直井全通徑分層壓裂關鍵技術及試驗研究

韓永亮，馮 強，周后俊，詹鴻運，劉志斌，駱勁羽，張 鵬，竇占強

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司 工程技術研究院，天津300280）①

蘇里格氣田盒8、山1段為典型的低孔、低滲、低壓致密砂巖儲層，儲層砂體縱向多期疊置，橫向非均質性強，直井分層壓裂技術已經成為“三低”油氣藏經濟高效開發的主要技術手段。該技術主要采用“K344型封隔器+噴砂滑套”的壓裂方式，通過一趟管柱下入，可以實現多層壓裂、合層求產的目的［1］。大部分氣井通常把壓裂管柱作為生產管柱使用，由于壓后受到噴砂滑套球座內徑的限制，整個管柱不能實現全通徑，影響后續排液采氣、沖砂、測試，且無法進行二次改造作業。劉志斌等［2-3］針對常規分2層壓裂管柱不能實現油管暢通，影響后期測試的問題，研發了無阻噴砂滑套和工藝管柱，可實現分2層壓裂、壓后油管無阻和方便后期測試，但也存在無法實現3層以上多層壓裂后油管暢通的問題。詹鴻運等人［4］針對常規氣井3層壓裂管柱存在壓后鋼球停留在管柱內，制約排液采氣效果的問題，研制了自帶無阻噴砂滑套的K344型封隔器和壓裂管柱，大通徑的封隔器和水力錨保證了2個滑套芯子均能順利打落井底，實現全井筒無阻生產，但也存在無法實現4層以上多層壓裂全井筒無阻生產的問題。鄭鋒等［5］針對直井多層壓裂施工后鋼球滯留在油管內無法實現井筒無阻生產的問題，研制了可打開對應噴砂滑套的輕質球和多層壓裂管柱，壓裂后輕質球在排液過程中返出地面，實現全井筒無阻生產，但也存在噴砂滑套芯子滯留在管柱內，無法實現管柱全通徑，影響后期測試的問題。安倫等人［6-7］針對水平井儲層改造對實現大規模壓裂和壓后井筒全通徑的問題，介紹了國內外各公司近幾年推出的套管滑套技術。該技術通過特殊工具（球、飛鏢）或者連續油管加井下工具組合打開滑套，滿足有限級或者無級壓裂施工，壓后通過鉆除球座或者關閉出水層對應的滑套進行堵水作業，實現全井筒完整性。但也存在施工工藝復雜、對固井質量要求高、滑套打開困難、需連續油管配合作業、作業費用高的問題。李梅等人［8-9］針對水平井裸眼分段壓裂方式受油管尺寸和滑套變徑的影響，導致分段級數受限，無法進行后續二次作業的難題，介紹了連續油管噴砂射孔環空壓裂技術，該技術通過連續油管帶接箍定位器、Y211型封隔器等井下工具組合，實現一趟管柱完噴砂射孔、封隔器隔離和套管大規模無限級壓裂施工，壓后井筒保持全通徑。但也存在需連續油管配合作業、射孔效率低、封隔器易砂卡、作業費用高和施工周期長的問題。朱正喜等人［10-11］針對非常規油氣藏需要滿足大規模、風險低、投產時間短和實現二次改造的難題，介紹了國內外可溶橋塞的結構特點和應用情況，提出了研制國產可溶橋塞的必要性和迫切性，但也存在施工周期長、作業費用高和不適用于常規直井低成本開發的問題。王遷偉等人［12-13］針對水平井裸眼分段壓裂工藝二次改造施工困難的難題，開展了可打撈滑套分段壓裂工藝試驗，可以實現井筒全通徑，但也存在需要下入專用工具打撈、打撈成功率低的問題。李敢［14］針對常規分段壓裂不能滿足油氣田對全通徑、無限級、大規模和高效開發的難題，開展了電控式全通徑壓裂技術研究，改變了傳統的壓裂開關打開方式，實現了選擇性壓裂、重復壓裂、選擇性開采和堵水作業，達到全通徑、無限極、大規模和高效開發的目的。但該壓裂技術只進行了部分室內試驗，并未見到現場試驗的相關報道。陳聯國等人［15-16］針對傳統分段壓裂技術隨著壓裂級數的增加，井筒管徑受限的難題，研發了一種基于RFID 技術的智能分段壓裂滑套控制系統，通過識別壓裂滑套中RFID 標簽球的信息完成對直流無刷電機正反轉的控制，從而實現對壓裂滑套開啟、關閉和壓裂級數的智能控制，但該技術只進行了理論研究和部分室內試驗，并未進行現場工程應用。

在常規“K344型封隔器+噴砂滑套”分層壓裂技術的基礎上，采用可溶金屬材料，筆者設計了一種直井全通徑分層壓裂工藝管柱，并研制出了新型的噴砂滑套、滑套密封器和節流底閥。壓后節流底閥、滑套密封器的可溶部分和可溶球自動溶解，不可溶部分脫離可溶部分的束縛，全部掉落到井底，最終實現整個管柱全通徑，滿足后續作業的要求。

1 直井全通徑分層壓裂工藝管柱

1.1 管柱結構

以分4層壓裂工藝管柱為例，主要由安全接頭、水力錨、K344型封隔器、噴砂滑套、滑套密封器、節流底閥等組成，通過?73.02 mm 外加厚油管連接，由下到上的順序下入到設計深度。如圖1所示。

圖1 分4層壓裂工藝管柱結構示意

1.2 壓裂施工步驟

1） 打開套管閥，以0.5 m3／min的排量正替1個油管容積的前置液后，迅速提高排量至1.2 m3／min，當油套管壓差達到0.3～0.5 MPa時，封隔器完成坐封。

2） 關閉套管閥，通過節流底閥進行第1層壓裂施工。

3） 第1層施工完成后，油管內投入與噴砂滑套1匹配的可溶球，加壓13～15 MPa，內滑套下行，露出噴砂口，同時可溶球與內滑套一起下落到滑套密封器的滑套座上，實現對第1層的封堵，開始進行第2層壓裂施工，重復步驟3），完成第3～4層壓裂施工。

4） 施工結束后，節流底閥、滑套密封器的可溶部分和可溶球自動溶解，由于不可溶部分脫離可溶部分的束縛，全部掉落到井底，最終實現整個管柱全通徑。

1.3 技術特點

1） 繼承了“K344型封隔器+噴砂滑套”分層壓裂管柱的優點，加壓后進行坐封壓裂，砂堵后及時進行反洗井，泄壓后擴張膠筒自動解封，同時也便于起管柱作業。

2） 可以實現下入一趟管柱分7層壓裂施工，作業效率高。

3） 采用可溶材料，壓裂后，節流底閥、滑套密封器的可溶部分和可溶球自動溶解。不可溶部分脫離可溶部分的束縛，全部掉落到井底，最終可以實現整個管柱全通徑，滿足后續作業的要求。

4） 工藝管柱現場操作方便，結構簡單，性能穩定可靠，施工成功率高。

2 關鍵工具

2.1 噴砂滑套和滑套密封器

噴砂滑套是實現與地層連通的核心工具，通過與滑套密封器配合使用，可以實現封堵下層、壓裂上層的目的。噴砂滑套主要包括外筒、內滑套、噴砂孔、銷釘和硫化橡膠，如圖2所示。滑套密封器主要包括外筒、滑套座機構和可溶合金套，如圖3所示。

圖2 噴砂滑套結構示意

圖3 滑套密封器結構示意

壓裂施工時，向油管內投入與噴砂滑套相匹配的可溶球，送球到位，憋壓剪斷銷釘，可溶球與內滑套在壓力的推動下下行，露出噴砂孔，對上部油氣層進行壓裂。同時，可溶球與內滑套繼續下行，穿過水力錨和K344型封隔器，掉落到滑套密封器內。通過內滑套下端面設置的硫化橡膠與滑套密封器內的滑套座機構形成密封，實現對下部油氣層的封堵隔離。壓裂施工結束后，可溶球和滑套密封器內的可溶合金套開始溶解，內滑套與滑套座機構脫離可溶合金套的束縛下行掉落，保持管柱大通徑。

噴砂滑套技術參數：承壓70 MPa，耐溫120℃，總長280 mm，滑套開啟壓力13～17 MPa，最大外徑?110 mm，內滑套最小內徑?27 mm，內滑套最大內徑?42 mm，內滑套級差3 mm，壓后內通徑?57mm。

滑套密封器技術參數：承壓70 MPa，耐溫120℃，總長250 mm，最大外徑?95 mm，最小內徑?43 mm，初始溶解時間大于72 h（1%KCl溶液中），完全溶解時間小于7 d（1%KCl溶液中），壓后內通徑?61 mm。

2.2 節流底閥

節流底閥是實現K344型封隔器坐封和第1層壓裂施工的工具。節流底閥主要包括上接頭、節流閥芯、可溶合金套和下接頭，如圖4所示。

壓裂施工時，通過節流閥芯變徑產生的節流壓差，可以實現K344型封隔器坐封，同時通過節流閥芯通道實現對第1 層的壓裂施工。壓裂施工結束后，可溶合金套開始溶解，節流閥芯脫離可溶合金套的束縛下行掉落到井底，同時噴砂滑套內滑套和滑套密封器滑套座機構也穿過節流底閥下行掉落到井底，實現整個管柱全通徑。

圖4 節流底閥結構示意

技術參數：承壓70 MPa，耐溫120 ℃，總長230 mm，最大外徑?95 mm，最小內徑?30 mm，初始溶解時間大于72 h（1%KCl水溶液中），完全溶解時間小于7 d（1%KCl水溶液中），壓后內通徑?61 mm。

3 室內試驗

直井全通徑分層壓裂技術室內試驗是在溫度為90 ℃、介質為1%KCl水溶液中，對初始溶解時間、噴砂滑套打開壓力、承高壓性能和溶解時間進行試驗。試驗工裝由2根?73.02 mm 外加厚油管短節將噴砂滑套（盲孔）和滑套密封器相連接組成，如圖5所示。

圖5 試驗工裝示意

試驗步驟及結果：將試驗工裝放在溫度為90℃、介質為1%KCl水溶液中浸泡72 h，取出并觀察滑套密封器內的可溶合金套開始溶解；投入與噴砂滑套內滑套相匹配的可溶球，上端連接試壓管線，加壓剪斷銷釘。重復試驗3次，滑套開啟壓力為14～16 MPa；繼續加壓至70 MPa，穩壓1 h，試驗工裝整體承高壓性能良好，不滲漏且壓降小于0.5 MPa；卸壓后，將試驗工裝放在溫度為90 ℃、介質為1%KCl水溶液中繼續浸泡，直到滑套密封器內的可溶合金套溶解后，噴砂滑套內滑套和滑套密封器滑套座機構一起掉落，溶解時間為2 d，滿足設計要求。溶解試驗過程如圖6所示。

4 現場試驗

直井全通徑分層壓裂技術在蘇里格氣田共施工9口井，施工效果良好。并在已投產的3 口井進行了鋼絲帶通井規通徑作業，確認了工藝管柱的全通徑，同時也驗證了關鍵工具溶解性能的可靠性。

圖6 溶解試驗過程示意

以蘇20-X 為例。該井完鉆井深3 284.0 m，完鉆層位是太原組。氣層套管采用N80鋼級、壁厚為9.17 mm 的?139.7 mm 套管完井。壓裂方式采用?73.02 mm 外加厚油管注入，通過直井全通徑分層壓裂工藝管柱進行3層分壓施工，第1層施工山2段88-89號層，射孔井段3 607.0～3 609.0 m，所在射砂體厚度6.9 m；第2層施工山1段82-84號層，射孔井段3 576.5～3 578.5 m，所在砂體厚度11.9 m；第3層施工盒8段74號層，射孔井段3 535.3～3 536.8 m，所在砂體厚度11.2 m。地層溫度分別為107、106和105℃。該井工藝管柱按施工設計要求下入到井內指定位置，在井底浸泡2 d后進行壓裂施工，整個壓裂施工過程順利，施工壓力平穩，套壓穩定，工藝管柱及配套工具耐溫、承壓和密封性能良好，2 個噴砂滑套打開壓力顯示明顯，總液量627.5 m3，加砂65 m3，施工排量2.9～3.2 m3／min，最高施工壓力70 MPa，歷時5 h，順利完成3層壓裂施工。該井壓裂施工曲線如圖7所示。

5 結論

1） 直井全通徑分層壓裂工藝管柱及關鍵工具溶解時間可控，初始溶解時間大于72 h，壓裂后工具內的可溶部分溶解時間小于7 d，不可溶部分脫離可溶部分的束縛，下行掉落到井底，整個管柱全通徑可達?57 mm。現場操作方便，結構簡單，耐溫、承壓和密封性能良好，噴砂滑套打開壓力顯示明顯，能夠滿足一趟管柱分7 層壓裂施工和后續作業的要求。

2） 直井全通徑分層壓裂技術不但具有“K344型封隔器+噴砂滑套”分層壓裂技術的優點，而且還可以實現壓后整個管柱的全通徑，為后續排液采氣、沖砂、測試、監測產液剖面和二次改造作業提供了全通徑通道，實現了氣田的低成本高效開發。

圖7 蘇20-X 井壓裂施工曲線