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(新疆油田 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

水平井分段壓裂改造是提高油氣田勘探開發(fā)綜合效益的重要途徑，新疆油田于2007年首次應(yīng)用。截止2017年年底，現(xiàn)場共實施534余口井，最高分壓31級，取得了良好的經(jīng)濟效益。但是，在開發(fā)過程當(dāng)中，產(chǎn)層由于受多種因素的影響而發(fā)生了不同程度的堵塞，或因首次壓裂規(guī)模未能達到其最佳要求等原因，造成了部分水平井低產(chǎn)，甚至停產(chǎn)，亟待進行二次壓裂改造。傳統(tǒng)的不動管柱雙封單卡技術(shù)[1-2]、連續(xù)油管雙封單卡技術(shù)[3]均存在施工排量低的問題，不能滿足二次壓裂設(shè)計方案的需求，同時，針對地層壓力系數(shù)較高的井況，前者還具有不能夠連續(xù)施工的缺點。隨著新疆油田低產(chǎn)水平井?dāng)?shù)量逐年攀升，老井穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的措施需求日益迫切，因此在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來新型可溶性材料在井下工具的應(yīng)用，提出了一種新型水平井不動管柱無限級分段重復(fù)壓裂管柱技術(shù)。

1 水平井不動管柱無限級分段重復(fù)壓裂技術(shù)

該新型不動管柱無限級分段重復(fù)壓裂工藝主要針對139.7 mm(5英寸)套管固井完井，初次采用射孔壓裂的水平井而設(shè)計。

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

水平井不動管柱無限級分段重復(fù)壓裂技術(shù)的管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示，其自上而下主要由密封插管、懸掛式封隔器、無限級壓裂單元(自解封型封隔器+無限級滑套)、液壓開啟滑套、導(dǎo)向頭等組成。

1—密封插管；2—懸掛式封隔器；3—自解封型封隔器；4—無限級滑套；5—液壓開啟滑套；6—導(dǎo)向頭。

1.2 工藝原理

利用油管將壓裂管柱送入至設(shè)計位置，正循環(huán)洗井結(jié)束后，井口投球，坐封球落于第1級液壓開啟壓滑套內(nèi)置球座，管柱內(nèi)整體憋壓，同時坐封自解封型封隔器，實現(xiàn)對套管水平段原射孔層段的有效卡封分隔。與此同時，懸掛式封隔器坐封、錨爪伸出錨定于套管內(nèi)壁，實現(xiàn)壓裂管柱的固定支撐。泵車泄壓，井口進行密封插管正向旋轉(zhuǎn)丟手操作，起出密封插管及以上油管。

第1級壓裂施工時，井口泵液，管內(nèi)階梯憋壓打開第1級滑套，進行第1級重復(fù)壓裂施工。第2級壓裂施工時，利用連續(xù)油管送入第2級無限級滑套匹配球座，起出連續(xù)油管，井口投第2級壓裂球，打開第2級滑套，進行第2級重復(fù)壓裂施工。重復(fù)第2級施工操作步驟，自下而上逐級分段完成重復(fù)壓裂改造。后期，封隔器自動解封，待井口壓裂合格后，下入專用打撈工具與懸掛式封隔器上部工作密封筒對接，上提管柱，懸掛式封隔器解封、錨爪縮回、錨定解除，對壓裂尾管進行整體打撈作業(yè)，恢復(fù)井筒全通徑。

2 主要完井工具

2.1 插管

2.1.1結(jié)構(gòu)

插管與懸掛式封隔器配套使用，用于完井管柱的連接送入、坐封丟手。主要由棘爪連接部分、密封部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—上接頭；2—中心管；3—“O”型密封圈；4、7— 防轉(zhuǎn)剪釘；5—分瓣棘爪；6—硫化密封件總成；8—導(dǎo)向頭。

2.1.2工作原理

插管分瓣棘爪和懸掛式封隔器密封工作筒上部母扣進行插入式配合連接，硫化密封件和工作筒下部密封面采用過盈配合進行環(huán)空密封。分瓣棘爪為偏梯形反扣設(shè)計，當(dāng)完井管柱坐封后，井口正向旋轉(zhuǎn)油管，插管與懸掛封隔器脫開分離。

2.1.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑114 mm，通徑72 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，棘爪抗拉力600 kN。

2.2 懸掛式封隔器

2.2.1結(jié)構(gòu)

懸掛式封隔器[4]用于管柱套管內(nèi)的整體固定，防止壓裂施工時由于管柱移動而引起的封隔器失封，集錨定與密封功能為一體，液壓坐封、上提解封。主要由卡瓦錨定部分、膠筒密封部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—密封工作筒；2—中心管；3—解封剪釘；4—壓帽；5、13、14、16、17、18—“O”型密封圈；6—分瓣襯管；7—活塞缸；8、12—邊膠筒；9、11—隔環(huán)；10—中膠筒；15—擋環(huán)；19—上椎體；20—鎖環(huán)；21—坐封剪釘；22—卡瓦架；23—雙向卡瓦；24—彈簧；25—下接頭。

2.2.2工作原理

管柱內(nèi)憋壓，活塞缸上行，擠壓坐封膠筒，鎖環(huán)止回。同時，上椎體下行，下椎體固定，擠壓雙向卡瓦，卡瓦伸出，錨定于套管，使得管柱整體固定于套管內(nèi)壁。打撈作業(yè)時，油管連接專用打撈工具與懸掛式封隔器上部密封工作筒對接，上提管柱，封隔器中心管上行，解封剪釘剪斷，封隔器解封，與此同時，襯管末端分瓣爪內(nèi)向彈出，下椎體下行，卡瓦縮回，套管固定解除。

2.2.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑115 mm，通徑68 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，坐封壓力23 MPa，解封力<20 kN，最大錨定力900 kN。

2.3 自解封型封隔器

2.3.1結(jié)構(gòu)

自解封型封隔器[5]用于將水平段原射孔層段進行卡封分隔，防止層間干擾，液壓坐封、溶解解封。主要由密封部分、鎖環(huán)止回部分組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—上接頭；2—坐封剪釘；3—鎖環(huán)；4—活塞缸；5、6、14—“O”型密封圈；7、13—公脹環(huán)；8、12—母脹環(huán)；9、11—護環(huán)；10—膠筒；15—下接頭。

2.3.2工作原理

管柱內(nèi)憋壓，活塞缸下行，坐封剪釘剪斷，活塞缸壓縮坐封膠筒，鎖環(huán)止回，鎖塊阻擋結(jié)構(gòu)選用可溶性金屬材料，壓后可自行溶解，封隔器解封。

2.3.3主要技術(shù)參數(shù)

最大外徑110 mm，通徑70 mm，耐壓50 MPa，耐溫120 ℃，坐封壓力18 MPa，解封條件：溫度>60℃，返排液氯離子質(zhì)量分數(shù)1%～3%。

2.4 無限級滑套及球座

2.4.1結(jié)構(gòu)

無限級滑套[6]與球座[7]配套使用，用于建立壓裂液與地層的溝通渠道，位于兩個自解封型封隔器之間，正對所需改造的原射孔位置。主要由密封部分、卡槽限位部分組成，結(jié)構(gòu)分別如圖5～6所示。

1—上接頭；2、11—防轉(zhuǎn)剪釘；3、4、7、9、10—“O”型密封圈；5—內(nèi)襯套；6—擋環(huán)；8—護套；12—下接頭。

1—本體；2—分瓣卡環(huán)；3—硫化密封件。

球座[8]采用雙臺階設(shè)計，壓裂球受三向約束，可有效防止密封球跳動，確保密封可靠。同時，球座表面采用硬化熱處理處理工藝[9]，提高了耐磨性。

2.4.2工作原理

無限級滑套內(nèi)襯套限位凹槽與球座分瓣卡環(huán)采用軸向級差設(shè)計，且尺寸對應(yīng)配合。利用連續(xù)油管將球座送至對應(yīng)滑套位置，凹槽與卡環(huán)完成固定約束，球座硫化密封件與滑套內(nèi)襯套表面形成外部環(huán)空密封，起出連續(xù)油管，通過井口投球入座憋壓的方式打開滑套噴砂口，進行壓裂施工，重復(fù)以上步驟，完成自下而上分段重復(fù)壓裂改造。球座限位和滑套打開狀態(tài)分別如圖7～8所示。

圖7 球座限位狀態(tài)示意

圖8 滑套開啟狀態(tài)示意

2.4.3主要技術(shù)參數(shù)

耐溫120 ℃、耐壓50 MPa,滑套開啟壓差15 MPa,球座單層過砂量>80 m3。

3 施工排量模擬計算

以TADPro軟件管內(nèi)流體摩阻計算[10]為基礎(chǔ)，模擬和預(yù)測不同施工排量下連續(xù)油管、常規(guī)不動管柱、新型壓裂管柱3種不同作業(yè)方式的井口施工泵壓。已知條件：水平井完鉆井深3 500 m，直井段2 500 m，水平段1 000 m；管套規(guī)格139.7 mm×9.17 mm；連續(xù)油管規(guī)格50.8 mm×4.45 mm；油管規(guī)格73 mm×5.51 mm；地層破裂壓力梯度0.02 MPa/m,設(shè)計砂比30%；井口限壓55 MPa。模擬計算數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果表明：新型壓裂管柱方式下的最大允許排量是常規(guī)方式的2.0倍，是連續(xù)油管方式的5.4倍。

表1 管內(nèi)摩阻及井口泵壓預(yù)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

1) 新型水平井重復(fù)壓裂技術(shù)采用尾管懸掛不動管柱，并結(jié)合連續(xù)油管球座送入作業(yè)。前者擴大了液體流動空間，減少了沿程摩阻，有效提高了施工排量；后者避免了球座泵送困難，不易到位的問題。

2) 球座卡環(huán)和滑套凹槽采用卡槽配合、級差設(shè)計，可在軸向?qū)崿F(xiàn)無限級；封隔器鎖塊阻擋機構(gòu)選用新型可溶性金屬材料，壓后可自行溶解，實現(xiàn)了封隔器自解封。

3) 針對部分地層壓后地層出砂嚴(yán)重、管柱易砂埋的問題，可在封隔器解封后，即進行壓裂管柱的井口帶壓打撈作業(yè)。

4) 隨著新型可溶性球座的研制及套損井套管補貼技術(shù)的不斷應(yīng)用，該技術(shù)將具有良好的推廣應(yīng)用前景。