度42CrMo材料，磨蝕嚴重區域采用硬質合金YG6材料（室內實驗該材料在120 m3砂磨蝕后壁厚減薄0.1 μm），同時利用Fluent軟件數值模擬大砂量導壓噴砂封隔器磨蝕速率（圖3），工具單層加砂量達120m3，室內實驗工具承壓差達90MPa。

圖3 大砂量導壓噴砂封隔器磨蝕速率及材質優選

原有封隔器膠筒采用改性氫化丁腈材料，最高耐溫150℃，承壓差70 MPa，無法滿足致密氣壓裂時溫度壓力指標要求。改進后的封隔器膠筒采用“全氟醚+特種改性氟橡膠”材料（該材料通過NOR?SOK M710測試[4]），同時膠筒上下均添加紫銅全保護和半保護結構，通過材料改進及端部保護增強后，現有封隔器膠筒滿足耐溫170℃、承壓差90MPa。

1.2 耐磨蝕、防中途坐封的體積壓裂配套工具的設計

為了進一步提高目前工藝在體積壓裂下的可靠性，設計耐磨蝕壓裂配套工具，實現工藝管柱性能進一步提升。根據現場試驗情況，工具的主要磨蝕部位集中在縮頸或者結構突變部位，一般在封隔器中心管、球座以及噴砂口等位置。基于此，在Y444壓裂生產封隔器增加中心管硬質合金耐磨套、壓差滑套敷焊硬質合金保護套等（圖4），進一步提高工藝管柱耐磨蝕性能。

圖4 壓力滑套噴砂口改進示意圖

同時為了拓展工藝在定向井中的應用范圍，設計防中途坐封結構（圖5）：在Y444封隔器中增加限位環、Y341及Y344封隔器增加限位鎖塊，將活塞套與中心管固為一體，改變以往由坐封銷釘控制刮卡力（一般8個銷釘、抗刮卡力8 t）的方式，抗刮卡力提升至24 t；壓裂管串下入到位后，打壓打掉支撐體，解除鎖塊限位，活塞套在壓力作用下上行壓縮膠筒，完成封隔器坐封。壓裂封隔器防中途坐封設計大大提高了工具在定向井中的通過能力，確保封隔器不會因為刮卡而提前坐封，保證管串在定向井中順利下入到位。

圖5 Y344封隔器防中途坐封改進結構

1.3 大排量全通徑導壓噴砂封隔器的設計

為滿足深層致密氣壓裂施工排量6～7 m3/min的實際需求，解決壓裂封隔器球座級差導致排量受限的問題，研制全通徑導壓噴砂封隔器，投同一尺寸球即可全井壓裂，進一步提高壓裂施工規模。

設計全通徑導壓噴砂封隔器（圖6）通徑50 mm，投入Φ49 mm可溶球即可實現全井壓裂。工具具有雙向兩通道結構（包括坐封通道和球座通道），坐封通道連接封隔器坐封活塞缸，在中心通道投球堵塞后仍可傳遞壓力至坐封活塞缸內保證封隔器處于節流坐封狀態。球座通道將變徑球座活塞缸與壓裂層位的環空連接，用于傳遞壓裂層位環空壓力作用于推力活塞，推力活塞推動變徑球座下行坐落在滑套上縮徑形成球座。變徑球座安裝好后未形成球座前處于擴張狀態（圖7（a）），形成球座后處于縮徑狀態（圖7（b））。

圖6 全通徑導壓噴砂封隔器噴砂體結構圖

圖7 變徑球座不同狀態示意圖

實際施工的管柱結構與圖1工藝管柱Ⅱ結構相同，由Y444壓裂生產封隔器+Y341壓裂封隔器+多個全通徑導壓噴砂封隔器+壓差滑套+Y341壓裂封隔器+球與座等組成，壓裂管柱下入到位后，所有的全通徑封隔器變徑球座處于擴張狀態，從而實現管柱最小通徑50 mm。具體的分層壓裂的原理為：第1層為壓差滑套，不用投球直接油管內打壓即可打開滑套壓裂，第1層壓裂環空壓力通過第1層上封全通徑導壓噴砂封隔器球座通道推動變徑球座下行，坐落于第1層上封滑套上，縮徑狀態被激活形成球座；第1層壓裂結束后，投Φ49 mm球坐落于被激活球座，打壓開啟第2層滑套，壓裂施工第2層，第2層壓裂環空壓力再次激活第2層上封全通徑導壓噴砂封隔器球座，依次重復激活壓裂層上封球座——投Φ49 mm球打開滑套——壓裂動作，完成全井壓裂，壓裂段數可以達到10段以上。

2 工具加工檢驗質量控制措施

2.1 耐磨硬質合金件的質量控制措施

為了滿足體積壓裂要求，大砂量導壓噴砂封隔器、安全接頭、硬質合金水力錨、投球滑套、壓差滑套、Y444封隔器等都有耐磨硬質合金件。作為工藝管柱最重要的耐磨部件，必須保證硬質合金硬度達到圖紙設計要求。由于目前硬質合金是應用最廣、也被證明是現場最有效的耐磨件，因而保證硬質合金件合格至關重要。

硬質合金件硬度用洛氏硬度計進行檢測，但考慮到實際情況，如果硬度無法測量的話，現場一般通過測量硬質合金密度的方法檢驗。通過電子天平稱重及排水法測體積來檢驗硬質合金件的密度，YG6的密度范圍為14.2～14.7 g/cm3，在此范圍為合格，經檢驗密度合格的硬質合金件才能用于現場。

2.2 大砂量導壓噴砂封隔器的質量控制措施

大砂量導壓噴砂封隔器是壓裂管柱核心工具，導壓噴砂封隔器中心管是封隔器的核心零件，在投球壓裂中心管通道被堵塞的情況下，中心管導壓通道仍可傳壓到3個活塞缸保證封隔器始終處于坐封狀態。中心管導壓通道是將壓板通過特殊焊接工藝焊接在中心管主體上，然后車削至設計尺寸而成（圖8）。焊接不好的通道部位易漏失、焊接溫度高壓板變形通道易堵塞、車削后焊口變小壓板變薄通道承高壓性能差，因而中心管導壓通道是導壓噴砂封隔器強度最薄弱部位。通過檢驗的封隔器中心管用于現場，可以保證導壓噴砂封隔器在壓裂施工中始終處于良好的工作狀態，保證壓裂施工改造效果。

圖8 導壓通道示意圖

設計具備可重復使用且拆裝簡便的導壓噴砂封隔器中心管導壓通道檢驗裝置（圖9），包括上接頭（連接中心管及打壓頭）、護帽、承壓套I、承壓套II。液體通過上接頭傳壓通道進入導壓噴砂封隔器中心管導壓通道，按照與上接頭距離由近及遠依次打開承壓套。打壓0.6 MPa通道出液孔液體呈噴出狀態即可判斷通道暢通，所有承壓套安裝到位后，打壓30 MPa、50 MPa、70 MPa、90 MPa，分別穩壓10 min進行高壓檢驗，通道暢通，高壓無滲漏則中心管檢驗合格。截至2019年10月，共檢出通道堵塞、低壓滲漏、高壓漏失及變形（圖10）的中心管共計20根，節約成本60萬元。

圖9 導壓噴砂封隔器中心管導壓通道檢驗裝置

2.3 壓裂管柱核心錨定工具的質量控制措施

硬質合金水力錨是多層壓裂工藝管柱Ⅰ的錨定工具，在滿足承內壓90 MPa的同時，還需測定水力錨的防上頂及抗拉錨定力達到指定壓力的錨定要求[5]。

Y444壓裂生產封隔器是多層壓裂工藝管柱Ⅱ和Ⅲ的錨定工具，同樣也需在滿足承內壓90 MPa的同時，滿足管柱防上頂及抗拉要求：在實驗室內將Y444封隔器完全坐封于139.7 mm（5-1 2"）套管內，通過套管與封隔器環空在封隔器膠筒上端及下端分別打壓70 MPa，封隔器無位移為合格，檢驗合格后才能用于現場。

圖10 檢驗出的不合格導壓噴砂封隔器中心管

2.4 核心密封件膠筒的質量控制措施

膠筒是整個管柱核心密封元件，需滿足氣浸及耐溫承壓要求后才能用于壓裂施工。氣浸檢測的目的在于檢測膠筒材質在井下高溫高壓氣體介質環境中永久變形情況，氣浸變形大的膠筒會導致施工后管柱起出困難，而且膠筒易泄漏，無法形成有效的密封，嚴重的甚至會導致施工失敗。

加工膠筒的同時，需要同步加工相同材質的標準氣浸試片[6]用于氣浸檢測。試片和膠筒到貨后，要先進行試片氣浸檢驗：試片懸掛在高溫高壓反應釜進行N2、CO2氣浸檢驗（溫度170℃、壓力50 MPa浸泡16 h），要求氣浸體積變形小于5%，氣浸合格后才能進行油浸高溫高壓試驗：膠筒成品在170℃高溫下浸泡2 h，上下端均打壓90 MPa維持20 min以上無滲漏為合格。

3 現場施工質量控制措施

3.1 壓裂管柱設計方案的制定

目前不動管柱多層壓裂有3種典型的管柱設計方案。

方案一（如圖1工藝管柱Ⅰ）：使用硬質合金水力錨作為管柱錨定元件，投球打開相應導壓噴砂封隔器滑套即可壓裂。該工藝管柱主要用于壓裂后起管柱，但是從目前現場應用看，該類型管柱壓裂后都直接生產了。優點是壓裂后可以起管柱，油套聯通，可以進行泡沫排水采氣，缺點是套管帶壓，長期生產有很大的安全隱患。

方案二（如圖1工藝管柱Ⅱ）：兼具其余兩套管柱的優點，可以壓裂后直接投產，套管不帶壓，生產時只有1套Y444封隔器和2套Y341封隔器處于坐封狀態，解封相對容易，更換管柱難度低，目前是大慶深層氣直井的主體壓裂工藝管柱。管柱方案設計前需要與甲方充分溝通再確定管柱方案、連接扣型等現場實際問題。

方案三（如圖1工藝管柱Ⅲ）：采用Y444封隔器作為管柱錨定元件，壓裂層位用Y341進行封隔，投球依次打開投球滑套壓裂。該工藝管柱主要用于壓裂后直接進行生產，優點是壓后直接生產，且套管不帶壓，安全隱患??；缺點是生產時所有的井下封隔器都處于坐封狀態，更換管柱困難，無法進行泡沫排水采氣。

3.2 模擬通井質量控制措施

氣井射孔后，需進行一次模擬刮削通井，模擬通井達到要求后，才能下入壓裂管柱。刮削通井主要有3個目的：①下入刮削器對射孔孔眼反復刮削3次，避免孔眼劃傷膠筒，為壓裂工具下入做準備；②通過下入模擬工具入井時最大長度和最大外徑，判斷工具是否能下入到位，是否符合壓裂工具入井要求；③通過下入通井測力器測量模擬工具入井過程中的阻力，即壓裂工具下入過程中可能的最大刮卡力。

實際通井刮削前，先要根據鉆井三開實測井眼軌跡數據，計算工具的通過性能[7]，為壓裂管柱設計提供參考，然后再刮削通井，刮削通井測力管柱自下而上包括：刮削器+普通EUE油管2根+Φ116 mm通井規2個+通井測力器+普通EUE油管若干。模擬工具由兩個Φ116 mm通井規（壓裂工具外徑Φ114 mm）直聯，總長度4 m，模擬壓裂工具的下入情況。通井測力器設計4排測力銷釘（M10小徑Φ6 mm鋼釘自下而上2個、4個、6個、8個，測量遇卡力依次為2 t、4 t、6 t和8 t），測力器與2個通井規直聯，可以直接測定模擬工具下井時的刮卡力。起出通井管柱后，需要檢查通井測力器銷釘被剪斷幾排，從而判斷刮卡力大小。隨后檢查2個通井規表面是否有軸向劃痕以及劃痕的長度和深度。一般刮卡力小于4 t，通井規表面沒有長度超過1 m的軸向劃痕，壓裂工具就能入井。若測力器刮卡力大于4 t或通井規表面有長度超過1 m的軸向劃痕（圖11），還需進行二次刮削通井，直至滿足工具下入要求。

圖11 宋深XX井起出的通井測力器及通井規

3.3 壓裂工具下入質量控制措施

模擬通井滿足要求后，需要按設計調配壓裂管柱結構，一般遵循3個原則：①壓裂封隔器跨過所有層位，不漏層；②壓裂封隔器膠筒坐封的位置避開套管接箍，且下封位置盡量距離射孔段近些，避免砂卡；③壓裂封隔器之間盡量少用短接，盡量用整根油管。因為帶封隔器的管柱剛度大，管柱下入速度盡量不超過10 m/min。下入到位根據校深調整后，再次核對壓裂封隔器位置，確保下入位置準確。

3.4 壓裂工具坐封及壓裂施工質量控制措施

以工藝管柱Ⅱ為例，壓裂管柱下入過程中油套始終聯通，需要投入可溶球進行坐封，實際施工中封隔器坐封都是用壓裂泵車坐封。打壓10MPa、15MPa、20 MPa、25 MPa，分別穩壓10 min，保證Y444封隔器與Y341封隔器完全坐封，坐封時套管口敞開。最后打壓25 MPa時，油壓穩定，套管口不出液即可確定封隔器坐封。如條件允許的話，環空打壓10 MPa穩壓10 min進行封隔器驗封。

壓裂施工過程中，每一層都需要投球打開滑套，遵循以下3個原則：①投球前需要測量好可溶球尺寸，確保是該層要投的可溶球；②需要嚴格控制好投球過程，確?？扇芮蚵淙刖畠龋虎郾M可能小排量追球，避免可溶球到位后壓力突升超過壓裂車組限壓?？扇芮蛉刖笥?.6 m3/min排量追球，觀察到壓力曲線突然上升（6～18 MPa）并下降即可判斷滑套打開，隨后即可開展正常壓裂施工。

4 現場應用情況

自2017年開展質量提升以來，氣井不動管柱多層壓裂技術現場應用共12口井，包括2口技套帶壓修復后的隱患井，工藝成功率100%。該工藝管柱最大壓裂深度4 040 m，最大壓裂段數6段，通過的最大井斜角41.6°，最大單層加砂量115 m3，最大全井加砂量450 m3，最大施工排量5.2 m3/min，最高施工壓力79 MPa，最長的已安全生產47個月，單井平均日增氣9×104m3，取得了較好的效果。

5 結論

1）通過壓裂工具結構優化設計、工具加工檢驗及現場施工3個方面的質量控制措施，提高了氣井不動管柱多層壓裂技術在超高溫、超高壓、大砂量及定向井中的適用性，在12口井的成功應用也表明質量提升后的工藝管柱能夠滿足井下苛刻的施工要求，工藝安全可靠。

2）加強質量管理工作，對提高工藝技術的可靠性具有非常重要的意義。