薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱研究與應用

呂 瑋

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

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薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱研究與應用

呂 瑋

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

針對勝利油田套管內(nèi)封隔器機械分層壓裂工藝存在的壓裂后砂埋砂卡管柱、工具刺壞等問題，研制了以YQK344-113型滑套封隔器為核心的精細分層壓裂工藝管柱。該管柱具有密封壓差高、滑套噴口耐沖蝕、可全井段反洗井等特點，可實現(xiàn)2～4層分層壓裂施工，滿足了薄互層低滲透油藏細分層、高排量、大規(guī)模壓裂施工的要求。現(xiàn)場成功應用15井次，有效提高了分層壓裂的工藝可靠性和經(jīng)濟效益。

低滲透；分層壓裂；YQK344-113滑套封隔器；YFS-113型壓裂防砂卡水力錨；反洗井

0 引 言

勝利油田薄互層低滲透油藏儲層具有埋藏深、物性差、泥砂交互、層多、層薄、非均質(zhì)性嚴重等特點[1-3]，為了提高動用程度和開發(fā)效益，前期采取了分層投球限流壓裂和管內(nèi)封隔器機械分層壓裂等工藝措施，在現(xiàn)場實施中相繼暴露出了分層效果差、砂卡砂埋管柱、刺壞工具和油管等問題[4-7]，為此開展了薄互層低滲透油藏分層壓裂工藝管柱的研究，優(yōu)化了管柱結(jié)構(gòu)，研制了噴砂投球一體化的YQK344-113滑套封隔器，可實現(xiàn)全井段反洗井，一次管柱可連續(xù)完成2～4層的分層壓裂施工[8-10]；同時對出砂口進行材質(zhì)優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅度提高了耐沖蝕能力，滿足了薄互層低滲透油藏精細分層、大規(guī)模壓裂改造、管柱安全可靠等技術要求。

1 工藝管柱

1.1 管柱結(jié)構(gòu)

薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱主要由安全接頭、YFS-113型壓裂防砂卡水力錨、YLK344-113壓裂封隔器、YQK344-113滑套封隔器、單流閥等工具組成(圖1)。

圖1 薄互層低滲透油藏分層壓裂工藝管柱

1.2 工藝原理

根據(jù)壓裂井的地質(zhì)、測井、鉆完井資料和分層改造要求設計和配接分層壓裂工藝管柱，YQK344-113滑套封隔器應盡量控制在距射孔位置2～5 m處，封隔器和水力錨均應避開套管接箍位置，最下一

級滑套封隔器的噴砂口處于打開狀態(tài)。管柱下入井內(nèi)設計位置后，從油管內(nèi)小排量替前置液至油層位置，然后加大排量，利用噴砂器的節(jié)流壓差坐封全部YQK344-113滑套封隔器及YLK344-113封隔器，按設計實施第1層壓裂。之后投入對應規(guī)格的低密度球至第2級YQK344-113滑套封隔器的滑套球座位置，打壓剪斷滑套銷釘，滑套下行打開噴砂口，實施第2層壓裂。依次投入相應規(guī)格的低密度球打開各級滑套，實施分層壓裂。壓裂完成后，泄壓解封各級封隔器，放噴求產(chǎn)。當需要起出井內(nèi)壓裂管柱時，進行全井段反洗井，保證環(huán)空無沉砂，安全起出壓裂管柱。

1.3 技術參數(shù)

一次管柱最多分層(段)數(shù)為4層；工作溫度為150℃；工作壓差為70 MPa；適用?139.7 mm套管。

2 關鍵技術

2.1 YQK344-113滑套封隔器

2.1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

YQK344-113滑套封隔器主要由上接頭、彈簧、噴砂體、噴砂口保護機構(gòu)、滑套、密封膠筒、坐封機構(gòu)、下接頭等組成(圖2)。

工作原理：將噴砂體和封隔器優(yōu)化整合，噴砂體上的噴砂口隱藏于噴砂口保護機構(gòu)內(nèi)。壓裂時，坐封機構(gòu)控制擴張式膠筒膨脹坐封，實現(xiàn)分層封隔；投低密度球到達球座處，加壓打開滑套，此時噴砂口保護機構(gòu)在壓差作用下完全開啟，保證壓裂過程中噴砂口無障礙出砂；壓裂完后泄壓，密封膠筒回收，封隔器解封，此時噴砂口保護機構(gòu)關閉，可以實現(xiàn)全井段反洗井，沖洗出環(huán)空內(nèi)壓裂砂，保證工具及壓裂管柱的順利起出。

圖2 YQK344-113型滑套封隔器結(jié)構(gòu)

2.1.2 技術特點與優(yōu)勢

(1) 研制了新型高溫橡膠密封材料，優(yōu)化設計了帶有加強筋的擴張式密封膠筒結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了重復坐封條件下的耐高壓、耐高溫要求。

(2) 設計了噴砂口保護機構(gòu)，在壓裂過程中靠壓差完全打開，保證噴砂口無障礙出砂，避免壓裂砂刺壞噴砂口保護機構(gòu)及噴砂口，對工具和套管提供有效保護。壓裂后封隔器解封，噴砂口保護機構(gòu)自動關閉噴砂口，可以實現(xiàn)全井段反洗井，保證壓裂管柱一次從井內(nèi)起出，避免了砂卡風險，降低了作業(yè)成本。

(3) 設計了耐磨合金材質(zhì)球座，增加了分層級數(shù)，滿足在施工排量為5 m3/min、單層加砂50 m3等條件下，一次管柱分4層壓裂的需要。

2.1.3 性能參數(shù)

啟動壓差不大于1.5 MPa；工作溫度為150℃；工作壓差為70 MPa；滑套開啟壓差為10 MPa；球座級差為4 mm。

2.2 噴砂口優(yōu)化設計

2.2.1 噴砂口形狀的優(yōu)化

選擇橢圓形、圓形、長方形3種噴砂口形狀，進行了流場速度矢量、流道壓力云圖和顆粒運動軌跡等對比(圖3)。由圖3可知：在相同截面積以及施工條件下，在噴砂口處以及附近區(qū)域沖蝕磨損最為嚴重的結(jié)構(gòu)是長方形結(jié)構(gòu)，其次是圓形結(jié)構(gòu)，沖蝕最輕的是橢圓形結(jié)構(gòu)。因此，工具的噴砂口選為橢圓形結(jié)構(gòu)。

2.2.2 噴砂口數(shù)目的優(yōu)化

在保證噴砂口總面積不變的情況下，建立了4種模型：噴砂口為2個(圓周相位角180°分布)、4個(圓周相位角90°分布)、6個(圓周相位角60°分布)和8個(圓周相位角45°分布)，見圖4。

通過對流場速度矢量、流道壓力云圖和顆粒運動軌跡等對比表明：孔數(shù)增加，噴砂工具的耐沖蝕磨損性能得到提升，但綜合考慮噴砂口磨損情況以及沖壞時間，在保證噴砂口面積以及抗拉強度的情況下，六孔模型具有最好的耐沖蝕磨損性能。

圖3 不同噴砂口形狀速度矢量

圖4 噴砂口結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 噴砂口材質(zhì)的優(yōu)選

噴砂口材質(zhì)對其耐磨性有很大影響，通過對各種耐磨材料沖蝕磨損率的實驗分析對比(表1)，最終優(yōu)選了內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的超高強度合金材料，該材料強度高，耐高壓，可提高噴口的耐沖蝕能力。

表1 噴砂口材質(zhì)性能參數(shù)

2.3 YFS-113型壓裂防砂卡水力錨

2.3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

針對常規(guī)水力錨在壓裂施工時錨爪內(nèi)腔容易進砂和存砂造成錨爪復位困難的問題，研制了YFS-113型壓裂防砂卡水力錨。主要由本體、錨定機構(gòu)、防砂機構(gòu)、下接頭等組成。其中防砂機構(gòu)由多層金屬濾砂網(wǎng)、帶孔芯管、中心襯管以及橡膠密封等組成(圖5)。

工作原理：壓裂時，液體由防砂網(wǎng)經(jīng)中心襯管與本體環(huán)空進入各個錨爪錨定機構(gòu)，在壓差作用下使錨爪伸出，錨定在套管內(nèi)壁上。壓裂完后，隨著工具內(nèi)外壓差的消失，在彈簧作用下錨爪復位，解除錨定。

2.3.2 技術特點與優(yōu)勢

(1) 設計了防砂機構(gòu)，使得進出錨爪內(nèi)腔的液體通過擋砂濾網(wǎng)過濾，可有效防止壓裂砂等雜質(zhì)進入錨爪內(nèi)腔而導致錨爪卡死等事故的發(fā)生。

(2) 在水力錨本體上設計了凹槽結(jié)構(gòu)，增加了環(huán)空過流面積，減少了管柱起下、洗井等措施的環(huán)空摩阻。

(3) 與原有常規(guī)水力錨相比，增加了錨爪數(shù)量，提高了錨定力，減輕了對套管的局部損壞。

圖5 YFS型防砂卡壓裂水力錨結(jié)構(gòu)

2.3.3 技術參數(shù)

啟動壓差為1.5 MPa；密封壓差為70 MPa；工作溫度為150℃；擋砂精度為60～100 μm。

3 現(xiàn)場應用

自2014年12月以來，薄互層低滲透油藏分層壓裂管柱在勝利油田試驗15口井，施工成功率為100%。壓裂過程中封隔器密封良好，分層可靠，滑套打開正常，壓裂后能實現(xiàn)全井段反洗井，管柱能夠順利起出，起出后觀察工具無明顯的刺壞等損壞現(xiàn)象。壓裂后平均單井日產(chǎn)油為9.8 t/d，是同區(qū)塊常規(guī)壓裂井的1.5倍，增產(chǎn)效果明顯，較好地滿足了薄互層低滲透油藏分層壓裂的工藝需要。

典型井例：B435-A井，目的層為低孔、特低滲透儲層，主力含油砂體為沙四上，孔隙度為10.2%，滲透率為1.8×10-3μm2，地層溫度為140～150℃，壓力系數(shù)為1.2，完鉆井深為3 580 m，采用?139.7 mm套管固井完井。該井測井解釋儲層非均質(zhì)性強、物性差，層間跨度大，需分層壓裂改造以提高產(chǎn)能。第1層設計加砂30 m3；第2層設計加砂40 m3；第3層設計加砂50 m3。該井分層壓裂施工順利，封隔器密封良好，投球打開滑套顯示正常，3段共累計加砂120 m3，最高排量為4.7 m3/min，最高砂比為50%，最高施工壓力為69.5 MPa。該井壓裂后平均日產(chǎn)油為12.9 t/d，含水為22%，已累計產(chǎn)油4 500 t，增產(chǎn)效果顯著。

4 結(jié) 論

(1) YQK344-113滑套封隔器，在壓裂過程中噴砂口保護機構(gòu)能完全開啟，減緩噴口沖蝕，壓裂后自動關閉，實現(xiàn)全井段反洗井，有效解決了原有壓裂滑套沖蝕損壞、砂埋等問題。

(2) YFS-113型防砂卡壓裂水力錨具有錨定可靠、防砂卡、環(huán)空過流面積大的優(yōu)勢，防止了管柱蠕動，提高了分層密封可靠性和管柱安全性。

(3) 薄互層低滲透油藏分層壓裂工藝技術具有密封壓差高、滑套噴口耐沖蝕、可全井段反洗井等特點。現(xiàn)場試驗應用15口井表明，可有效提高分層壓裂的工藝可靠性，滿足了薄互層低滲透油藏精細分層、大規(guī)模壓裂施工和安全高效的要求，已成為勝利油田下步重點推廣應用技術。

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編輯 孟凡勤

20150226；改回日期：20150516

國家重大專項“勝利油田薄互層低滲透油田開發(fā)示范工程”(2011ZX05051)

呂瑋(1977-)，女，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(華東)石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油工藝、壓裂完井工藝的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.04.037

TE934

A

1006-6535(2015)04-0140-04