大庆油田套损井大规模压裂工艺及配套工具

2018-11-21刘昕祝绍功李博睿王静于喆张宏岩

石油钻采工艺 2018年4期

刘昕祝绍功李博睿王静于喆张宏岩

1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院；2.中国石油大庆油田有限责任公司第五采油厂第一油矿九区三队

大庆油田累计套损井近万口，套损率为15.4%。在压裂选井难度越来越大、可选压裂井层越来越少的情况下，套损井由于压裂程度低、剩余油相对富集，反而成为了地质条件较好的压裂潜力井。初步调查，目前有883口套损井具有较大的压裂地质潜力，其中套管内径在Ø108 mm以上的井占比40%，而Ø104 mm以上的井占比70%。

2006年，大庆油田探索过套损井压裂技术，取得了一定的效果。但现存套损井中，套损点位于油层部位以上的井占比67%。这些井补贴或整形后通径变小，压裂分层工具的选择及起下难度增大。因此，现有套损井压裂工艺出现不适应性：施工层数受限，单井施工1～2层，无法满足多级压裂（单趟管柱3层以上）的需求；技术未形成系列化，现有套损井压裂技术只能压裂套管内径Ø108 mm（约占40%）以上的井，而对于套管内径Ø104～108 mm（约占30%）区间的井无法压裂；砂量受限，单井砂量30 m3，无法满足大规模压裂需求；小直径双封上提工艺管柱无配套防喷措施，现已无法应用［1-2］。

新疆吐哈油田提到的单压方式，可满足通径大于Ø105 mm套损井压裂［3］。尽管施工排量达到5 m3/min，砂量37 m3，但只能施工一层。文献中采用双封压裂工艺，封隔器外径为Ø100 mm，但管柱无锚定结构，当施工规模增大时，管柱产生强烈振动可能导致封隔器失效，最多施工2层，而且无配套防喷工艺［4］；大庆油田的全通径压裂技术虽可实现无限级压裂，但由于封隔器结构复杂，无法将工具外径缩至Ø104 mm以下，不能用于套损井［5］。

为了有效动用套损井地质储量、满足水驱精细挖潜的需求，开展了套损井大规模压裂工艺技术研究。设计了小直径扩张式封隔器，解决了其在大形变下密封失效的难题，确保封隔器安全通过套损点，单趟管柱施工层数至少为5层；优化设计了小直径喷砂器，外径缩至Ø98 mm，提升工艺施工覆盖率至70%；设计了新型锚定器，解决了管柱施工蠕动失稳问题；设计了防喷封隔器，解决了双封压裂工艺在套损井施工时的环保问题。

1 小直径封隔器的研制

套损点内径小，限制了封隔器外径，进而限制了胶筒外径。与常规封隔器相比较，同样的封隔内径Ø124 mm套管，小直径封隔器胶筒必然产生更大的形变。在同样实验条件下，封隔器结构、壁厚和材质均相同时，Ø100 mm封隔器钢体承压后向外鼓胀，而Ø105 mm封隔器钢体承压后经测量无变化，如图1所示。实验结果表明，封隔器外径越小，钢体将承受越大的由胶筒产生的应力，导致超越屈服强度而损坏。因此有必要对胶筒进行力学行为分析。

图1 Ø100 mm（发黑处理）和Ø105 mm（未发黑处理）封隔器实验后对比Fig. 1 Comparison between Ø100 mm packer and Ø105 mm packer after the experiment

练章华等学者对外径Ø114 mm，长度200 mm的胶筒进行了应力分析［6］，但胶筒肩部角度、胶筒长度对应力变化也有直接关系。套损井分注封隔器的结构虽可以借鉴，但其技术指标无法满足压裂施工［7］。因此，采用SOLIDWORKS有限元分析软件，应用二阶非线性Mooney-Rivilin模型，对外径Ø95 mm，内径Ø61 mm的胶筒4种肩部角度（范围30°～60°）进行应力模拟分析，压强载荷 30 MPa，初步得到角度与应力的对应关系（表1）。由表1可知，在50°时出现拐点，最小的应力极值为507.8 MPa。

表1 角度-应力对应关系Table 1 Angle-stress relationship

对4种胶筒长度参数进行应力模拟分析，压强载荷30 MPa，初步得到长度与应力的对应关系，如表2所示，在长度为550 mm时出现拐点，最小的应力极值为409.7 MPa。该结果的应力图解如图2所示，其最大应力点出现在钢体端部与胶筒肩部接触的部位。降低该处应力可提升封隔器的安全性。因此，最终确定封隔器胶筒参数为，肩部角度50°，长度550 mm。另外，胶筒承压时，末端位移最大为128.1 mm。在压裂施工时，如遇压力频繁波动，会使导致胶筒疲劳损坏。而胶筒两端采用固定约束后，应力降低30 MPa。因此，封隔器结构采用双侧固定。

表2 长度-应力对应关系Table 2 Length-stress relationship

图2 30 MPa、 550 mm胶筒扩张应力图解Fig. 2 Expandable stress of rubber cylinder (30 MPa, 550 mm)

根据模拟结果确定的参数，试制样品（肩部角度50°，长度550 mm），并通过油浸试验，检验封隔器耐温承压及耐疲劳性能。在120 ℃柴油中浸泡16 h后，承压50 MPa实验条件下，反复坐解封8次，每次稳压20 min，测量胶筒变形量符合要求，钢体无变形。

2 小直径喷砂器研制

优化壁厚是缩减工具尺寸的有效手段，但是壁厚变薄带来的问题是耐磨能力、强度的降低。因此，应用以材料力学为依据的自编软件对关键部件的尺寸进行优化调整。原喷砂器结构抗内压强度为90.39 MPa，小直径喷砂器抗内压强度降至74.76 MPa。以设计施工压力50 MPa为例，计算安全系数约为1.5，能够在保证安全强度、耐磨能力前提下，满足施工需求。

节流嘴采用分体式设计，内嵌合金，如图3所示，能够最大限度减少高流速携砂液对工具的磨蚀，确保形成节流压差，使封隔器稳定坐封。该节流嘴有多种内径尺寸（25～40 mm），能够根据设计施工排量进行选择，这有利于减少压裂液压力损失，使更多能量作用于地层；还可部分回收，重新利用，可降低加工成本，缩短加工周期。最终喷砂器外径缩至Ø98 mm，能够对套管内径大于Ø104 mm的套损井进行施工，工艺覆盖率提升至70%。

图3 喷砂器原、新节流嘴对比Fig. 3 Comparison between original and new flow mouths of sand blower

3 锚定工具研制

现有锚定器外径Ø114 mm，无法下过套损点，不能有效防止管柱在施工时发生蠕动。如果以原结构为基础，设计小直径锚定器，则锚爪伸长量过大，会导致错位而不回收，使管柱产生遇卡风险。因此设计了新型过套损点锚定器，如图4所示。该工具通过油管加压，推动活塞上行使卡瓦片张开，锚定套管，确保管柱施工时稳定。卸压后，由于卡瓦牙角度设计及箍簧回复力辅助，通过上提回收，解封锚定工具。经室内实验，该工具能够完成套管内锚定，且回收动作顺利。

图4 锚定器Fig. 4 Anchor

4 双功能防喷封隔器研制

双封上提压裂工艺原理是单层压裂施工后，上提管柱施工下一目的层。上提过程中，井筒压力高于油管压力，因此部分压裂液从油管喷出，流到地面，污染环境。如果该工艺不能实现环保施工，则无法应用于现场。因此，针对套损井压裂施工，研制了双功能防喷封隔器，如图5所示，它既能起到封隔油层的作用，又能实现防喷功能。该工具的工作原理为：通过油管加压，中心管带动活塞下行推开密封片（图中状态）；随着压力升高，中心管继续下行推动锥体压缩胶筒坐封。施工结束后，封隔器初步解封，露出反循环冲砂通道；上提管柱，中心管上行，密封片关闭（立起与图中垂直），此时无液体通过密封片（承压25 MPa）从油管中流出；继续上提，完全解封可对下一层目标层段进行压裂施工。