海上小井眼大通徑一次多層壓裂充填工具研究

王明杰，包陳義，左 凱，陳勝宏，孫曉鋒，嚴孟凱，閆 紳

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

蓬萊油田含油層系屬于中高孔、中高滲儲層，其疏松砂巖稠油油藏在生產(chǎn)過程中經(jīng)常伴有出砂現(xiàn)象，采用常規(guī)礫石充填防砂作業(yè)會導致表皮效應很高，達不到增產(chǎn)目的，壓裂充填是常用的增產(chǎn)防砂措施[1]。目前，渤海蓬萊油田平均每年進行近50口井的側(cè)鉆井作業(yè)，采用?127 mm和?177.8 mm尾管射孔的小井眼完井。對于?177.8 mm尾管完井，主要采用哈里伯頓公司的Stack Pack逐層可壓裂充填系統(tǒng)和DTMZ兩趟多層高速水充填系統(tǒng)[2-3]。據(jù)2014年統(tǒng)計，壓裂充填防砂是保證蓬萊油田提產(chǎn)提效的關鍵技術。但是，現(xiàn)有的Stack Pack系統(tǒng)存在逐層壓裂充填工期長和日費高的突出問題。目前，國內(nèi)外的一次多層充填防砂技術有貝克休斯Mine-Beta和MST、哈里伯頓STMZ和ESTMZ、斯倫貝謝MZ-Xpress、中海油的某型工具[4-7]。以Mine-Beta和STMZ為代表的高速水充填防砂工具均無法滿足蓬萊油田在中心管長度超過100 m時1次3層及以上細分層系、3.18 m3/min大排量和69 MPa高壓力壓裂充填增注增產(chǎn)的需要。以MST、ESTMZ和MZ-Xpress為代表的細分層系壓裂充填防砂技術雖在施工排量上可以滿足作業(yè)需要，但防砂管柱內(nèi)通徑≤69.85 mm，還缺乏后期沖砂解堵和不動管柱選擇性開關滑套等關鍵配套技術，難以滿足渤海油田配產(chǎn)配注管柱的作業(yè)需要。

本研究首先對工藝管柱及關鍵工具進行設計，然后對關鍵工具進行了強度分析及室內(nèi)試驗，并對壓裂充填工具進行充填模擬分析及井下試驗，以期研究出一套適合海上?177.8 mm尾管小井眼大通徑細分層系一次多層壓裂充填防砂工具，解決國內(nèi)外現(xiàn)有小井眼防砂工具通徑尺寸受限和不能實現(xiàn)大排量一次多層壓裂充填防砂需要的技術難題。

1 工藝管柱及關鍵工具設計

1.1 壓裂充填防砂管柱設計

基于海上一次多層防砂技術的多年研究經(jīng)驗，設計了一種適合海上?177.8 mm小井眼細分層系一次多層壓裂充填的大通徑防砂工藝管柱，如圖1～2所示。

1)外層管柱。包括頂部封隔器總成、隔離封隔器總成、插入錨定總成和篩盲管。通過優(yōu)化隔離總成中充填滑套上下延伸筒和密封筒長度，可滿足相鄰薄油層最短層間距6 m的作業(yè)需要。

2)充填服務管柱。包括送入轉(zhuǎn)換工具、沖管、中心管、上部隔離密封、充填轉(zhuǎn)換工具和下部隔離密封。通過優(yōu)化充填轉(zhuǎn)換工具中充填短節(jié)、關閉工具、反循環(huán)短節(jié)、液壓定位工具和開關工具等組合，降低了井口配長的難度，提高了井下動管柱余量的安全性。

該工藝管柱基于沖篩比和環(huán)空擋砂層厚度的推薦值和循環(huán)摩阻最小化原則，優(yōu)選沖管、中心管和篩管的具體規(guī)格尺寸，以實現(xiàn)防砂管柱通徑最大化。設計了一種結(jié)構簡單和功能可靠的新型液壓定位工具，可滿足大排量壓裂充填過程中服務管柱與外層管柱的精確定位和有效防竄的作業(yè)需要。

圖1 一次多層壓裂充填防砂內(nèi)層管柱

圖2 一次多層壓裂充填防砂外層管柱

1.2 沖管和篩管優(yōu)選及密封筒通徑最大化設計

通過調(diào)研并分析國內(nèi)外?177.8 mm小井眼工況，外層防砂管柱受限于工具連接強度，其最大內(nèi)通徑為?101.6 mm，考慮防砂管柱的下入通過性和最小篩套充填擋砂層厚度，選擇基管規(guī)格最大的?114.3 mm篩管。查得常用低磅級篩管內(nèi)徑為?102.9 mm和?101.6 mm，同時考慮后續(xù)細分層系，使用帶6.35 mm動力電纜智能配注配產(chǎn)工具，并考慮最小安全通徑為?98.55 mm的要求[8-10]，再分析服務工具密封組相對篩管可往復安全通過的最小徑向間隙后，設計該防砂管柱所有密封筒內(nèi)通徑為?98.55 mm。最后根據(jù)沖篩比0.875和篩套充填擋砂層厚度的經(jīng)驗推薦值[11-12]，優(yōu)選市場成熟的?88.9 mm沖管和?60.3 mm中心管，以及優(yōu)選幾種適合壓裂充填防砂作業(yè)需要的?114.3 mm篩管，如表1所示。

表1 篩管的主要技術參數(shù)

1.3 新型液壓定位工具設計

新型液壓定位工具可實現(xiàn)液壓選擇性驅(qū)動，并建立服務管柱與外層管柱之間相對穩(wěn)固的壓載定位功能，其功能是保證一次多層分段進行大排量壓裂充填時管柱找位精準和管柱防竄防震的技術支撐，其可靠性是決定大排量壓裂充填作業(yè)成敗的關鍵。其主要由定位彈性爪、支撐彈性爪、自鎖彈性爪、復位彈簧、芯軸和密封鋼球組成，結(jié)構如圖3所示。首先，活動服務管柱至壓裂充填位置，然后環(huán)空加液壓并驅(qū)動支撐彈性爪進入定位彈性爪內(nèi)孔。同時，自鎖彈性爪實現(xiàn)支撐彈性爪的軸向防退限位，下放服務管柱即可使液壓定位工具的定位彈性爪與外層管柱的下部密封筒上臺肩實現(xiàn)選擇性定位。最后，可上提服務工具使液壓定位工具的定位彈性爪與外層管柱的滑套密封筒下臺肩擠壓后，實現(xiàn)支撐彈性爪的機械復位。該工具通過3組彈性爪簡單交互聯(lián)動的創(chuàng)新結(jié)構設計，實現(xiàn)了分段壓裂充填位置可選擇性地精確定位，大幅降低了同類機械定位工具需全管柱內(nèi)頻繁動作而定位失效，或判斷失誤的作業(yè)風險，其特別適用于一次多層細分層系較多的壓裂充填和高速水充填作業(yè)，具有較高的拓展應用價值。

圖3 液壓定位工具

2 關鍵工具強度分析與室內(nèi)試驗

2.1 密封模塊的承壓強度分析與試驗

密封模塊作為服務工具與外層工具實現(xiàn)動管柱密封各個相對位置的核心部件，一次多層壓裂充填要求其滿足往復承壓最大69 MPa的極限工況需要。本研究假設為極限工況，根據(jù)密封筒內(nèi)徑為98.55 mm，選擇密封模塊橡膠為氰化丁晴橡膠，邵氏硬度為90，抗撕裂強度為48.2 MPa，外徑為99.2 mm，其徑向單邊過盈壓縮量為0.325 mm，鋼體材質(zhì)為2Cr13，屈服強度為758 MPa，外徑為98.2 mm，其徑向單邊間隙為0.175 mm。使用橡膠件Mooney-Rivilin材料模型，分析并得到密封模塊的預壓縮初始接觸應力，如圖4所示，以及施加69 MPa工作壓差工況下的承壓應力云圖，如圖5所示。

有限元分析結(jié)果顯示，密封模塊插入密封筒中的預壓縮初始接觸應力為20 MPa，其滿足初始密封最小啟動壓差為20 MPa和低摩阻動管柱的需要；當密封模塊一側(cè)同時施加69 MPa的工作壓差時，橡膠件與密封筒的接觸應力為72 MPa，其大于端部施加的工作壓差，且橡膠被擠入剛體間隙的最大應力為25 MPa，其小于橡膠的許用抗撕裂強度，故該密封模塊滿足壓裂充填動管柱往復插拔時最大承壓69 MPa的強度需要。

圖4 預壓縮的接觸應力云圖

圖5 工作壓差下的應力云圖

為進一步驗證密封模塊往復動管柱后的承壓能力和耐磨性，以及橡膠與金屬粘接的抗撕裂能力，在試驗車間使用測試工裝，并添加陶礫進行密封模塊的往復插拔和壓力測試,結(jié)果如表2所示。

表2 密封模塊的承壓強度測試結(jié)果

該密封模塊可滿足往復插拔50次以上和7 200 kN以下較低滑動摩阻的使用要求，以及可以滿足69 MPa的承壓強度需要。模擬實際壓裂充填防砂工況進行加砂測試發(fā)現(xiàn)，其橡膠件表面未見明顯磨損和劃痕，可繼續(xù)承受69 MPa的工作壓差。試驗結(jié)果證明，該密封模塊可以滿足一次多層壓裂充填內(nèi)外管柱往復運動全程的承壓強度需要。

2.2 液壓定位工具彈性爪的強度分析與試驗

自主研制3組彈性爪聯(lián)動機構的液壓定位工具是壓裂充填作業(yè)中實現(xiàn)防砂內(nèi)、外管柱精確找位和定位的核心技術。定位彈性爪采用兩端固約式結(jié)構可提供較大的定位載荷。支撐彈性爪采用懸臂梁式結(jié)構，并進行固溶定型處理，具備足夠的安全復位撓度，以配套支撐定位彈性爪實現(xiàn)工具的選擇性定位。自鎖彈性爪采用參數(shù)化設計的懸臂梁式結(jié)構，可實現(xiàn)彈性爪液壓啟動值的精確控制和泄壓動管柱的安全防退。筆者以彈性精度控制較高的自鎖彈性爪為例，其材料為65 Mn，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強度為880 MPa。使用Ansys Workbench Static Structural分析模塊，簡化數(shù)學模型，并進行模擬分析，得到其彈性形變的應力分布，如圖6所示，以及全形變過程中的施加載荷變化曲線，如圖7所示。

圖6 最大彈性形變的應力云圖

圖7 不同撓度下的施加載荷

有限元分析結(jié)果顯示，當支撐彈性爪右端臺肩將自鎖彈性爪完全撐起時，自鎖彈性爪的根部出現(xiàn)最大彎曲應力為743.87 MPa，其最大彈性形變的應力值小于65Mn淬火后的許用屈服應力；支撐彈性爪右端以55°接觸傾角臺肩推動自鎖彈性爪徑向張開所需的最大軸向載荷為6 135 N，出現(xiàn)在自鎖彈性爪徑向變形至1/2的最大形變位置。根據(jù)支撐彈性爪右端的活塞面積，計算得到液壓定位工具的理論啟動壓差為12.5 MPa，可完全克服動管柱過程中因地層漏失造成局部虧空或抽吸的意外啟動風險。因此，經(jīng)參數(shù)化設計的組合彈性爪機構滿足彈性變形的安全強度需要，以及產(chǎn)生設計形變所需軸向驅(qū)動載荷的精度控制需要。

為進一步驗證新型液壓定位工具及其組合彈性爪的功能可靠性和安全性，在試驗車間和試驗井對液壓定位工具進行了往復多次的液壓啟動、下壓定位、上提復位和下壓通過的功能測試，測得參數(shù)如表3所示。

表3 液壓定位工具功能性參數(shù)測試數(shù)據(jù)

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，當啟動壓力≤9.5 MPa時，液壓定位工具均不會發(fā)生異常啟動。當多次升壓往復啟動液壓定位工具后，其啟動壓力為11.6～12.3 MPa，實現(xiàn)了自鎖彈性爪對定位工具啟動壓差從理論值到試驗值偏差<10%的精準控制。經(jīng)試驗后的尺寸檢測發(fā)現(xiàn)，3組彈性爪各項尺寸合格，未見屈服變形，故其滿足最大彈性形變時的屈服強度需要。

3 充填模擬分析

為了驗證?177.8 mm小井眼?98.55 mm大通徑一次多層壓裂充填防砂工具的技術適應范圍，基于泵入流體質(zhì)量、能量守恒定律和U形管壓力平衡規(guī)律進行分析。針對蓬萊油田B45ST01井作業(yè)工況，目標井深1 764 m，射孔段長度236 m，防砂層數(shù)為3層，分析采用?114.3 mm精密沖縫篩管、?88.9 mm沖管和?60.3 mm中心管，密封筒的內(nèi)徑為?98.55 mm，使用?88.9 mm鉆桿下入，最大砂質(zhì)量濃度為960 kg/m3，分別對100～400 m長度的中心管進行壓裂充填和反循環(huán)模擬分析，得到不同排量和不同中心管長度下的正循環(huán)壓裂充填和反循環(huán)施工曲線，如圖8～9所示。

圖8 壓裂充填模擬

圖9 反循環(huán)模擬

經(jīng)上述分析可見，考慮井下工具和井口設備極限承壓69 MPa時，該技術可滿足最長270 m中心管長度下3.2 m3/min排量和最長400 m中心管長度下2.8 m3/min排量壓裂充填的施工需求，基本可滿足1次6層及以上細分層系的作業(yè)需要。同時考慮井下套管和井口設備最高可承受20 MPa的安全壓力，該技術亦可滿足最長270 m中心管長度下1 m3/min排量和最長400 m中心管長度下0.8 m3/min排量反循環(huán)頂替作業(yè)的施工需求，故該小井眼大通徑一次多層壓裂充填防砂工具完全可以滿足渤海蓬萊等目標油田最高3.18 m3/min排量及?98.55 mm大通徑后續(xù)預留生產(chǎn)通道的市場需求。除此之外，在實際作業(yè)過程中還可通過優(yōu)化膠液體系，進一步提高該工具的技術參數(shù)適應范圍。

4 入井試驗

在中海油JJSY-2試驗井對整套工具進行下井模擬充填和反循環(huán)試驗，以驗證充填模擬分析及其實際適用參數(shù)范圍的準確性。本次下井采用層間距相同的1次6層防砂工藝管柱，其防砂管柱總長為436 m，其?60.3 mm中心管長度為270 m，工具下入井深1 660 m，使用水介質(zhì)對中心管摩阻影響最大的最底層防砂層位進行壓裂充填、高速水充填和和反循環(huán)摩阻測試，實測參數(shù)如表4所示。

經(jīng)充填和反循環(huán)測試發(fā)現(xiàn)，在充填位置進行壓裂充填，排量3.2 m3/min，泵壓63.9 MPa，相比井下工具69 MPa的承壓能力，其可滿足270 m中心管長度時進行壓裂充填最大3.2 m3/min的排量需要；在充填位置進行高速水循環(huán)充填，排量1 m3/min，泵壓19.3 MPa，相比地層破裂壓力，其可滿足270 m中心管長度時1 m3/min高速水充填的排量需要；在反循環(huán)位置進行反循環(huán)，排量1 m3/min，泵壓17.3 MPa，相比井口設備承壓20 MPa的安全級別，其可滿足270 m中心管長度時進行反循環(huán)最大1 m3/min的排量需要。因此，該工藝管柱及配套工具的適用技術參數(shù)完全可以滿足渤海油田?177.8 mm小井眼進行壓裂充填和高速水充填的作業(yè)需要。

表4 工具管柱模擬充填和反循環(huán)的泵壓記錄

5 結(jié)論

1)通過對蓬萊油田目前小井眼壓裂防砂技術和國內(nèi)外同類一次多層充填防砂技術的研究發(fā)現(xiàn)，需要研究一種適合海上?177.8 mm小井眼用的大通徑一次多層壓裂充填防砂新技術，以實現(xiàn)油氣井細分層系配注配產(chǎn)和降本增效的目的。

2)通過對?177.8 mm小井眼用沖管、中心管和篩管的設計優(yōu)選和液壓定位工具的設計創(chuàng)新，形成了一種?98.55 mm大通徑一次多層壓裂充填防砂工藝管柱及關鍵工具，適用于海上油田?177.8 mm小井眼大通徑1次6層及以上細分層系壓裂防砂工藝。

3)通過關鍵工具強度分析和試驗發(fā)現(xiàn)，其密封模塊可滿足往復插拔及承受69 MPa壓差的強度需要，其液壓定位工具的組合彈性爪可滿足對形變載荷誤差<10%的精準控制，同時滿足最大彈性形變時的屈服強度需要。

4)基于對蓬萊油田某井充填模擬分析和下井試驗發(fā)現(xiàn)，?177.8 mm套管井?98.55 mm大通徑一次多層壓裂充填防砂工具可滿足最長270 m中心管長度下3.2 m3/min壓裂充填排量和1 m3/min反循環(huán)頂替排量，以及最長400 m中心管長度下2.8 m3/min壓裂充填排量和0.8 m3/min反循環(huán)頂替排量的作業(yè)需要，相比同類技術具有較高的技術優(yōu)勢和推廣應用價值。