套損井小直徑壓裂封隔器研制及應(yīng)用

張 錕

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453;2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)試驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163453)

目前，大慶油田老區(qū)套損油井約2萬(wàn)余口，屬于地質(zhì)條件較好、剩余油相對(duì)富集的壓裂潛力井。但是，套管修復(fù)后最小通徑一般縮減至103～110 mm，現(xiàn)有的壓裂封隔器及配套工具僅能實(shí)現(xiàn)通徑大于108 mm井的1～3層壓裂施工，并且常規(guī)擴(kuò)張式封隔器普遍存在坐封不嚴(yán)、壓裂后無(wú)法起出管柱等問(wèn)題，導(dǎo)致大多數(shù)修復(fù)套損井無(wú)法進(jìn)行壓裂增產(chǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，有必要研究高性能的小直徑壓裂封隔器，支撐潛力井的增油穩(wěn)產(chǎn)和安全創(chuàng)效。

1 密封膠筒的改進(jìn)設(shè)計(jì)

封隔器的關(guān)鍵元件是具有密封能力的膠筒，膠筒的高溫力學(xué)性能是影響其密封能力的主要因素[1]。小直徑封隔器的膠筒在外徑和厚度變小的同時(shí)，在通過(guò)102 mm左右的套變點(diǎn)后，仍需要封隔原通徑為124 mm的套管環(huán)形空間，對(duì)于139.7 mm套管補(bǔ)貼井，傾向于采用高膨脹比的擴(kuò)張式封隔器進(jìn)行分層卡封[2]，并且解封后膠筒的殘余變形一般要小于5%。同時(shí)考慮膠筒一般要承受60～70 MPa、80～120 ℃的井下施工環(huán)境，因此膠筒材料要同時(shí)滿(mǎn)足耐溫耐壓、耐油耐磨、大膨脹比和殘余變形小等指標(biāo)，目前封隔器膠筒常用的材料為丁腈橡膠和氟橡膠。為了提高膠筒的密封承壓性能，并且減小壓裂后殘余變形，重新優(yōu)選了氫化丁腈橡膠材料，該材料具有優(yōu)異的耐油、耐磨和耐熱老化性能和較高的拉伸強(qiáng)度[3-4]，并通過(guò)加入納米添加劑進(jìn)一步增強(qiáng)抗張力和耐磨性能，以滿(mǎn)足封隔器的工況需求。

1.1 膠筒加固簾線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高工作性能，可在膠筒內(nèi)部采用加強(qiáng)材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[5]，目前擴(kuò)張式封隔器普遍采用錦綸或尼龍簾線、 聚酯簾線和鋼絲簾線等材料作為支撐以滿(mǎn)足大變形和高承壓需求[6]。錦綸簾線、聚酯簾線膠筒殘余變形小、擴(kuò)張量大[7-8]，但承壓性能低、密封性能差[9]；國(guó)內(nèi)常用重疊鋼帶式和鋼絲簾線式膠筒，膠筒承壓脹封后殘余變形大，上起管柱膠筒邊緣易出現(xiàn)裂紋，造成解封失敗[10]。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也表明，現(xiàn)有的鋼絲簾線式膠筒在多層壓裂施工后，外層橡膠磨損較嚴(yán)重，可能還會(huì)使鋼絲磨斷并在外力作用下呈放射狀散開(kāi)，間接導(dǎo)致工具串外徑變大，上提壓裂管柱遇卡的概率極大，如圖1所示。

圖1 壓裂施工后起出封隔器破損情況

另外，小直徑封隔器的膠筒由于厚度變薄，導(dǎo)致坐封失敗、上起管柱遇卡等問(wèn)題更加突出。為了提高膠筒強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)簾線加固方式的研究和計(jì)算，重新設(shè)計(jì)膠筒加固簾線的組合方式，并對(duì)鋼絲簾線式和鋼絲+芳綸組合簾線式的膠筒進(jìn)行室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，2種膠筒截面如圖2所示。試驗(yàn)的壓力和溫度傳導(dǎo)介質(zhì)為高溫導(dǎo)熱油，試驗(yàn)前先測(cè)量膠筒的外徑尺寸，然后將封隔器置于溫度120 ℃的導(dǎo)熱油中浸泡72 h，再放入套管試驗(yàn)裝置中進(jìn)行膠筒疲勞試驗(yàn)，如圖3所示。開(kāi)啟高壓泵加壓70 MPa使封隔器坐封，保持壓力穩(wěn)定30 min后泄壓，重復(fù)操作10次；試驗(yàn)完成后泄壓解封封隔器，移出套管并再次測(cè)量膠筒的外徑尺寸。膠筒殘余變形的計(jì)算式為：

式中：Δφ表示殘余變形量；φ表示試驗(yàn)后膠筒外徑，mm；φ0表示試驗(yàn)前膠筒外徑，mm。

圖2 鋼絲簾線膠筒與鋼絲+芳綸組合簾線膠筒截面對(duì)比

圖3 膠筒加壓室內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)結(jié)果表明，2種簾線方式的膠筒在溫度120 ℃、壓力70 MPa的條件下都能夠完成10次的坐封和解封動(dòng)作。通過(guò)測(cè)量計(jì)算，鋼絲簾線式的膠筒殘余變形量超過(guò)了6%，且鋼體和膠筒均發(fā)生擴(kuò)徑；鋼絲+芳綸組合簾線式膠筒的殘余變形量小于3%，鋼體未發(fā)生擴(kuò)徑。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。膠筒殘余變形情況如圖4所示。

表1 封隔器膠筒室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 兩種簾線方式的膠筒室內(nèi)試驗(yàn)后形貌對(duì)比

1.2 膠筒肩部角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

以前研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，肩部?jī)A角不能過(guò)小，也不能過(guò)大，傾角過(guò)小容易導(dǎo)致膠筒在很小的壓力下產(chǎn)生肩突，而傾角過(guò)大可能引起膠筒變形過(guò)大，而存在應(yīng)力集中，還會(huì)造成解封困難[11]。封隔器膠筒在膨脹過(guò)程兩端受到的約束作用比較明顯，并且從施工后起出工具觀察來(lái)看，膠筒肩部的破損占比也較高，所以對(duì)于膠筒端部位置的改進(jìn)對(duì)于整個(gè)封隔器影響重大[12]。膠筒肩部角度如圖5所示。

圖5 封隔器膠筒肩部角度示意圖

膠筒與鋼體之間作用力的主控參數(shù)為膠筒肩部角度和鋼體端部的內(nèi)接觸面傾角，并且考慮小直徑膠筒封隔油套環(huán)空需要更大的膨脹比，軸向和徑向上的應(yīng)力相應(yīng)增大。因此，通過(guò)力學(xué)計(jì)算并開(kāi)展8組不同肩部角度膠筒的室內(nèi)試驗(yàn)，確定合適的膠筒肩部角度，以減小應(yīng)力集中，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同肩部角度的膠筒殘余變形量對(duì)比

幾種不同肩部角度的膠筒殘余變形量相差不大，且均未超過(guò)3.3%，其中肩部角度為25°的膠筒殘余變形量相對(duì)最小。

為了進(jìn)一步緩解膠筒肩部的應(yīng)力集中，需要裝配有防護(hù)件，以前使用的主要有銅碗固化型和鋼網(wǎng)或鋼帶固化型2種[13]。結(jié)合以前設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工具使用情況，在膠筒肩部與鋼體之間優(yōu)化設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)尺寸的銅碗保護(hù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高膠筒的抗疲勞破壞能力，如圖7所示。

圖7 膠筒肩部保護(hù)結(jié)構(gòu)示意

2 鋼體和中心管的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 鋼體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

以前研究試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，常規(guī)封隔器的鋼體與膠筒接觸端面的接觸方式為線接觸，膠筒肩部和鋼體端部之間的接觸應(yīng)力較大，膠筒膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力容易將鋼體端面碗口處向外擠壓成喇叭口狀，導(dǎo)致擴(kuò)徑變形，出現(xiàn)坐封失效、壓后上提管柱遇卡等問(wèn)題，影響正常的壓裂施工及壓后投產(chǎn)，因此有必要對(duì)封隔器的鋼體材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在鋼體厚度減小且仍要滿(mǎn)足承壓指標(biāo)的條件下，將鋼級(jí)提高為40CrMnMo，并通過(guò)優(yōu)化調(diào)質(zhì)處理工藝提高其屈服強(qiáng)度。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算，改進(jìn)鋼體端面內(nèi)部的形狀，使膠筒坐封時(shí)與鋼體的接觸方式由原來(lái)的線接觸變?yōu)槊娼佑|，減小了局部接觸應(yīng)力，如圖8～9所示。

圖8 優(yōu)化前后鋼體端面內(nèi)部接觸應(yīng)力對(duì)比

各零部件之間的動(dòng)作和約束方面，通過(guò)在下鋼體的上部與膠筒之間增加間隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)膠筒下端的浮動(dòng)式密封，在獲得較大膨脹比的同時(shí)能夠減小鋼體對(duì)膠筒的約束應(yīng)力，提高鋼體和膠筒的可靠性，如圖9所示。

圖9 鋼體局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

通過(guò)力學(xué)計(jì)算確定滿(mǎn)足承壓指標(biāo)的鋼體尺寸。抗內(nèi)壓強(qiáng)度可參考如下公式計(jì)算[14]：

p=[(D2-d2)σs]/[n(d4+3D4)1/2]

式中：p為鋼體抗擠毀的內(nèi)壓力，MPa；σs為鋼體材料的屈服強(qiáng)度，MPa；D為鋼體外徑，mm；d為鋼體的內(nèi)徑，mm；n為安全系數(shù)，取值為1.5。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)的上下鋼體承壓可達(dá)81 MPa左右，能夠滿(mǎn)足油管壓力70 MPa的大排量壓裂改造需要。

2.2 中心管結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為解決膠筒內(nèi)腔進(jìn)砂和壓力傳導(dǎo)兩方面的問(wèn)題，通過(guò)前期多次加工試驗(yàn)，在不明顯降低抗拉強(qiáng)度的情況下，采用線切割的方式在中心管上設(shè)計(jì)割縫結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)濾砂與過(guò)液，使封隔器的坐封和解封功能更為可靠。通過(guò)不同割縫尺寸參數(shù)的力學(xué)計(jì)算和坐封解封室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)化中心管的割縫數(shù)量和長(zhǎng)度等尺寸參數(shù)，如圖10所示。同時(shí)，將連接扣型由常規(guī)錐形螺紋改進(jìn)為T(mén)型螺紋，防止上提載荷過(guò)大而斷脫。

圖10 中心管割縫結(jié)構(gòu)示意

結(jié)合力學(xué)分析和現(xiàn)場(chǎng)工況，對(duì)中心管的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核。壓裂施工中，當(dāng)封隔器作為下封使用時(shí)，中心管承受最大拉力為[15]：

式中：F為最大拉力，N；DT為套管內(nèi)徑，mm；pY為工況下的最大壓差，MPa；DY為油管外徑，mm；dY為油管內(nèi)徑，mm。

將現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)壓裂施工各項(xiàng)參數(shù)代入公式計(jì)算，得到F=767.4 kN。

中心管的最大許用拉力可估算為：

式中：[F]為最大許用拉力，N；D1為中心管外徑，mm；d1為中心管內(nèi)徑，mm；σs1為中心管材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

通過(guò)計(jì)算[F]=1 340.3 kN，大于工況下的最大拉力，能保證封隔器不被拉斷。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

對(duì)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)后的封隔器再次進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，模擬工況條件為120 ℃、70 MPa下穩(wěn)壓30 min后泄壓，重復(fù)10次操作后將封隔器解封，并分別測(cè)量上下鋼體和膠筒的外徑尺寸，評(píng)價(jià)封隔器的擴(kuò)徑情況。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和圖11所示，試驗(yàn)后封隔器形貌如圖12所示。

表2 新封隔器室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖11 新封隔器室內(nèi)模擬試驗(yàn)壓力加載曲線

a 室內(nèi)試驗(yàn)后封隔器整體形貌

b 室內(nèi)試驗(yàn)后封隔器鋼體外徑

c 試驗(yàn)后封隔器膠筒外徑

試驗(yàn)結(jié)果表明，小直徑高性能封隔器在120 ℃、70 MPa的條件下，重復(fù)坐封解封10次后膠筒和鋼體的擴(kuò)徑率都很小，且膠筒密封可靠。參數(shù)如表3。

表3 封隔器優(yōu)化前后參數(shù)指標(biāo)對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

目前累計(jì)開(kāi)展了80余口修復(fù)套損井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與推廣，該小直徑封隔器配套噴砂器、水力錨和防噴閥等工具，可順利通過(guò)最小通徑為102 mm的套變點(diǎn)，壓裂施工最高泵壓50.7 MPa，單趟工藝管柱最多壓裂層數(shù)11層；壓后管柱均正常起出且封隔器無(wú)變形及損壞，施工成功率100%，壓后單井平均日增油4.5 t，增油效果明顯，部分壓裂井的工程施工數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 部分修復(fù)套損井壓裂施工數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1) 研制的套損井小直徑封隔器在外徑和壁厚均減小的情況下，仍滿(mǎn)足承壓70 MPa、耐溫120 ℃的技術(shù)要求，并且能夠通過(guò)最小內(nèi)徑為102 mm的套管，密封承壓性能、耐溫和通過(guò)性能等指標(biāo)都優(yōu)于常規(guī)封隔器。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該封隔器及配套工具單次入井最多可完成壓裂11段，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了施工效率，實(shí)現(xiàn)了安全環(huán)保施工，解決了大量修復(fù)套損井無(wú)法實(shí)施多層段壓裂改造的問(wèn)題。

3) 該封隔器的研制及應(yīng)用為特高含水后期老區(qū)剩余儲(chǔ)量的挖潛動(dòng)用，以及套損井的高效精準(zhǔn)壓裂改造提供了技術(shù)手段，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。