压裂管柱防管内溢流工具的研制与应用

刘照钰 刘立新 冯静 刘春雨

（1.大庆油田有限责任公司第四采油厂；2.大庆油田有限责任公司第三采油厂；3.大庆油田有限责任公司井下作业分公司）

1 问题分析

目前，水力压裂仍然是油气田增产增注的主要措施，其中不动管柱多层压裂已经成为直井压裂的主要手段。针对压裂过程中产生管内溢流，返排液易污染地面的问题，设计滑套式密封器堵塞最上级喷砂器出砂口，以及设计防溢流喷砂器[1-3]，使其具有封堵其各压裂层，实现了压裂施工的全过程防管内溢流功能。压裂施工开始时，直接向油管内注液，进行第一层压裂[4]。第一层施工完毕后投球打套，将第二级喷砂器内滑套打掉，落入第一层喷砂器内，重复以上动作，完成各层施工。为明确溢流原因，随机查看149 个施工后的喷砂器，发现77.2%喷砂器滑套没有到位，导致出砂口未堵住，使油管外液体进入油管内，无法密封下级喷砂器的出砂口，产生井口油管内溢流。除此之外，压裂施工后最上级喷砂器无滑套密封其出砂口，也产生油管内溢流[5-6]。

2 新型压裂管柱防溢流的设计

针对以上问题研制一种防溢流喷砂器，使其具有多层压裂、压后防油管内溢流功能[7]。设计一种防溢喷砂器，以弹簧凡尔喷砂器为基本结构，从增大滑套到位压力，减小滑套到位阻力，能够随压随关的喷砂器；设计一种滑套式密封器,堵塞最上级喷砂器出砂口。保证其剪断滑套足够的压力，防止压裂最后一层过程中将该滑套意外打掉，影响施工。

2.1 工作原理

该工具根据滑套内径大小分为A、B、C、D 四种型号，组配管柱[8]时从上到下分配的喷砂器滑套内径逐渐减小，最下级喷砂器为不带套的A 型，往上滑套内径分别是ϕ33 mm、ϕ36 mm、ϕ39 mm，工作时最下层为不带套喷砂器，可以直接注液进行压裂，压后投ϕ35 mm 钢球，将B 型喷砂器滑套打掉，滑套落入A 型喷砂器中心管内，油管内压力小于或等于4 MPa 时，凡尔剪钉未剪断，凡尔不开启，直到滑套堵住A 型喷砂器中心管出砂口，且导向头锁定面通过弹簧爪，锁定后，油管内继续加压，反尔剪钉剪断，反尔开启，可以进行下一层的压裂。重复以上动作可实现坐压4 层。当该井施工结束后，投球打掉密封滑套，钢球带动滑套下行封堵最上层喷砂器的出砂口，从而所有的出砂口均封堵住，可实现起压裂管柱油管内防溢流。

2.2 结构设计

1）考虑喷砂器需配合扩张封隔器完成分层压裂，采用弹簧凡尔节流装置，逐级缩径滑套实现多层压裂，滑套锁定采用弹簧爪下端面与导向头锁定面配合进行锁定，来增大滑套下行推力，增大凡尔开启压力。弹性锁套喷砂器结构见图1。

图1 弹性锁套喷砂器结构Fig.1 Structure of sandblaster with elastic lock sleeve

2）滑套式密封器为防溢多层坐压管柱配套工具，其内部有密封滑套，用剪钉固定在密封器内。为了不让密封滑套在压裂过程中被冲掉，剪断密封滑套的剪钉压力在16～19 MPa，密封滑套通过承接套固定在上接头上，为了方便搬运、连接工具等，设计了套筒和下接头。滑套式密封器结构见图2。

图2 滑套式密封器结构Fig.2 Structure of sliding sleeve sealer

2.3 关键部件设计

弹性锁套喷砂器的核心部件是弹簧爪。它的设计直接影响到滑套能否顺利到位、锁定。导向头需通过弹簧爪的活动端，弹簧爪可通过单个爪的活动端张开产生变径，导向头通过后，弹簧爪回收，锁定导向头，弹簧爪工作示意图见图3。

图3 弹簧爪工作示意图Fig.3 Working diagram of elastic claw

1）弹性锁定装置的设计。为了完成弹簧爪的功能，拟定了以下3 套方案，弹性锁定装置拟定方案见图4。方案a：采用扭簧爪锁定，通过扭簧转动棘爪，使导向头能够下落并锁定到锁定面。该方案锁定阻力小，通过扭簧爪容易，但锁定点只有三点，锁定可靠性低，结构有空间存砂，会影响扭转动作，且结构复杂，加工困难，不适合推广使用。方案b：在滑套下端连接弹簧爪，弹簧爪可向内收，通过一个缩颈台阶后可锁定滑套，但该方案弹簧爪回收的范围较大，锁定可靠性较低，且弹性爪之间需要有间隙容纳向内收缩的爪体，这就造成过压裂砂磨蚀现象，容易锁定失效。方案c：滑套通过性较好，既能锁定，又防止磨蚀现象，且扩张方式是向外扩张，方便加工[9-10]。最终确定，采用固定式弹簧爪，采用线切割的薄壁圆筒加工。

图4 弹性锁定装置拟定方案Fig.4 Draft scheme of elastic locking device

2）挠度校核。弹簧爪在整个压裂施工过程中有很大的变形量，所以要对其挠度进行校核。悬臂梁挠度计算简图见图5，弹簧爪活动端有挠度变形过程可抽象成n个悬臂梁，每个爪产生的挠度y能够使导向头通过，故根据悬臂梁的位移与刚度挠度计算公式，可得单个爪的挠度计算公式：

图5 悬臂梁挠度计算简图Fig.5 Deflection calculation diagram of cantilever beam

式中：y为挠度，mm；P为集中载荷，N；E为拉压弹性模量，材料是钢，一般取2.1×105MPa；I为截面对中性轴的惯性矩，mm4；l1和l2为悬臂梁上作用力分别与自由端和固定端的距离，mm。

若x=0，其挠度取最大值：

在该模型中，单个弹簧爪的惯性矩与其截面形状有关，其截面为扇圆环形，其惯性矩为：

式中：R为圆环外径，mm；r为圆环内径，mm；α为扇形半张角，（°）。结构参数R=31 mm，r=29 mm，α=36°代入公 式（3）可 得，扇 圆环形的惯性矩为26.273 2×10-8mm4。根据其工作原理，需让外径为ϕ53 mm 的导向头通过弹簧爪弹性端内径ϕ49 mm 的内孔，弹簧爪弹性端内径需向外扩张4 mm，也就是半径向外扩张2 mm，即挠度y≥2 mm 就能满足通过要求，暂定载荷F=1 000 N，由公式（1）得挠度y为5.85 mm，满足条件。

2.4 关键部件优化

从弹性锁套喷砂器的结构上看，滑套到位时，弹簧爪长度直接影响了滑套的导向头长度，弹簧爪加工时，只需线切割进行加工，但加工分瓣数，直接影响到滑套到位阻力大小，故需要进一步优化处理。试验方案：选中心管、下接头、滑套、导向头各一件，选各种规格弹簧爪，组合成试验装置。将中心管下端连到下接头，并安置一个弹簧爪，将导向头连到滑套，仿照弹簧喷砂器滑套被打掉后落入中心管的动作，检验滑套是否能封堵中心管出砂口，以及滑套是否能通过弹簧爪并锁定。更换不同规格的弹簧爪，其爪数、长度均可优化。弹簧爪实验数据统计见表1。

表1 弹簧爪实验数据统计Tab.1 Experimental data statistics of elastic claw

实验过程：以弹簧爪长度60 mm，分瓣数10 瓣为例。将弹簧爪安装入下接头内，本弹簧爪10 瓣圆周均匀分布，每个爪36°，弹簧爪长度60 mm，弹簧爪壁厚2 mm，滑套下端连接加长导向头，在中心管上端0.8 m 处投放，让滑套自由下落入中心管内。试验进行了10 次，滑套到位10 次，成功率100%。且将此到位装置旋转180°放置地上，滑套未脱离到位位置，说明滑套锁定。

通过室内实验，以线切割形式分成10 瓣，弹簧爪长度60 mm 为合适。

3 现场试验

该防管内溢流管柱共试验23 口井，现场试验统计分析见表2，其中最多一趟管柱坐压7 层，压后套压最高13.0 MPa，都实现了滑套到位、锁定，油管内无溢流的目的。证明了该防管内溢流管柱对各种不同工况的作业井都具有很好的适用性，工具可靠、耐用。以L 井为例。该井为一口坐压多层防溢流试验井。

表2 现场试验统计分析Tab.2 Statistical analysis of field test

1）试验目的：试验弹性锁套喷砂器的滑套到位、锁定情况；试验滑套式密封器对油管防溢流控制的作用。

2）基本情况：该井为不动管柱压裂3 层，设计施工排量为3 m3/min，加砂18 m3，压裂管柱结构：工作筒（ϕ50 mm）、滑套式密封器（ϕ42 mm）、3 个封隔器（K344-115）弹性锁套喷砂器C（ϕ39 mm）、弹性锁套喷砂器B（ϕ36 mm）、弹性锁套喷砂器A（不带套）、丝堵等组成。

3）试验过程：压裂第一层施工排量2.0 m3/min，压力18～24 MPa，停泵10 min 后套压9.5 MPa，；投ϕ41 mm 球，以0.4 m3/min 排量追球，最高剪套压力为21.0 MPa；压裂第二层施工排量2.0 m3/min，压力17～22 MPa。压后停泵20 min 后，投ϕ42 mm球，剪密封滑套，剪断压力为22.0 MPa，活动开管柱后套压11.0 MPa，打开油管观察未见溢流。某井压后油管内溢流情况见图7。

4）起出工具后，观察滑套到位。出砂口被滑套堵住，且滑套锁定。达到试验目的，有效的控制了油管内防溢流。

现场共试验22 口井都实现了防管内溢流的功能。预计该批压裂井年返排液量1.2×104m3，处理价格为116.2 元/m3。通过应用本压裂管柱可以实现返排液量的零排放，故能节省费用139.4 万元。现场试验井节省返排液数据统计见表3。

表3 现场试验井节省返排液数据统计Tab.3 Statistics of saving drainback data of field test well

4 结论

1）设计组配弹簧凡尔喷砂器+滑套式密封器堵塞的防溢流压裂管柱。喷砂器以弹簧凡尔为基本结构，从增大滑套到位压力，减小滑套到位阻力，能够随压随关；滑套式密封器堵塞最上级喷砂器出砂口。保证其剪断滑套足够的压力，防止压裂最后一层过程中将该滑套意外打掉，影响施工。组配的压裂管柱具有多层压裂、压后防油管内溢流功能。

2）设计弹簧反尔喷砂器的结构为固定式弹簧爪，通过对弹性锁套喷砂器的核心部件弹簧爪的优化设计，并进行了室内实验，最终确定10 瓣，弹簧爪长度为60 mm，再通过23 口井的现场试验，实现了最多一趟管柱坐压7层，压后套压最高13.0 MPa，滑套到位、锁定，油管内无溢流的目的。

3）从室内实验和现场试验可以看出，该防管内溢流管柱设计的固定式弹簧爪结构对各种不同工况的作业井都具有很好的适用性，工具可靠、耐用。坐压多层管柱油管内防溢流技术可行，性能可靠，即不影响多层压裂施工，又能实现起压裂油管内防溢流，减少压后污染物排放量。尤其是带压作业时，油管内不出液便可进行井口装置的拆装，省去了带压投堵过程。