直井全通徑大排量多層壓裂工藝技術研究

張曉川

(中國石油大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)①

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直井全通徑大排量多層壓裂工藝技術研究

張曉川

(中國石油大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)①

為了滿足大慶油田外圍低滲透扶楊油層開發的需要，針對現有壓裂工藝管柱節流損失大、排量低等問題，研究了直井全通徑大排量多層壓裂工藝技術；研制了液控可變徑全通徑壓裂噴砂封隔器，并進行了現場試驗。研究與現場試驗表明，該工藝可有效降低節流損失，實現大排量、無限級壓裂施工。研究成果不僅可以滿足低滲透儲層大規模縫網壓裂施工的需要，還可以提高施工效率、降低開發成本，具有較好的應用前景。

封隔器；全通徑；壓裂；節流損失

大慶油田進入開發后期，外圍低滲透扶楊油層已成為大慶油田開發的主戰場，該油層特低滲透占40 %以上。針對難采儲量，大規模壓裂初期試驗已取得了較好的改造效果，試驗18口井，其中葡扶區塊壓后初期平均單井日增油7.8 t[1-3]。但是還沒有與之相配套的壓裂工藝管柱，而目前的噴砂器滑套采用級差式結構設計，施工中會產生較大的節流效應，約36 %的能量損失在管柱的節流上，摩阻大，無法實現大排量施工，壓裂段數也受到限制[4]。研制了液壓式全通徑大排量壓裂工藝，通過全通徑大排量多層壓裂管柱，使多級噴砂器通徑相同，實現大通道(通徑大于?50 mm)，并研制了其關鍵工具——液控可變徑全通徑壓裂噴砂封隔器。

1　全通徑大排量多層壓裂管柱

1.1工藝組成與原理

全通徑大排量多層壓裂管柱主要由可縮徑全通徑壓裂噴砂封隔器、K344型壓裂封隔器、導壓噴砂器、安全接頭以及絲堵組成，如圖1所示。壓裂管柱采用全通徑結構設計，液控球座變徑，每段投送壓裂球尺寸相同，突破常規球座級差限制，降低節流損失，實現大排量、無限級壓裂施工[5-6]。

該工藝管柱下入到預定位置后，地面高壓液體向油管內加壓，通過全通徑導壓噴砂封隔器。壓裂上一層時，環空壓力通過封隔器導壓通道傳遞到下一層中的滑套中，使滑套中的可變徑球座收縮，做好投球打滑套準備；壓裂本層位時，投球打開對應層位滑套，進行壓裂施工；其他層段依次類推，使用同一規格球能夠完成多段壓裂施工[7]。

圖1　全通徑壓裂工藝管柱示意

1.2技術參數

耐溫

120 ℃

工作壓力

70 MPa

變徑球座

?50 ～?46 mm

單體噴砂器最大過砂量

80 m3

管柱最小內通徑

50 mm

排量

8 m3/min

2　液控可變徑全通徑壓裂噴砂封隔器

2.1結構及原理

液控可變徑全通徑壓裂噴砂封隔器主要由上下接頭、滑套、節流嘴、導壓中心管、活塞、鎖環套、上下鋼碗及膠筒等組成，如圖2。可實現大通徑、無限級數壓裂，減少了管柱更換次數，施工效率提高1倍以上。

圖2　液控可變徑全通徑壓裂噴砂封隔器示意

壓裂施工時，液控可變徑全通徑壓裂噴砂封隔器下入井中指定位置，高壓液體從地面沿滑套上的割縫處進入，通過導壓中心管上的坐封通道壓縮膠筒，使該工具坐封；同時高壓液體進入導壓中心管的另一個導壓通道，使環空壓力傳遞到滑套中，使滑套中的球座形成縮徑。投球加壓后球座和滑套整體下行打開壓裂通道，進行壓裂[8]。

2.2關鍵技術

2.2.1一體化全通徑導噴封隔器

全通徑導噴封隔器集封隔、噴砂、液控導噴和球座變徑于一體，如圖3所示。液控系統采用雙向橋式通道結構，實現變徑、坐封壓力有效傳導的橋式雙向4通道結構設計，節省空間并確保大通徑；液壓通過液控系統坐封通道將壓力傳遞至膠筒，控制封隔器坐封，并通過縮徑通道將壓力傳遞至活塞，推動球座下行擠壓形成球座，投球加壓后球座和滑套整體下行打開壓裂通道，進行噴砂壓裂[9]。

圖3　一體化全通徑導噴封隔器結構

2.2.2球座變徑結構

設計了活塞位移式可變徑球座。球座采用彈簧爪結構；材料選用彈簧鋼，表面鍍鉻，并滲碳處理，提高了工具的耐磨蝕性能，解決了大砂量條件下球座沖蝕磨損嚴重的問題，加砂施工前、后球座對比如圖4所示。球座不變徑時受磨蝕影響小、適應性強、加砂規模大；變徑時啟動壓力低，5 MPa即可完成縮徑動作，縮徑后在70 MPa狀態下彈簧爪割縫處無位移變形，不滲不漏，大幅提升了球座縮徑的穩定性。實現了大排量、大砂量施工改造要求，單層可加砂80 m3，全井可加砂800 m3(按10層計算)。

a　施工前

b　加砂后

2.2.3側壁徑向節流結構

管柱采用側壁節流方式坐封全部封隔器。側壁節流噴砂器與常規導壓噴砂器相比具有結構簡單、壓降損失小的特點，且側壁節流噴砂器將節流部位集成到側壁，有效地增加了管柱通徑，減少了壓力損失，有利于高排量施工[10]。

借助于Fluent模擬軟件，對全通徑側壁部分進行了有限元分析，如圖5～6所示。由圖5～6可以看出，等面積節流嘴施工條件下，側壁噴砂器較常規導壓噴砂器壓降損失降低了2倍。

2.2.4擴張式膠筒

原擴張式膠筒尺寸長，高壓長時間施工后，膠筒殘余形變量大，上提管柱易卡管柱，同時膠筒內徑尺寸小，無法滿足現場大排量施工要求，為此研制了擴張式高溫高壓短膠筒。優選強度更高的“鋼絲+芳綸簾線”，研制新型粘貼劑解決芳綸與橡膠的粘接性能差的問題，使膠筒內部幾種不同材料的變形率趨于一致，解決膠筒工作時斷絲或斷線問題，同時提高了膠筒的承壓以及耐溫指標。與原膠筒相比內徑增大25 %，膠筒長度縮短27 %，達到通徑大、尺寸短、易解封的目的，提高了膠筒性能指標及工藝安全性。膠筒技術特點如下：

1)膠筒長度僅為415 mm，內徑?77 mm。尺寸小，易解封。

2)膠筒性能指標達到耐溫120 ℃，承壓70 MPa。

3)最高壓力達到80 MPa，無泄漏，殘余變形最大4.6%，回收性能良好。

膠筒油浸試驗數據如表1。

圖5　側壁節流噴砂器內部壓降損失云圖

圖6　常規導壓噴砂器內部壓降損失云圖

工具名稱溫度/℃浸泡時間/h壓力/MPa次數浸泡前外徑/mm試驗后外徑/mm變形率/%K344?115型封隔器120　16　708081113　118．2　4．6　

3　現場試驗

該壓裂工藝現場試驗5口井，施工成功率100%。以X-X井為例，單層加砂80 m3，全井加砂800 m3(共10層)，起出后對工具進行檢查，無磨損，可滿足多段壓裂施工的要求。

4　結論

1)直井全通徑大排量多層壓裂工藝，多級噴砂器通徑相同，實現了大通道，滿足了外圍低滲透扶楊油層大規模縫網壓裂施工的需要。

2)該工藝可有效降低節流損失，實現大排量、無限級壓裂施工，施工排量可達8 m3/min。

3)擴張式高溫高壓短膠筒提高了工具的內通徑，工具可耐溫120℃、承壓70 MPa。

4)液控可變徑全通徑壓裂噴砂封隔器集封隔、噴砂、液控導噴和球座變徑多功能于一體，縮徑及密封效果好，為外圍低滲透油藏高效開發提供技術支持。

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Research of Packers’ Same Inner Size & Large Displacement Multilayer Fracturing Technology in Vertical Wells

ZHANG Xiaochuan

(Production Engineering & Research Institute，PetroChina Daqing Oilfield，Daqing 163453，China)

The research of packers’ full bore & large displacement multilayer fracturing technology in vertical wells was researched in order to develop the low permeability Fuyang reservoirs in the periphery of Daqing Oilfield，which could get over the shortcomings of throttle loss and low displacement in the existing fracturing pipe strings.The fracturing sand jet packer，as the key tool，was designed and analyzed.The hydraulic pressure could change the packers’ inner size.Meanwhile，the field experiment was conducted successfully.The research and field application showed that the technology could effectively reduce the throttle loss to fulfill the large displacement and non-limited multi-layers fracturing operation.The research could not only perform the large-scale fracturing networks for developing the low permeability reservoirs，but also could improve the rig efficiency，reduce the development cost with favorable development prospects.

packers；full bore；fracturing；throttle loss

1001-3482(2016)10-0068-04

2016-04-14

大慶油田公司科研項目“特低滲透扶楊油層直井全通徑大排量多層壓裂工藝技術研究 ”( dqp-2013-cy-ky-002)

張曉川(1987-)，男，工程師，主要從事油氣藏改造技術研究和新技術推廣工作。

TE934.2

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.016