龍 剛，薛麗娜，楊曉莉

（1.四川德陽新場氣田開發(fā)有限公司，四川德陽618000；2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術研究院，四川德陽618000）

頁巖氣水平井尤其是深層頁巖氣水平井套變問題突出，一直是困擾頁巖氣分段壓裂開發(fā)的難題。為了防止頁巖氣井壓裂丟段，常規(guī)做法是優(yōu)選套管[1-3]，優(yōu)化鉆完改工藝[4-6]，盡量減少套變發(fā)生。對于已經發(fā)生套變的井，鄭瑞[7]提出套管輕微變形實施整形后壓裂，劉合等[8]，CAO等[9]人通過改用自主研發(fā)小橋塞，使用連續(xù)油管＋液壓投放工具的工藝，成功實施過套變點。張瑞典等[10]、李軍龍等[11]針對變形量限制小橋塞使用的套變井，提出采取噴砂射孔砂塞分段壓裂工藝。肖勇軍等[12]、梁興等[13]、郭建春等[14]、肖暉等[15]、王興文等[16]則針對套管變形井,介紹了可降解暫堵球壓裂、縫內填砂分段壓裂和復合暫堵多級轉向壓裂等常用的套變段暫堵轉向分段壓裂工藝。然而，對于套管既發(fā)生套變又產生破損的井，尤其當套變破損井段發(fā)生在直井段或造斜段，常規(guī)的套管補貼、化學封堵等方法無法同時滿足頁巖氣高壓裂壓力、大排量施工和小橋塞通過時，急需尋找一種新的方法，既要滿足頁巖氣分段壓裂排量和規(guī)模，又要實現盡可能多的分段數，達到地質目標體積壓裂效果。本文針對WY9-2HF頁巖氣套損井，采用懸掛封隔器管柱隔離套管破損井段，通過上部套管注入結合下部油管注入方式以提高排量；采用全通徑無級滑套結合機械分段進行31 級分段壓裂，實現了頁巖氣分段壓裂施工排量和規(guī)模，達到了預期壓裂目的。

1 頁巖氣井套變破損情況及難點與對策分析

1.1 套損井基本情況

WY9-2HF 井是川西南坳陷威遠構造的一口以龍馬溪組—五峰組為目的層水平井。A 靶點斜深3 820.00 m，B 靶點斜深5 320.00 m，采用三開井身結構，油層套管為φ139.7 mm 和φ145.6 mm 組合套管。地層溫度136 ℃，地層壓力68.9 MPa。

該井通井刮管至2 818.94 m 遇阻8 t，通過可視化測井可見套管內壁存在凸起變形區(qū)域（圖1），鉛模打印顯示擠壓位置最小處僅92 mm（圖2），井筒內打壓38.51 MPa，25 min下降5.2 MPa。錄井指示劑循環(huán)驗證分析竄氣點為套變破損位置。

圖1 可視化測井變形套管和套管未變形接箍對比Fig.1 Comparison of collar of deformed casing and undeformed casing in visualized logging

圖2 鉛模出井照片Fig.2 Lead mold

1.2 頁巖氣套損井工藝難點分析

1.2.1 漏點化學封堵

對于直井段的套管破損點，首先考慮化學封堵的方式，但是前期采用GT-SA2+高強度樹脂球堵漏劑、膨脹填充+橋接堵漏、LTTD 堵劑三次堵漏后，井筒最高穩(wěn)壓僅達30 MPa，不滿足壓裂限壓95 MPa的要求，且第三次堵漏后塞面下移明顯，堵漿沒有在漏失段形成互穿網絡結構，漏點外通道暢通。鑒于化學封堵費用高、時間長，前期三次堵漏效果不理想，需要考慮采用封隔器封隔等機械封堵方式。

1.2.2 套管補貼

套管補貼主要包括軟金屬錨、波紋管和實體膨脹管3種材料，但屈服強度最大的膨脹管材料屈服強度僅能達到N80鋼級，抗內壓強度不滿足頁巖氣施工要求；同時補貼后套管內徑會縮小約15～20 mm，套管內徑縮小為98～103 mm，加上套管變形，不滿足橋塞（外徑95～103 mm）泵送作業(yè)要求。

1.2.3 常規(guī)油管封隔器機械分段

采用多封隔器管柱和配套工藝可兼顧封隔器封隔套損點和水平井分段的要求，但由于投球滑套極差限制，分段數有限，難以滿足頁巖氣壓裂的工程地質目標。同時，由于通徑的影響，摩阻較大，也遠不滿足該井大排量壓裂要求。

因此，需要針對該井套變破損情況，利用現有井筒條件,在滿足井控安全的前提下，設計出一套分段壓裂管柱及配套工藝，既滿足頁巖氣高施工壓力、高排量要求，又滿足細分段、多分段的壓裂要求。

2 套損水平井全通徑無級滑套分段壓裂投產管柱設計

針對該井套變破損情況，利用現有井筒條件，通采用懸掛封隔器管柱隔離套管破損井段，通過上部由套管注入、下部由油管注入方式以提高排量；采用全通徑無級滑套實現31 級細分段壓裂，同時降低摩阻提高排量，達到頁巖氣體積壓裂要求。

2.1 管柱結構優(yōu)化設計

2.1.1 懸掛封隔器分段管柱結構

采用懸掛封隔器坐封于套管變形破損點以上，懸掛機械分段油管管柱，總體結構為：懸掛封隔器+油管+分段管串（Y341 封隔器+滑套）+坐封球座+引鞋（圖3）。該管柱結構的優(yōu)勢在于，隔離套管破損井段，能夠承受頁巖氣高施工壓力要求；同時，通過上部由套管注入、下部由油管注入方式，可以提高排量，達到頁巖氣壓裂排量要求。

圖3 懸掛器+滑套+封隔器管柱示意圖Fig.3 String consisted of hanger+sliding sleeve+packer

其中，懸掛器是工藝實施的關鍵，需要滿足：①實現懸掛管柱和密封環(huán)空；②壓裂施工限壓95 MPa，懸掛器承壓90 MPa；③滿足不掛卡滑套開啟工具。針對該井研制了機械丟手的懸掛封隔器，額定負荷達780 kN。懸掛封隔器完成常壓80 MPa下整體承壓試驗，為了保證密封性，懸掛封之下增加1只Y341封隔器助封。為了保證端部臺階下的開啟工具多次導入和導引口的抗沖蝕，設計導引結構，通過多次室內及入井開展鑰匙對懸掛封隔器的通過性試驗，滿足現場作業(yè)要求。

2.1.2 全通徑無級滑套分段

常規(guī)投球滑套由于極差限制，分段數受限，且由于未實現全通徑，施工摩阻增加，影響壓裂排量和規(guī)模。本次采用自主研發(fā)的全通徑無級滑套[17-18]，通過“機械式嚙合、唯一性匹配”滑套開啟工具打開滑套，滑套耐壓差70 MPa，滑套和封隔器內徑與73 mm 油管內徑保持一致，減少了摩阻提高了排量，同時實現了31級分段。

同時，以應用較為成熟的水平井分段壓裂工具Y341 為基礎，為適應大排量大液量壓裂對封隔器的作用力，將中心管抗拉提高到60 t，耐壓差70 MPa。

2.1.3 排量預測

本井為φ139.7 mm和φ145.6 mm組合套管（內徑118.62 mm），采用懸掛封隔器管柱，φ139.7 mm套管+φ73 mm 油管注入，以及采用全通徑無級滑套，可以有效降低摩阻，提高施工排量。預測單段排量4.2 m3/min（第1 級）—7.1m3/min（第31 級），滿足原泵送橋塞壓裂方案要求的每簇4.0～5.3m3/min。

2.2 管柱力學校核

多封隔器管柱需考慮溫度效應、膨脹效應、軸力效應和屈曲效應[19-20]，通過管柱力學分析，可不加伸縮節(jié)，在保證安全的前提下減少管柱漏點；最終管柱力學計算結果，管柱安全系數大于等于1.41（圖4），理論計算不同工況下管柱軸力327 kN（圖5），遠小于管柱和工具抗拉強度，滿足施工要求。

圖4 不同工況下的三軸安全系數Fig.4 Triaxial safety factors under different working conditions

圖5 不同工況下的軸力Fig.5 Axial forces under different working conditions

3 套損水平井全通徑無級滑套分段壓裂現場應用

3.1 多封隔器管柱下入

考慮到下部井筒套變，帶32 個封隔器管柱井眼軌跡原因致下入摩阻過大。首先進行多封隔器管柱下入分析（圖6），預測管柱余量20 t，管柱通過性良好。為保證多封隔器管柱順利下入，采用整形器套修復套變點使φ116 mm 銑錐通過后無損傷，并提前組下模擬通井管串：鉆桿+φ112 mm 套管通井規(guī)1#+φ73 mm×5.51mmP110 NU 油管45 m+φ112 mm 套管通井規(guī)2#+φ73 mm×5.51 mmP110 NU 油管45 m+φ112 mm 套管通井規(guī)3#+φ73 mm×5.51 mmP110 NU油管。

圖6 管柱下入模擬示意圖Fig.6 Simulation of string running into stratum

3.2 完井測試安全井控措施

Y341 封隔器啟動壓力13.5 MPa，替漿時有提前坐封風險，通過調整泥漿性能，限壓10 MPa 驗通，控制排量0.2～0.4 m3/min，控制泵壓55 MPa。同時，多封隔器管柱在泥漿狀態(tài)下入井內，替漿后全井替為清水，球座帶單流閥封油管，懸掛封隔器封環(huán)空，實現井控安全。

3.3 分段壓裂投產

結合WY9-2HF井地質和工程甜點，優(yōu)化設計分31段，達到儲層整體控制。該井模擬通井后帶32個封隔器和滑套的管柱順利下到位，替漿后坐封封隔器，丟手起甩懸掛封隔器上部油管，采用φ139.7 mm套管+φ73 mm油管注入，開滑套進行分段壓裂，設計施工排量4～7 m3/min。采用低砂比膠液連續(xù)加砂為主的壓裂工藝，優(yōu)化單段砂量55～65 m3，總砂量1 835 m3，單段壓裂液量1 200～1 300 m3，總壓裂液量37 210 m3。試氣層在限壓88 MPa 下最高施工排量6 m3/min，整體施工未受到套損影響（表1），在井口壓力26.48 MPa下以產氣量8.75×104m3/d投產。

表1 壓裂施工參數對比Table 1 Comparison of fracturing parameters

4 結論與認識

1）對于套損井，利用現有井筒條件，采用“懸掛封隔器+Y341封隔器+全通徑無級滑套”分段壓裂管柱，“上部套管注入＋下部油管注入”特殊注入方式，可實現頁巖氣井有效分段、大規(guī)模、較大排量壓裂的目的。該技術對類似井況的頁巖氣井有一定的借鑒作用。

2）采用滿足承壓90 MPa、不掛卡滑套開啟工具的懸掛器和耐壓差70 MPa的全通徑無級滑套是全通徑無級滑套水平井分段壓裂投產管柱設計的關鍵。配套多封隔器管柱下入技術、完井測試安全井控措施，保障工藝順利實施。

3）WY9-2HF套損井采用該工藝，實現大排量、大規(guī)模31級分段壓裂，達到預期壓裂目標，獲投產產氣量8.75×104m3/d。