三類油層壓裂驅油防噴防卡工具研制

李 琳

(1.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)

大慶油田進入高含水開發后期，措施對象逐步轉向“薄、差、低、散”的三類油層。這類油層的剩余油儲量大，是油田重要的接替潛力儲層。這類儲層主要以三角洲內外前緣相沉積為主，砂體類型多、儲層物性差、水驅采出程度低、剩余油分布零散，水驅開發采出程度低。化學驅開發見到一定效果，但仍存在注入效率低、薄差層動用差、單井產量低的問題[1-3]。針對三類油層特征開展了壓裂驅油工藝技術研究和現場試驗，利用低黏度驅油劑代替壓裂液造縫，壓開低滲、剩余油富集井層。通過裂縫快速注入驅油液，將大量驅油劑快速、高效注入到目的層，最后進行加砂支撐裂縫，實現壓裂、增能、驅油三重功效。與常規壓裂相比較，壓裂驅油工藝的孔隙壓力及滲流范圍縱向分布范圍變大，驅油劑在可控的范圍內實現最大濾失，提高儲層動用程度，達到提高單井產量目的[4]。

壓裂驅油技術的主要施工特點為：

1) 泵入液量大。單層可達到2 000 m3，平均單井5～7層，總液量為10 000～15 000 m3。

2) 施工排量高。油管泵注排量達到8 m3/min。

3) 連續施工時間長。不間斷持續泵注3～5 d。

4) 工藝管柱需具有防噴功能。為保證壓裂驅油效果和盡快投產，壓后需盡快起出井內工藝管柱，起管柱時必須配套防噴設備及工藝，避免壓后起管柱時驅油劑返排出井。

因此，壓裂驅油施工對于工藝管柱及關鍵工具提出了更高的要求。

1 常規工藝管柱問題分析

壓裂驅油工藝試驗初期直接采用常規直井多段壓裂工藝。管柱主要由丟手接頭、滑套式彈簧噴砂器、K344型封隔器和死堵組成，如圖1所示。通過不動管柱投球開啟不同層段對應的滑套式彈簧噴砂器，進行多段壓裂驅油施工。工藝管柱性能指標為耐溫70 ℃、承壓55 MPa，單趟管柱壓裂5段，單層加砂30～60 m3。

在現場試驗時暴露出2個問題：

1) 防噴措施失效。壓后防噴措施失效，起管柱時井內液體從油管噴出或溢流，污染環境，降低壓裂驅油的效果。

1-丟手接頭；2-滑套式彈簧噴砂器；3-K344型封隔器；4-死堵。圖1 常規直井多段壓裂工藝管柱

2) 管柱遇卡。壓后起管柱時遇卡，無法正常起出，需大修作業起管柱，使壓裂驅油措施失效。

1.1 防噴措施失效問題分析

初期試驗時為滿足壓后起管柱防噴需要，井下工具采用滑套式彈簧噴砂器，分別設計了噴砂口外部密封和內部密封滑套，如圖2所示，壓裂驅油施工后油管和套管連接通道可關閉，從而實現油管內防噴。

1-彈簧；2-噴砂口外部密封；3-噴砂口；4-噴砂口內部密封滑套。圖2 滑套式彈簧噴砂器密封防噴結構示意

在現場試驗過程中，出現了2個問題：

1) 噴砂口外部密封處，經壓裂砂沖蝕后無法實現密封，失去防噴作用，如圖3所示。

2) 內部密封滑套未能完全進入彈簧噴砂器內，導致噴砂口內部未實現封堵，無法起到防噴作用，如圖4所示。

圖3 密封面沖蝕后不密封

圖4 滑套未完全進入彈簧噴砂器

1.2 管柱遇卡問題分析

初期試驗管柱遇卡后，通過對大修作業起出的井下工具進行分析，明確了遇卡原因：

1) 壓裂驅油施工液量大、時間長，導致封隔器膠筒疲勞失效而不回收，如圖5所示。

2) 每級噴砂器和封隔器內部和外部均有壓裂砂，如圖6所示，據此也可判斷該工具所在位置與套管環空間隙中存在壓裂砂，導致砂卡管柱[5]。

圖5 未回收的封隔器膠筒

圖6 工具中心管內存砂

2 防噴防卡工藝管柱分析

2.1 工藝管柱總體結構

根據問題分析，對工藝管柱進行優化，總體工藝采用不動管柱投球滑套多段壓裂驅油工藝[6]。針對工藝需求，重點從防噴、防卡2個方面開展研究，形成了具有防噴防卡功能的壓裂驅油工藝管柱，如圖7所示。

1-油管防噴閥；2-導壓噴砂封隔器；3-防噴橋塞。圖7 壓驅防噴防卡工藝管柱

在防噴工藝方面，工藝管柱頂部設置油管防噴閥，底部設置防噴橋塞，如圖8所示。壓裂驅油施工完成后，先投入鋼球激活油管防噴閥內板閥，封堵油管截面，實現油管內防噴。然后，利用帶壓作業裝置將工藝管柱上提至壓驅層段以上，坐封防噴橋塞，隔絕下部已改造層段，實現套管防噴。起出全部管柱，下泵時攜帶打撈解封工具解封防噴橋塞，直接進行投產，待后期檢泵時起出橋塞即可。該工藝可同時滿足驅油液不外排、快速下泵投產的需要，保證了壓裂驅油效果。

圖8 防噴原理流程示意

在防卡工藝方面，針對壓裂驅油施工后易引起卡管柱的問題，研制了導壓噴砂封隔器，使工藝管柱具備反洗井功能，同時縮短噴砂口和封隔器膠筒間距離，減少沉砂段長度[7]；研制了薄壁大通徑短膠筒，提高了封隔器坐封解封性能，降低砂卡風險。

2.2 油管防噴閥結構

油管防噴閥結構如圖9所示，核心機構為中心滑套和防噴閥板。可放置在管柱頂部，通過投球打掉中心滑套，使防噴閥板關閉，實現油管防噴，動作簡單可靠。

1-中心滑套；2-防噴閥板。圖9 油管防噴閥總體結構

為了保證防噴閥板在扭簧預緊力作用下能成功實現關閉，將扭簧由傳統單作用結構設計為雙作用結構，受力更合理。同時，優選高性能彈簧鋼，并經時效抗疲勞處理[8]，其彈性和抗疲勞性能提高了30%。如圖10所示。

為提高油管防噴閥關閉可靠性，采用高強度和韌性兼具的優質合金鋼扭簧與輕質鋁合金閥門組合(如圖11所示)，使防噴承壓達到30 MPa，質量僅為常規結構鋼材質的1/3。

圖10 扭簧優化前后示意

1-扭簧；2-防噴閥板。圖11 油管防噴閥的閥板結構

2.3 防噴橋塞結構

研制了新型Y425型防噴橋塞，設計了具有“離合器”功能的上下棘齒機構，如圖12所示，提高了橋塞錨定坐封的可靠性，解決了橋塞下入和起出過程中由于誤操作導致中途坐封問題。橋塞同壓裂管柱起下過程中，上下棘齒機構處于分離狀態，橋塞錨定坐封機構未被激活。當需要錨定坐封時，上提并旋轉橋塞，上下棘齒相互嚙合，激活雙向卡瓦錨定機構，使橋塞錨定。采用上提管柱方式壓縮膠筒完成封隔器坐封，實現防噴功能[9]。下泵時攜帶配套打撈裝置，通過上提解封橋塞，實現油套的連通，滿足正常注水或采油完井需要。

圖12 防噴橋塞示意

2.4 防砂卡導壓噴砂封隔器結構

2.4.1 噴砂和封隔功能的一體化設計

設計了橋式導壓通道，使噴砂器節流壓差能有效地傳導到封隔器中心管中，確保噴砂口下方的封隔器膠筒有效坐封和解封。實現了噴砂器和封隔器一體化集成，工具長度縮短17%，沉砂段縮短20%，滿足了1.2 m小卡距精細壓裂需求，有效降低砂卡風險。同時，使封隔器具備反洗井功能，提高工藝管柱防卡、解卡性能。 如圖13所示。

1-噴砂口；2-導壓通道；3-封隔器膠筒。 圖13 導壓噴砂封隔器

2.4.2 薄壁大通徑短膠筒結構

膠筒長度越短，與套管的摩擦力越低，越容易解封；增大膠筒內通徑，可以有效減少節流損失，提高施工排量。研發了鋼絲簾線結構的薄壁大通徑短膠筒，內通徑由?42 mm擴大至?61 mm，密封長度僅為175 mm，較常規膠筒縮短31%，如圖14所示。

1-常規結構膠筒；2-薄壁大通徑短膠筒圖14 大通徑短膠與常規膠筒對比

為提高薄壁大通徑短膠筒承壓性能，將“鋼絲+尼龍簾線”設計為強度更高的“鋼絲+芳綸簾線”，優化設計鋼絲簾布角度為15°，均勻分布鋼絲簾線張力，確保受力均勻[10]。如圖15所示。

a 結構優化前

b 結構優化后

研究了特種處理工藝，解決芳綸與橡膠粘接性能差的問題，使鋼絲、橡膠、膠漿和芳綸簾線在硫化成膠筒時融為一體，不“分層”，實現了膠筒內部幾種不同材料的變形率趨于一致，從而解決膠筒工作時斷絲或斷線問題。膠筒材料由丁腈橡膠(NBR)改為氫化丁腈橡膠(HNBR)，并加入納米級添加劑。設計了無痕模具和配套硫化成型工藝，避免膠筒在縱向有痕處開裂，提高了膠筒性能指標的穩定性[11-12]。膠筒室內檢驗達到耐溫120 ℃、承壓差70 MPa，連續穩壓48 h后殘余變形僅為3.1%，滿足長時間高壓施工后仍能有效回收的工藝要求，降低了卡管柱風險[13]。

2.4.3 噴砂器節流結構優化

為滿足壓驅井多段大排量施工需要，對噴砂器節流結構進行優化，將常規軸向節流優化為側壁徑向節流結構，增加了工具內徑，釋放軸向內徑空間，使噴砂器內通徑同油管趨于一致，減少大排量施工時的節流損失。Fluent流體分析表明，側壁徑向節流使工具內部流速更均勻，如圖16～17所示。噴砂器噴砂磨損方式由軸向梨削磨蝕轉變為徑向反濺磨蝕，降低了噴砂器磨蝕強度，從而提高了噴砂器加砂量[14-15]。現場試驗表明，噴砂器加砂量由30 m3提高到102 m3，滿足了壓裂驅油大砂量施工需要。

圖16 軸向與徑向節流結構壓降損失云圖

圖17 軸向與徑向節流結構出口流速云圖

3 現場試驗

以N8-31井為例，該井為1口老井，與斷層距離124 m，開發層位中2號、3號層存在4個單元注采不完善，儲量難以動用。選擇4個層段開展壓裂驅油現場試驗，單段注入驅油液2 073 m3以上，單層加砂32 m3以上，施工排量6 m3/min，施工壓力最高51 MPa，具體參數如表1。

壓裂驅油施工完成后，首先關閉油管防噴閥，采用帶壓作業設備上提管柱，出現了上提載荷增加，通過大排量反循環沖砂后上提管柱載荷正常，起至全井射孔井段上部坐封防噴橋塞，實現井筒封堵。順利起出管柱后下入抽油泵，解封防噴橋塞后正式投產。從壓裂驅油施工結束起管柱至下泵投產僅2.5 d時間，較試驗初期縮短7 d以上。試驗后該井初期日增液80 t，日增油19.4 t，投產1 a時間累產達到6 300 t，單井產量大幅提升。

目前，該工藝累計現場應用160余口井，防噴防卡工藝成功率由試驗初期不足50%提升至100%，為壓裂驅油工藝順利實施提供了有力技術支持。

表1 N8-21井壓裂驅油施工參數

4 結論

1) 壓裂驅油工藝可解決三類薄差層注采關系不完善、剩余油難以動用的問題，能夠有效提高單井產量。

2) 研發的防噴工藝實現了壓裂驅油施工過程中管柱下入、起出和下泵全過程防噴，環保施工，滿足了壓后快速下泵需求。單井投產周期縮短1個月以上，提高了壓驅效果和施工效率，降低了成本。

3) 研發的防卡工藝實現了直井縱向上多段、小卡距、安全、高效精控壓裂驅油施工，提高了主力油層小層壓開率和三類儲層動用程度。

4) 該防噴防卡工藝管柱可實現多段、大規模、高效、環保施工，不僅適合于壓裂驅油施工，還可拓展應用于其他斜直井大規模多段壓裂施工中，能夠顯著提高施工效率，降低施工成本。