超大粒徑暫堵劑注入裝置研究

施建國，于 洋，王 黎，李 立，宋志龍

(1.中原石油工程有限公司 井下特種作業公司，河南 濮陽 457164； 2.中國石油和石油化工設備工業協會，北京 100825)

隨著石油勘探開發的深入發展，暫堵轉向重復壓裂技術成為低滲透儲層改造的主要技術[1-3]。該技術的關鍵是暫堵劑的性能及注入設備的可靠性。由于我國對暫堵轉向重復壓裂技術研究起步較晚，超大粒徑暫堵劑注入設備的研究相對滯后[4-6]。

壓裂施工過程中，實時向地層中加入暫堵劑，流體遵循向阻力最小方向流動的原則[7]，暫堵劑進入地層中的裂縫或高滲透層，在高滲透帶產生濾餅橋堵，可以形成高于裂縫破裂壓力的壓差[8]，后續流體不能進人裂縫和高滲透帶，使壓裂液進入高應力區或新裂縫，促使新縫的產生和支撐劑的鋪置發生變化?，F場進行暫堵壓裂時，需租賃國外公司的泵送裝置，施工成本較高，且僅能泵注粒徑5 mm以下的顆粒暫堵劑。目前，國內暫堵注入裝置采用閥密封方式，因其密封面較寬(12～18 mm)，當暫堵劑為超大粒徑(5～8 mm)的不規則固體顆粒時，過流性能較差，常出現注入泵閥被暫堵劑墊空不回位，造成高、低壓端連通，導致低壓管線憋爆，迫使壓裂施工中斷，甚至損壞設備的問題，無法滿足施工要求。

本文針對上述問題，通過室內強度性能、過流性能及地面模擬試驗，開展了注入裝置液力端易失效核心部件及組合閥箱的研制，以期提高暫堵轉向壓裂的施工成功率。

1 超大粒徑暫堵劑注入裝置

1.1 技術原理

超大粒徑暫堵劑注入裝置由液力端和動力端組成，液力端組合閥箱采用雙層低壓閥箱結構，動力端采用曲柄連桿機構。將液力端易失效的閥密封面由原來的面密封改為近似線密封方式，當球形閥芯關閉時，在壓力作用下超大粒徑顆粒暫堵劑被擠出密封面或截斷，不會卡墊控制閥。該結構增強了籠式閥泵注超大粒徑暫堵劑時的過流性能，使注入裝置滿足粒徑1～8 mm不規則顆粒暫堵劑的泵注要求。

1.2 籠式閥

1.2.1 結構

籠式閥主要由閥座、導向架、球形閥芯、壓縮彈簧及彈簧扶正器等組成，如圖1所示。導向架采用頂部敞開的籠形直筒式結構，并在球形閥芯上部設計了安裝在彈簧扶正器上的圓錐螺旋壓縮式彈簧，有效提高了閥的抗沖擊力性能。球形閥芯與閥座采用近似線密封方式，球形閥芯在導向架的徑向限位和軸線導向作用下，沿閥座軸線移動，提高了球形閥芯與閥座之間的同軸度，保證了其密封可靠性。閥座、導向架及球形閥芯采用滲碳或滲氮處理，以增強其抗沖擊性能和耐磨蝕性能。

圖1 籠式閥結構示意

1.2.2 密封方式

籠式閥的密封靠閥座與閥芯的接觸面及密封圈共同作用而實現。閥芯采用球面設計，閥座與球形閥芯接觸點設計為近似直角形式，接觸面為與閥芯相切寬度為0.3 mm的錐面，二者接觸面為近似線性密封方式，如圖2所示。

當閥關閉時，由于密封面寬度較小，大顆粒介質被擠出密封面，避免了因密封面被卡墊而無法有效關閉的問題。

圖2 單球面近似線性密封結構示意

1.2.3 主要技術參數

籠式閥適用暫堵劑顆粒粒徑1～8 mm，過流排量0.5～0.75 m3/min，最高工作壓力70 MPa。主要技術參數如表1所示。

表1 籠式閥主要技術參數

1.2.4 密封面強度校核

籠式閥球形閥芯采用GCr15材質，其抗拉強度為861.3 MPa、屈服強度為518.42 MPa；閥座采用20CrMnTi，其抗拉強度為1 080 MPa、屈服強度836 MPa。建立三維力學模型后導入有限元分析軟件，分別在球形閥芯密封面上部加載15、45及70 MPa壓力，受力分析結果如圖3所示。閥在密封接觸面處有應力集中現象，且隨著閥體所受壓力增加而增大；密封接觸面處最大應力為645 MPa，未超過材料的屈服強度836 MPa。因此籠式閥密封面強度滿足設計要求。

圖3 加載不同壓力時閥的應力云圖

1.3 組合閥箱

籠式閥整體強度及過流性均滿足了施工需要，但仍存在偶爾卡墊的現象，且在停泵一段時間重新啟動時，由于低壓閥箱閥接觸面無法在靜止狀態下達到百分之百的密封，具有慢滲透性，致使閥箱內形成空腔，再啟動時無法運轉，需要重新清洗閥箱及檢泵工序，嚴重影響了施工的連續性。因此液力端采用二層低壓組合閥箱[9-10]，如圖4所示。

在主閥箱和低壓砂包之間設計一個截流閥箱，在低壓端形成雙重密封，截流閥箱內設置有與吸入孔內低壓閥導流方向相同的截流閥。當注入裝置液力端向排出孔排液時，如果吸入孔中的低壓閥被固體顆?？▔|無法關閉，高壓液流會從低壓閥通過進入截流閥箱，在截流閥箱中被截流閥截流，防止高壓液流進入低壓砂包中，確保了液力端的整體密封性，同時截流閥箱內的液體也能減緩壓力對閥箱的沖擊，避免了空泵現象的發生[11-16]。

圖4 組合閥箱結構示意

2 室內及地面模擬試驗

2.1 強度性能試驗

現場的暫堵劑泵注壓力通常不高于35 MPa，平均單次施工周期1 h，施工總沖次數12 000次。采用脈沖試驗臺模擬在壓力70 MPa、脈沖撞擊試驗15 000次、單次脈沖周期5～6 s的工況下，籠式閥受力交替循環變化時，測試密封面的強度性能及密封可靠性[17-20]。脈沖測試結果顯示：球形閥芯表面僅有輕微磨蝕，不影響其工作性能。因此，閥密封面強度及密封可靠性滿足設計要求。

2.2 過流性能試驗

在供液壓力0.3 MPa，泵壓30 MPa條件下，記錄注入裝置在不同擋位的排液情況，如表2所示。注入裝置泵注粒徑5～10 mm、質量分數5%～15%的暫堵劑過流性能良好。設計的籠式閥過流最大間隙24 mm，通常暫堵劑顆粒在堆積通過時的最大尺寸為12 mm左右，控制閉合面為1 mm。注入裝置輸注粒徑為5、8及10 mm的暫堵劑時，過流性能滿足要求。

表2 過流性能試驗數據

2.3 地面模擬試驗

超大粒徑暫堵劑注入裝置地面模擬試驗22次，采用循環加壓和單向加壓2種試驗方式。研制試驗籠式閥9套，改進液力端閥箱4次，設計出獨特雙層低壓組合閥箱，進液管匯安裝了安全泄壓閥。

表3 地面模擬試驗數據

3 現場應用

該注入裝置在普光氣田碳酸鹽巖儲層1口井、四川盆地渝西區塊1口井進行了現場應用，單段最大泵注暫堵劑量750 kg，最大顆粒粒徑8 mm，最大顆粒質量分數10 %，最高泵注壓力74.5 MPa，泵注成功率100 %。其中，P井設計暫堵壓裂3層，暫堵材料采用粒徑1～8 mm的顆粒暫堵劑(如表4)，施工過程中未出現脫砂、砂堵、設備井筒堵塞等情況。P井暫堵施工曲線如圖5所示，該井酸壓前日產氣14萬 m3，酸壓后日產氣70.4萬 m3，增產效果顯著。

表4 P井暫堵層段施工參數

圖5 P井暫堵施工曲線

4 結論

1) 采用近似線密封方式的籠式閥能有效提高注入裝置的過流性能，避免因密封面被卡墊而無法關閉的問題。

2) 籠式閥的設計充分考慮了沖擊力對結構強度的影響，以及閥在循環交變作用力影響下的疲勞破壞安全隱患。在壓力70 MPa，脈沖撞擊15 000次，單次脈沖周期5～6 s的工況下，閥的強度和密封可靠。

3) 注入裝置液力端采用3層高低壓組合閥箱設計，適應最高壓力70 MPa的泵注要求，能有效防止高壓液流進入低壓砂包中，確保了液力端的整體密封性，避免了空泵現象的發生。