雙封拖動(dòng)分層壓裂管柱的研制與應(yīng)用

劉科偉,李家明, 魏光華,盧玉靈,方 野

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000;2.中國石化河南石油勘探局油氣技術(shù)服務(wù)公司)

雙封拖動(dòng)分層壓裂管柱的研制與應(yīng)用

劉科偉1,李家明1, 魏光華2,盧玉靈1,方 野1

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000;2.中國石化河南石油勘探局油氣技術(shù)服務(wù)公司)

以前河南油田分層壓裂管柱為不動(dòng)分層壓裂管柱，這類不動(dòng)管柱配套工具多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每層壓裂后不能及時(shí)反洗井，存在砂埋管柱風(fēng)險(xiǎn)；另外K344封隔器組配成拖動(dòng)分層壓裂管柱，耐溫耐壓相對(duì)較低，壓裂后如果封隔器回收不好，在拖動(dòng)過程中可能損壞膠筒，從而影響封隔器密封性。鑒于上述情況，進(jìn)一步優(yōu)化了雙封拖動(dòng)分層壓裂管柱結(jié)構(gòu)。新型壓裂管柱工具少，同時(shí)ZY331封隔器和Y211封隔器結(jié)構(gòu)簡單，易于坐封解封，耐溫耐壓較高，適合拖動(dòng)分層壓裂施工工藝。

河南油田；雙封拖動(dòng)分層壓裂；沉砂口袋；封隔器

河南油田早已進(jìn)入高含水階段，配套的油井壓裂工藝技術(shù)在油田穩(wěn)產(chǎn)中起著重要作用，每年約有50口井需進(jìn)行壓裂工藝改造，其中，分層壓裂井約有5～8口。以前河南油田分層壓裂管柱為不動(dòng)分層壓裂管柱，這種管柱組配較為復(fù)雜，所需工具多，雖然采取多種安全措施，仍然存在砂埋管柱的風(fēng)險(xiǎn)。另外，壓裂完下層后，不動(dòng)管柱接著投球壓裂上層，如此往復(fù)通過投球?qū)Χ鄠€(gè)油層壓裂，砂埋壓裂層封隔器的可能性很大，主要來源于兩個(gè)方面，一是壓完一層后，存留有沒頂替完管柱內(nèi)的攜砂液；二是所有油層壓裂完后不能反洗井，在排液放噴過程中，地層可能返吐砂子，這樣就可能造成砂埋封隔器的風(fēng)險(xiǎn)，并會(huì)影響整個(gè)管柱的安全起出，造成作業(yè)井下事故。因此研制出“雙封拖動(dòng)分層壓裂管柱”，以適應(yīng)河南油田老區(qū)及新區(qū)塊多層分層壓裂的需要。

1 壓裂封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)

1.1 ZY331-115壓裂封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-3]

圖1 ZY331-115封隔器結(jié)構(gòu)示意

1.1.1 組合式密封結(jié)構(gòu)

組合式密封結(jié)構(gòu)由兩個(gè)餅式膠筒、骨架、鋼絲、自封皮碗部件組成。骨架、鋼絲、自封皮碗經(jīng)硫化工藝融為一個(gè)整體。餅式膠筒、自封皮碗的膠料選用優(yōu)質(zhì)膠，餅式膠筒邵氏硬度相對(duì)較高，耐高溫高壓，具備多次坐封特性；自封皮碗邵氏硬度相對(duì)較低，鋼絲要有彈性并具有足夠承壓能力。這種組合式密封結(jié)構(gòu)，易于坐封解封及反洗井，以適應(yīng)管柱反洗井要求。

1.1.2 工作原理

(1)坐封原理。自封皮碗緊貼套管內(nèi)壁，當(dāng)封隔器下壓高于上壓時(shí)，隨著下壓不斷增加，在自封皮碗密封作用下，皮碗骨架向上產(chǎn)生的軸向推力也增加，當(dāng)壓差達(dá)到15 MPa時(shí)，向上軸推力達(dá)到13 t，此時(shí)兩個(gè)餅式膠筒完成坐封，隨著壓力不斷升高，由自封皮碗承壓轉(zhuǎn)向餅式膠筒承壓，體現(xiàn)耐壓高的特點(diǎn)。

(2)解封原理：停泵泄壓后，膠筒自動(dòng)回彈，完成解封。

1.1.3 特點(diǎn)

(1)耐壓差70 MPa；耐溫145 ℃。

西雙說所以，無論樓蘭治好還是治不好，只要復(fù)了婚，我都不會(huì)有好日子過。不要以為我在嚇唬你，我這還只是樂觀的想法。就是說，我寧愿相信樓蘭是真的想和我復(fù)婚，而沒有什么別的齷齪。我承認(rèn)這種時(shí)候猜疑她有些陰暗，不過我總得替自己考慮一下。假如她和她媽還有別的想法呢？比如她真的想利用復(fù)婚黑下那三萬塊錢，比如她真的想找個(gè)傻逼替她照顧女兒和母親，再比如，萬一她看上我剛剛通過賃款買下的那套房子呢？那我就倒了八輩子血霉了。當(dāng)然財(cái)產(chǎn)可以公證，可是她那樣的身體能陪我去公證嗎？當(dāng)然可以打官司，可是我敢保證一定能打得贏嗎？別忘了，她去了以后，她的女兒，就順理成章地成為財(cái)產(chǎn)的第二繼承人。第二繼承人啊！誰心里不哆嗦？

(2)可多次坐封，解封可靠，停泵自動(dòng)解封。

(3)適用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)分層壓裂、酸化等多種施工作業(yè)。

(4)單向承壓，具有反洗井功能。用于壓裂時(shí)，中途遇到砂堵現(xiàn)象，可立即進(jìn)行反洗井，消除砂堵，繼續(xù)壓裂施工。

1.2 Y211-115壓裂封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1-3]

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，仍要考慮壓裂封隔器耐溫耐壓性能和封隔器有多次坐封的特點(diǎn)及解封的可靠性。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想是，將噴砂器與該封隔器設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，這種封隔器坐封、解封通過提放管柱實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場利于操作，工作性能穩(wěn)定可靠，其結(jié)構(gòu)組成見圖2。

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 Y211-115封隔器結(jié)構(gòu)示意

(1)噴砂結(jié)構(gòu)。通常的噴砂器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立體，噴砂口離下封隔器膠筒距離相對(duì)較長，一般在0.35 m以上，有一定的沉砂口袋高度，而圖2設(shè)計(jì)的噴砂器與封隔器設(shè)計(jì)為一整體，噴砂口離下封隔器膠筒距離很短，僅為0.075 m，沉砂口袋很小，這有利于管柱的安全起出。

(2)密封結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)有兩個(gè)餅式膠筒，其承壓能力與前述ZY331-115封隔器相同，同樣有多次坐封與解封功能。

(3)坐封、解封結(jié)構(gòu)。其由錐體、卡瓦、箍簧、上護(hù)套、摩擦體、摩擦塊、彈簧片、下護(hù)套、中心管及中心管上的長軌道槽和短軌道槽組成，其中摩擦塊耐磨，彈簧片有足夠彈力，這樣能確保該封隔器坐封解封可靠。

1.2.2 工作原理

(1)坐封原理。管柱下到設(shè)計(jì)位置后，直接上提管柱，摩擦體凸柱進(jìn)入中心管長軌道槽，然后下放管柱，錐體下行，摩擦體、卡瓦等相對(duì)靜止，錐體與卡瓦接觸，繼續(xù)下放管柱，錐體楔入卡瓦里，使卡瓦卡在套管內(nèi)壁不動(dòng)，然后繼續(xù)下放管柱壓縮膠筒，封隔油套環(huán)空，完成坐封動(dòng)作。

(2)解封原理：直接上提管柱，摩擦體、卡瓦、摩擦塊相對(duì)不動(dòng)，摩擦體凸柱進(jìn)入中心管短軌道槽，錐體與卡瓦分離，膠筒回收，完成解封動(dòng)作。如此往復(fù)上提下放管柱實(shí)現(xiàn)多層壓裂。

1.2.3 特點(diǎn)

(1)耐壓差70 MPa；耐溫145 ℃；

(2)噴砂口與膠筒距離小，沉砂口袋小(高僅為0.075 m)，可消除砂埋封隔器風(fēng)險(xiǎn)；

(3)適用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)分層壓裂、酸化等多種施工作業(yè)。

2 雙封拖動(dòng)分層壓裂管柱現(xiàn)場實(shí)施

2.1 壓裂管柱組成和井筒壓前準(zhǔn)備

(1)該管柱由壓裂油管、平衡閥、水力錨、安全接頭、ZY331-115封隔器、Y211-115封隔器及絲堵組成，壓裂管柱見圖3。

圖3 雙封拖動(dòng)分層壓裂管柱

(2) 井筒壓前準(zhǔn)備。先用通井規(guī)通井到人工井底，起出通井管柱，檢查套管有無變徑；利用刮削器刮削到井底，起出刮削管柱，清潔套管內(nèi)壁。對(duì)于壓力擴(kuò)散慢的井，井口要配帶壓作業(yè)裝置及油管堵塞器，以提高現(xiàn)場壓裂施工效率。

2.2 工藝施工過程

(1)封隔器坐封：在下管柱過程中，壓力平衡閥實(shí)現(xiàn)油套連通，油管大排量憋壓后壓力平衡閥關(guān)閉，油套不連通。管柱下到設(shè)計(jì)位置后，上提管柱，再下放管柱壓縮膠筒，完成坐封。座好壓裂井口，等待施工。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)壓裂規(guī)模的要求，進(jìn)行壓裂車組的確定，連接好地面管線，關(guān)閉井口高壓閥門，并對(duì)地面管線進(jìn)行高壓試壓。

(3)對(duì)壓裂層進(jìn)行壓裂：按照泵注程序擠入前置液、攜砂液、頂替液，精確控制頂替液量，要求頂替液大于2 m3，以確保管柱內(nèi)無攜砂液，完成第一層壓裂。對(duì)于壓力擴(kuò)散快的淺層系油藏，可直接上提管柱，對(duì)第二層進(jìn)行壓裂，直到壓裂完所有層。對(duì)于壓力擴(kuò)散慢的井，井口配套上帶壓作業(yè)裝置，油管里配套油管堵塞器，仍通過上提管柱，可進(jìn)行多層壓裂。

(4)壓裂管柱的起出。壓裂施工結(jié)束后，等油管壓力降到油層閉合壓力后，可直接起出管柱，如果上提管柱遇卡，可通過反洗井方式，洗出Y211封隔器膠筒上部砂子，這樣便可安全起出管柱。

(5)卡管柱風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案。如果反洗井后還是無法起出管柱，可通過正轉(zhuǎn)管柱倒掉安全接頭，逐個(gè)起出井下工具。因?yàn)閲娚翱陔x下封膠筒距離僅為0.075 m，沉砂口袋小，再加上該管柱在任何時(shí)候可以反洗井，因此，消除了砂卡管柱的可能性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至2014年10月底，該技術(shù)已在現(xiàn)場應(yīng)用3口井，其中，壓裂3層1口井，壓裂2層2口井，工藝成功率100%，壓裂井最大井深達(dá)3 200 m，泵車施工壓力高達(dá)78 MPa，施工最大排量4.5 m3/min，最高砂比達(dá)46%，起出管柱解封負(fù)荷僅為3 t，達(dá)到工藝成功和安全起出的目的，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)研制的新型壓裂管柱施工成功率高，結(jié)構(gòu)簡單，可廣泛用于壓裂、酸化、注水、注聚等注入工藝，具有較好的應(yīng)用前景。

(2) 封隔器耐溫耐壓高，可用于復(fù)雜斷塊深層系、淺層系油藏的單層或多層分層壓裂。

(3)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)管柱及配套工具，消除了砂埋管柱風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 羅英俊，萬仁溥.采油技術(shù)手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005：58-70.

[2] 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，2004:75-92

[3] 吳奇，王林,陳顯進(jìn)，等.井下作業(yè)工程師手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007:120-132.

編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)04-0141-03

2015-01-30

劉科偉，工程師，1980年生，2004年畢業(yè)于中原工學(xué)院機(jī)械工程系工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)工程研究工作。

TE357.13

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