直井多层无阻分压合采压裂管柱结构及应用

郑 锋，詹鸿运，郭志勤，卢 伟，刘祥明

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津300280；2.渤海钻探钻井技术服务公司，天津300280）

直井多层无阻分压合采压裂管柱结构及应用

郑 锋1，詹鸿运1，郭志勤1，卢 伟1，刘祥明2

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津300280；2.渤海钻探钻井技术服务公司，天津300280）

直井压裂施工中，随着压裂层位逐渐增多，缝内转向、段内多缝等新型压裂工艺的应用，压裂工具必须承受更高压差、承压时间更长、反复坐封次数更多、密封效果更好。为了提高压裂工具的性能，以试验为基础，优选橡胶材料，优化工具结构，研制出新型多层无阻分压合采压裂管柱。该管柱由BZ-K344型封隔器、喷砂滑套、防砂水力锚及安全接头等组成，通过油管连接。封隔器坐封可靠、承压能力强，压裂完成即自动解封，便于起出管柱。投入不同尺寸轻质球可打开相应滑套，压裂完成后轻质球在排液过程中返出地面，实现井筒无阻生产。该管柱1次下入可实现10层压裂，目前已成功应用31口井，均取得良好效果。

气井；分层压裂；管柱

随着生产技术的发展，直井的1次改造层位越 来越多，并开始出现多种新型压裂工艺联合施工的情况。前期使用的直井分层无阻生产压裂工具主要适用于3层以内分压合采，使用投钢球加液压打掉滑套内芯的办法实现无阻生产，因其投球次数多，增加了施工风险，且封隔器承压时间短，较少用于4层无阻压裂工艺［2］；使用BZ-Y241型封隔器配合投球滑套进行压裂施工，尽管可增加一定施工层数，但是无法实现无阻生产，且BZ-Y241型封隔器同样面临承压时间较短，承压能力有限，管柱的起出困难等问题。针对以上不足，研制出了新型BZ-K344型封隔器及专用轻质球，设计了新型气井多层分压合采无阻生产管柱，以满足生产需求。

1 新型多层分压合采无阻生产管柱

1.1 管柱结构

以4层分压无阻管柱为例，主要由安全接头、喷砂滑套、水力锚、BZ-K344型封隔器、节流底阀等组成，如图1。通过ø73.02 mm UP TBG油管连接并下入至设计深度。

图1 4层分压合采无阻生产管柱示意

1.2 压裂施工步骤

1） 打开套管阀，正替1根油管容积的前置液，顶替排量控制在0.5 m3／min以内。

2） 顶替循环结束后，迅速提高排量到1.5 m3／min，当油套压差大于2 MPa时，封隔器即坐封。提高压力，油管压力保持5 min，套管不返液即验封合格，关闭套管阀，开始压裂第1层。

3） 投入ø31 mm轻质球，小排量（不超过0.5 m3／min）送球，球落到喷砂滑套1上，加压15 MPa，打开滑套同时封堵下层，开始压裂第2层。

4） 投入ø34.2mm轻质球，打开滑套2同时封堵下层，开始压裂第3层。

5） 投入ø37.4 mm轻质球，打开滑套3同时封堵下层，开始压裂第4层。

(2)通入Cl2是为了将Fe2+(或FeCl2)氧化为Fe3+(或FeCl3),工业上不用HNO3是因为会产生污染性气体NOx,也会引入杂质离子。

6） 压裂过程中若出现砂堵应立即停泵放喷，可以进行反洗。若起管柱时封隔器或水力锚砂卡，可以正旋管柱脱开安全接头，起出上部管柱，再进行冲砂打捞作业。

1.3 管柱特点

1） 新型多层分压合采无阻生产管柱结构简单，操作方便，降低了施工风险。

2） 管柱轻质球尺寸选取灵活，可根据需要设置不同的生产通径。

3） 相比于常规压裂完成后球留在滑套内芯，该设计由于轻质球的排出，避免了生产时层间压力不均产生的封堵等干扰情况，实现了无阻生产。

4） 压裂施工完成，封隔器即自动解封，同时水力锚锚爪收回，便于顺利起出管柱。

2 配套工具

2.1 BZ-K344型封隔器［1-3］

BZ-K344型封隔器采用扩张式长胶筒，通过油套压差实现坐封，泄压即自行解封，主要结构包括上接头、上护套、中心管、外胶筒、下护套、下接头等，如图2所示。

图2 BZ-K344型封隔器结构示意

新型BZ-K344封隔器结构简单，密封性好，承压能力强。室内试验中，在130℃环境下，反复坐封10次，每次承压70 MPa，稳压60 min无渗漏，表明其性能可靠，完全能适用于多层分压工艺。针对苏里格地区气井加砂压裂的特点，在进液通道设计了防砂机构，以保证压裂施工中液体能顺利进入胶筒使其胀封并隔离压裂砂。该工具与水力锚及喷砂滑套一起下入，根据分层数不同调整封隔器及喷砂滑套下入数量，压裂施工时投入自主研制的轻质球，压裂施工结束后封隔器自动解封。

性能参数：封隔器总长760 mm，承压70 MPa，耐温130℃，外径ø114 mm。

2.2 轻质球

轻质球用于气井压裂工艺，必须满足承压高、耐冲击、耐高温、密度低等要求。经过多次室内试验及改进，最终研发出满足施工要求的轻质球，如图3。该轻质球优选复合材料，采用高精度加工工艺，耐压65 MPa，耐温130℃，密度为1.36 g／cm3。经过多次高温、高压试验后几乎无变形，球与球座间的密封可靠。

图3 轻质球

轻质球的直径级差为3.2 mm，例如4层分压无阻管柱中，球的外径尺寸分别为ø31.0、ø34.2、ø37.4 mm，对应滑套尺寸为ø26.5、ø32.0、ø35.2 mm。依次类推，并根据施工层数来增加封隔器及滑套的数量，最高可进行10层压裂施工。压裂施工完成后通过安装在井口的捕球器将轻质球回收，实现管柱畅通无阻生产。

3 现场应用

新型多层分压合采无阻生产管柱自2013年应用于苏里格苏76区块以来，目前总计施工31口井，施工效果好，并成功应用于常规压裂、缝内转向、段内多缝等施工工况。现以苏76-4-14X井为例进行介绍。

苏76-4-14X井完钻井深3 502.00 m，气层套管ø139.7 mm，改造层位山2、山1、盒8下、盒8上，分4层压裂：第1层3 390.0～3 393.0 m，第2层3 369.0～3 372.0 m，第3层3 350.0～3 354.0 m，第4层3 306.2～3 308.5 m和3 296.0～3 298.0 m。地层温度分别是99、98、97、96℃。

第1层、第2层为常规加砂压裂，第3层采用缝内转向工艺，第1次加砂完成后，加入裂缝转向剂，进行第2次加砂。第4层采用段内多缝工艺，第1次加砂后，用基液将暂堵剂送达裂缝位置，进行第2次加砂。

该井设计液量1 086.5 m3，加砂125 m3，整个施工过程顺利，滑套打开明显，最高施工压力50 MPa，排量3.6～4.0 m3／min。施工曲线平稳正常，套压稳定。特别是第3层、第4层施工，在排量增大的情况下，套压平稳，油压在正常范围内略有波动，说明封隔器始终密封可靠，压裂施工效果良好（如图4～5）。

图4 苏76-4-14X井第3层压裂施工曲线

图5 苏76-4-14X井第4层压裂施工曲线

4 结论

1） 研制的BZ-K344型封隔器的密封可靠，能实现多次坐封，现场应用效果良好。

2） 研制的轻质球强度高，承压能力强。通过投入轻质球打开喷砂滑套，压后返排出轻质球即可实现全井筒无阻生产，其施工工艺可靠。

3） 气井多层分压合采无阻生产压裂管柱解决了前期直井压裂工具对层数的限制，全井筒的无阻生产为诸如关闭出水层滑套等后期工艺的实施提供了良好的基础条件，同时可避免生产时层间干扰的发生。

4） 该管柱的结构设计合理，满足现场施工要求，操作简单，提高了气井开发效率，具有良好的推广应用前景。

［1］ 李兴煜.不动管柱分层压裂技术研究［J］.石油矿场机械，2008，37（9）：103-106.

［2］ 马洪芬，吴浩，王炳，等.苏里格气藏两层分压合采无阻生产压裂管柱［J］.石油钻采工艺，2010，32（6）：77-79.

［3］ 李志龙，姜涛，方旭东，等.K344气井不动管柱分压合采工艺技术［J］.油气井测试，2010，19（2）：44-46.

Structure and Application of Multi-Layer Separated Layer Fracturing Coupled with Unhindered Production Frac-String

ZHENG Feng1，ZHAN Hong-yun1，GUO Zhi-qin1，LU Wei1，LIU Xiang-ming2
（1.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300280，China；2.Drilling Technology Services Company，BHDC，Tianjin 300280，China）

As the fracturing layers gradually increases，fracture change direction，segment multifracture and other new technology used in well，fracturing tools must withstand higher pressure，the pressure resistant of longer time，repeatedly setting more and better sealing effect.In order to improve the performance of fracturing tools，based on our tests，the better rubber material and optimization structure of the tools are chosen to develop a new type of multi-layer separated layer fracturing coupled with unhindered production frac-string.The string contains the new BZ-K344 frac-packer，sleeve，sand control hydraulic anchor，and safety joint.The frac-packer setting is reliable and bearing capacity is strong and unlocks automatically to facilitate the sting tripping out after fracturing.Putting in the appropriate size lightweight ball can open the sliding sleeve，after fracturing，the balls return to surface with fracturing liquid in flowing back to achieve unhindered production.Once the string deployed in well，ten layer fracturing can be completed.The fracstring has been successfully applied in 31 wells and achieved good results.

gas；gas well；separate layer fracturing；pipe string

TE931.203

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.012

1001-3482（2014）12-0048-03

2014-06-25

渤海钻探工程有限公司重大项目“压裂酸化技术深化研究”（2012ZD05K）

郑 锋（1987-），男，湖北荆门人，工程师，2009年毕业于长江大学石油工程专业，现从事压裂工具研究，E-mail：zheng.on＠163.com。