直井多層無(wú)阻分壓合采壓裂管柱結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

鄭 鋒，詹鴻運(yùn)，郭志勤，盧 偉，劉祥明

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300280；2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津300280）

直井多層無(wú)阻分壓合采壓裂管柱結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

鄭 鋒1，詹鴻運(yùn)1，郭志勤1，盧 偉1，劉祥明2

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300280；2.渤海鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司，天津300280）

直井壓裂施工中，隨著壓裂層位逐漸增多，縫內(nèi)轉(zhuǎn)向、段內(nèi)多縫等新型壓裂工藝的應(yīng)用，壓裂工具必須承受更高壓差、承壓時(shí)間更長(zhǎng)、反復(fù)坐封次數(shù)更多、密封效果更好。為了提高壓裂工具的性能，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，優(yōu)選橡膠材料，優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)，研制出新型多層無(wú)阻分壓合采壓裂管柱。該管柱由BZ-K344型封隔器、噴砂滑套、防砂水力錨及安全接頭等組成，通過(guò)油管連接。封隔器坐封可靠、承壓能力強(qiáng)，壓裂完成即自動(dòng)解封，便于起出管柱。投入不同尺寸輕質(zhì)球可打開相應(yīng)滑套，壓裂完成后輕質(zhì)球在排液過(guò)程中返出地面，實(shí)現(xiàn)井筒無(wú)阻生產(chǎn)。該管柱1次下入可實(shí)現(xiàn)10層壓裂，目前已成功應(yīng)用31口井，均取得良好效果。

氣井；分層壓裂；管柱

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，直井的1次改造層位越 來(lái)越多，并開始出現(xiàn)多種新型壓裂工藝聯(lián)合施工的情況。前期使用的直井分層無(wú)阻生產(chǎn)壓裂工具主要適用于3層以內(nèi)分壓合采，使用投鋼球加液壓打掉滑套內(nèi)芯的辦法實(shí)現(xiàn)無(wú)阻生產(chǎn)，因其投球次數(shù)多，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，且封隔器承壓時(shí)間短，較少用于4層無(wú)阻壓裂工藝［2］；使用BZ-Y241型封隔器配合投球滑套進(jìn)行壓裂施工，盡管可增加一定施工層數(shù)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)阻生產(chǎn)，且BZ-Y241型封隔器同樣面臨承壓時(shí)間較短，承壓能力有限，管柱的起出困難等問題。針對(duì)以上不足，研制出了新型BZ-K344型封隔器及專用輕質(zhì)球，設(shè)計(jì)了新型氣井多層分壓合采無(wú)阻生產(chǎn)管柱，以滿足生產(chǎn)需求。

1 新型多層分壓合采無(wú)阻生產(chǎn)管柱

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

以4層分壓無(wú)阻管柱為例，主要由安全接頭、噴砂滑套、水力錨、BZ-K344型封隔器、節(jié)流底閥等組成，如圖1。通過(guò)?73.02 mm UP TBG油管連接并下入至設(shè)計(jì)深度。

圖1 4層分壓合采無(wú)阻生產(chǎn)管柱示意

1.2 壓裂施工步驟

1） 打開套管閥，正替1根油管容積的前置液，頂替排量控制在0.5 m3／min以內(nèi)。

2） 頂替循環(huán)結(jié)束后，迅速提高排量到1.5 m3／min，當(dāng)油套壓差大于2 MPa時(shí)，封隔器即坐封。提高壓力，油管壓力保持5 min，套管不返液即驗(yàn)封合格，關(guān)閉套管閥，開始?jí)毫训?層。

3） 投入?31 mm輕質(zhì)球，小排量（不超過(guò)0.5 m3／min）送球，球落到噴砂滑套1上，加壓15 MPa，打開滑套同時(shí)封堵下層，開始?jí)毫训?層。

4） 投入?34.2mm輕質(zhì)球，打開滑套2同時(shí)封堵下層，開始?jí)毫训?層。

5） 投入?37.4 mm輕質(zhì)球，打開滑套3同時(shí)封堵下層，開始?jí)毫训?層。

(2)通入Cl2是為了將Fe2+(或FeCl2)氧化為Fe3+(或FeCl3),工業(yè)上不用HNO3是因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生污染性氣體NOx,也會(huì)引入雜質(zhì)離子。

6） 壓裂過(guò)程中若出現(xiàn)砂堵應(yīng)立即停泵放噴，可以進(jìn)行反洗。若起管柱時(shí)封隔器或水力錨砂卡，可以正旋管柱脫開安全接頭，起出上部管柱，再進(jìn)行沖砂打撈作業(yè)。

1.3 管柱特點(diǎn)

1） 新型多層分壓合采無(wú)阻生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

2） 管柱輕質(zhì)球尺寸選取靈活，可根據(jù)需要設(shè)置不同的生產(chǎn)通徑。

3） 相比于常規(guī)壓裂完成后球留在滑套內(nèi)芯，該設(shè)計(jì)由于輕質(zhì)球的排出，避免了生產(chǎn)時(shí)層間壓力不均產(chǎn)生的封堵等干擾情況，實(shí)現(xiàn)了無(wú)阻生產(chǎn)。

4） 壓裂施工完成，封隔器即自動(dòng)解封，同時(shí)水力錨錨爪收回，便于順利起出管柱。

2 配套工具

2.1 BZ-K344型封隔器［1-3］

BZ-K344型封隔器采用擴(kuò)張式長(zhǎng)膠筒，通過(guò)油套壓差實(shí)現(xiàn)坐封，泄壓即自行解封，主要結(jié)構(gòu)包括上接頭、上護(hù)套、中心管、外膠筒、下護(hù)套、下接頭等，如圖2所示。

圖2 BZ-K344型封隔器結(jié)構(gòu)示意

新型BZ-K344封隔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性好，承壓能力強(qiáng)。室內(nèi)試驗(yàn)中，在130℃環(huán)境下，反復(fù)坐封10次，每次承壓70 MPa，穩(wěn)壓60 min無(wú)滲漏，表明其性能可靠，完全能適用于多層分壓工藝。針對(duì)蘇里格地區(qū)氣井加砂壓裂的特點(diǎn)，在進(jìn)液通道設(shè)計(jì)了防砂機(jī)構(gòu)，以保證壓裂施工中液體能順利進(jìn)入膠筒使其脹封并隔離壓裂砂。該工具與水力錨及噴砂滑套一起下入，根據(jù)分層數(shù)不同調(diào)整封隔器及噴砂滑套下入數(shù)量，壓裂施工時(shí)投入自主研制的輕質(zhì)球，壓裂施工結(jié)束后封隔器自動(dòng)解封。

性能參數(shù)：封隔器總長(zhǎng)760 mm，承壓70 MPa，耐溫130℃，外徑?114 mm。

2.2 輕質(zhì)球

輕質(zhì)球用于氣井壓裂工藝，必須滿足承壓高、耐沖擊、耐高溫、密度低等要求。經(jīng)過(guò)多次室內(nèi)試驗(yàn)及改進(jìn)，最終研發(fā)出滿足施工要求的輕質(zhì)球，如圖3。該輕質(zhì)球優(yōu)選復(fù)合材料，采用高精度加工工藝，耐壓65 MPa，耐溫130℃，密度為1.36 g／cm3。經(jīng)過(guò)多次高溫、高壓試驗(yàn)后幾乎無(wú)變形，球與球座間的密封可靠。

圖3 輕質(zhì)球

輕質(zhì)球的直徑級(jí)差為3.2 mm，例如4層分壓無(wú)阻管柱中，球的外徑尺寸分別為?31.0、?34.2、?37.4 mm，對(duì)應(yīng)滑套尺寸為?26.5、?32.0、?35.2 mm。依次類推，并根據(jù)施工層數(shù)來(lái)增加封隔器及滑套的數(shù)量，最高可進(jìn)行10層壓裂施工。壓裂施工完成后通過(guò)安裝在井口的捕球器將輕質(zhì)球回收，實(shí)現(xiàn)管柱暢通無(wú)阻生產(chǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型多層分壓合采無(wú)阻生產(chǎn)管柱自2013年應(yīng)用于蘇里格蘇76區(qū)塊以來(lái)，目前總計(jì)施工31口井，施工效果好，并成功應(yīng)用于常規(guī)壓裂、縫內(nèi)轉(zhuǎn)向、段內(nèi)多縫等施工工況。現(xiàn)以蘇76-4-14X井為例進(jìn)行介紹。

蘇76-4-14X井完鉆井深3 502.00 m，氣層套管?139.7 mm，改造層位山2、山1、盒8下、盒8上，分4層壓裂：第1層3 390.0～3 393.0 m，第2層3 369.0～3 372.0 m，第3層3 350.0～3 354.0 m，第4層3 306.2～3 308.5 m和3 296.0～3 298.0 m。地層溫度分別是99、98、97、96℃。

第1層、第2層為常規(guī)加砂壓裂，第3層采用縫內(nèi)轉(zhuǎn)向工藝，第1次加砂完成后，加入裂縫轉(zhuǎn)向劑，進(jìn)行第2次加砂。第4層采用段內(nèi)多縫工藝，第1次加砂后，用基液將暫堵劑送達(dá)裂縫位置，進(jìn)行第2次加砂。

該井設(shè)計(jì)液量1 086.5 m3，加砂125 m3，整個(gè)施工過(guò)程順利，滑套打開明顯，最高施工壓力50 MPa，排量3.6～4.0 m3／min。施工曲線平穩(wěn)正常，套壓穩(wěn)定。特別是第3層、第4層施工，在排量增大的情況下，套壓平穩(wěn)，油壓在正常范圍內(nèi)略有波動(dòng)，說(shuō)明封隔器始終密封可靠，壓裂施工效果良好（如圖4～5）。

圖4 蘇76-4-14X井第3層壓裂施工曲線

圖5 蘇76-4-14X井第4層壓裂施工曲線

4 結(jié)論

1） 研制的BZ-K344型封隔器的密封可靠，能實(shí)現(xiàn)多次坐封，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

2） 研制的輕質(zhì)球強(qiáng)度高，承壓能力強(qiáng)。通過(guò)投入輕質(zhì)球打開噴砂滑套，壓后返排出輕質(zhì)球即可實(shí)現(xiàn)全井筒無(wú)阻生產(chǎn)，其施工工藝可靠。

3） 氣井多層分壓合采無(wú)阻生產(chǎn)壓裂管柱解決了前期直井壓裂工具對(duì)層數(shù)的限制，全井筒的無(wú)阻生產(chǎn)為諸如關(guān)閉出水層滑套等后期工藝的實(shí)施提供了良好的基礎(chǔ)條件，同時(shí)可避免生產(chǎn)時(shí)層間干擾的發(fā)生。

4） 該管柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，操作簡(jiǎn)單，提高了氣井開發(fā)效率，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

［1］ 李興煜.不動(dòng)管柱分層壓裂技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（9）：103-106.

［2］ 馬洪芬，吳浩，王炳，等.蘇里格氣藏兩層分壓合采無(wú)阻生產(chǎn)壓裂管柱［J］.石油鉆采工藝，2010，32（6）：77-79.

［3］ 李志龍，姜濤，方旭東，等.K344氣井不動(dòng)管柱分壓合采工藝技術(shù)［J］.油氣井測(cè)試，2010，19（2）：44-46.

Structure and Application of Multi-Layer Separated Layer Fracturing Coupled with Unhindered Production Frac-String

ZHENG Feng1，ZHAN Hong-yun1，GUO Zhi-qin1，LU Wei1，LIU Xiang-ming2
（1.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 300280，China；2.Drilling Technology Services Company，BHDC，Tianjin 300280，China）

As the fracturing layers gradually increases，fracture change direction，segment multifracture and other new technology used in well，fracturing tools must withstand higher pressure，the pressure resistant of longer time，repeatedly setting more and better sealing effect.In order to improve the performance of fracturing tools，based on our tests，the better rubber material and optimization structure of the tools are chosen to develop a new type of multi-layer separated layer fracturing coupled with unhindered production frac-string.The string contains the new BZ-K344 frac-packer，sleeve，sand control hydraulic anchor，and safety joint.The frac-packer setting is reliable and bearing capacity is strong and unlocks automatically to facilitate the sting tripping out after fracturing.Putting in the appropriate size lightweight ball can open the sliding sleeve，after fracturing，the balls return to surface with fracturing liquid in flowing back to achieve unhindered production.Once the string deployed in well，ten layer fracturing can be completed.The fracstring has been successfully applied in 31 wells and achieved good results.

gas；gas well；separate layer fracturing；pipe string

TE931.203

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.012

1001-3482（2014）12-0048-03

2014-06-25

渤海鉆探工程有限公司重大項(xiàng)目“壓裂酸化技術(shù)深化研究”（2012ZD05K）

鄭 鋒（1987-），男，湖北荊門人，工程師，2009年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事壓裂工具研究，E-mail：zheng.on＠163.com。