無限級套管滑套分段壓裂工具研制與應用

張道鵬，謝 明，李 斌，張毅超，鄒先雄，潘 勇

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司)

目前水平井裸眼完井分段壓裂技術已在致密油氣藏開發領域廣泛應用，取得了較好效果。這種技術主要采用裸眼封隔器加投球滑套逐級投球打開滑套分段作業，分段級數有限。由于滑套球座內徑尺寸影響，在后期產量下降后需要修井時，需要鉆磨球座，費用高，風險大，給二次增產改造帶來困難。

無限級套管滑套分段壓裂技術是近幾年發展起來的一種新型多級壓裂技術，該技術是在鉆井作業完成后，按儲層地質分層(段)要求下入固井滑套。壓裂施工前通過連續油管帶滑套開啟工具下入井底，校深定位后，封隔工具坐在滑套上，環空打壓推開滑套，然后環空壓裂。如果滑套打開不成功，可利用工具管柱自帶噴射工具噴砂射孔后進行壓裂作業。當第一層(段)施工結束后，上提連續油管解封封隔器，再次定位找準第二個滑套(施工層段)，并將封隔器坐在這個滑套上，并打開滑套，同時對前一層進行封隔，開始進行第二層(段)的施工。以此步驟完成所有層(段)施工[1]。這項技術成功的關鍵是與套管等通徑的無限級滑套及其配套的開啟工具管柱組合。

一、工具管柱結構及原理

1.完井管柱結構及原理

套管滑套分層(段)完井管柱結構(自下而上)：浮鞋+浮箍+套管+固井滑套1+套管+固井滑套2+套管+固井滑套3+套管+套管掛到井口[2]。見圖1。

圖1 套管固井滑套分層(段)壓裂完井管柱結構示意圖

無限級滑套是完井管柱的關鍵部件，其結構部件主要有上接頭、止鎖套、壓裂套、剪釘、連接外套、內滑套、下接頭等，見圖2。其工作原理是通過滑套內滑套的移動控制壓裂端口的開啟或關閉。主要技術指標參數：外徑185 mm；內徑121.3 mm；密封壓力70 MPa；開啟壓力10～16 MPa。

圖2 無限級滑套結構示意圖

2.壓裂施工管柱結構及原理

滑套開啟及壓裂施工主要采用連續油管帶開啟工具作業。工具管柱組成(自上而下)：連續油管+卡瓦接頭+丟手接頭+上扶正器+噴射工具+壓力平衡閥+卡瓦封隔器+滑套定位器+下扶正器+定壓泄流筒(帶引鞋)。見圖3。

圖3 壓裂施工管柱結構示意圖

壓裂管柱主要工具作用原理及技術指標參數:

(1)卡瓦封隔器。其作用是將封隔器坐封卡在滑套內套上，通過打壓打開滑套，同時實現壓裂層段與已壓裂層段間的層間封隔，防止層間干擾。工作原理是，通過連續油管下壓載荷坐封、上提解封來實現多次重復坐封、解封和分層段壓裂改造作業。主要技術參數：封隔壓差70 MPa，外徑117 mm。

(2)滑套定位器。該工具是接在卡瓦封隔器下的機械拉力定位裝置,工作原理是利用定位器經過滑套內的定位機構產生的連續油管拉力的變化，以此確定工具串的深度。通過與完井套管串中滑套深度進行比對修正，進而準確找準滑套位置。主要技術參數：本體外徑104 mm，內徑40 mm。

(3)壓力平衡閥。壓力平衡閥主要用于卡瓦封隔器解封時，釋放封隔器膠筒上下的壓力差。也可在封隔器坐封及施工作業時，實現油套環空的反洗井沖砂。其工作原理為：壓力平衡閥緊接封隔器上端，封隔器在下壓坐封時，壓力平衡閥能保證封隔器膠筒上下作業層間的封隔密封。某層作業完成需解封封隔器時，上提連續油管，啟動壓力平衡閥，使封隔器膠筒上、下層的壓力差快速釋放，達到平衡，使膠筒便于回縮，進而實現安全快速解封[3]。主要技術參數：密封承壓(上)70 MPa，外徑85 mm。

(4)水力噴射工具。該工具連接在壓力平衡閥上端，其作用是當滑套開啟不成功時，可以采用水力噴砂射孔，射開儲層段進行壓裂，提高壓裂施工成功率。主要技術參數：本體外徑94 mm，噴嘴?4.5 mm×4。

(5)定壓泄流筒。該工具放在封隔器下部，與扶正器連接。其主要作用是提高首段滑套開啟成功率，避免出現異常高壓。工作原理是:當封隔器坐封于首層套管滑套內時，需要從上打壓推動滑套內套下移打開。滑套內套的下移勢必造成滑套下部壓力增高，不利于滑套的打開。當下部壓力增高到設定壓力時，泄流筒打開，隨即在滑套上下形成壓差，當達到滑套開啟壓差后，滑套壓裂端口打開。主要技術參數：啟動壓力50 MPa。

二、地面試驗

無限級滑套工具主要進行了滑套開啟動作性能試驗、密封承壓性能試驗；開啟工具的膠筒性能試驗、坐封動作、坐封力、密封承壓試驗；滑套定位感應力試驗等,累計試驗32套(件)次。試驗結果達到了設計要求,試驗項目及試驗過程結果見表1。

表1 主要工具動作性能試驗情況簡表

三、現場試驗應用

1.蘇5-X井基本情況

該井是鄂爾多斯伊陜斜坡構造的一口開發井,目的層為盒8、山1段,采用二開井身結構固井滑套+套管完井。完鉆井深3 700 m，最大井斜16.32°，井底位移488.50 m, 井身結構見表2。根據該井綜合測井解釋成果，確定對蘇5-X井分3段進行無限級套管滑套完井作業及分層改造。套管固井滑套位置和級數對照見表3。

表2 蘇5-X井井身結構表

表3 套管滑套管柱主要工具設計參數表

2.施工流程

2.1 井眼準備

(1)原鉆頭通井。用?215.9 mm鉆頭通井至井底，通井管串結構：?215.9 mm PDC鉆頭+雙母鉆桿變扣接頭+?127 mm加重鉆桿3柱+?127 mm斜坡鉆桿+?127 mm加重鉆桿5柱+?127 mm斜坡鉆桿。

(2)單銑柱通井。管柱組合：?215.9 mm PDC鉆頭+雙母變扣+回壓閥+?208 mm銑柱+鉆桿串。通井到井底，無阻卡。

(3)雙銑柱通井。管柱組合：?215.9 mm PDC鉆頭+雙母變扣+回壓閥+?208 mm銑柱+鉆桿1根+?208 mm銑柱+鉆桿串。通井到井底，無阻卡。

2.2 滑套入井及固井施工

(1)管柱結構(自下而上)：引鞋+套管2根+浮箍+套管若干根+滑套1+套管若干根+滑套2+套管若干根+滑套3+套管2根+定位校深套管短節+套管若干根+調深套管+雙公短節+懸掛頭+套補距。

(2)電測校深：當套管柱下到離井底較近位置時，采用測井儀，對滑套位置進行校深，使滑套噴砂口對準作業產層的中下部。校深完成后加配調深短套管，坐懸掛頭，接方鉆桿循環。

(3)固井施工：嚴格按照固井設計進行固井作業施工,要求碰壓不漏,泄壓候凝48 h后進行測井及試壓，檢測固井質量。

2.3 連續油管及壓裂施工

(1)連續油管通洗井。管柱結構：梨型銑錐×0.3 m+馬達×3.92 m+扶正器×1.2 m+馬達頭總成×1.03 m+連接頭×0.23 m+?50.8 mm連續油管。洗井排量0.4-0.6 m3/min。

(2)下滑套開啟工具管柱。管柱結構(自下而上)：引鞋×0.25 m+滑套定位器×0.36m+封隔器×1.24 m+壓力平衡閥×0.78 m++噴射工具×0.37 m+安全丟手×0.51 m+連續油管接頭×0.6 m+連續油管至井口。

(3)連續油管帶開啟工具下到第一個滑套位置以下,上提工具，依次通過三個滑套位置，根據定位感應力的顯示，初步確定三個滑套深度。

(4)下放到第一個滑套位置以下，上提連續油管工具串，根據定位感應力的顯示，找準第一級滑套位置，坐封封隔器，油管打壓，打開第一級套管滑套。

(5)試擠驗證滑套是否正常打開，正替基液，第一層壓裂施工。

(6)上提連續油管解封封隔器。繼續上提到第二級滑套位置附近，根據定位感應力的顯示，找準第二級滑套位置，坐封封隔器，油管打壓，打開第二級套管滑套。

(7)試擠驗證滑套是否正常打開，第二層壓裂施工。

(8)重復(6)、(7)步驟完成第三層施工。

(9)起出連續油管進行完井投產。

3.施工情況及效果

該井套管滑套管柱入井順利，固井碰壓正常，井筒試壓合格。連續油管帶工具一次入井順利完成三層分層壓裂。施工中，滑套定位準確明顯，打開靈活可靠，封隔器層間密封穩定，轉層快速。累計注入地層總液量833.9 m3，平均單層入井液量278 m3，累計加砂量100 m3，單層最大施工排量6.0 m3/min，單層最大加砂量40 m3。滑套定位時，連續油管懸重由158 kN↑178 kN↓160 kN。滑套打開時，連續油管壓縮狀態懸重由40 kN↑60 kN。滑套打開壓力25～33 MPa。壓裂施工壓力(套壓)27～39 MPa，油壓25～50 MPa,最快施工轉層時間13 min(如圖4所示。)。壓裂后測試產量1.47×104 m3/d。

圖4 蘇5-X井第二級滑套打開及加砂壓裂施工曲線圖

四、結論與認識

(1)無限級套管滑套分段壓裂工具在蘇里格的試驗應用表明,滑套完井管柱入井順利，滑套定位準確明顯，開啟靈活，封隔工具坐封牢固，密封可靠，作業效率高，滿足了蘇里格致密砂巖氣藏分層(段)作業改造需要。該工具的自主研制成功為致密砂巖氣等非常規氣藏提供了一 種新的有效改造手段。

(2)該工具技術的成功實施主要體現在以下方面:①前期評層選井，地質工程設計，井眼質量控制是基礎；②固井作業中滑套順利入井、測井校深定位產層、固井施工準確碰壓是前提；③壓裂施工前，嚴格的通洗井作業是保障；④壓裂施工中，連續油管帶工具找準滑套位置、坐封可靠、打開滑套是關鍵。

(3)該工具及施工工藝技術具有壓裂改造針對性強，壓裂級數不受限制，作業后井通全通徑，方便后期作業的特點[4-5]。盡管該工藝需連續油管配合作業，但也能實現較大排量和規模的壓裂改造。建議下步提高無限級套管滑套的壓力等級，在中淺層頁巖氣井中試驗應用。