庫車山前深層高溫高壓氣井多封隔器分層壓裂工藝

王克林 張波 李超 劉洪濤 何新興 秦世勇 黃錕

1.中國石油塔里木油田分公司；2.新疆華油油氣工程有限公司

塔里木盆地庫車山前區域是國內深層天然氣主要富集區域之一，其儲層孔隙度為4%～8%、滲透率為(0.01～0.5)×10-3μm2，最高溫度和壓力可達188 ℃、136 MPa，具有高溫高壓和低孔低滲特征，因此需要通過實施儲層改造來提高單井產量。暫堵分層、橋塞分段和多封隔器分層是儲層壓裂改造的常用工藝措施［1-3］。暫堵分層壓裂效果受限于儲層應力差，當應力差大于6 MPa或小于3 MPa的儲層，暫堵轉向效果差。橋塞分段壓裂在頁巖氣開發中應用廣泛，但橋塞鉆磨作業過程中井口壓力需保持30 MPa以下，而庫車山前壓裂井的停泵壓力普遍在40 MPa以上，不適用于深層高溫高壓氣藏儲層改造［4-7］。因此，多封隔器分層成為庫車山前區域高溫高壓氣藏分層壓裂改造的必然選擇。然而，受井筒溫度壓力［8］、溫壓效應［9-10］和完井管柱結構［11］的影響，多封隔器分層壓裂工藝在高溫高壓氣井中容易出現封隔器失效、鋼球滯留及鉆井液返排不充分堵塞管柱等問題，庫車山前區域的現場應用也證實了上述問題［12］，嚴重影響了分層壓裂的實施效果以及后期資料錄取。為解決上述問題，從完井管柱、投球性質和全通徑壓裂閥結構三方面入手，改善了壓裂過程中封隔器受力情況，增加了管柱通徑，解決了滯留投球堵塞管柱的問題，提高了井筒替液效率，取得了良好的應用效果。

1 壓裂工藝優化

1.1 優化完井管柱結構

前期壓裂作業過程中，過大的軸向載荷導致封隔器失效，且完井管柱管鞋一般下入射孔段頂界或中部位置，無法把射孔段中下部的壓井鉆井液替出，導致壓井鉆井液出現沉淀，影響有效射孔厚度和壓裂施工作業。基于此，對管柱結構進行了優化，如圖1所示。

圖1 優化后分層壓裂完井管柱圖Fig.1 Optimized completion string of separate layer fracturing

首先，在封隔器之間設置了伸縮短節。通過控制伸縮短節銷釘的數量來確保伸縮短節在壓裂作業前處于閉合狀態，在壓裂作業時，伸縮短節處于拉開狀態，從而避免壓裂時封隔器之間軸向力過大，造成封隔器失效。

其次，采用大尺寸封隔器與小尺寸封隔器組合提高管柱下入能力，規避多個封隔器在小尺寸尾管中下入遇阻的現象，形成了?177.8 mm+?127.0 mm(懸掛)和?206.38 mm+?139.7 mm (懸掛)套管柱封隔器組合方式。

第三，延伸完井管柱管鞋到射孔段底界，在完井管柱對應射孔段頂界位置設置全通徑壓裂閥，形成大加小封隔器分層壓裂完井管柱，管柱通徑變大，從而替出射孔段試油鉆井液，為后期施工提供有利通道，形成了2種改進的分層壓裂完井管柱。

(1) ?206.38 mm+?139.7 mm復合套管井：油管掛+?114.3 mm氣密封扣油管+?114.3 mm上提升短節+?114.3 mm上流量短節+?101.6 mm安全閥+?114.3 mm下流量短節+?114.3 mm下提升短節+?114.3 mm氣密封扣油管+變扣+?88.9 mm氣密封扣油管+Y443-162永久式封隔器+?88.9 mm氣密封扣油管+?88.9 mm伸縮管+?88.9 mm分層壓裂閥+Y443-111永久式封隔器+?88.9 mm全通徑壓裂閥+變扣+?73.02 mm氣密封扣油管+?73.02 mm球座。

(2) ?177.8 mm+?127.0 mm復合套管井：油管掛+?114.3 mm氣密封扣油管+?114.3 mm上提升短節+?114.3 mm上流量短節+?101.6 mm安全閥+?114.3 mm下流量短節+?114.3 mm下提升短節+?114.3 mm氣密封扣油管+變扣+?88.9 mm氣密封扣油管+ Y443-139永久式封隔器+?88.9 mm氣密封扣油管+?88.9 mm伸縮管+?88.9 mm+變扣+?73.02 mm氣密封扣油管+?73.02 mm分層壓裂閥+ Y443-101永久式封隔器+?73.02 mm全通徑壓裂閥+?73.02 mm氣密封扣油管+?73.02 mm球座。

1.2 研發可溶球

前期采用鋼球進行投球作業，鋼球密度大，遇到低產井或遇卡后返排難度大，堵塞生產通道，影響后期生產和井筒作業。為此研發了高強度鋁合金可溶球，表面涂有以三聚氰胺為過渡層的復合有機硅樹脂涂層［13］保護膜，可溶球保護膜與溶液接觸時，溶解速度慢，保護膜溶解完后，本體與溶液接觸，本體材料比保護膜溶解快，溶解速度加快。

可溶球保護膜能夠確保溶解速度先慢后快。在“助排劑+1.0%破乳劑+0.2%交聯調節劑+5%甲醇+水”介質中時，可溶球在60 ℃壓裂液中溶解10 h，其外徑由63.5 mm變為63 mm。實驗介質為1.2%氯化鉀時，氯離子含量5 500～6 000 mg/L，在70 ℃條件下，22 h后可溶球外徑由63 mm變為51 mm，48 h后外徑為32 mm，72 h后全部溶解完。

1.3 全通徑壓裂閥

前期完井管柱管鞋下至射孔頂界或中部，造成鉆井液及支撐劑易沉積在井底替不出；優化完井管柱將管鞋延伸至射孔段底界為替液通道，射孔頂界下入壓裂閥作為壓裂通道；傳統分層壓裂閥的滑套下端設計彈性爪固定滑套，投球打壓打開使滑套下移到設計位置，下端彈性爪彈開對滑套固定，同時滑套和外筒的橢圓孔對正，滑套內外連通，鋼球落入球座上，后期需要返排出來。為此，研發一種全通徑壓裂閥［14］，從而達到壓裂時對準儲層和井筒疏通時采用大尺寸管柱目的。

全通徑壓裂閥采用棘爪式結構和投球打壓方式，可在滑套打開側孔時擴徑通過球，使球移動至管柱底部，不影響管柱的其他作業，通徑達到與封隔器相同，承壓能力及性能指標與傳統分層壓裂滑套相同，見圖2。

圖2 全通徑壓裂閥示意圖Fig.2 Full-bore fracturing valve

2 現場應用及效果分析

2010—2013年，庫車山前區域進行了9井次多封隔器機械分層壓裂作業，出現了封隔器失效、鋼球返排不出、替液不干凈及管柱堵塞等問題。2019—2020年優化后的多封隔器分層壓裂工藝在庫車山前博孜、克深等區域高壓氣井累計應用14井次，未出現上述問題，改造后平均單井產量提高5.1倍。

以KS1井為例，該井完鉆井深/垂深7 060.0 m/6 398.4 m，采用優化后的分層壓裂工藝進行多封隔器分層壓裂。在最高排量6.55 m3/min、最高泵壓118.5 MPa情況下，未出現管柱堵塞現象，封隔器坐封效果良好。壓裂結束后用?9 mm油嘴放噴求產，無阻流量由壓裂前的30×104m3/d增至壓裂后的250×104m3/d，提產效果顯著。

2.1 緩解軸向載荷避免封隔器失效

2012年，庫車山前某井下部層段酸壓快結束時，套壓突升、油壓突降，判斷油套竄通，修井作業中發現封隔器芯軸被拉斷。計算發現［15］，壓裂過程中封隔器受到的軸向載荷由140 kN提高至405 kN，是導致封隔器失效的主要原因。KS1井加裝伸縮短節后，力學計算結果顯示在低擠、壓裂、生產工況下封隔器受力均處于安全范圍內，很好地緩解了軸向載荷，現場作業未再出現封隔器失效現象。

2.2 可溶球解決管柱堵塞問題

鋼球返排不出嚴重增加井筒油氣的流動阻力，堵塞生產通道，影響后期生產和井筒作業，造成上述問題的主要原因為：地層流體無法推動鋼球向上運動至井口；鋼球被地層返出的砂或其他巖屑堆積卡死在管柱內；液體返排速度小使鋼球在壓裂后由于塑性變形卡死在球座上。

可溶球在壓裂液中承壓能力仍保持在69 MPa以上，持續時間達4 h。庫車山前高溫高壓氣井壓裂期間井底溫度70 ℃左右，壓裂施工時間為3 h左右，耐壓差50 MPa，因此，可溶球強度能夠滿足前期壓裂施工要求。根據溶解速度先慢后快的特性，滯留井筒內的可溶球，在較短時間內即可溶解。可溶球投入現場應用后，未再出現管柱堵塞問題。

2.3 優化管柱設計，增強井筒疏通能力

庫車山前試油壓井鉆井液一般采用油基、水基或超微重晶石體系，密度1.75～2.25 g/cm3，分層壓裂完井管柱下到預定位置后換裝井口，再用完井液低排量反替出壓井鉆井液。前期分層壓裂完井管柱結構：?206.38 mm套管+?139.7 mm套管井常用Y443-111永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內徑58.62 mm，配置的最大壓裂閥內徑52mm；?177.8 mm套管+?127.0 mm套管井采用Y443-101永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內徑為48.51 mm，配置的最大壓裂閥內徑42 mm。管鞋下至產層中部或頂部。

優化前分層壓裂管柱不利于后期連續油管井筒疏通等作業，優化后分層壓裂完井管柱?206.38 mm套管+?139.7 mm套管井采用Y443-162+Y443-111永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內徑58.62 mm，配置的最大壓裂閥內徑60 mm；?177.8 mm套管+?127.0 mm套管井采用Y443-139+Y443-101永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內徑48.51 mm，配置的最大壓裂閥內徑60 mm。優化后的分層壓裂管柱，管鞋延伸至射孔段底界，在壓裂作業時通過投球打開全通徑壓裂閥的循環孔，壓裂液和支撐劑可通過循環孔直接進入儲層，解決管鞋下至射孔段底界帶來的支撐劑易沉積在井底、循環摩阻大的問題。全通徑壓裂閥投球打開滑套后最大內徑與封隔器內徑一致，改進后的管柱井筒疏通能力增強了，為壓裂液注入和后期井筒作業提供了良好的條件，在后期作業中應用效果良好。

3 結論和建議

(1)通過優化設計管柱安裝伸縮短節、延伸管柱長度、研發可溶球、優選封隔器尺寸，并優化分層壓裂閥結構，有效解決了庫車山前區域高溫高壓氣井多封隔器分段壓裂封隔器失效、鋼球堵塞管柱及射孔段下部替液不干凈技術問題。

(2)考慮到施工風險等因素，目前只能完成雙封隔器分層壓裂，應進一步優化封隔器性能及配套工藝以實現更多層數的壓裂作業。

致謝

感謝陜西科技大學對可溶球涂層制備提供的技術支持。