無限級固井滑套分壓工具研制與現場試驗

劉海龍, 趙文龍, 孫 新, 孟劍波, 王 磊, 田志華, 韓光耀

(1.新疆油田公司 工程技術研究院, 新疆 克拉瑪依834000; 2.新疆油田公司 新疆昆侖工程咨詢公司, 新疆 克拉瑪依834000; 3.新疆油田公司 開發公司, 新疆 克拉瑪依834000)

非常規油氣由于具有儲層致密、物性差和豐度低等特點,采用常規開采技術無法達到有效開發的目的。分層壓裂是實現非常規油氣藏均勻充分改造、提高油氣井產量的主要措施之一[1-5]。隨著油田勘探開發的深入,儲層物性逐漸變差,對精細分層改造需求越來越高,分壓層數、施工排量和加砂量不斷增大,傳統的油管封隔器+投球滑套分壓管柱工藝逐漸暴露出處理層數不足、管柱工具沖蝕嚴重、壓后管柱斷脫、封隔器砂卡風險大等問題[6-7]。

近年來,國內外先后開展了無限級固井滑套分壓工藝研究。趙銘[8]等對比了橋塞射孔聯作和無限級固井滑套2種分壓工藝的優缺點,固井滑套工藝在水馬力需求、作業效率、產量等方面具有優勢;李梅、楊文波、王湯等[9-11]闡述了固井滑套工藝原理、在國內油氣田的應用情況及現場異常工況應對措施;朱和明[12]研制了1種可開關固井滑套,并開展了球座高壓密封及耐沖蝕技術、反復過孔高壓密封技術、滑套鎖緊限位技術、開關工具定壓節流啟動技術、開關顯示技術等關鍵技術研究;羅建偉等[13]設計了1種可實現液壓開啟和機械關閉的固井滑套以及配套的關閉工具,在室內測試成功。新疆油田于2017年引進了無限級固井滑套分壓技術,在水平井中開展現場先導試驗,取得了較好的應用效果[14]。但是,進口工具的費用高昂,不利于在直井、定向井中推廣。為此,新疆油田公司開展了無限級固井滑套分壓工具的研制及試驗,以降低工具成本,實現低滲致密油氣藏直井、定向井的充分改造和效益開發。

1 管柱結構及工藝

油層套管下入前,根據電測結果分析確定各級固井滑套下入位置,然后將固井滑套與油層套管一起下入,并固井、完井,如圖1所示。壓裂作業時,通過連續油管下入如圖2所示的滑套開啟工具串,自下而上依次開啟各級滑套,進行分層壓裂。壓裂結束后,提出連續油管和滑套開啟工具串,即可放噴投產。

1-油層套管;2-固井滑套;3-浮鞋(浮箍)。

1) 導向頭。端部為球面或楔形結構,周向設置扶正塊,實現導向功能,便于工具串下入。

2) 泄流短節。孔眼處裝有破裂盤。開啟第1級滑套時,破裂盤爆破,為液體提供泄壓通道,利于封隔器下行。

3) 滑套定位器。采用機械定位方式。本體上設置定位塊,并沿軸向開槽,使其具有彈性。滑套定位器經過滑套內部變徑處時,定位塊張并開嵌入。脫離時需要增加一定拉力,使定位塊收縮,此時可通過地面連續油管懸重變化判斷滑套位置。

4) 封隔器。通過上提、下放連續油管,進行坐封、解封。坐封在滑套內筒后,在上部加壓產生活塞效應,封隔器卡瓦卡住,推動內筒下行并開啟滑套。同時,該封隔器封隔下部層段,避免段間干擾。

5) 平衡閥。通過上提打開,下壓關閉。封隔器坐封時關閉,隔離下部地層壓力;封隔器解封時,連續油管上提,打開平衡閥(因開關機構截面積較小,開啟所需克服液注壓力的上拉力較小),平衡膠筒上下壓差,便于封隔器解封。

6) 噴槍。由高硬度本體和耐磨噴嘴組成。液體在噴嘴的截流下形成高速射流流體,在固井滑套無法開啟時可進行噴砂射孔,免丟段。同時,在壓裂過程中用于連續油管補液,避免環空壓裂砂進入連續油管。

7) 扶正器。與引鞋、定位器彈性定位塊配合,使工具串保持相對居中,防止下入過程中發生磨損。

8) 安全接頭。工具串因沉沙、套管變形等影響而無法順利提出時,可通過增大連續油管上拉力,剪斷安全接頭上的銷釘,實現分離。提出連續油管及上部工具后,再進行落魚打撈。

9) 連續油管連接器。用于連接連續油管和下部工具串,按結構可分為外卡瓦式、內卡瓦式、螺釘式等。

2 配套工具研制

2.1 無限級固井滑套

無限級固井滑套結構如圖3所示,主要由上接頭、內滑套、連接筒、下接頭等組成。上接頭設計6道條形通孔,作為壓裂端口。壓裂時,滑套開啟工具帶動內滑套下行,露出孔道,可進行環空加砂壓裂。壓裂端口總過流面積與油層套管內截面積相近,壓裂過程中不會產生孔眼節流壓差而導致施工壓力增大。滑套開啟前,內滑套下部與下接頭連接形成的臺階作為滑套定位槽。滑套定位器經過時,通過拉力變化確定滑套位置。無限級固井滑套設計參數如表1所示。

2.2 滑套開啟工具

無限級固井滑套開啟工具串結構如圖4所示。因連續油管連接器和安全接頭是連續油管作業的必備工具,施工隊伍均已成熟配備。因此,本文主要研制了扶正器、噴槍、平衡閥、封隔器、滑套定位器、泄流短節和導向頭共7種滑套開啟關鍵配套工具。設計參數如表2所示。

1-扶正器;2-噴槍;3-平衡閥;4-封隔器;5-滑套定位器;6-泄流短節;7-導向頭。

圖5 無限級固井滑套室內承壓試驗曲線

1) 扶正器。由兩端扶正塊和中間短節通過螺紋連接組成,便于扶正塊加工,同時當扶正塊發生磨損時可單獨更換,降低工具維護成本。

2) 噴槍。包含4個噴嘴。本體外部裝有硬質合金保護套,在滑套無法正常開啟并進行噴砂射孔時,可以保護噴槍不受返濺沖蝕損傷。

3) 平衡閥。內部閥桿設計排砂槽,壓裂后可通過循環液體將沉降在閥內的砂子沖出,避免開關困難及密封失效。

4) 封隔器。通過上、提下放管柱,實現坐封、解封。設計坐封力約為20～30 kN,當井斜或狗腿度較大時,連續油管仍可施加足夠的坐封壓力。

5) 滑套定位器。最大外徑大于套管內徑,下入過程中與套管壁緊貼,可收縮至與開啟工具串其他工具最大外徑一致,不影響正常下入,定位掛卡力約5 kN±2 kN ,可在地面明顯觀察到連續油管懸重變化。

6) 泄流短節。安全2個破裂盤,破裂壓力10 MPa±0.5 MPa,低于固井滑套開啟壓力。

7) 導向頭。端部為球面結構,周向設置6個扶正塊,最大外徑與扶正器一致。

3 室內試驗

3.1 滑套承壓試驗

將無限級固井滑套一端用堵頭封堵,另一端連接打壓接頭。加壓至70 MPa,穩壓30 min無滲漏,如5所示,表明滑套承壓性能達到設計要求。

3.2 滑套開啟試驗

設計了無限級固井滑套開啟試驗工裝(如圖6所示),可以實現開啟工具串在滑套內移動、封隔器坐封和環空打壓功能。將固井滑套、開啟工具、試驗工裝連接好,置于臥式拉壓試驗裝置中(如圖7所示),上提滑套開啟工具,重復2次,經過滑套定位槽時拉力變化分別為4 kN 和6 kN ;下放到施加壓力20 kN,滑套開啟工具無位移,表明封隔器已坐封。連接加壓管線,加壓至11.73 MPa時壓力突降,如圖8所示,同時滑套壓裂端口出水,表明開啟工具定位,坐封及滑套開啟性能達到設計指標。

圖7 無限級固井滑套室內開啟試驗裝置

圖8 無限級固井滑套室內開啟試驗曲線

4 現場試驗

4.1 試驗過程

研制的無限級固井滑套分壓工具現場試驗2口井,分8個層位壓裂,滑套全部成功開啟,壓裂施工成功率100%。以5DXX37井為例,該井完鉆井深1 903 m,設計分6層壓裂改造,平均層間距21.08 m,施工排量3.5～5.0 m3/min,總加砂量70 m3。固井滑套順利入井并完成固井作業,各級滑套平均開啟壓差13.7 MPa,平均轉層時間(上一層壓裂施工結束至下一層壓裂施工開始時間)13.4 min,1 d內完成全井6層壓裂施工,并按設計完成加砂量。提出開啟工具檢查,定位器、封隔器均未見明顯損傷,具備重復使用條件。5DXX37井試驗數據如表3所示。

表3 5DXX37井無限級固井滑套現場試驗數據

4.2 生產效果分析

5DXX37井壓后自噴生產平均日產油4.5 t,51 d累計產油231 t,平均含水率37%。與同區塊鄰井采用暫堵分壓和封隔器+投球滑套分壓工藝相比,平均日產油量提高2.2～2.7倍,平均含水率降低27%～35%,如表4所示。生產效果對比表明,無限級固井滑套分壓工藝各層均得到充分改造;無限級固井滑套分壓工藝采用定點壓裂方式,改造位置精準,可以避免裂縫規模失控導致溝通水層。

表4 不同分壓工藝壓后生產效果對比

5 結論

1) 研制了適用于139.7 mm(5.5 in)套管的無限級固井滑套及配套開啟工具。試驗證明,滑套密封及開啟性能達到設計指標,可以滿足現場使用需求。

2) 現場試驗及壓后效果表明,無限級固井滑套具有施工排量大、作業效率高、壓后井筒全通徑、儲層改造精準充分等優勢,是致密油氣藏高效開發的有效技術。

3) 研制的無限級固井滑套工具的成本相比引進工具大幅降低(70%以上),但連續油管設備動遷及施工費用較高。該技術適宜在分壓層數較多的直井、定向井中應用,以降低單層改造成本。