管外封投球滑套壓裂技術(shù)

董建立 馬宏偉 肖誠誠 楊康敏 王新志 高俊山

（河南油田石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000）

管外封投球滑套壓裂技術(shù)

董建立 馬宏偉 肖誠誠 楊康敏 王新志 高俊山

（河南油田石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000）

由于常規(guī)壓裂技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)裸眼完井水平井長水平段的壓裂，嚴(yán)重制約了油田非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)，為此，進(jìn)行了管外封投球滑套壓裂技術(shù)研究。研制了K342-142壓裂封隔器、PS70-140 壓差滑套、BS70-140 投球滑套、QZ-130 坐封球座等一系列工具，形成適用于河南油田的多級(jí)分段壓裂工藝管柱，適合致密砂巖壓裂，滿足了油田快速開發(fā)非常規(guī)資源的需要。

裸眼水平井；多級(jí)分段壓裂； K342-142壓裂封隔器；BS70-140 投球滑套

河南油田泌陽凹陷致密砂巖油氣埋藏深、井溫高、儲(chǔ)層物性極差，儲(chǔ)層的保護(hù)至關(guān)重要。管外封投球滑套壓裂工藝施工速度快，可減少壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，適合泌陽凹陷致密砂巖油藏壓裂開發(fā)。國外管外封投球滑套壓裂技術(shù)壟斷了國內(nèi)技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)，技術(shù)上的壟斷造成實(shí)施費(fèi)用非常高，嚴(yán)重制約了油田非常規(guī)油氣資源的開發(fā)。十二五期間，河南油田致密砂巖非常規(guī)油氣井多級(jí)分段壓裂工藝規(guī)模很大，依靠國外的技術(shù)服務(wù)費(fèi)用非常高。因此在引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，研制出適合河南油田的多級(jí)分段壓裂工藝管柱。

1 管外封投球滑套壓裂分段工藝管柱

管外封投球滑套壓裂工藝管柱由插管丟手、懸掛封隔器、壓裂封隔器、投球滑套、壓差滑套、坐封球座等組成。

工藝原理：下入管外封投球滑套分段壓裂工藝管柱，油管內(nèi)泵入壓裂液，升壓打開壓差滑套，打開底層的進(jìn)液通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)末端底層進(jìn)行壓裂。壓裂完底層后，投送低密度閥球到管柱內(nèi)部，將壓裂液泵入油管內(nèi)，將低密度球推至投球滑套，隨管柱內(nèi)壓升高，投球滑套被打開，并將底層封堵，實(shí)現(xiàn)第2層壓裂。然后逐級(jí)投球，完成對(duì)所有封隔層段的壓裂。壓裂后，靠地層的壓力和產(chǎn)量，各級(jí)的低密度球隨井液排出，返回到地面［1］。

1.1 K342-142壓裂封隔器

1.1.1 結(jié)構(gòu) K342-142封隔器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 K342-142封隔器結(jié)構(gòu)

1.1.2 工作原理 定壓坐封機(jī)構(gòu)和防坐封機(jī)構(gòu)用于管柱下入過程中，防止封隔器因井壁摩擦和內(nèi)外壓差的作用引起的封隔器中途坐封，保證封隔器的正常下入。管柱下入到位后，油管內(nèi)施加一定壓力，使定壓坐封機(jī)構(gòu)打開，油管內(nèi)液體通過保壓機(jī)構(gòu)進(jìn)入封隔器膠筒內(nèi)，膠筒膨脹，封隔器坐封，保壓機(jī)構(gòu)可防止膠筒內(nèi)的液體泄漏，使封隔器長久有效坐封，保證壓裂的正常進(jìn)行。起管柱時(shí)，正向旋轉(zhuǎn)管柱，解封機(jī)構(gòu)推動(dòng)保壓機(jī)構(gòu)，使之失效，膠筒內(nèi)的液體泄漏而回彈，封隔器解封，保證封隔器的起出。

1.1.3 技術(shù)關(guān)鍵 擴(kuò)張式封隔器膠筒如圖2所示，有以下特點(diǎn)：用變硬度金屬，保護(hù)鋼帶防止鋼帶損壞；增加鋼帶的質(zhì)量和厚度，以增強(qiáng)鋼帶強(qiáng)度，防止鋼帶損壞；通過大量鋼帶的裸露段，增強(qiáng)封隔器的錨定能力［2］。

圖2 擴(kuò)張式封隔器膠筒設(shè)計(jì)原理圖

1.2 PS70-140 壓差滑套、BS70-140 投球滑套

1.2.1 結(jié)構(gòu) PS70-140 壓差滑套和BS70-140 投球滑套的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 壓差滑套和投球滑套結(jié)構(gòu)

1.2.2 工作原理 壓差滑套：由于壓差滑套的滑動(dòng)套前端截面積大于后端截面積，管柱內(nèi)壓力會(huì)在滑動(dòng)套前后兩端形成壓力差，剪斷銷釘，推動(dòng)滑動(dòng)套移動(dòng)，讓出壓裂通道；同時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖住滑動(dòng)套，防止滑動(dòng)套回退擋住壓裂通道［3］。

投球滑套：當(dāng)?shù)兔芏惹虮粔毫岩和浦镣肚蚧浊蜃?，管柱?nèi)繼續(xù)打壓，達(dá)到一定壓力后，銷釘剪斷，推動(dòng)滑動(dòng)套移動(dòng)，讓出壓裂通道；同時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)鎖住滑動(dòng)套，防止滑動(dòng)套回退擋住壓裂通道。

1.2.3 技術(shù)關(guān)鍵 為了保證投球滑套和壓差滑套能夠完成多級(jí)壓裂，設(shè)計(jì)必須滿足：（1）耐高溫150 ℃、耐高壓70 MPa；（2）大通道，產(chǎn)生較小的摩阻；（3）防止壓裂砂對(duì)滑套的沖蝕；（4）防止壓裂液通道的關(guān)閉；（5）滿足多級(jí)投球的需要。

投球滑套和壓差滑套的設(shè)計(jì)關(guān)鍵為：滑動(dòng)套的球座內(nèi)孔設(shè)計(jì)和壓裂液對(duì)壓裂通道處的強(qiáng)度影響研究。主要從選擇材料和熱處理來考慮。

滑套外表面的處理：滑套外表面采用WC熱噴涂技術(shù)來強(qiáng)化表面硬度，減少砂粒反彈撞擊帶來的材料磨損。目前等離子噴涂效果最好，超耐磨損，耐高溫450°，耐高壓70~140 MPa。結(jié)合強(qiáng)度68.96 MPa以上，光潔度：經(jīng)研磨可達(dá)到鏡面Ra0.2以內(nèi)、孔隙率1%以下，涂層維氏硬度最高達(dá)HV1200左右（洛氏HRC70左右），滑套外表面采用等離子噴涂。

滑套內(nèi)球座材料的選擇。有兩種方法可實(shí)現(xiàn)球座的耐磨性和可鉆性能：一種是球墨鑄鐵+錐面表面碳氮共滲，成本較低，可鉆性較差，另一種是非金屬復(fù)合材料+錐面表面噴涂陶瓷，成本較高，可鉆性能好，但復(fù)合材料的研究周期長。根據(jù)生產(chǎn)需求，采用球墨鑄鐵+錐面表面碳氮共滲的方法，利用現(xiàn)有的工藝達(dá)到低成本、能夠鉆除的目的。

1.3 QZ-130 坐封球座

1.3.1 結(jié)構(gòu) QZ-130坐封球座的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 坐封球座結(jié)構(gòu)

1.3.2 工作原理 坐封球座的作用是下井后保持油套管的過液通道暢通，便于保護(hù)液替換鉆井液，管柱坐封時(shí)隔絕油套管，必須保證水平狀態(tài)下的永久隔絕，保證壓裂，因此設(shè)計(jì)上采用雙重密封結(jié)構(gòu)。

投球前，球座—外套與上下接頭環(huán)空—下接頭內(nèi)部三者連通，管柱內(nèi)部與外部連通。投球后，球坐落在滑動(dòng)座上，在一定壓力下，滑動(dòng)座上的銷釘被剪斷，滑動(dòng)座下行到坐封球座底部。此時(shí)過液通道被球和O型圈兩種密封關(guān)死，同時(shí)滑動(dòng)座被鎖緊機(jī)構(gòu)鎖住，保證了坐封球座內(nèi)部通道的徹底關(guān)閉。將通道完全關(guān)閉。雙重密封可以防止環(huán)空壓力過高時(shí)，球被反向壓力推離球座面而失去密封作用［4］。

1.3.3 技術(shù)關(guān)鍵 設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)為球座滑動(dòng)密封。如圖5所示。

圖5 球座滑動(dòng)密封的原理

在A狀態(tài)時(shí)，采用O型圈密封，可以達(dá)到50 MPa以上的耐壓差能力。當(dāng)中心管右移時(shí)，左端的O型圈將通過開孔部分，達(dá)到B狀態(tài)。在高溫高壓下，O型圈變軟，滑行的過程中，液流沖出部分O型圈到開孔里，從而剪斷O型圈，造成密封的失效。

為此，設(shè)計(jì)了防剪切密封，在O型圈的兩端設(shè)計(jì)有PTFE材料的擋圈，將O型圈包圍，每端受力皆可將O型圈推向內(nèi)部收縮，從而形成對(duì)O型圈的保護(hù)，防止被液流沖出。

2 工藝流程

（1）通井。為了保證各井下工具能夠可靠下入，防止封隔器下入不被損壞或遇阻，確保懸掛封隔器錨定和坐封可靠。完井管柱下入前，需要對(duì)水平井進(jìn)行4次通井。首先對(duì)上部直井段套管進(jìn)行刮削通井，第2次通井針對(duì)水平井的裸眼水平段進(jìn)行磨削通井。第3次通井采用與裸眼井設(shè)計(jì)尺寸相同的西瓜磨鞋來進(jìn)行通井。第4次通井采用上兩種西瓜磨鞋通過一根鉆桿連接后通井。

（2）下入完井管柱。緩慢下入完井管柱。地面投坐封球到坐封球座，內(nèi)部打壓坐封懸掛封隔器和所有壓裂封隔器，之后升高壓力丟手脫開，起出上部鉆桿。下入完回接管柱，整個(gè)完井管柱下入完畢，形成管外封投球壓裂工藝管柱。

（3）壓裂。完井管柱下入后，壓差滑套和各投球滑套處于關(guān)閉狀態(tài)。油管內(nèi)泵入壓裂液，升壓打開壓差滑套，打開底層的進(jìn)液通道，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)末端底層進(jìn)行壓裂。壓裂完底層后，投送低密度閥球到管柱內(nèi)部，直井段靠重力下行，到水平段，通過泵送一定的排量推動(dòng)球向前移動(dòng)，由于壓差滑套已打開，泵送前置液到投球滑套，低密度球密封投球滑套，管柱內(nèi)壓升高，在一定內(nèi)外壓差下，投球滑套被打開，并將底層封堵，從而實(shí)現(xiàn)第2層的壓裂。這樣逐級(jí)投球，可完成對(duì)所有分隔的層段進(jìn)行壓裂。壓裂后，靠地層壓力和產(chǎn)量，各級(jí)的低密度球隨井液排出，返回到地面，整個(gè)管柱保持暢通。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

河南油田安深3-XHF井采用管外封投球滑套壓裂工藝管柱。于2013年1月21日—2月22日，進(jìn)行了完井作業(yè)和多段壓裂施工。完井過程比較順利，主要表現(xiàn)在：完井管柱經(jīng)多次通井后下入順利無遇阻，配套工具不受下壓力，為脫手、壓差滑套打開等過程做好準(zhǔn)備；脫手一次成功，上提負(fù)荷與實(shí)際管柱自重一致，脫手順利；壓差滑套打開壓力與設(shè)定壓力相符合。壓裂過程比較順利，只用2天完成了7段壓裂，工藝成功。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）擴(kuò)張式裸眼井壓裂封隔器能夠滿足裸眼井多級(jí)分段壓裂管柱的無錨定分層密封問題；管外封投球滑套壓裂工藝管柱能夠?qū)崿F(xiàn)裸眼水平井9級(jí)分段壓裂，可大幅度降低壓裂管柱費(fèi)用，具有推廣應(yīng)用前景。

（2）目前裸眼水平井多級(jí)分段壓裂工藝施工過程中，因投球操作需停泵送球造成過頂替的問題，目前正在進(jìn)一步改進(jìn)工藝，設(shè)計(jì)自動(dòng)投球器，實(shí)現(xiàn)不停泵投球，解決壓裂液過頂替問題。

［1］張琪.采油工程原理及設(shè)計(jì)［M］.山東東營：石油大學(xué)出版社，2000.

［2］羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.

［3］劉朝儒.機(jī)械制圖［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

（修改稿收到日期 2014-07-03）

〔編輯 景 暖〕

Fracturing technology by ball dropping sliding sleeve outside casing

DONG Jianli,MA Hongwei,XIAO Chengcheng,YANG Kangmin,WANG Xinzhi,GAO Junshan
（Research Institute of Petroleum Engineering Technology of He’nan Oilfield Company,Zhengzhou450000,China）

Due to the fact the conventional fracturing technology cannot fracture the long horizontal section in open-hole completed horizontal well,which severely restricts the large-scale development of unconventional oil and gas,research was carried out on fracturing technology by ball dropping sliding sleeve outside the casing.A series of tools like K342-142 fracturing packer,PS70-140 pressure difference sliding sleeve,BS70-140 ball dropping sliding sleeve and QZ-130 setting ball seat were developed,and a multi-stage fracturing technical string applicable to He’nan Oilfield was generated,which is suitable for tight sandstone fracturing and satisfies the need for rapid development of unconventional resources.

open-hole horizontal well;multi-stage fracturing;K342-142 fracturing packer;BS70-140 ball dropping sliding sleeve

董建立，馬宏偉，肖誠誠，等.管外封投球滑套壓裂技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（5）：97-99.

TE357；TE934

：B

1000–7393（2014） 05–0097–03

10.13639/j.odpt.2014.05.023

國家專利：專利號(hào)ZL 2012 2 0647530.1。

董建立，1989年生。 2010年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)?，F(xiàn)從事機(jī)械采油工藝研究工作。電話：18538030864。E-mail：103140257@qq.com。