水平井套管内多级压裂技术在江汉油田的应用

2013-09-05张平过

江汉石油职工大学学报 2013年1期

张平过

（1.长江大学，湖北荆州433123；2.中石化江汉油田分公司江汉采油厂，湖北潜江433123）

水平井技术作为一项大幅度提高单井产能的技术，近年来在各油田得到广泛应用，并取得了较好的效果。江汉油田自1999年引进水平井技术以来，技术上不断得以完善，应用也逐年加大，截至2012年8月底，江汉油田共有油气水平井221口主要采用套管方式完井。

为了更好的开发水平井，江汉油田自主研究了一种适用于套管完井水平井的分段压裂管柱技术。该管柱施工程序简单，完井套管保护性与施工的安全性高，施工后可起出再下入生产管柱进行生产，也可直接作为完井管柱使用。从2011年10月至2012年10月，套管完井水平井多级分段措施管柱在江汉、四川、玉门、青海等油田水平井中措施作业18井次，工艺成功率100%，累计增油56 754 t。

1 水平井套管内分段压裂管柱技术思路

为了满足在套管完井水平井中实施分段措施的需要，对于套管完井水平井可取式分段措施管柱技术的研究，必须考虑以下几个关键点：

1）多级分段措施管柱能否安全下入

水平井分段措施管柱由于重力作用导致管柱偏向水平井低边与井壁接触产生较大的法向支反力和摩擦阻力，有可能导致管柱“自锁”，而造成管柱无法下入。因此，需要优化管柱下入能力，确保管柱安全。

2）多段施工封隔器重复坐封能否保证其密封性能

常规的直井封隔器在水平井中密封效果相对较差，在大规模的压裂施工中存在封隔失效的风险，所以需要研究开发具有针对性，且密封效果更好的封隔工具。

3）管柱如何锚定

由于水力锚等锚瓦类工具在措施结束后常常会有锚瓦回收不到位从而导致管柱遇卡无法起出的问题；同时由于水力锚上密封件较多，在进行多级施工时，锚爪反复伸缩容易出现渗漏，对施工造成影响，因此水平井分段措施管柱上不宜过多使用水力锚。为此，需要设计更可靠的锚定工具来满足水平井分段措施的要求。

4）施工结束后能否安全取出

在水平井中，压裂完成后，地层出砂造成砂埋管柱，或封隔器无法解封等问题，导致管柱无法起出的可能性要远大于直井，同时由于长水平段分段措施的级数越来越多，管柱安全起出的风险也越来越大。

针对上述套管完井水平井可取式分段措施管柱的4项关键技术，确定了以下研究思路：

1）研究密封性能好、锚定性能好、易解封并且具有防阻机构，能有效避免中途坐封的水平井封隔器。

2）设计滚动扶正器，既能有效的扶正管柱，又能将下管柱时的滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，减小下入阻力。

3）研究一种能够在起管柱负荷过大时使多级管柱逐级断脱、逐级打捞的起出方法，并研制与之相对应的集开关、脱锁、丢手功能于一体的可断脱式投球压裂滑套。该滑套可根据具体情况选择性的配接在管柱上，若发生砂埋砂卡导致管柱起出负荷过大，超出设定值时，可通过上提管柱使管柱在可断脱式投球压裂滑套处丢手，先起出上部管柱，再通过逐级断脱、逐级冲砂打捞的方式安全起出下部管柱。

2 水平井套管内分段压裂管柱技术

为了提高水平井的开发效果，江汉油田开展了水平井分段压裂管柱的研究与应用，目前已研究成功并应用的有水力喷射分段压裂管柱、K 344扩张式封隔器分段压裂管柱。其中，多段压裂中主要采用K 344扩张式封隔器分段压裂管柱为主。

2.1 管柱结构

管柱由水力锚、K 344压裂封隔器、压裂滑套、坐封球座、筛管、丝堵等组成（见图1）。

图1 套管封隔器滑套管柱示意图

2.2 管柱原理

管柱采用K 344扩张式封隔器，将整个水平段有效分隔为多段，然后实现逐步压裂。其施工步骤是：管柱下至设计位置后，打压，通过节流球座节流压差使封隔器坐封，继续提高压力，可进行第一目的层段的措施作业；再投入钢球，等钢球落至第二级滑套上，通过蹩压，打开节流喷砂滑套，进行第二目的层段的措施作业，其余段也是类似第二段的施工方式进行施工。措施完成后，泄压解封K 344封隔器，取出管柱，进行下步生产作业。如若上提管柱负荷过大，可投球打开上部连通阀，进行反洗井冲砂作业，再上提取出管柱。如果分段级数多，可下入断脱压裂滑套，在取出过程中，起出负荷超过设定值时，可从可断脱压裂滑套处断开。起出上部管柱，下打捞工具逐级冲砂、打捞。

2.3 技术指标

1）工作压差：70 MPa；

2）工作温度：150℃；

3）压裂分段数：≤8段。

2.4 管柱技术特点

K344分段压裂管柱具有以下特点

1）密封可靠、性能稳定，可对多个水平段进行有效的机械分隔，可适用于套管完井的水平段。

2）管柱设计有多个扶正器，减少了措施管柱与井壁的接触面积，降低了管柱下入和起出阻力。

3）K344封隔器设计有坐封启动及防中途坐封机构，避免封隔器在下井过程因水击、撞击等因素导致中途坐封，确保下入安全。

4）管柱上配接可断脱式投球压裂滑套，在上提起出管柱负荷超过设定值时断脱丢手，先将上部管柱起出，再下入打捞管柱对下部管柱进行冲砂打捞施工，确保管柱能够安全起出。

5）采用低密度球作为堵球，施工结束后可通过放喷将堵球反排至井口，避免堵球留在油管中堵塞生产通道。

3 工具介绍

其主要由K344封隔器及可断脱式投球压裂滑套组成。

3.1 K344封隔器

1）K344封隔器的结构（见图2）。

2）管柱原理

油管内蹩压，压力经下接头水眼作用在坐封活塞上；当泵压升至设定值时，先剪断坐封销钉，液体推动启动活塞并使其入锁，同时打开胶筒的进液通道，进入胶筒内腔并鼓胀胶筒，完成坐封。解封时泄掉管柱内压，胶筒收回，完成解封。

3）管柱特点

①防阻防水击机构，确保封隔器的下入可靠性。通过螺纹将外套、防撞环、下外套、下接头和中心管连接为一体。在封隔器下入过程中遇阻或水击上外套出现活塞效应时，依靠防撞环固定活塞及下外套，阻止其推动胶筒膨胀。

图2 K344封隔器结构示意图

②平衡式活塞结构，确保坐封压力稳定。设计了平衡式活塞结构，使油套压作用的有效面积相同。从而在油管加压的情况下，活塞按照设计压力剪断销钉，使液体进入扩张式胶筒与中心管的密封空间内开始坐封。

3.2 可断脱式投球压裂滑套

1）可断脱式投球压裂滑套的结构（见图3）。

图3 可断脱滑套结构示意图

2）管柱原理

可断脱式投球压裂滑套设计集开关、断脱功能于一体，可满足分段压裂施工的需要，管柱起出时，负荷超过设定值，实现断脱丢手、分级起出。

3）管柱特点

①设计有断脱结构，可实现开关、断脱一体化功能。

②合理设置滑套尺寸，配置堵球，减小了分段级差。

③滑套芯子选用耐磨材料，提高滑套的耐磨损性能，确保滑套在大规模压裂施工。

4 应用情况

从2011年10月至2012年10月，套管完井水平井多级分段措施管柱在江汉、四川、玉门、青海等油田水平井中措施作业18井次，工艺成功率100%，累计增油56 754 t。

4.1 合川001－69－X2井

该井层位为合川构造须2段中孔低渗储层，岩性为致密砂岩气藏。施工井段分别如下：3 086～3 100 m、3 026～3 028 m、2 973～2 977 m、2 824～2 828 m、2 758～2 764 m、2 674～2 680 m、2 588～2 594 m。具体施工参数如表1所示：

表1 合川001－69－X2井施工参数表

本次现场试验中水平井分段压裂施工成功，技术工艺达到了设计要求。试验情况表明，套管完井水平井分段压裂管柱各项性能指标及可靠性满足了现场施工要求。

4.2 新店2井

新店2井是部署在四川盆地川东褶皱带石柱复向斜建南构造黄金村飞三鲕滩构造－岩性圈闭上的一口预探井。施工的井段分别如下：3 712～3 717 m、3 564～3 570 m、3 499～3 503 m、3 430～3 435 m、3 340～3 344 m、3 254.4～3 259.4。管柱组合：6级 K 344－114扩张式封隔器＋5级投球压裂滑套＋1级坐封球座＋防顶锚＋水力锚＋扶正器。具体施工参数如表2所示：

本次现场应用中水平井分段酸压施工成功，放喷后堵球成功在井口捕捉。由于该井为大安寨分组酸压提供现场试验，两组施工间隔5天，整个施工过程历时7天，管柱在酸液长时间浸泡的情况下，封隔效果在施工过程中依然良好，进一步验证了管柱的整体性能达到设计要求。