海上油田精细分段压裂工艺及关键工具

2019-05-30罗建伟刘传刚魏爱栓严孟凯

石油矿场机械 2019年3期

罗建伟，刘鹏，左凯，刘传刚，魏爱栓，严孟凯

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

随着海上油田的开发生产，致密油气、页岩气、煤层气等低渗透油气藏的开发成为油田稳产增产的重要来源。压裂是低渗油气藏常用的增产措施之一，较常用的是投球滑套分段压裂工艺和泵送桥塞压裂工艺。投球滑套分段压裂工艺需要多次投球，球座尺寸依次递减，施工层位一般不超过7层，后期某一段出水严重时压裂滑套无法进行关闭；泵送桥塞压裂工艺需要多次下入桥塞，并进行钻铣，如果施工段数较多，施工成本较高，可溶桥塞虽然可以减少钻铣，但可溶性材料的性能研究还不够深入，不具备广泛推广应用的条件[1-8]。

针对上述问题，为了精细分段压裂，设计了不动管柱水力喷射分段压裂工艺和可开关固井滑套无限级分段压裂工艺，前者可实现不低于12层的分段压裂，后者可以实现无限级分段压裂。

1 不动管柱水力喷射分段压裂工艺

1.1 管柱组成及工艺原理

不动管柱水力喷射分段压裂工艺管柱组成如图1所示。该管柱通过一趟管柱下入井内，施工层位从最下一层开始。最下一层是普通水力喷射器，可以直接进行喷砂射孔。喷砂射孔过程中油管的压力较高，可达到70 MPa。当油、套管内压力有明显下降时，表明套管已射开，即可进行压裂。该工艺采用向油管内加压裂液，向油套环空补液的方式进行压裂施工。当达到设计加砂量时，停泵并记录停泵压力。本层压裂施工结束，接着进行上一层的施工。除了最下一层，上面各层对应的水力喷射器是滑套式的，需要先增加液压力，剪断滑套式水力喷射器的剪钉，露出水力喷射器的喷砂孔，然后再进行喷砂射孔和压裂作业。流体射入孔道实现增压的过程具有水力封隔作用，压裂液定点注入只产生局部增压，不会导致井筒其他部位形成高压而压开新裂缝,也不会导致已有裂缝重新张开。压裂液经作业管柱泵入，通过喷嘴射入孔道，很少进入其他部位，孔道高速射流的抽吸作用可进一步强化封隔效果[9]。

图1 不动管柱水力喷射分段压裂工艺管柱示意

水力喷射压裂技术不使用机械密封或化学封隔，而是利用流体自身的动态运动，将大部分流体转移到地层中的某个特定点，这个概念主要基于简明岩石力学和伯努利流体液压原理[10]。

1.2 技术参数

不动管柱水力喷射分段压裂工艺参数如表1所示。

表1 不动管柱水力喷射分段压裂工艺参数

1.3 关键工具

1.3.1 滑套式喷射器

滑套式喷射器是不动管柱水力喷射分段压裂工艺的核心工具，该工具在下入过程以及施工其他段时，喷砂孔被滑套密封，无法进行喷砂射孔；当施工本层位时，通过投球剪断剪钉，打开滑套，露出喷砂孔，进行喷砂射孔及压裂。

通过调整滑套球座尺寸，将该工具分为多级，最下层为第1级，依次向上分别递增。随着级数的增加，内通径越来越大，以保证下一压裂段的球可以通过上一压裂段喷射器的球座。该工具在井中的使用数量取决于要施工的段数，每级滑套式喷射器对应一个施工层位。球的极差为1.6 mm(英寸)。为了保证球可以顺利通过上层段喷射器的球座，最终设计了11级的滑套式喷射器，如图2所示。

除此之外，最下面一级喷射器可设计成常规喷射器，无须设置滑套结构，即无球无滑套结构，如图3所示，加上这一级，一共12级，技术参数如表2，12级球及球座尺寸如表3。

1—本体；2—可溶球；3—喷嘴；4—O型圈；5—滑套；6—O型圈；7—O型圈；8—剪钉；9—锁环；10—下接头。

1—本体；2—喷嘴；3—O型圈；4—O型圈；5—下接头。

外径/mm球外径/mm长度/mm开启压力/MPa喷嘴材质喷嘴尺寸/mm98.5最上层:53最下层:2842012～15碳化钨4.5/5.5/6.3

表3 12级对应的球和球座尺寸

1.3.2 水力锚

水力锚的作用是进行喷砂射孔时锚定施工管柱，防止其振动的幅度过大。当进行喷砂射孔时，油管内压力远高于油套环空压力，水力锚保持张开状态，卡在套管内壁。水力锚的结构如图4，技术参数如表4。当施工结束后泄压，油管串内压力与油套环空压力相近，锚爪在弹簧的回复力作用下收回，锚爪失去对套管的锚定作用。

1—上接头；2—锚爪；3—弹簧；4—压板；5—螺钉；6—O型圈；7—筛管；8—下挡环；9—下接头。

外径/mm内径/mm可承受内压/MPa锚定力/kN长度/mm上下扣型11460704004212 EU BxP

1.3.3 扶正器

对于套管井，由于套管井内径较规则，因此扶正器采用刚性结构设计。对于139.7 mm(5.5英寸)套管井，其内径为124.3 mm，扶正器外径为117 mm，在刚性扶正器外侧设有过流通道，便于喷射液返排，具体结构如图5，技术参数如表5。

1—连接管；2—扶正套；3—接箍。

外径/mm内径/mm内部耐压/MPa长度/mm上下扣型11762704002 EU BxP

1.3.4 单流阀

单流阀的结构如图6所示。该工具由过流挡板、下接头和阀芯三部分组成。阀芯分别由螺母、过流垫片、皮碗压环、皮碗和中心杆组成。单流阀连接在管柱的最下端，该阀有3个作用：

1) 使油管与油套环空沟通，保证油管串顺利下入。

2) 为第1段的压裂提供密封，具有堵头的作用。

3) 可以在管柱下入后进行反洗井作业。

1—过流挡板；2—螺母；3—过流垫片；4—皮碗压环；5—皮碗；6—中心杆；7—下接头。

目前，常规单流阀一般采用球和球座单向密封的方式。但是对于大斜度井，球在重力作用下容易脱离球座。为了解决上述问题，将密封结构改成具有扶正作用的中心杆密封组合，密封杆上有橡胶进行辅助密封，通过金属和橡胶共同密封，提高单流阀密封的可靠性。

2 可开关固井滑套无限级分段压裂工艺

2.1 工艺管柱结构及工艺原理

工艺原理：将各层的固井滑套设置为关闭状态，与套管连接一并下入井中，并进行水泥固井。固井完成后，下入内管柱，通过接箍定位器找到压裂层位，上提下放管柱坐封Y211型封隔器，将压裂层与其他层分隔。然后套管加液压，打开压裂层的固井滑套，进行压裂施工；如果未打开，则需要通过连续油管连接的水力喷射器进行喷砂射孔，最后通过套管和连续油管环空进行压裂施工，第1层施工完毕后拖动连续油管重复上面层位的压裂施工。该工艺施工完成提出内管柱后，管柱内部的通径与油藏套管一致，可以进行二次压裂等增产措施。后期某一层出水严重时，可下入液压开关工具关闭该层的压裂滑套。

图7 无限级可选择分段压裂工艺管柱示意图

2.2 技术参数

无限级可选择分段压裂工艺参数如表6所示。

表6 无限级可选择分段压裂工艺参数

2.3 关键工具

Y211型封隔器和扶正器等工具属于较成熟工具，不再赘述，仅对关键工具进行介绍。

2.3.1 可开关无限级固井滑套

可开关无限级固井滑套与套管连接，工具结构如图8，下连接套内部光滑，作为底部封隔器坐封用的密封筒，密封筒较长，可以保证封隔器顺利坐封。待封隔器坐封后，通过套管与油管环空加压，移动套受压差作用向下移动，此时上连接套上的连通孔露出，形成压裂液流通通道。上连接套内部有凹槽与弹性爪相咬合，可防止管内工具串上提下放时造成移动套的误动作。

1—上接头；2、10—防松钉；3、5、7、9、12— O型圈；4—上连接套；6—剪钉；8—移动套；11—下连接套；13—下接头。

在上一层进行压裂作业时，下一层的压力滑套处于关闭状态。压裂液通过下接头端部的传压孔与下连接套上的细长孔连通，从而使关闭套处于压力平衡，保持移动套处于静止状态。滑套的技术参数如表7。

表7 滑套的技术参数

2.3.2 液控开关工具

液控开关工具是关闭固井滑套的专用工具，结构如图9所示，工具下入到目的层固井滑套位置，油管正循环，保持循环压力1～2 MPa即可使两个压缩套往开关工具两端移动，开关块在小弹簧的作用下向外张开，管柱缓慢上提直至开关块卡住滑套的移动套，管柱悬重增加，继续上提管柱，开关块接触到固井滑套上接头内部台阶，开关块受到挤压径向收缩，开关块与移动套脱开，管柱悬重减小。可多次重复上述过程进行验证。

在开关工具上提遇卡时，泄掉油管压力，上提管柱；如无法解卡，增大上提力30～50 kN，开关块向下压剪切套，剪断剪钉后也可实现解卡。