壓裂投產不壓井作業一體化管柱

周小林

(1中國石化東北油氣分公司 2有效儲層改造技術攻關項目團隊)

東北油氣分公司所轄區塊屬于特低孔、特低滲透儲層，水平井開發主要是以套管分段壓裂為主,按照傳統做法，通常是采用放噴排液的方式將井筒壓力降低，用一定密度壓井液壓井成功后再進入作業程序。壓井作業時不僅存在壓井液漏失嚴重問題，而且由于氣侵,時常發生井涌。為了保證井控安全，不得不加大壓井液密度和用量，經不完全統計,東北油氣分公司水平井平均單井壓井液用量達到150 m3，致使儲層傷害風險增加，特別對于水平井和天然氣井的產量影響尤為嚴重，給后續生產帶來不可估量的損失[1]。地面帶壓作業技術的出現和應用，為實現真正意義上的油氣層保護提供了可能[2-3]。在國外，由于研究起步較早，90%的高壓油氣井實施帶壓作業，創造的綜合效益比帶壓作業成本高出3～5倍。而國內地面帶壓作業研究在2000年以后才開始發展，受技術限制，目前主要是以低壓油水井應用為主，對于高壓油氣井帶壓作業，井控風險較大，如國外設備成本很高。同時，地面帶壓作業設備較為龐大臃腫，搬遷安裝耗時費力，存在交叉作業環節，施工效率相對較低，極大影響了投產作業時間[4-7]。鑒于以上問題，按照井控安全、經濟高效、儲層無傷害發展方向的客觀需求，充分結合油田自身實際情況，摒棄了傳統地面帶壓作業模式，開展了以井下控制為主的不壓井投產工藝技術研究，成功解決了不壓井換裝井口、起下生產管柱等技術難題。通過現場11口井試驗效果評價，取得了較好的經濟效益和社會效益。

一、技術路線

在技術調研和大通徑免鉆橋塞分段壓裂技術的基礎上，提出了采取“井口零壓力、作業機起下鉆、井下控制為主、井口控制為輔”的不壓井、不帶壓作業技術路線(見圖1)，充分利用“井下、井口、地面”三級控制原理，實現快速高效不壓井、不帶壓換裝井口和起下生產管柱目的。目前，分公司所有不壓井投產作業均采用相同的大通徑免鉆橋塞泵送壓裂井口和地面防噴控制系統，根據不同井況和采氣工藝需求，形成了系列不壓井完井投產技術方案。

圖1 井下不壓井、不帶壓作業技術路線圖

二、不壓井完井投產管柱結構及工作原理

1.結構

井下可控不壓井裝置主要由封隔器、井下爆破裝置和工作筒三部分組成，封隔器上部與坐封工具相連接，封隔器下部連接工作筒，工作筒下部依次連接爆破裝置和引鞋，組成井下封堵裝置，并由電纜輸送方式完成，具體結構見圖2。

圖2 壓裂投產不壓井作業一體化管柱結構示意圖

2.工作原理

壓裂改造完成后井口帶有余壓，在地面防噴控制系統下，由電纜輸送井下封堵裝置至產層上部(如水平段位置需泵送)，通過地面控制裝置完成封隔器坐封、丟手，有效封隔底部高壓產層，裝置上部空間與井口連通，實現井口不帶壓，并利用常規修井作業設備完成投產管柱的起下，當地面具備放噴投產條件，通過泵車油管打壓完成井下爆破，爆破裝置開啟建立生產通道，即可恢復正常生產(如圖2)。當井口發生異常情況時，可通過工作筒投撈堵塞器或擠注法壓井的方式控制井口壓力，完全可以保證井控安全。

三、關鍵技術

1.井口控制系統

1.1 結構組成

井口控制系統是不壓井作業進行的安全保障，為滿足電纜帶壓安全地進行生產作業，采用水力泵送橋塞壓裂技術的電纜防噴控制系統，主要包括閘板閥注脂密封頭、防噴管、防噴接頭、快速試壓接頭、液壓三閘板防噴器、液控球閥、轉換法蘭、注脂及液壓控制系統[8]。

1.2 指標確定

壓力等級：按照壓裂施工壓力限壓原則,壓力等級確定為70 MPa。

通徑確定：井下工具直徑為115 mm以內,故確定井口裝置主通徑≥130 mm。

2.井下控制系統

結構組成：電纜+坐封工具+封隔器+工作筒+爆破裝置+引鞋。

工藝原理：井下控制系統主要依靠預埋在井下的封隔器和爆破裝置達到井下臨時封堵目的。現場通常采用電纜輸送方式進行投送，通過磁定位送達預定位置后通電，引爆投送工具內炸藥產生高壓氣體，進而推動活塞移動拉伸連桿給封隔器提供坐封力，實現坐封丟手，在封隔器和爆破裝置的雙重作用下，有效封隔底部高壓產層，為后續不壓井、不帶壓拆裝井口和起下生產管柱提供便利條件。

關鍵工具：封隔器主要由座封機構、錨定機構、密封機構、解封機構等部分組成，可直接與貝克20#電纜坐封工具適配實現坐封，具有雙向承壓功能，卡瓦卡緊牢靠，并集成回插密封、打撈回收一體功能，其工具性能參數見表1。

表1 REPEATA-B封隔器性能參數表

解封：下專用打撈工具，撈住解封套，解封套上行將剪釘剪斷，使上絲杠下端的鎖定機構失效，解封套依次帶動上鎖套、上錐體上行，上、下鎖套分離，由卡瓦彈簧使卡瓦回收解除錨定，解封套同時帶動密封套上行，當密封套過密封膠圈時，封隔器上、下壓力平衡。

3.井下爆破技術

結構組成：井下爆破裝置主要由上接頭、止退套、密閉件和下接頭構成(見圖3)。

圖3 井下爆破裝置結構示意圖

工藝原理：井下爆破裝置為液壓驅動打開，采用地面油管內加壓，壓力傳遞至爆破裝置，當井筒上部液柱壓力高于橋塞下部壓力7 MPa時，爆破裝置完全破碎，上下貫通形成生產通道。

關鍵工具：密閉件由碗狀陶瓷材料制作而成，正壓差大于7 MPa即可破碎，通道打開后實現全通徑，其工具參數如表2所示。

表2 井下爆破裝置性能參數表

4.配套工藝技術

主要包括水力泵送技術、堵塞器投撈技術、油管密封回插技術、后期二次不壓井起下油管作業技術、封隔器回收打撈技術、不壓井不帶壓作業安全操作規程等，同時設計優選出多種結構及功能的配套工具根據實際需求進行靈活性選擇，為進一步拓展不壓井井下作業的施工范圍提供技術支撐。

四、室內實驗及現場應用情況

1.室內試驗

1.1 試驗目的

根據試驗目的，設計了專用試驗裝置，包括?139.7 mm套管(5米)1根，鋼級P110，壁厚9.17 mm、ZHY2-3慢燃火藥、CHYZ1-1傳火藥柱、EIG2-1點火器等點火系統2套、可撈式一體化橋塞1套、BAKE 20#坐封工具、橋塞連接短接、導電系統、點火器底座2套；張力計、直流點火控制系統、橋塞尾部密封系統1套、倒鏈、短油管、打撈裝置、鏈條等1套、超高溫高壓射孔效能實驗裝置1套。

1.2 地面試驗內容

地面試驗內容包括: ①試驗丟手封隔器的扶正塊在套管內壁的摩擦力; ②試驗丟手封隔器的錨定裝置在套管內壁的錨定力和解卡力; ③試驗丟手封隔器密封膠筒的密封性能和反向的承壓能力; ④試驗丟手封隔器丟手和對接的靈活性; ⑤試驗丟手封隔器卡瓦對套管內壁的傷害程度。

1.3 地面試驗達到的技術指標

(1)井下不壓井裝置與套管內壁的摩擦力為 20 kN。

(2)丟手封隔器的錨定力為 150 kN，解卡力為 30 kN。

(3)坐封后膠筒反向承壓力 25 MPa，工具在套管內沒有位移。

(4)當拉力達到 60 kN 時，工具丟手，并且對接解封靈活可靠。

(5)防噴丟手封隔器解卡后檢查套損情況，卡痕公差在0.01～0.02 mm之間，卡瓦對套管基本無傷害。

橋塞丟手封隔器試壓50 MPa/50 min無滲漏，地面測試橋塞解封力2.5～3.0 t，整套工具的各項技術指標都滿足設計要求。

2.現場應用情況

東北油氣分公司從 2018 年至今已累計成功應用11口井(見表3)，順利完成了包括工具下放、橋塞坐封丟手、換裝井口、下投產管柱、井下爆破、放噴等一系列施工工序，一次作業成功率100%，均驗證該工藝及配套關鍵工具的可行性。通過現場效果評價，11口井壓后增產效果顯著，已累產氣量2 258×104m3，節省壓井液用量近1 650 m3，整個投產施工過程無論是地面還是地下都是非常綠色環保。

表3 井下可控不壓井完井投產施工統計表

3.經濟效益評價

與常規投產作業相比，該技術免除了壓井、氣舉等作業時間，完井投產作業周期縮短至2 d左右(見表4)，施工完成后能迅速交井生產，極大提高了生產作業時效。對比壓井下管柱投產、帶壓作業下管柱投產方式，投產費用分別節約19.5%和56.2%，較大程度節約投資。

五、結論與建議

(1)井下可控不壓井完井投產技術改變了傳統投產作業模式，通過井下封堵裝置實現了不壓井換裝井口、起下生產管柱等多項作業，可充分發揮壓裂投產一體化的優勢。

(2)該技術免除了傳統壓井、氣舉誘噴等施工環節，規避了地面帶壓作業的施工風險和成本，達到了有效保護儲層、安全清潔、經濟高效開發天然氣井的目的。

(3)該技術作為不壓井投產新工藝的成功應用，不但為水平井氣井經濟高效開發提供了新的思路和選擇，同時也為油田實施低成本戰略、實現綠色投產提供了技術支撐，應用前景較為廣闊。

(4)該技術對井下封堵工具性能要求很高，井下爆破裝置為陶瓷易碎件，施工過程中嚴防井下落物，建議作業前制訂行之有效的應急預案，進一步強化井控安全措施。