水平井分段壓裂裸眼封隔器研制及應用

(長城鉆探工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

蘇里格氣田是典型的低壓、低滲、低豐度的三低氣藏，開采難度大，常采用水平井技術結合裸眼分段壓裂技術進行開發，能有效提高氣產量和采收率。實踐表明，裸眼水平井分段壓裂技術是蘇里格氣田開發的重要增產措施[1-5]。長城鉆探工程技術研究院研發了適用于?152.4 mm井眼的裸眼水平井分段壓裂工具，并在蘇里格氣田進行了現場應用。裸眼壓裂封隔器作為裸眼水平井分段壓裂技術中的核心工具，其性能對壓裂施工有重要影響，因此對裸眼壓裂封隔器進行重點研究，使其工作性能夠滿足蘇里格地層及現場的壓裂施工條件。

1 封隔器結構

裸眼壓裂封隔器主要由中心管、坐封機構、止退機構、限位機構、膠筒及防突機構等組成，其中坐封機構主要由液缸和活塞等組成；止退機構由止退環和中心管組成；限位機構由限位環及液缸組成；防突機構由膠筒護肩、錐套、銅皮組成，如圖1所示。

1—中心管；2—液缸；3—活塞；4—導向套；5—限位環；6—剪切銷釘；7—止退環；8—膠筒壓套；9—膠筒護肩；10—錐套；11—膠筒；12—銅皮；13—膠筒座；14—定位環。

2 工作原理

裸眼壓裂封隔器需配合固定球座、投球滑套、壓差滑套和坐封球等裸眼水平井分段壓裂工具使用。根據水平段地質分段情況，將封隔器下到指定位置后，投入坐封球，坐封球落入固定球座后，憋壓至19 MPa，剪斷剪釘，推動活塞向下移動，通過導向套作用于止退環及膠筒壓套。止退環沿中心管向下移動并通過螺紋與中心管單方向鎖緊，防止由于止退環向上退回,造成膨脹膠筒回縮。膠筒及護肩受到膠筒壓套的軸向擠壓，膠筒壓縮并膨脹，由于錐套的斜面作用，護肩產生徑向擴張，最后膠筒及護肩貼緊裸眼井壁，完成裸眼環空的封隔，實現層間的隔離。當活塞行至與限位環端面接觸時，活塞無法繼續移動，膠筒壓縮動作完成，防止過高的施工壓力造成膠筒過度壓縮，降低環空密封的性能[6-8]。

3 主要技術參數

封隔器總長 1 180 mm

最大外徑 ?145 mm

通徑 ?76 mm

膠筒外徑 ?143 mm

長度 110 mm

坐封壓力 19～21 MPa

耐壓 70 MPa

環空密封壓力 70 MPa

工作溫度 0～120 ℃

適用井徑 152.4～160 mm

4 性能特點

1) 采用耐高溫、硬度為80 HA±5 HA的膠筒，在120 ℃的工作溫度下，可在內徑為?160 mm井徑實現環空密封壓力70 MPa[9-10]。膠筒所需的坐封力小，采用單液缸、單活塞就可以完成功能動作，結構簡單。

2) 設計了膠筒防突機構，壓縮膠筒時，護肩和膠筒同時產生徑向擴張，并貼緊裸眼井壁，護肩對膠筒可以起到很好的支撐作用，同時張開的銅皮可以防止膠筒從護肩的縫隙中突出，保護膠筒表面，從而極大地提高了膠筒的雙向承壓能力。

3) 止退環與中心管通過螺紋單方向鎖緊，可以防止膨脹的膠筒回縮，提高了密封的可靠性；限位機構可以限制活塞行程，防止過高的內管柱壓力對膠筒產生過度壓縮，影響膠筒環空的密封性能。

4) 封隔器采用了高溫密封圈，并在其兩側安裝了聚四氟乙烯材料的密封擋圈，可以起到支撐和保護密封圈的作用，提高了封隔器的耐壓能力，在120 ℃工作溫度下，耐壓值可達到70 MPa。

5 室內試驗

為了驗證裸眼壓裂封隔器的環空密封性能，在室內進行了膠筒的高溫高壓密封試驗。試驗裝置如圖2所示。將封隔器裝入內徑為?160 mm的套管內，用高壓管線將試壓泵和試驗裝置連接起來，向封隔器內及套管內注滿試驗介質。設定試驗溫度為120 ℃，加熱2 h確保膠筒達到設定溫度，通過向封隔器內加壓19～21 MPa，穩壓10～15 min，保證膠筒膨脹到位。然后分別從封隔器與套管間的上、下環空加壓至70 MPa，穩壓2 h，進行上、下壓差試驗，驗證封隔器的環空密封性能。

圖2 環空密封試驗裝置

封隔器環空密封試驗曲線如圖3所示，在內徑?160 mm的試驗套管內，向封隔器內部加壓19～21 MPa完成坐封后，雙向密封壓力均達到了70 MPa。試驗后的封隔器如圖4所示，本體結構無變形，膠筒及護肩膨脹均勻，膠筒表面完好，無損壞。測量護肩最大外徑為?160 mm，膠筒最大外徑為?169 mm，活塞行程82 mm。由試驗結果可知，封隔器在內徑為?160 mm的套管內，介質溫度≤120 ℃的條件下，坐封壓力19～21 MPa，雙向密封壓力能夠達到70 MPa，滿足封隔器的設計要求。

圖3 環空密封試驗曲線

圖4 試驗后封隔器

6 現場應用

裸眼水平井分段壓裂工具在蘇里格氣田進行了現場應用，完井管柱順利下入，坐封及丟手正常，環空試壓合格，壓裂施工正常進行，成功實現了4 811 m井深，1 200 m水平段分段的層間封隔，表明壓裂工具能夠滿足蘇里格氣田地質及現場的施工條件。

6.1 井況

S53-XX-XX井完鉆井深為4 811 m，垂深為3 310.75 m，井斜90.31°，入靶點斜深3 611 m，垂深3 314.55 m，井斜88.59°，裸眼水平段長1 200 m。根據該井實鉆、電測解釋結果及水平井壓裂工藝要求，對該井分8段壓裂。坐封井段數據如表1所示。

表1 坐封井段

如圖5所示為該井的完井工藝管柱，采用鉆桿下入完井工藝管柱后，在井口通過投球完成坐封、坐掛及丟手工序。壓裂前下入回插管柱，利用裸眼壓裂封隔器配合投球滑套，從井口依次投入對應尺寸坐封球，打開投球滑套，對水平段各層進行壓裂。

圖5 完井工藝管柱

6.2 壓裂施工情況

在S53-XX-XX井眼準備期間，刮管及通井施工均正常，完井管柱順利下入。壓裂施工時，各段壓裂施工均順利進行，地層破裂壓力均在60～70 MPa，滑套均按照設計壓力開啟，封隔器對地層封隔效果良好。在壓裂第3段地層時，施工壓力最大達到70 MPa，壓裂曲線沒有出現異常，該層壓裂順利完成，證明了該裸眼壓裂封隔器的環空密封性能可以滿足蘇里格氣田地質及壓裂施工條件。

7 結論

1) 室內試驗表明，裸眼壓裂封隔器結構設計合理，選用膠筒硬度合適，設計的膠筒防突機構能夠很好地支撐及保護膠筒，止退機構可以防止膨脹膠筒回縮，限位機構可以防止過高的施工壓力造成膠筒過度壓縮，封隔器能在井徑不大于?160 mm、介質溫度不高于120 ℃的條件下，實現雙向密封壓力70 MPa，環空密封性能可靠。

2) 裸眼水平井分段壓裂工具在蘇里格氣田的成功應用表明，裸眼壓裂封隔器能夠滿足該地區高溫高壓的地質及壓裂施工條件，而且工具尺寸設計合理，具有良好的通過性能，為蘇里格氣田的開發提供了技術保障，并形成了一套適用于蘇里格氣田的裸眼水平井分段壓裂完井管柱下入工藝流程。