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(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710018； 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018)

水力噴射壓裂工藝集射孔、壓裂功能于一體，簡化了施工工序，節(jié)省了施工時間，提高了施工效率，為低滲透儲層的開發(fā)改造提供了有效的技術手段，已在國內(nèi)多個油氣田進行了試驗[1-4]。長慶油田在套管完井、裸眼完井等多種完井方式的水平井改造中，采用水力噴砂射孔、壓裂分段改造工藝，顯著提高了改造效果，取得了可觀的經(jīng)濟效益。水力噴射器是水力噴射壓裂工藝的關鍵工具。目前，所用的噴射器有常規(guī)噴射器和滑套式噴射器[5-7]。采用常規(guī)噴射器，壓裂液進入噴射器，直接從噴射孔射出，進行施工作業(yè)，只能完成一級工具施工?；资絿娚淦魍ㄟ^投球的方式打開滑套，可以實現(xiàn)可控開啟，主要應用在氣井不動管柱分段酸化、壓裂改造中。在水平井分段改造中，采用噴射器加底封封隔拖動壓裂分段壓裂工藝，只有常規(guī)一級噴射器，限制了施工效率。現(xiàn)有的滑套式噴射器不能用于油田拖動多級壓裂。為滿足油田拖動管柱改造施工需求，進一步提高油井改造施工效率，降低開發(fā)成本，長慶油田分公司油氣工藝研究院研發(fā)了一種適用于分段多簇改造的過球式噴射器。獲國家專利，專利號：ZL201220364792.7。

1 工具結構及工作原理

過球式水力噴射器由上接頭、噴射器本體、彈性球座、下滑套、剪切銷釘、噴嘴組成，其結構如圖1所示。

1—上接頭；2—彈性球座；3—固定銷釘；4—密封圈；5—噴射器本體；6—下滑套；7—噴嘴；8—剪切銷釘。

當壓裂管柱上一級的水力噴射器失效后，投該級過球水力噴射器的密封球，密封球坐到彈性球座上，當壓力達到剪切銷釘剪斷壓力值時，下滑套剪斷剪切銷釘，彈性球座與下滑套一起下行，彈性球座進入噴射器本體內(nèi)腔時，彈性球座釋放開，密封球下落，依次通過彈性球座、下滑套內(nèi)腔，落到噴射器外。與此同時，下滑套下行到噴射器的腔座上，下滑套液流通道與噴射器本體噴嘴孔對齊，射流通道打開，進行過球式水力噴射器的射孔、壓裂作業(yè)。

2 彈性球座設計計算

彈性球座是過球式噴射器的關鍵部件，其性能決定噴射器射流通道是否能實現(xiàn)可控開啟。整個彈性球座上端分為n片，n的數(shù)值根據(jù)球座直徑尺寸具體設計，一般為6～10片，上端大徑擠壓閉合可形成球座，結構如圖2。

圖2 彈性球座在自由狀態(tài)

球座的性能要求：

1) 彈性要求?；孜撮_啟前，在接頭內(nèi)收縮狀態(tài)下閉合形成球座?；组_啟后，在噴射器腔體內(nèi)釋放狀態(tài)下恢復到自由狀態(tài)，可以釋放密封球。

2) 強度要求。上端球座處要有一定的強度，滿足密封球承壓強度要求，下端薄壁要有一定的強度和剛度，滿足球座承壓后抗壓強度球。

3) 耐磨性要求。必須具有一定的硬度，滿足形成球座狀態(tài)下過砂、過液而不被沖蝕。

4) 密封性要求。在形成球座時，密封性能越高，開啟壓力控制越準確，可靠性要高。

2.1 簡化模型

彈性球座在自然狀態(tài)下如圖2所示。當工具完成裝配后，其各片彈性爪收縮到上接頭內(nèi)腔內(nèi)，形成球座，如圖3所示。

圖3 彈性球座在收縮狀態(tài)

建立分析模型時做如下假設：

1) 各分片加工精確，尺寸完全形同。

2) 裝配后處于收縮狀態(tài)下，各片受力相同，變形形同。

3) 大端在其整個長度范圍內(nèi)變形量相同，其值為彈性球座自然狀態(tài)下大端外徑尺寸與上接頭內(nèi)腔內(nèi)徑尺寸之差。

4) 忽略彈性球座重力的影響。

收縮狀態(tài)下彈性球座大端處產(chǎn)生的位移相同，用Δx表示，由此將彈性球座簡化化為n個相同的懸臂梁模型，取其中的1個進行分析，將其所受的外壓力簡化為集中力F。如圖4所示。

圖4 彈性球座簡化模型

2.2 彈性變形校核

彈性球座在形成球座時，每片的變形量為Δx。根據(jù)懸臂梁在集中作用F力下的變形公式，可得

(1)

彎曲條件最大應力為

(2)

式中：E為材料彈性模量；J為慣性矩；W為抗彎截面模數(shù)；l為懸臂梁的長度，[σe]為材料的彈性極限應力。

3 剪切銷釘?shù)募羟辛υO計

噴射器打開滑套噴砂口，需要一定的開啟壓力作用的密封球上，剪斷剪切銷釘，克服摩擦力，使滑套下行，相互關系如圖5所示。開啟壓力是由分布的液體壓力作用到密封球上產(chǎn)生的集中力FK提供。

圖5 彈性球座簡化模型

由此可得，打開滑套的力為

FK=Q+f1+f2

(3)

FK=p×S

式中：p為滑套的開啟壓力；S為開啟壓力作用面積，即密封滑套直徑面積；Q為剪切銷釘力；f1為下滑套與噴射器本體產(chǎn)生的摩擦力；f2為彈性球座與上接頭產(chǎn)生的摩擦力。

其中，f1主要為密封圈產(chǎn)生的摩擦力，不是主要因素，進行忽略；f2是彈性球座產(chǎn)生的摩擦力，由彈性球座各分片的正壓力產(chǎn)生。該正壓力包括彈性球座彈性變形產(chǎn)生的正壓力N1和密封球所受壓力作用到彈性片上的正壓力N2。

密封球所受壓力主要是因打開滑套剪斷剪切銷釘所需的剪切力Q產(chǎn)生，由此建立密封球受力模型，如圖6所示[5]。

圖6 壓裂后密封球受力模型

進行受力分析，可得，

(4)

彈性球座彈性變形產(chǎn)生的正壓力N1可看做n個彈性滑套分片的合力，即，N1=n×F。

(5)

密封球所受壓力作用到彈性片上的正壓力N2，是由水平方向的剪切力Q在垂直于球座斜面上產(chǎn)生正壓力，可得

N2=Q×sinα

(6)

將以上推導所得結果代入式(3)得

式中：n為懸臂梁個數(shù)，即彈性滑套分片數(shù)量；μ為密封球與球座間的摩擦因數(shù)。

由此，根據(jù)設計的滑套開啟壓力，可以設計滑套剪釘?shù)募羟辛?，并選擇合適的剪切銷釘。

4 室內(nèi)試驗

對該過球式水力噴射器進行了室內(nèi)評價試驗，包括工具整體抗拉強度試驗，工具密封承壓實驗，以及滑套開啟過球功能工作的實現(xiàn)試驗。在進行滑套開啟試驗時，由于室內(nèi)試驗泵排量的限制，彈性球座收縮形成的球座存在泄漏，不能起壓。因此，專門設計了密封塞，以密封塞形成絕對密封，密封塞推動密封球傳遞力到滑套剪切銷釘，試驗結構示意如圖7所示。將試驗工具固定到試驗臺架上，上接頭連接加壓管線，緩慢加壓，測定滑套開啟壓力。

圖7 過球噴射器室內(nèi)試驗內(nèi)部機構

經(jīng)過反復試驗，得出以下結論：

1) 工具能承受650 kN的拉力。

2) 密封壓力達到45 MPa。承壓試驗后工具可順利拆卸開，沒有發(fā)生變形、損壞。

3) 剪釘剪斷的剪切壓力為14 MPa(如圖8)，與設計相吻合，滿足滑套開啟壓力13～15 MPa的要求。

圖8 剪釘剪斷壓力曲線

4) 滑套開啟后密封順利落出工具，整個工具的功能動作順利實現(xiàn)。

5) 該過球式水力噴射器滿足設計要求，具備現(xiàn)場試驗條件。

5 現(xiàn)場應用情況

5.1 工藝管柱組成

過球式水力噴射器與滑套封隔器相配合，可增加1～2級壓裂工具，形成多級水力噴射壓裂管柱，如圖9所示。第1級工具為常規(guī)工具，第2級開始為過球式噴射器。受套管尺寸限制，目前的多級管柱可實現(xiàn)4級壓裂，綜合考慮施工風險以及施工段數(shù)，一般推薦2級壓裂管柱，最大3級。管柱施工過程為：首先采用第1級工具進行拖動壓裂施工，此時第2級等前面工具不啟動，只起著油管連接作用；當?shù)?級達到預期壽命或意外失效時，投球啟動第2級工具，此時，第2級的噴射器和可控式封隔器開啟，同時封堵第1級工具。繼續(xù)施工，以此類推，直到設計級數(shù)都施工完畢。多級水力噴射壓裂管柱與拖動作業(yè)相結合，與單級水力噴射拖動壓裂管柱相比，單趟管柱施工段數(shù)提高2～3倍，使管柱施工效率大幅度提高。

5.2 管柱特點

1) 射孔、壓裂一體化作業(yè)。

2) 通過投球控制第2級以上工具的開啟。

3) 一球同時開啟噴射器和封隔器多個工具。

4) 多級工具管柱與拖動作業(yè)相結合，一趟管柱可以實現(xiàn)多段壓裂。

5.3 現(xiàn)場應用效果

過球式噴射器與封隔器組成的二級水力噴射分段壓裂管柱在XXX井試驗成功。該井一趟管柱完成全部8段施工，其中第1級完成前4段施工，第2級完成剩余4段施工，各段破壓明顯，施工正常。水平井從施工到完成僅用時2 d，打破了該區(qū)塊常規(guī)水平井壓裂最快用時4～5 d的記錄。圖10為在第2級工具開啟及施工第5段的曲線。

圖9 過球式噴射器多級管柱結構示意

第2級工具的開啟壓力為10.8 MPa，滑套開啟不考慮阻力。該井垂深約1 200 m，靜液柱壓力12 MPa，則打滑套時上部壓力為22.8 MPa，下部壓力為地層壓力9.6 MPa。因此，工具開啟實際壓力為13.2 MPa，與設計開啟壓力13～15 MPa完全符合。

圖10 長慶油田某井的壓裂施工曲線

在長慶油田成功完成了14口水平井的壓裂施工，最高一趟管柱完成10段施工，達到水平井一趟管柱實現(xiàn)多段壓裂改造的目的，有效提高了水力噴射施工效率，減少了起下鉆次數(shù)，減輕了作業(yè)強度，尤其減少了入地壓裂液殘渣滯留對儲層造成的傷害，降低了作業(yè)成本。為低滲透油田的經(jīng)濟、有效開發(fā)提供了有力支持，對高滲透性、高地層能量、高氣油比油藏減少井控風險具有重要的意義。

6 結論

1) 研制的過球式水力噴射器的結構新穎、設計巧妙。室內(nèi)及現(xiàn)場試驗充分驗證了其開啟壓力設計計算準確，工具可靠性能高。

2) 過球式水力噴射器與封隔器組成的水平井多級分段壓裂管柱，可有效提高油田水力噴射器施工效率，降低壓裂液殘渣滯留對儲層的傷害及減少井控風險。