筛管内射孔压裂一体化工艺研究与应用

2024-02-27张云驰刘鹏崔国亮杨生文季菊香王丙刚

机械工程师 2024年2期

张云驰，刘鹏，崔国亮，杨生文，季菊香，王丙刚

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

目前，渤海油田疏松砂岩油藏多采用筛管完井进行防砂，随着包括绥中36-1油田、锦州9-3油田等化学驱油田的开发，化学驱开发后期见效井出现明显近井地带堵塞导致减产，自2018年起采用的过筛管压裂增产措施油井增产效果显著[1-5]，但目前过筛管压裂采用填砂射孔压裂一趟一层的工艺技术，即通过TCP射孔方式将筛管射开后，先将射孔管柱提出，再下入压裂管柱进行压裂，作业整体时效低，施工成本高[6-10]，海上已进行几十口井的过筛管压裂施工，施工层数一般不超过2层，如果后期进行3层以上的过筛管压裂施工，按照现有的工艺一层进行一次射孔和压裂，则3层压裂施工需要6趟以上的管柱来完成，施工作业周期过长，且施工层数越多，过筛管压裂工艺的性价比较低；另一方面为了保证疏松砂岩的压裂效果和筛管孔眼封口的可靠性，防止后期出砂，需要在压裂过程中保持较大排量和高砂比，最高砂比达到60%[10-13]，砂比过低则无法对中高渗地层形成有效裂缝，砂比过高则对压裂工艺和压裂工具提出新的挑战，比如内径过小的喷砂孔容易被高砂比压裂液堵塞。

为降低射孔成本，减少压裂施工趟数，研究了筛管内射孔压裂一体化工艺，该工艺可以将管柱一趟下入，通过上提下放管柱完成射孔和压裂，且砂埋管柱风险较低。

1 筛管内射孔压裂一体化工艺

该工艺适用于筛管完井，管柱包含筛管外部分和筛管内部分（如图1）。筛管外部分主要包含反洗阀和RTTS封隔器，反洗阀在环空压力达到15 MPa时开启，实现反洗井；RTTS封隔器用于井控需要，防止压裂时K344失效导致压裂液涌入井口。筛管内部分主要包含K344封隔器、投球滑套、水力喷枪和单流阀，K344坐封于分层封隔器的密封筒内，与分层封隔器配合实现筛管内分层，实现分段压裂；水力喷枪用于射开筛管，由于水力喷枪的喷嘴内径较小，为避免被高砂比压裂液堵塞，因此水力喷枪仅用于射孔，不用于压裂，压裂靠喷砂滑套来完成，喷砂射孔时，投球滑套处于关闭状态，射孔结束后，投球可打开投球滑套，露出喷砂口，同时球和球座封堵压裂通道，防止压裂液进入下面的喷砂射孔枪内。为保证压裂后期对射开的筛管进行封口，压裂后半程所用的支撑剂为覆膜砂，且需要通过大排量和高砂比实现端部脱砂，保证后期生产时不出砂。该工艺的施工步骤如下：1）下入压裂管柱至最下层，调整管柱至设计喷孔位置，旋转下压坐封RTTS封隔器；2）井口投球至单流阀，进行喷砂射孔，射开筛管，可多次拖动射孔，满足压裂通道要求；3）上提解封RTTS封隔器，上提管柱，确保管柱未在射孔中被砂埋；4）将管柱下入原位，坐封RTTS封隔器；5）井口投球，正打压打开投球滑套；6）进行最下层压裂，正挤前置液、携砂液和顶替液；7）上提管柱解封RTTS封隔器，静置候凝满24 h，确保覆膜砂可以完全凝固，期间需频繁上提下放管柱，保证管柱未被砂埋；8）旋转下压坐封RTTS封隔器，环空打压开启反循环阀，进行反洗井；9）提出压裂管柱到井口，重复上述步骤完成上一层的压裂作业。

图1 筛管内射孔压裂一体化工艺图

2 筛管内射孔压裂一体化工艺特点

1）通过RTTS封隔器和井口防喷器配合实现井控安全，不需要按照压裂井口；

2）通过多次拖动喷砂射孔代替常规TCP射孔，大幅降低施工成本；

3）通过喷砂射孔和喷砂滑套联合使用，在减少一趟施工管柱的前提下满足高砂比的施工要求；

4）在K344封隔器封隔情况下进行水力喷砂射孔，射孔产生的砂子最终也会被压入地层。

3 关键工具

投球滑套结构如图2所示，技术参数如表1所示，该工具由上接头、防松钉、可溶球、球座、O形圈、剪钉、喷嘴和下接头组成，上接头与下接头通过三角螺纹连接，通过O形圈实现密封，硬质合金材质的喷嘴位于上接头和下接头之间，喷嘴上的喷砂口与下接头喷砂口配合，实现喷砂作业，可溶球与球座配合，投入可溶球以后，当压力升至预设值，可溶球与球座有向右移动趋势，剪断剪钉，露出喷砂口。作业施工时，该工具与喷砂射孔枪连接，下井时该工具未投球，喷砂口处于关闭状态，可以承受高压，可以实现该喷砂射孔枪的喷砂射孔，射孔完成后，通过投入可溶球于球座上方，打压液压，当压力达到13～15 MPa时，可溶球与球座将剪断剪钉，向右移动，露出喷嘴的喷砂口，接着进行压裂，压裂液从喷嘴的喷砂孔喷入井底，进入地层，该工具的球座材质选择合金钢42CrMo，表面进行氮化处理使硬度达到50 HRC以上，防止喷砂射孔过程球座被冲蚀，具有较强耐磨性，喷嘴材料为YG8合金，可满足60 m3以上的过砂量[14-15]。

表1 投球滑套技术参数

图2 投球滑套结构原理图

4 过筛管射孔试验

为验证施工中射孔枪可以同时射穿筛管基管和外层套管及水泥环，进行了过筛管水力射孔试验，通过周期性地向负压加砂装置内加砂，压裂车将砂液混合后打入喷枪内，油喷嘴射出，砂比控制在8%左右，排量控制在140～170 L/min，加砂量约为8～10 kg/min。靶件制作如下：取10根套管（每根0.6 m）和筛管（每根0.6 m），然后按照图4做外面有水泥环、中间有扶正块的完井样段，具体尺寸如下：套管外径为244.5 mm（9-5/8 in），内径为220.5 mm，钢级为N80，长度为600 mm；筛管基管外径为139.7 mm，钢级为N80，内径为124 mm，长度为600 mm；套管和筛管之间加工一个扶正环，外径为215 mm，内径为161 mm，长度为20 mm；（内有塑料薄膜的）外层管内径为285.75 mm（11.25 in），外径不小于293 mm，长度为600 mm。水泥凝固后，将外层管取出。

试验结果：当泵的排量为140～148 L/min时，泵转速为1000 r/min，压力为20～21 MPa，如图5所示。当泵的排量为154～162 L/min时，泵转速为1100 r/min，压力为24～25 MPa。加砂量为8～10 kg/min。喷射2 min后，5.5 in内套管被射穿，4 min后水泥环被穿透，说明水力射孔可以短时间将筛管、套管及水泥环射开。

5 现场应用

渤海油田某井油藏套管外径为244.5 mm，内部采用基管为139.7 mm的筛管完井，筛管之间通过分层封隔器分成上下两层，该次施工仅对最下层进行压裂，管柱构成从下到上：单流阀+过滤管+水力喷枪+接球器+投球滑套+外径为112 mm的K344封隔器+外径为210 mm的RTTS封隔器+反洗阀+外径为88.9 mm油管，旋转下压坐封RTTS封隔器，倒正挤流程，测试地层吸液稳定后，井口投球（40.75 mm），小排量送球到位，进行喷砂射孔，射孔最大排量为2 m3/min，最大泵压为35.3 MPa，砂比为6%～10%，期间环空压力保持5 MPa；井口投球，小排量送球到位，正打压打开投球滑套，然后进行压裂，压裂时井口最高脱砂压力为29.35 MPa，砂比为15%～60%，期间环空压力保持5 MPa，施工压力曲线如图3所示。