水平井裸眼分段壓裂完井關鍵工具研制

張海燕 魏新芳 余金陵 許嬋嬋

（1.勝利油田采油工程處，山東東營 257000；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

水平井裸眼分段壓裂技術是近年來興起的非常規油氣儲層改造和投產新技術，能顯著改善非常規油氣藏開發效果。裸眼分段壓裂管柱一般是采用?177.8 mm 技術套管懸掛?114.3 mm 壓裂配套完井管柱的結構，常見的配套管柱是由懸掛器、裸眼封隔器、滑套開關、單向閥等組成，裸眼封隔器和滑套開關的數量由壓裂段數決定。裸眼分段壓裂工具的結構設計及性能參數是這項技術能否成功實現的。

陳作［1］等介紹了國內幾種常用的水平井分段壓裂技術并將水平井裸眼分段壓裂技術列為未來的發展方向。韓永亮［2-4］等利用流體力學分析軟件對裸眼封隔器、壓裂滑套等核心工具進行了模擬仿真并介紹了應用實例。BUFFINGTON N［5-7］等介紹了水平井裸眼分段壓裂技術在Bakken 地區的應用情況。國內外學者的研究集中在水平井裸眼分段壓裂工具的結構設計、仿真模擬、現場應用等方面，取得了良好的效果。筆者將重點研究裸眼分段壓裂工具的結構設計創新、技術參數優化等內容，進一步加強水平井裸眼分段壓裂技術的先進性、可靠性、多樣性，使其在非常規油氣藏開發中更好的發揮作用。

1 裸眼分段壓裂完井管柱技術方案

采用?177.8 mm×?114.3 mm 壓裂管串，懸掛器采用自主研制的膨脹式懸掛器。投球式壓裂滑套最小球座內徑為26 mm，壓裂用球最小直徑29 mm，級差4 mm。若采用?88.9 mm 油管回接則可實現13 級壓裂，而?114.3 mm 套管內直接投球則可實現24 級壓裂。管柱下入到位后，先坐封裸眼分段壓裂封隔器、懸掛器，然后自下而上逐級投球打開滑套進行對應層的壓裂作業。每只壓裂球只能落入并打開對應球座，防止了對已壓裂層段的干擾，保證了各段的壓裂效果。同時，由于各個層段壓裂作業連續進行，提高了壓裂作業效率，降低了壓裂作業 成本。

2 裸眼分段壓裂關鍵工具研制

2.1 膨脹懸掛器

膨脹式懸掛器采用高強高膨脹率材料鋼管，膨脹后達到N80 鋼級性能，抗內壓大于50 MPa，抗外擠大于30 MPa，滿足了懸掛器坐封后管柱懸掛、層間密封要求及壓裂作業對管柱的抗內擠要求。

懸掛部分由三段合成橡膠支撐尾管的重量并提供足夠的密封能力。合成橡膠既能完成氣密封，也能保證尾管懸掛器的懸掛能力，從而避免常規方法采用單獨的頂部封隔器，也無需在重疊部分和懸掛器上方進行注水泥作業以保證密封完整性。特殊設計表現在兩方面：一是采用金屬顆粒作為懸掛體，提高懸掛能力；二是重新設計了內管，采用了液壓、機械雙丟手結構，保障脫手成功（見圖1）。

圖1 膨脹懸掛器

室內進行了常規膨脹懸掛器與帶金屬顆粒的膨脹懸掛器性能對比實驗，結果見表1。可以看出，兩種類型膨脹懸掛器環空密封壓力均達到65 MPa 以上，常規膨脹懸掛器可承受懸掛載荷700 kN，但增加金屬顆粒后承受懸掛載荷增大到800 kN 以上，而整個膨脹過程中，泵壓一直穩定在30 MPa，表明金屬顆粒設計提升了懸掛器性能的同時未增加施工風險。

表1 懸掛器性能對比實驗

2.2 裸眼壓裂封隔器

裸眼封隔器的核心部件膠筒采用四氟乙烯、全氟甲基乙烯基醚等共聚而成的全氟橡膠，它具有優異的耐腐蝕性能、耐熱性能，長期耐溫可達170 ℃以上。采用特殊設計的可膨脹金屬環結構，在下入過程中可以有效保護膠筒，防止與井壁摩擦造成損壞；在膠筒膨脹過程中隨之膨脹，將橡膠限制在金屬環之間，防止膠筒沿軸向變形過度而造成密封失效。同時，在橡膠中加入網狀鋼絲結構骨架，骨架易彎曲，對膠筒的膨脹過程影響小，同時又能增加膠筒的韌性，防止由橡膠開裂造成的密封失效（圖2）。

圖2 裸眼封隔器

用外徑144 mm 的裸眼封隔器分別在內徑為159 mm、166 mm 套管內實驗，環空承壓能力分別達到75、60 MPa 以上（見表2），能在外徑較小的情況下完成對大直徑井眼的封隔。采用不同膠筒組合及膨脹金屬環進行實驗，結果見圖3，可以看出，多段膠筒可提升封隔器性能，但是當膠筒超過2 段后，其封隔性能提升緩慢，因此采用2 段膠筒既可以達到封隔效果又保證了經濟性。金屬環對膠筒膨脹過程中限位作用明顯，保證了膠筒的密封效果，提升封隔壓差30 MPa 左右。

表2 裸眼封隔器耐壓性能實驗

圖3 膠筒及膨脹金屬環對封隔器性能的影響

2.3 滑套球座

投球滑套研制的重點與難點在于提高壓裂滑套耐沖蝕性。壓裂施工中壓裂液排量可以達到5 m3/min左右，壓裂液中混雜的支撐劑對壓裂滑套密封錐面反復沖刷，一旦密封錐面被沖蝕變形，球落座后將無法形成有效密封，造成壓裂滑套打開失敗，影響多級壓裂作業的連續進行。采用有限元分析方法模擬流體攜帶砂粒流過球座時的情況，得出球座在壓裂作業過程中易出現沖蝕破壞的區域（見圖4、圖5），即球座內錐面部分。為保證球座在壓裂過程中不受損壞，保證各級的壓裂效果，必須加強球座表面的機械性能。

圖4 球座流道三維模型

圖5 球座沖蝕結果預測

投球滑套球座基體選用可鉆的鑄鐵材料，通過特殊表面處理工藝在高溫下將合金元素快速熔入基體表面，使之混合后迅速凝固，從而在坐封錐面表面形成0.5～2 mm 厚的致密合金層，處理后表面硬度可達HRC55，有效提高了球座表面耐沖蝕性能。該技術的特點是：通過合金體系優選，可以控制處理后表面硬度；通過修改施工工藝參數可以實現合金層深度的控制；整個工藝的熱影響區小，不影響球座的物理性能。基體采用鑄鐵材料利于鉆除，鉆掉球座后壓裂管串內通徑大利于后續作業。

3 壓裂管柱地面實驗

開展了?114.3 mm 裸眼分段壓裂管柱（三級）的地面實驗，管柱由隔離閥、壓差式滑套、裸眼封隔器、投球打開滑套、膨脹式懸掛器等組成。

實驗過程：（1）接好管線試壓5 MPa，無泄漏；（2）繼續增大壓力至24 MPa，壓差式滑套開啟；（3）拆開試壓接頭，投入?30 mm 低密度壓裂球，泵送球至1#投球滑套處；（4）增加泵壓至35 MPa，1#滑套開啟，繼續加壓至70 MPa，檢驗封隔器封隔壓力；（5）再重復步驟（3），泵送?50 mm 低密度壓裂球至2#投球滑套；（6）增加泵壓至35 MPa，2#滑套開啟，繼續加壓至70 MPa 檢驗封隔器封隔壓力；（7）實驗結束，記錄實驗參數并分析。

實驗結果表明，裸眼封隔器環空耐壓可達70 MPa，壓力打開滑套及投球滑套開啟壓力設定在24 MPa 合理，膨脹式懸掛器懸掛及密封能力強。整套管柱已經具備現場試驗能力。

4 現場試驗

勝利油田某區塊開發層位為沙三中，屬于低孔特低滲透儲層，平均孔隙度14.9%，平均滲透率1.1 mD。該區塊A 水平井完鉆井深3 080 m，水平位移1 279 m，分10 段進行裸眼分段壓裂施工。壓裂完井管柱自下而上分別為水平井底部循環閥（裸眼）1 套、水平井井筒隔離閥（裸眼）1 套、水平井壓差滑套（裸眼）1 套、水平井裸眼壓裂封隔器10 套+水平井投球滑套（裸眼）9 套交叉組合、頂部懸掛封隔器1套。壓裂過程中累計注入壓裂液3 240 m3，累計使用支撐劑270 m3。施工過程順利，投產至今累計產油 2 985.1 t。

B 水平井完鉆井深4 030 m，水平位移1 580 m，分11 段進行裸眼分段壓裂施工。壓裂完井管柱自下而上分別為水平井底部循環閥（裸眼）1 套、水平井井筒隔離閥（裸眼）1 套、水平井壓差滑套（裸眼）1 套、水平井裸眼壓裂封隔器11 套+水平井投球滑套（裸眼）10 套交叉組合、頂部懸掛封隔器1套。壓裂過程中累計注入壓裂液3 957 m3，累計使用支撐劑305 m3。施工順利完成，投產至今累計產油 2 272.8 t。

5 結論及建議

（1）通過水平井裸眼分段壓裂配套完井管柱技術的攻關，開發出了膨脹懸掛器、裸眼封隔器和壓裂滑套球座等具有獨特設計的關鍵工具。

（2）膨脹懸掛器改善了管柱在密封和連接上的完整性，懸掛載荷大，雙丟手設計降低了施工風險。

（3）裸眼封隔器采用可膨脹金屬環及金屬骨架膠筒結構，外徑減小的同時有效封隔井眼的直徑有所提高，降低了對井眼要求，減少鉆井成本的同時降低了下管柱風險。

（4）選用球墨鑄鐵制造滑套球座，利用激光表面處理技術在球座表面形成高致密薄層，在保證球座可鉆性的同時提高球座壓裂時的耐沖蝕能力，為多級壓裂施工成功提供有效保障。

（5）根據壓裂現場實際需求，后續研究應重點在封隔器、滑套、壓裂球等材料方面提高工具性能參數和可靠性。

［1］ 陳作，王振鐸，曾華國.水平井分段壓裂工藝技術現狀及展望［J］.天然氣工業，2007，27（9）：78-80.

［2］ 韓永亮，劉志斌，程智遠，等.水平井分段壓裂滑套的研制與應用［J］.石油機械，2011，39（2）：64-65.

［3］ 董建輝.水平井裸眼封隔器分段壓裂技術在蘇10 區塊的應用［J］.石油地質與工程，2011，25（2）：103-104.

［4］ 詹鴻運，劉志斌，程智遠，等.水平井分段壓裂裸眼封隔器的研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：123-125.

［5］ BUFFINGTON N, KELLNER J, KING J G, et al. New technology in the bakken play increases the number of stages in packer/sleeve completions［R］. SPE 133540, 2010.

［6］ YAKELEY S, WOOD E, KNEBEL M. Contacting the reservoir–benefits of horizontal open-hole completions［R］. SPE 124074, 2009.

［7］ GOODLOW K, HUIZENGA R. Multilateral completions in the granite wash∶ Two case studies［R］. SPE 120478, 2009.