过球式水力喷射器研制及在低渗透油田应用

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(1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安 710018； 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)

水力喷射压裂工艺集射孔、压裂功能于一体，简化了施工工序，节省了施工时间，提高了施工效率，为低渗透储层的开发改造提供了有效的技术手段，已在国内多个油气田进行了试验[1-4]。长庆油田在套管完井、裸眼完井等多种完井方式的水平井改造中，采用水力喷砂射孔、压裂分段改造工艺，显著提高了改造效果，取得了可观的经济效益。水力喷射器是水力喷射压裂工艺的关键工具。目前，所用的喷射器有常规喷射器和滑套式喷射器[5-7]。采用常规喷射器，压裂液进入喷射器，直接从喷射孔射出，进行施工作业，只能完成一级工具施工。滑套式喷射器通过投球的方式打开滑套，可以实现可控开启，主要应用在气井不动管柱分段酸化、压裂改造中。在水平井分段改造中，采用喷射器加底封封隔拖动压裂分段压裂工艺，只有常规一级喷射器，限制了施工效率。现有的滑套式喷射器不能用于油田拖动多级压裂。为满足油田拖动管柱改造施工需求，进一步提高油井改造施工效率，降低开发成本，长庆油田分公司油气工艺研究院研发了一种适用于分段多簇改造的过球式喷射器。获国家专利，专利号：ZL201220364792.7。

1 工具结构及工作原理

过球式水力喷射器由上接头、喷射器本体、弹性球座、下滑套、剪切销钉、喷嘴组成，其结构如图1所示。

1—上接头；2—弹性球座；3—固定销钉；4—密封圈；5—喷射器本体；6—下滑套；7—喷嘴；8—剪切销钉。

当压裂管柱上一级的水力喷射器失效后，投该级过球水力喷射器的密封球，密封球坐到弹性球座上，当压力达到剪切销钉剪断压力值时，下滑套剪断剪切销钉，弹性球座与下滑套一起下行，弹性球座进入喷射器本体内腔时，弹性球座释放开，密封球下落，依次通过弹性球座、下滑套内腔，落到喷射器外。与此同时，下滑套下行到喷射器的腔座上，下滑套液流通道与喷射器本体喷嘴孔对齐，射流通道打开，进行过球式水力喷射器的射孔、压裂作业。

2 弹性球座设计计算

弹性球座是过球式喷射器的关键部件，其性能决定喷射器射流通道是否能实现可控开启。整个弹性球座上端分为n片，n的数值根据球座直径尺寸具体设计，一般为6～10片，上端大径挤压闭合可形成球座，结构如图2。

图2 弹性球座在自由状态

球座的性能要求：

1) 弹性要求。滑套未开启前，在接头内收缩状态下闭合形成球座。滑套开启后，在喷射器腔体内释放状态下恢复到自由状态，可以释放密封球。

2) 强度要求。上端球座处要有一定的强度，满足密封球承压强度要求，下端薄壁要有一定的强度和刚度，满足球座承压后抗压强度球。

3) 耐磨性要求。必须具有一定的硬度，满足形成球座状态下过砂、过液而不被冲蚀。

4) 密封性要求。在形成球座时，密封性能越高，开启压力控制越准确，可靠性要高。

2.1 简化模型

弹性球座在自然状态下如图2所示。当工具完成装配后，其各片弹性爪收缩到上接头内腔内，形成球座，如图3所示。

图3 弹性球座在收缩状态

建立分析模型时做如下假设：

1) 各分片加工精确，尺寸完全形同。

2) 装配后处于收缩状态下，各片受力相同，变形形同。

3) 大端在其整个长度范围内变形量相同，其值为弹性球座自然状态下大端外径尺寸与上接头内腔内径尺寸之差。

4) 忽略弹性球座重力的影响。

收缩状态下弹性球座大端处产生的位移相同，用Δx表示，由此将弹性球座简化化为n个相同的悬臂梁模型，取其中的1个进行分析，将其所受的外压力简化为集中力F。如图4所示。

图4 弹性球座简化模型

2.2 弹性变形校核

弹性球座在形成球座时，每片的变形量为Δx。根据悬臂梁在集中作用F力下的变形公式，可得

(1)

弯曲条件最大应力为

(2)

式中：E为材料弹性模量；J为惯性矩；W为抗弯截面模数；l为悬臂梁的长度，[σe]为材料的弹性极限应力。

3 剪切销钉的剪切力设计

喷射器打开滑套喷砂口，需要一定的开启压力作用的密封球上，剪断剪切销钉，克服摩擦力，使滑套下行，相互关系如图5所示。开启压力是由分布的液体压力作用到密封球上产生的集中力FK提供。

图5 弹性球座简化模型

由此可得，打开滑套的力为

FK=Q+f1+f2

(3)

FK=p×S

式中：p为滑套的开启压力；S为开启压力作用面积，即密封滑套直径面积；Q为剪切销钉力；f1为下滑套与喷射器本体产生的摩擦力；f2为弹性球座与上接头产生的摩擦力。

其中，f1主要为密封圈产生的摩擦力，不是主要因素，进行忽略；f2是弹性球座产生的摩擦力，由弹性球座各分片的正压力产生。该正压力包括弹性球座弹性变形产生的正压力N1和密封球所受压力作用到弹性片上的正压力N2。

密封球所受压力主要是因打开滑套剪断剪切销钉所需的剪切力Q产生，由此建立密封球受力模型，如图6所示[5]。

图6 压裂后密封球受力模型

进行受力分析，可得，

(4)

弹性球座弹性变形产生的正压力N1可看做n个弹性滑套分片的合力，即，N1=n×F。

(5)

密封球所受压力作用到弹性片上的正压力N2，是由水平方向的剪切力Q在垂直于球座斜面上产生正压力，可得

N2=Q×sinα

(6)

将以上推导所得结果代入式(3)得

式中：n为悬臂梁个数，即弹性滑套分片数量；μ为密封球与球座间的摩擦因数。

由此，根据设计的滑套开启压力，可以设计滑套剪钉的剪切力，并选择合适的剪切销钉。

4 室内试验

对该过球式水力喷射器进行了室内评价试验，包括工具整体抗拉强度试验，工具密封承压实验，以及滑套开启过球功能工作的实现试验。在进行滑套开启试验时，由于室内试验泵排量的限制，弹性球座收缩形成的球座存在泄漏，不能起压。因此，专门设计了密封塞，以密封塞形成绝对密封，密封塞推动密封球传递力到滑套剪切销钉，试验结构示意如图7所示。将试验工具固定到试验台架上，上接头连接加压管线，缓慢加压，测定滑套开启压力。

图7 过球喷射器室内试验内部机构

经过反复试验，得出以下结论：

1) 工具能承受650 kN的拉力。

2) 密封压力达到45 MPa。承压试验后工具可顺利拆卸开，没有发生变形、损坏。

3) 剪钉剪断的剪切压力为14 MPa(如图8)，与设计相吻合，满足滑套开启压力13～15 MPa的要求。

图8 剪钉剪断压力曲线

4) 滑套开启后密封顺利落出工具，整个工具的功能动作顺利实现。

5) 该过球式水力喷射器满足设计要求，具备现场试验条件。

5 现场应用情况

5.1 工艺管柱组成

过球式水力喷射器与滑套封隔器相配合，可增加1～2级压裂工具，形成多级水力喷射压裂管柱，如图9所示。第1级工具为常规工具，第2级开始为过球式喷射器。受套管尺寸限制，目前的多级管柱可实现4级压裂，综合考虑施工风险以及施工段数，一般推荐2级压裂管柱，最大3级。管柱施工过程为：首先采用第1级工具进行拖动压裂施工，此时第2级等前面工具不启动，只起着油管连接作用；当第1级达到预期寿命或意外失效时，投球启动第2级工具，此时，第2级的喷射器和可控式封隔器开启，同时封堵第1级工具。继续施工，以此类推，直到设计级数都施工完毕。多级水力喷射压裂管柱与拖动作业相结合，与单级水力喷射拖动压裂管柱相比，单趟管柱施工段数提高2～3倍，使管柱施工效率大幅度提高。

5.2 管柱特点

1) 射孔、压裂一体化作业。

2) 通过投球控制第2级以上工具的开启。

3) 一球同时开启喷射器和封隔器多个工具。

4) 多级工具管柱与拖动作业相结合，一趟管柱可以实现多段压裂。

5.3 现场应用效果

过球式喷射器与封隔器组成的二级水力喷射分段压裂管柱在XXX井试验成功。该井一趟管柱完成全部8段施工，其中第1级完成前4段施工，第2级完成剩余4段施工，各段破压明显，施工正常。水平井从施工到完成仅用时2 d，打破了该区块常规水平井压裂最快用时4～5 d的记录。图10为在第2级工具开启及施工第5段的曲线。

图9 过球式喷射器多级管柱结构示意

第2级工具的开启压力为10.8 MPa，滑套开启不考虑阻力。该井垂深约1 200 m，静液柱压力12 MPa，则打滑套时上部压力为22.8 MPa，下部压力为地层压力9.6 MPa。因此，工具开启实际压力为13.2 MPa，与设计开启压力13～15 MPa完全符合。

图10 长庆油田某井的压裂施工曲线

在长庆油田成功完成了14口水平井的压裂施工，最高一趟管柱完成10段施工，达到水平井一趟管柱实现多段压裂改造的目的，有效提高了水力喷射施工效率，减少了起下钻次数，减轻了作业强度，尤其减少了入地压裂液残渣滞留对储层造成的伤害，降低了作业成本。为低渗透油田的经济、有效开发提供了有力支持，对高渗透性、高地层能量、高气油比油藏减少井控风险具有重要的意义。

6 结论

1) 研制的过球式水力喷射器的结构新颖、设计巧妙。室内及现场试验充分验证了其开启压力设计计算准确，工具可靠性能高。

2) 过球式水力喷射器与封隔器组成的水平井多级分段压裂管柱，可有效提高油田水力喷射器施工效率，降低压裂液残渣滞留对储层的伤害及减少井控风险。