基于跨隔双封隔器的连续油管压裂技术

熊江勇，王伟佳，雷 强，尚 琼，李倩文

（中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司，湖北 武汉430074）

连续油管起源于二次世界大战期间，自20世纪60年代开始用于石油工业。连续油管靠经济有效的井筒清理方法在市场上赢得了立足之地，传统的修井、完井作业占连续油管作业的3／4以上。近年来连续油管在油气田上的应用范围持续扩大，其中连续管钻井技术和连续管压裂技术成为发展最快的两项技术。

连续油管压裂是一种新的安全、经济、高效的油田服务技术，从20世纪90年代后期开始在油、气田上得到应用。最常用的连续油管压裂为基于跨隔双封隔器的连续油管压裂技术。

基于跨隔双封隔器的连续油管压裂作业目前大多在陆上的油、气井中实施，压裂层位的深度为1 000m左右，最大深度约3 000m。实践表明，这项技术特别适合于具有多个薄油、气层的井进行逐层压裂作业。

1 压裂设备

用于压裂作业的连续油管装置与通常的连续油管装置基本相同，主要设备包括注入头、连续油管工作滚筒总成、操作室、动力设备、液压系统、井口压力控制设备、吊车等，只是在设备的技术规格上有所差别。

用于压裂作业的连续油管装置需要配备芯轴直径较大的工作滚筒以及半径较大的注入头导管架。连续油管在滚筒上和注入头导管架上来回运移时，要经历严重的塑性变形，由此造成的应力－应变循环的强度是影响连续油管寿命的主要因素。连续油管在其材料开始屈服之前可以达到的最大弯曲半径叫屈服曲率半径，而连续油管的弯曲一旦超过其弯曲半径，其材料就要发生塑性变形。

在实际应用中，由于装备的限制，滚筒和鹅颈架的半径远小于屈服曲率半径，连续油管在滚筒和鹅颈架上要承受严重的塑性变形。同时，在弯曲点处连续油管的内压也会使油管在相同点产生塑性变形。这种由于弯曲和压力引起的塑性变形使连续油管产生疲劳，影响连续油管的寿命。

各种分析模型表明，采用半径较大的滚筒和导管架，能显著增加连续油管的寿命。

2 连续油管

压裂用的连续油管的限制因素主要是油管尺寸和强度。为了达到压开油层所需的足够大的压裂液流量，需要采用大直径的连续油管。大直径连续油管的疲劳寿命比小直径连续油管短些，必须持续不断地研究连续油管的适用性，寻找优化连续油管参数的方法，用以延长压裂管柱的工作寿命。

连续油管压裂选择的管子直径要能允许压裂液的流量达到直至2m3／min的设计排量。管子尺寸也要基于压裂液的摩阻压降以及流速加以选择。摩阻会影响地面设备压力，流速会影响磨蚀造成的管壁损失。压裂液在管子中的流速一般限制在30m／s。综合考虑这些因素，合适的管子直径为60.3mm或73mm。这种尺寸的管子，一是可以使地面压力限制在35～40MPa之间；二是能达到期望的流速而不会造成显著的管壁损失。

同时连续油管壁厚增加，可延长其高压下使用寿命。管壁的厚度要以携砂流体的磨蚀效应造成的管子金属的损失为基础来加以选择。在管子工作寿命的后期，管子应当仍然有足够的壁厚，以便在综合负荷条件下能承受工作压力。

由于焊缝能降低金属的展延性，管子的疲劳寿命在焊缝部位会缩短，这样就会影响整个管柱的工作寿命。管子的焊缝应当减少，但不可能做到整个管柱没有焊缝，一般要求一盘管子最多3个焊缝。屈服强度高的连续油管材料，在高压应用中呈现较长的疲劳寿命，在低压应用中呈现较短的疲劳寿命。然而，当管子横断面的几何形状相同时，用较高屈服强度材料制成的管子，比用较低屈服强度材料制成的管子具有更大的承受应力。换言之，较高等级的管子在管壁明显变薄后，仍能承受预期的最大工作压力。

3 井下工具

基于跨隔双封隔器的连续油管压裂技术的井下工具主要是由跨隔双封隔器，应有反复可靠坐封的能力。

封隔器总成的各元件的设计对于封隔器的成功操作是十分关键的。必须要求跨隔双封隔器在一次下入一个井筒中后，能多次在各射孔层段的上、下部位可靠坐封，确保逐层压裂成功。封隔器的橡胶密封件要在压裂过程中能承受大的压差。

4 压裂参数

1）压裂液。传统压裂工艺的压裂液可以用于连续油管压裂工艺。硼酸盐、钛酸盐交联聚合物水基压裂液的应用效果较好。采用较低浓度的聚合物压裂液不会危害作业质量，而会使压裂液更为经济。

连续油管压裂作业中，可以将氮或二氧化碳与压裂液一起使用。

2）支撑剂。连续油管压裂工艺采用20／40目支撑剂，通常泵用石英砂。

3）施工参数。压裂流体中混砂浓度大约为1 500 kg／m3。压裂过程中地表压力在35～40MPa。连续油管中压裂液排量为1.5～2.0m3／min。

5 典型实例

在北美某气田有许多单独的含气小层因太薄而未能投产。以前，采用限流法压裂工艺技术提高薄层产量。现采用基于跨隔双封隔器的连续油管压裂技术来使这些薄气层产气。连续油管压裂工艺技术有下列好处：①能选择性地压裂薄气层；②能较快地完井和排液；③进行选择性压裂比采用传统的修井机作业方法经济得多。

5.1 气藏地质情况

该气藏由泥岩夹薄的连续的砂岩以及砾岩层组成，是在低能量的海相环境下沉积形成的。在该气藏钻井时，遇到多个薄的砂岩小层，每个小层0.8～1.5m厚。一些井中有13个小层之多。所有的产气小层的渗透率低，只有0.2～3md，导致气层的传导性差。有些气层的压力低至4Mpa。为了经济地开采天然气，必须对这些薄砂层进行水力压裂以填入支撑剂。

5.2 井筒状况

气井深度范围为1 000～1 500m。采出的气主要是甲烷，在某些区域，水与气一起采出。大部分气井的井筒状况良好，只有很少数存在腐蚀问题。大多数井从生产套管采气。

大多数井的生产套管直径为114.3mm，也有一些井为139.7mm。采用最基本的一种套管井口装置，由低压闸阀组成。大多数套管不漏气、不漏液体，但一些套管能承受的压力不足30MPa，不能承受泵送压裂液所需的地面压力。这样的套管条件不适合于限流法逐层压裂工艺作业，却非常适合于连续油管逐层压裂工艺作业。

5.3 压裂工艺设计

5.3.1 压裂参数优选

1）压裂液。选择传统压裂工艺的压裂液作为连续油管压裂工艺的压裂液，即硼酸盐或钛酸盐交联的水基低浓度聚合物压裂液。这种压裂液中较低的聚合物浓度不会危害压裂作业质量，而且经济效果更好。

2）气体助剂。压裂液中使用氮和二氧化碳。氮与硼酸盐交联聚合物压裂液配合使用，而二氧化碳则与钛酸盐交联聚合物压裂液配合使用。

3）支撑剂。选用20／40目砂子作为支撑剂。压裂砂成本低，并且容易获得。

4）泵排量。由于作业需要将压裂流体通过小的金属管（60.3mm连续油管）泵入井内，泵排量要尽量低，不要使地表压力超过允许的最高工作压力。大部分作业中，排量达到1.6m3／min就足以将支撑剂带入地层中。

5）混砂浓度。在加支撑剂的最后阶段，混砂液的最高混砂浓度为1.8kg／m3。需要较少支撑剂的小型连续油管压裂作业比大型压裂作业，混砂浓度增加较快。

5.3.2 压裂设备

1）用常规连续油管装置稍加改进而成，配备60.3mm连续油管。

2）利用传统压裂工艺所用的压裂液混配设备、混砂设备以及压裂泵。

3）采用加以改进的带半封闸板的防喷器，这种简化了的防喷器在提供全面控制的同时，可使设备的装、卸时间缩短。

5.3.3 井下工具

专门为连续油管压裂工艺设计制造了一种跨隔双封隔器（图1），其结构特点是：①均衡阀－跨隔双封隔器的底部有一个压力均衡阀，在封隔器释放和移动至下一个层位之前允许压力得到均衡。②底部卡瓦设计－不需要转动外芯轴释放封隔器，使封隔器解封更为容易。③封隔器顶部皮碗－允许进行反循环冲洗出井下碎屑。④多次坐封－能允许多次可靠坐封、解封和移动位置。

图1 连续油管压裂封隔器

在顶部封隔器皮碗上方配备一个机械接箍定位器，用于封隔器总成的准确定位，还增加了机械安全剪切释放接头。在连续油管压裂作业过程中，跨隔双封隔器底部的压缩变形构件和顶部的两个皮碗将一段射孔层段卡开。压裂工具串下至第一个待压裂的小层位置，利用先上提0.5m然后向下把重量加到井下工具总成上的方法将封隔器坐封。底部卡瓦将固定在套管壁上，封隔器将会封闭井筒。此时，开始连续管压裂。完成压裂后，利用连续油管上提将封隔器解封，再移至第二个小层，对该小层进行压裂。重复操作直至完成所有小层的压裂。

5.3.4 作业效果

生产结果表明，连续油管压裂作业井的早期产量要比通常的限流法压裂作业井平均高60%。

1）将常规压裂、连续油管、可收回工具技术结合起来，能采用无修井机的工艺技术在老井筒进行多个产气层段的改造。

2）利用连续油管对多个浅的含气层段进行选择性压裂比利用常规作业设备以及连接的管压裂工艺更为经济有效。

3）需要具有独特性能的专用可收回式跨隔双封隔器同连续油管配套使用以便获得高的压裂成功率。

6 油管管理

合适地设计和管理连续油管是连续油管压裂工艺技术的关键。有几个主要因素影响连续油管的寿命，其中包括弯曲和压力引起的管子疲劳、腐蚀以及表面损伤。

泵送混合了二氧化碳的压裂液可能会引起内部腐蚀，但是碳酸的浓度低，压裂后应用清洁液体冲洗。因此，这种腐蚀损伤大体上可以忽略。

与腐蚀不同，机械损伤会严重影响压裂连续油管的使用寿命。一系列实验已经证明，产生在管子外部的机械损伤，例如明显的凹陷、凿槽以及注入头夹块的压痕，都会严重影响连续油管的寿命。对于大直径管子，此问题尤其严重。

6.1 管壁减薄

管子的弯曲会产生一种反转旋流，由此推测，最大的管壁磨损速率会发生在盘绕在滚筒上的那部分管子里。

为了证实这种假设，研究泵送砂量与管壁厚度减少量之间的函数关系，利用几根废弃的连续油管进行了非破坏性测量。实验数据显示，泵送100t砂子造成管壁厚度减少大约0.1mm。正如所推测的那样，管壁减薄出现在缠绕在滚筒上的那部分连续油管内，管壁减薄最显著的部位是滚筒与鹅颈架之间管子拉直之前绕在滚筒上的那几圈连续油管。当流体进入井筒中的垂直部位后，湍流及其造成的管壁磨损便减少了，这部分管子的壁厚逐渐接近稳定水平。

6.2 连续油管疲劳寿命的监测和管理

连续油管压裂作业包括在高压下泵送携砂液，作用于连续油管上的综合应力必须处于油管材料的屈服强度极限范围内。然而，具有高的积累疲劳的那一段管子，可能会开始产生裂缝，增加了灾难性破坏的危险。加强连续油管疲劳和磨损管理能延长连续油管压裂服务寿命。

连续油管应当设计得使疲劳寿命与管壁磨损减薄之间达到平衡。当管子退出使用时，两个参数都应当已经达到预定的允许限度。有三种方法可以提供尽可能长的服务寿命的连续油管压裂管柱。

第一种方法是将管子头、尾颠倒缠绕在工作滚筒上，使累积疲劳最大、管壁最薄的那一部分管子缠绕在滚筒的外面几层。这样在压裂作业时，就把较薄弱的那一段管子换到了井下。这种方法还没有获得广泛应用，因为在现场缠绕管子可能不切实际。

第二种方法是采用逐渐变细的连续油管。作业时，将管壁较厚的那部分连续油管留在滚筒上，而较薄的那部分连续油管下入井筒中。该方法可以使整个管柱保持足够的疲劳寿命，允许通过管柱泵送更多的砂子。应用该方法的复杂情况是在作业之前估计整个管柱的合适长度以及厚管段和薄管段各自的长度不太容易。

第三种方法是日常切除法，即在连续油管的整个寿命期限内，分几次切除油管，每次从管柱的自由端切去一段管子。在射孔层段深度接近，并且射孔层段不很厚的油井进行作业，采用该方法最合适。切除的那一段管子的长度应当等于油井射孔层段的厚度。该方法可以使管子的累积疲劳以及管壁的减薄沿着管柱较均匀地分布。应用该方法，需要在滚筒上有多余的管子。该方法的局限性是需要连续油管接头，以便在切除管子后安装到保留的管子上。

7 结束语

连续油管压裂工艺是一种新的油气开采工艺技术，近几年发展很快。同传统压裂相比，连续油管压裂具有下列优点：①起下压裂管柱快，移动封隔器位置快，从而大大缩短作业时间；②能在欠平衡条件下作业，不需要压死井，从而减轻或避免油气层伤害；③能使每个小层都得到合理的压裂改造，从而使整口井的压裂增产效果更好；④一次下管柱逐层压裂的层数多，可以多达几十个小层；⑤经济效益好。

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