超深高溫高壓氣井機械分層壓裂管柱研究及應用

宋鵬舉，徐路，王甲昌，李彥召，陳飛

中國石油塔里木油田分公司安全環保與工程監督中心（新疆 庫爾勒841000）

0 引言

隨著勘探開發進程的發展，塔里木油田勘探開發難度越來越大，油氣井的深度越來越深，溫度和壓力也越來越高，尤其是塔里木油田庫車山前區塊，多數井深超過7 000 m，井口壓力超過100 MPa，井口溫度超過100℃，儲層以低滲透砂巖為主，物性較差，面對極端的地質條件，對勘探開發技術提出了更高的要求。要取得較高的產量就需要對儲層進行改造，壓裂改造技術已成為低滲透、超低滲透油氣藏增產的主體技術手段，若采用“一套層系”的開發系統，層間矛盾突出，“籠統壓裂”沒有擺脫“一套層系”開發思維，不能解決層間矛盾干擾的嚴重問題[1-5]。已往的機械分層壓裂工藝主要是針對中淺井，常規封隔器耐壓強度、封隔密封效果均無法滿足超深高溫高壓工況要求，另外超深高溫高壓氣井機械分層管柱封隔器間較大的軸向應力也是需要面對的棘手問題，在實踐中采用THT永久式封隔器，以及在封隔器間增加高強度伸縮管，較好地解決了以上問題。

塔里木油田超深高溫高壓氣井主力儲層主要分布在庫車山前白堊系巴什基奇克組，層間非均質性較強，儲層縱向跨度大，滿足機械分層要求。由于儲層縱向應力差較大，儲層改造若采用籠統改造難以實現均勻改造目的，為適應勘探開發的要求，彌補現有技術缺陷，同時降低儲層改造作業成本，針對性地進行工藝參數優選，使不同層系均達到最優的開發狀態，充分挖掘非主力層潛力，解決層間矛盾突出問題，提高采收率，獲取最大的經濟效益。探索出采用機械分層是實現儲層改造的最佳方式，研制了能夠滿足適應庫車山前超深高溫高壓氣井極端工況，可實現機械分層壓裂-完井投產一體化管柱。該管柱的研制為科研技術人員對管柱受力分析及復雜工藝設計提供了理論指導[6-9]。

1 技術分析

超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-完井投產一體化管柱結構自上而下依次為POP球座+油管+壓裂滑套2+油管+127.0 mm(5")THT封隔器+油管+壓裂滑套1+油管+伸縮管+油管+177.8 mm（7"）THT封隔器+油管+SP井下安全閥+油管+油管掛。該管柱創新性地設計了適用于高壓井的永久式封隔器，解決了一般封隔器坐封效果不好而導致竄層的難題，并且為消除在酸化、壓裂改造產生的軸向應力，該管柱配置了伸縮管。

超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-完井投產一體化管柱的封隔器用于封隔產層，防止竄層及避免地層能量進入環空起到保護套管作用；伸縮管主要起到消除儲層改造過程中封隔器間管柱軸向應力過大；投球壓裂滑套起到溝通所改造的目的層的作用。

1.1 油管材質選擇

高溫高壓極端工況下一般材質油管更容易腐蝕甚至開裂、穿孔。開裂、穿孔等隱患較難預測及防范，研究發現單井綜合含水率較高情況下，油管材質腐蝕更為嚴重。由于P110鋼級油管無法滿足超深高溫高壓氣井極端工況，研究了不同鋼級油管抗腐蝕性[10]。為保證超深高溫高壓氣井在改造作業及生產過程中的井筒完整性，創新性地提出了模擬井筒全生命周期的油管選材、選扣的方法。通過試驗評價，超級13Cr可以在不超過170℃環境中使用，大于170℃時，采用15Cr材質。

1.2 油管尺寸選擇

超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-完井投產一體化管柱在壓裂過程的注入流量很大，或者正常生產時流量很大，油管內流體必將承受較大的摩阻。摩阻損失過大，也將影響壓裂施工或者氣井正常生產。

運用PIPESIM軟件對不同規格型號油管在生產時進行模擬分析，結果如圖1所示，Φ73.0 mm(內徑62 mm)、88.9 mm(內徑76 mm)和Φ114.3 mm(內徑95 mm)油管的摩阻損失均可以滿足要求。在考慮經濟性及井況的情況下，采用Φ114.3 mm、Φ88.9 mm及Φ73.0 mm的油管組合配置。

圖1 不同尺寸和產氣量下油管摩阻對比

1.3 工藝原理及特點

根據塔里木油田庫車山前高溫高壓油氣藏地質特征，要求所采用完井管柱要需滿足壓裂改造、正常自噴生產、替液排液等要求。

1.3.1 替液、坐封、驗封

超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-完井投產一體化管柱按設計結構連接入井。在調整好封隔器坐封位置后，將井筒內原井泥漿替成鹽水，然后投球1于POP球座并在油管內逐級加壓，隨著壓力的升高，127.0 mm(5")和177.8 mm（7"）THT永久式封隔器分別完全坐封。環空反加壓驗封，若驗封合格，則繼續正加壓至球座被擊落。然后再投球2坐于壓裂滑套2（APR全通徑），分級加壓直至球2落到井底，下層油氣通道打開。

1.3.2 壓裂改造

由于儲層在鉆井過程中可能發生儲層傷害或者由于層間矛盾突出，導致油氣井產量較低，如果要最大程度提高產能就需要進行儲層改造，目前儲層改造最好的方式就是分層壓裂。超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-完井投產一體化管柱一般先壓裂改造下層，下層改造完成后投球3至壓裂滑套1，分級加壓至打開壓裂滑套1，溝通上部儲層流動通道。球3為可溶解球，并沒有立即落入井底，而是起到暫堵下部儲層作用。超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-完井投產一體化管柱能夠承受較高的壓力，實現不動管柱直接進行分層壓裂作業。

1.3.3 工藝特點

超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-完井投產一體化管柱具有依靠永久式封隔器錨定管柱和伸縮管補償軸向應力功能，在油氣井生產、大型壓裂改造過程中可克服常規完井管柱弊端，增強完井管柱完整性；該一體化管柱，簡化了施工工序，縮短了作業周期，降低了施工成本[10-11]。

2 配套工具

2.1 永久式封隔器

THT永久式液壓封隔器是專為高溫高壓、超深井設計的完井工具。該封隔器不受靜壓限制。該類型封隔器采用一次性管柱完井，提高了工作效率，節約了成本；獨特的密封元件設計，提高了持久密封和抗壓差性能；適合大尺寸油管完井，保持管柱的全通徑，方便后期繩纜作業；封隔器坐封操作簡單，可靠性強，成功率高。地面管線內加壓，液壓經工具下部傳壓孔作用在活塞底部，剪斷銷釘后上推下部卡瓦總成向上運動，從而上推密封總成帶動錐體剪斷上卡瓦固定銷釘后撐開上瓦塊，錨定在套管內壁。密封總成繼續受壓，使膠筒膨脹并密封油套環空。該封隔器的軸心采用整體軸心，封隔器整體密封只有膠筒一道密封，具有可靠的密封性能，一旦坐封，就會永久保持錨定。

2.2 壓裂滑套

壓裂滑套是一種在封隔器之間采取滑套來形成生產和壓裂液流通通道的工具。投球滑套通過投球后加壓剪切球座來開啟，在壓裂施工中可以在前一次壓裂結束，第2層壓力開始時投入相應尺寸的球來完成連續壓裂施工。這種方式可以大幅減少壓裂施工時間，并且容易執行連續多層壓裂[12-13]。

2.3 伸縮管

伸縮管是適用于高溫高壓、測試生產完井及酸化壓裂措施井的一種補償管柱，用于補償因壓力、溫度等因素引起管柱伸長或收縮量的專用工具。伸縮管具有承壓能力強，最高可承70 MPa壓差，密封可靠，伸縮行程大，單只伸長量最多達3 m；可調節式開啟銷釘組合，剪切力可在需要范圍調整；另外可以在任意位置傳遞扭矩。可以根據井況的不同需要，在入井前預先設定其銷釘鎖定位置和數量，在作業過程中當管柱產生軸向應力伸長所造成的力超過銷釘的剪切值時，銷釘剪斷，工具進入伸長或壓縮行程，從而降低或消除管柱作用在封隔器或井口上的力，確保封隔器和井口在作業過程中的密封狀態[14-16]。

3 一體化管柱受力分析

超深高溫高壓氣井在壓裂改造、生產過程中管柱受力情況較為復雜。在生產、壓裂改造過程中，管柱在多種因素的綜合作用下將產生彎曲效應、胡克效應、溫度效應和壓力效應等［10］。

該一體化管柱是一組帶2個永久式封隔器的管柱，永久式封隔器對于保證管柱在各種工況下的密封性起到至關重要作用。一體化完井管柱要求具備不動管柱實現正常生產、壓裂改造作業等功能，設計一體化完井管柱時必須考慮管柱的完整性及完井工具性能是否滿足超深高溫高壓油氣藏的極端工況的要求[17]。

3.1 管柱伸長量

超深高溫高壓氣井在進行大規模儲層改造作業時，完井管柱的軸向變形主要是管柱自重、溫度效應、壓差作用、彎曲變形4種作用產生的變形量的總和。如果完井管柱在儲層改造作業過程中的變形量超過管柱額定負荷，將導致完井管柱及完井工具承受較大的應力，這可能導致管柱失效[10]。因此，預測管柱在各種工況的伸縮變形量，為消除管柱伸縮變形量，保證管柱安全，就需要配置相應長度的伸縮管來消除在極端工況下產生的軸向應力而避免完井管柱及完井工具失效。

采用WELLCAT軟件模擬預測一體化管理柱在各工況下的收縮量。全井管柱在空氣中的抗拉安全系數為2.19，管柱剩余拉力在1 027 kN上。在密度2.13 g/cm3的壓井液中的抗拉安全系數為2.99以上，管柱剩余拉力在1 047 kN以上，管柱抗拉強度滿足正常作業要求。

3.2 封隔器受力分析

永久式封隔器和水力錨配合使用，使永久式封隔器能夠承受雙向壓差，在儲層改造作業時可以保護儲層以上部分的套管，一體化完井管柱中永久式封隔器在不同工況下封隔器的受力預測見表1。

據表1所示，儲層改造作業時不同改造排量下雙封隔器間油管伸縮量為0.782～0.844 m，最大軸向載荷為400 kN。為補償改造期間油管軸向應力導致的封隔器受力過大，在雙封隔器間配置1.5 m的伸縮管，從而消除過大的軸向應力來平衡封隔器受力[18-19]。

表1 各種工況下封隔器受力伸縮量預測結果

3.3 管柱強度校核

油管柱受到管柱自身重力、壓差作用、溫度作用和彎曲變形等效應產生的力可用三軸應力來表示。該力以Hencky-Mises的應變能量理論為基礎[10]，通常也被稱為馮米塞斯力，若管柱結構的三軸應力超過屈服強度，完井管柱將發生屈服失效。

在研究三軸應力過程中繪制三軸應力橢圓可以直觀地比較API額定值與三軸應力值，如果管柱受力載荷安全可靠則在三軸應力橢圓內，利用WELLCAT模擬計算一體化管柱在各種工況下所受的載荷。若管柱所受的載荷均在橢圓內，表明該一體化管柱的配置滿足工況要求。

不同工況下的三軸安全系數沿管柱的分布，如圖2所示。完井管柱在不同工況下最薄弱的位置在1 000 m(88.9 mm和油管的變徑處114.3 mm)，此處最為危險，井口位置的三軸安全系數也較低，因為井口處承受著全井段管柱的自重作用。根據軟件模擬結果，完井管柱在不同工況下的三軸安全系數均大于規定的安全系數（1.500），這表明設計的完井管柱可以滿足實際需要。

圖2 管柱三軸應力分布圖

4 現場應用

4.1 基本情況

中秋1井是塔里木油田的一口重點探井。該井位于塔里木盆地庫車坳陷秋里塔格構造帶中秋段中秋1號背斜構造。井深6 220 m，地層壓力120.78 MPa，地層壓力系數2.01，溫度146.5℃。目的層在古近系砂礫巖段、白堊系巴什基奇克組，儲層厚度109 m，物性分布不均勻，儲層間滿足機械分層要求，滿足壓裂工具坐封、控制縫高及防止壓裂裂縫竄壓提供較好條件。

4.2 壓裂工具的選擇

依據該井儲層構造特征實際情況，采用雙層機械分層工具對中秋1井白堊系巴什基奇克組儲層進行分層壓裂改造（表2）。

表2 壓裂工具技術參數

采用127.0 mm(5″)+177.8 mm（7″）THT永久式液壓封隔器組合，永久式液壓封隔器具有良好的耐溫性和密封性，可保證壓裂施工工藝的成功。壓裂滑套球座可以保障加壓打開壓裂滑套和堵球落座密封性能要求。

4.3 壓裂工藝優化

根據測井解釋相關資料，壓裂起裂點優選儲層氣測顯示比例高、物性分布好的層段；選擇封隔器坐封位置時，優先考慮在儲層電性解釋較差并且井段物性較差的泥質砂巖段。按照大型壓裂隔層厚度不小于15 m的原則，采用中等加砂規模、中低砂比，造中長縫作為設計的主導思想[12]。該井具體施工參數見表3。

表3 中秋1井壓裂施工參數

4.4 應用效果分析

中秋1井儲層改造分層壓裂2段，共進行了3次投球，各階段施工均達到設計預期，在壓裂改造過程中，上下封隔器密封完好，目的儲層均被有效壓開，加砂壓裂后形成獨立的裂縫系統。該井在加砂壓裂后排液過程中地層噴通，加砂壓裂改造效果顯著，通過地面調產產氣量至53.0×104m3/d，油壓83 MPa保持穩定，與早期地層測試相比產能提高了2倍。

5 結論

1）通過對塔里木油田秋里塔格構造帶中秋1井含油氣層系進行地質力學、構造特征、各層系跨度及施工工藝等方面進行分析，該區塊可以實現分層壓裂改造。

2）現場實踐表明，超深高溫高壓氣井機械分層壓裂-投產完井一體化管柱的現場應用形成了一套較為成熟的技術體系，較好地解決了庫車山前地區超深高溫高壓氣井層間矛盾突出，層間物性差異較大，層間跨距變化大，單層逐層改造成本高等問題，為后續該區塊整體開發探索出了有效的技術途徑。

3）該工藝對多層改造效果好，可以最大程度提高儲層動用率，作業成本較常規壓裂低30%左右。

4）該工藝可以準確地定位造縫位置，進行精準壓裂改造，不會在井筒其他位置產生裂縫，具有較高的推廣應用價值。