壓裂管柱防管內(nèi)溢流工具的研制與應(yīng)用

劉照鈺 劉立新 馮靜 劉春雨

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠；3.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司）

1 問題分析

目前，水力壓裂仍然是油氣田增產(chǎn)增注的主要措施，其中不動管柱多層壓裂已經(jīng)成為直井壓裂的主要手段。針對壓裂過程中產(chǎn)生管內(nèi)溢流，返排液易污染地面的問題，設(shè)計滑套式密封器堵塞最上級噴砂器出砂口，以及設(shè)計防溢流噴砂器[1-3]，使其具有封堵其各壓裂層，實(shí)現(xiàn)了壓裂施工的全過程防管內(nèi)溢流功能。壓裂施工開始時，直接向油管內(nèi)注液，進(jìn)行第一層壓裂[4]。第一層施工完畢后投球打套，將第二級噴砂器內(nèi)滑套打掉，落入第一層噴砂器內(nèi)，重復(fù)以上動作，完成各層施工。為明確溢流原因，隨機(jī)查看149 個施工后的噴砂器，發(fā)現(xiàn)77.2%噴砂器滑套沒有到位，導(dǎo)致出砂口未堵住，使油管外液體進(jìn)入油管內(nèi)，無法密封下級噴砂器的出砂口，產(chǎn)生井口油管內(nèi)溢流。除此之外，壓裂施工后最上級噴砂器無滑套密封其出砂口，也產(chǎn)生油管內(nèi)溢流[5-6]。

2 新型壓裂管柱防溢流的設(shè)計

針對以上問題研制一種防溢流噴砂器，使其具有多層壓裂、壓后防油管內(nèi)溢流功能[7]。設(shè)計一種防溢噴砂器，以彈簧凡爾噴砂器為基本結(jié)構(gòu)，從增大滑套到位壓力，減小滑套到位阻力，能夠隨壓隨關(guān)的噴砂器；設(shè)計一種滑套式密封器,堵塞最上級噴砂器出砂口。保證其剪斷滑套足夠的壓力，防止壓裂最后一層過程中將該滑套意外打掉，影響施工。

2.1 工作原理

該工具根據(jù)滑套內(nèi)徑大小分為A、B、C、D 四種型號，組配管柱[8]時從上到下分配的噴砂器滑套內(nèi)徑逐漸減小，最下級噴砂器為不帶套的A 型，往上滑套內(nèi)徑分別是?33 mm、?36 mm、?39 mm，工作時最下層為不帶套噴砂器，可以直接注液進(jìn)行壓裂，壓后投?35 mm 鋼球，將B 型噴砂器滑套打掉，滑套落入A 型噴砂器中心管內(nèi)，油管內(nèi)壓力小于或等于4 MPa 時，凡爾剪釘未剪斷，凡爾不開啟，直到滑套堵住A 型噴砂器中心管出砂口，且導(dǎo)向頭鎖定面通過彈簧爪，鎖定后，油管內(nèi)繼續(xù)加壓，反爾剪釘剪斷，反爾開啟，可以進(jìn)行下一層的壓裂。重復(fù)以上動作可實(shí)現(xiàn)坐壓4 層。當(dāng)該井施工結(jié)束后，投球打掉密封滑套，鋼球帶動滑套下行封堵最上層噴砂器的出砂口，從而所有的出砂口均封堵住，可實(shí)現(xiàn)起壓裂管柱油管內(nèi)防溢流。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）考慮噴砂器需配合擴(kuò)張封隔器完成分層壓裂，采用彈簧凡爾節(jié)流裝置，逐級縮徑滑套實(shí)現(xiàn)多層壓裂，滑套鎖定采用彈簧爪下端面與導(dǎo)向頭鎖定面配合進(jìn)行鎖定，來增大滑套下行推力，增大凡爾開啟壓力。彈性鎖套噴砂器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 彈性鎖套噴砂器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sandblaster with elastic lock sleeve

2）滑套式密封器為防溢多層坐壓管柱配套工具，其內(nèi)部有密封滑套，用剪釘固定在密封器內(nèi)。為了不讓密封滑套在壓裂過程中被沖掉，剪斷密封滑套的剪釘壓力在16～19 MPa，密封滑套通過承接套固定在上接頭上，為了方便搬運(yùn)、連接工具等，設(shè)計了套筒和下接頭。滑套式密封器結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 滑套式密封器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of sliding sleeve sealer

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

彈性鎖套噴砂器的核心部件是彈簧爪。它的設(shè)計直接影響到滑套能否順利到位、鎖定。導(dǎo)向頭需通過彈簧爪的活動端，彈簧爪可通過單個爪的活動端張開產(chǎn)生變徑，導(dǎo)向頭通過后，彈簧爪回收，鎖定導(dǎo)向頭，彈簧爪工作示意圖見圖3。

圖3 彈簧爪工作示意圖Fig.3 Working diagram of elastic claw

1）彈性鎖定裝置的設(shè)計。為了完成彈簧爪的功能，擬定了以下3 套方案，彈性鎖定裝置擬定方案見圖4。方案a：采用扭簧爪鎖定，通過扭簧轉(zhuǎn)動棘爪，使導(dǎo)向頭能夠下落并鎖定到鎖定面。該方案鎖定阻力小，通過扭簧爪容易，但鎖定點(diǎn)只有三點(diǎn)，鎖定可靠性低，結(jié)構(gòu)有空間存砂，會影響扭轉(zhuǎn)動作，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，不適合推廣使用。方案b：在滑套下端連接彈簧爪，彈簧爪可向內(nèi)收，通過一個縮頸臺階后可鎖定滑套，但該方案彈簧爪回收的范圍較大，鎖定可靠性較低，且彈性爪之間需要有間隙容納向內(nèi)收縮的爪體，這就造成過壓裂砂磨蝕現(xiàn)象，容易鎖定失效。方案c：滑套通過性較好，既能鎖定，又防止磨蝕現(xiàn)象，且擴(kuò)張方式是向外擴(kuò)張，方便加工[9-10]。最終確定，采用固定式彈簧爪，采用線切割的薄壁圓筒加工。

圖4 彈性鎖定裝置擬定方案Fig.4 Draft scheme of elastic locking device

2）撓度校核。彈簧爪在整個壓裂施工過程中有很大的變形量，所以要對其撓度進(jìn)行校核。懸臂梁撓度計算簡圖見圖5，彈簧爪活動端有撓度變形過程可抽象成n個懸臂梁，每個爪產(chǎn)生的撓度y能夠使導(dǎo)向頭通過，故根據(jù)懸臂梁的位移與剛度撓度計算公式，可得單個爪的撓度計算公式：

圖5 懸臂梁撓度計算簡圖Fig.5 Deflection calculation diagram of cantilever beam

式中：y為撓度，mm；P為集中載荷，N；E為拉壓彈性模量，材料是鋼，一般取2.1×105MPa；I為截面對中性軸的慣性矩，mm4；l1和l2為懸臂梁上作用力分別與自由端和固定端的距離，mm。

若x=0，其撓度取最大值：

在該模型中，單個彈簧爪的慣性矩與其截面形狀有關(guān)，其截面為扇圓環(huán)形，其慣性矩為：

式中：R為圓環(huán)外徑，mm；r為圓環(huán)內(nèi)徑，mm；α為扇形半張角，（°）。結(jié)構(gòu)參數(shù)R=31 mm，r=29 mm，α=36°代入公 式（3）可 得，扇 圓環(huán)形的慣性矩為26.273 2×10-8mm4。根據(jù)其工作原理，需讓外徑為?53 mm 的導(dǎo)向頭通過彈簧爪彈性端內(nèi)徑?49 mm 的內(nèi)孔，彈簧爪彈性端內(nèi)徑需向外擴(kuò)張4 mm，也就是半徑向外擴(kuò)張2 mm，即撓度y≥2 mm 就能滿足通過要求，暫定載荷F=1 000 N，由公式（1）得撓度y為5.85 mm，滿足條件。

2.4 關(guān)鍵部件優(yōu)化

從彈性鎖套噴砂器的結(jié)構(gòu)上看，滑套到位時，彈簧爪長度直接影響了滑套的導(dǎo)向頭長度，彈簧爪加工時，只需線切割進(jìn)行加工，但加工分瓣數(shù)，直接影響到滑套到位阻力大小，故需要進(jìn)一步優(yōu)化處理。試驗(yàn)方案：選中心管、下接頭、滑套、導(dǎo)向頭各一件，選各種規(guī)格彈簧爪，組合成試驗(yàn)裝置。將中心管下端連到下接頭，并安置一個彈簧爪，將導(dǎo)向頭連到滑套，仿照彈簧噴砂器滑套被打掉后落入中心管的動作，檢驗(yàn)滑套是否能封堵中心管出砂口，以及滑套是否能通過彈簧爪并鎖定。更換不同規(guī)格的彈簧爪，其爪數(shù)、長度均可優(yōu)化。彈簧爪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 彈簧爪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Experimental data statistics of elastic claw

實(shí)驗(yàn)過程：以彈簧爪長度60 mm，分瓣數(shù)10 瓣為例。將彈簧爪安裝入下接頭內(nèi)，本彈簧爪10 瓣圓周均勻分布，每個爪36°，彈簧爪長度60 mm，彈簧爪壁厚2 mm，滑套下端連接加長導(dǎo)向頭，在中心管上端0.8 m 處投放，讓滑套自由下落入中心管內(nèi)。試驗(yàn)進(jìn)行了10 次，滑套到位10 次，成功率100%。且將此到位裝置旋轉(zhuǎn)180°放置地上，滑套未脫離到位位置，說明滑套鎖定。

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以線切割形式分成10 瓣，彈簧爪長度60 mm 為合適。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

該防管內(nèi)溢流管柱共試驗(yàn)23 口井，現(xiàn)場試驗(yàn)統(tǒng)計分析見表2，其中最多一趟管柱坐壓7 層，壓后套壓最高13.0 MPa，都實(shí)現(xiàn)了滑套到位、鎖定，油管內(nèi)無溢流的目的。證明了該防管內(nèi)溢流管柱對各種不同工況的作業(yè)井都具有很好的適用性，工具可靠、耐用。以L 井為例。該井為一口坐壓多層防溢流試驗(yàn)井。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)統(tǒng)計分析Tab.2 Statistical analysis of field test

1）試驗(yàn)?zāi)康模涸囼?yàn)彈性鎖套噴砂器的滑套到位、鎖定情況；試驗(yàn)滑套式密封器對油管防溢流控制的作用。

2）基本情況：該井為不動管柱壓裂3 層，設(shè)計施工排量為3 m3/min，加砂18 m3，壓裂管柱結(jié)構(gòu)：工作筒（?50 mm）、滑套式密封器（?42 mm）、3 個封隔器（K344-115）彈性鎖套噴砂器C（?39 mm）、彈性鎖套噴砂器B（?36 mm）、彈性鎖套噴砂器A（不帶套）、絲堵等組成。

3）試驗(yàn)過程：壓裂第一層施工排量2.0 m3/min，壓力18～24 MPa，停泵10 min 后套壓9.5 MPa，；投?41 mm 球，以0.4 m3/min 排量追球，最高剪套壓力為21.0 MPa；壓裂第二層施工排量2.0 m3/min，壓力17～22 MPa。壓后停泵20 min 后，投?42 mm球，剪密封滑套，剪斷壓力為22.0 MPa，活動開管柱后套壓11.0 MPa，打開油管觀察未見溢流。某井壓后油管內(nèi)溢流情況見圖7。

4）起出工具后，觀察滑套到位。出砂口被滑套堵住，且滑套鎖定。達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模行У目刂屏擞凸軆?nèi)防溢流。

現(xiàn)場共試驗(yàn)22 口井都實(shí)現(xiàn)了防管內(nèi)溢流的功能。預(yù)計該批壓裂井年返排液量1.2×104m3，處理價格為116.2 元/m3。通過應(yīng)用本壓裂管柱可以實(shí)現(xiàn)返排液量的零排放，故能節(jié)省費(fèi)用139.4 萬元。現(xiàn)場試驗(yàn)井節(jié)省返排液數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 現(xiàn)場試驗(yàn)井節(jié)省返排液數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.3 Statistics of saving drainback data of field test well

4 結(jié)論

1）設(shè)計組配彈簧凡爾噴砂器+滑套式密封器堵塞的防溢流壓裂管柱。噴砂器以彈簧凡爾為基本結(jié)構(gòu)，從增大滑套到位壓力，減小滑套到位阻力，能夠隨壓隨關(guān)；滑套式密封器堵塞最上級噴砂器出砂口。保證其剪斷滑套足夠的壓力，防止壓裂最后一層過程中將該滑套意外打掉，影響施工。組配的壓裂管柱具有多層壓裂、壓后防油管內(nèi)溢流功能。

2）設(shè)計彈簧反爾噴砂器的結(jié)構(gòu)為固定式彈簧爪，通過對彈性鎖套噴砂器的核心部件彈簧爪的優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，最終確定10 瓣，彈簧爪長度為60 mm，再通過23 口井的現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了最多一趟管柱坐壓7層，壓后套壓最高13.0 MPa，滑套到位、鎖定，油管內(nèi)無溢流的目的。

3）從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)可以看出，該防管內(nèi)溢流管柱設(shè)計的固定式彈簧爪結(jié)構(gòu)對各種不同工況的作業(yè)井都具有很好的適用性，工具可靠、耐用。坐壓多層管柱油管內(nèi)防溢流技術(shù)可行，性能可靠，即不影響多層壓裂施工，又能實(shí)現(xiàn)起壓裂油管內(nèi)防溢流，減少壓后污染物排放量。尤其是帶壓作業(yè)時，油管內(nèi)不出液便可進(jìn)行井口裝置的拆裝，省去了帶壓投堵過程。