壓裂完井一體化管柱設計及應用

謝韓娜

（大慶油田有限責任公司試油試采分公司，黑龍江大慶 163000）

以往大慶油田深層氣井套管內壓裂施工工藝單一，一趟壓裂管柱施工只能壓裂單層，無法一趟管柱壓裂多層施工，單井多層壓裂需要通過壓井作業后起出原壓裂管柱，經橋塞封層后上返更換壓裂管柱來完成下層施工，而且完井時不易全井投產。該方法不僅增加了施工工序，降低了施工效率，同時壓井作業次數多，增加了完井液用量，造成壓井液進入地層，造成儲層污染，產能下降，同時增加了井控風險。開展對深層氣井多層壓裂、完井一體化技術研究不僅能實現一趟管柱壓裂多層，利于多層同時投產，還能縮短施工工期，降低完井液用量，減少對地層的污染，同時降低作業成本，降低井控風險水平。

1 大慶油田深層氣井特點及對壓裂—完井一體化管柱需求

1.1 大慶油田深層氣井特點

大慶油田深層氣藏具有多樣巖性類型、巖性復雜、巖性巖相變化快、物性差、非均質、氣藏發育邊、底水、氣井自然產能低，且地面條件復雜等特點。與常規油井相比具有以下特點：

（1）地層深度深（3000～5500m），地溫梯度為3.8℃～4.1℃/100m，產層流體以天然氣為主，并辦有CO2氣體；

（2）巖石密度高、孔隙度低、滲透性差，壓裂改造規模大，施工壓力高，對井下壓裂工具的承壓、耐溫、耐磨要求高；

（3）儲層致密，反復壓井作業容易將天然氣流通的孔道堵塞，造成對儲層的傷害；

（4）作業風險高，壓后產氣量高，井控風險大；

（5）作業強度大，起、下井下工具需要的時間比較長。

1.2 壓裂—完井一體化管柱需求

為實現壓裂—完井一體化施工的要求，最大化地減少壓井狀態下的起、下管柱作業施工工序，實現一趟管柱完成多種工序作業，降低完井液壓井作業對儲層的污染，壓裂完井一體化管柱應該具有以下特點：

（1）工具能承受高溫高壓，在壓裂及完井過程中能夠長期密封油、套環形空間；

（2）內部進行抗打磨處理，保證壓裂加砂的過程中，工具安全可靠；

（3）具有鎖緊機構，防止油、套壓差過大封隔器失封；

（4）可有效分層、封層，實現多層逐級壓裂施工，壓后和排液求產。

2 壓裂—完井一體化管柱設計

2.1 油管選擇

大慶油田氣藏投入開發的主要是砂礫巖和火山巖兩種儲層，產出氣中普遍伴有CO2氣體，試氣時含量在0.5%～2.6%之間，隨著生產時間的延長部分井CO2含量升高。CO2溶于水形成碳酸后引起電化學腐蝕，普通的低碳鋼油管不能適應惡劣的腐蝕環境，油管使用壽命不能達到氣井的設計要求，油管腐蝕嚴重（如圖1所示）。

圖1 油管腐蝕圖

油管腐蝕主要受溫度、CO2分壓及pH值的影響：在60℃～110℃溫度區間內，局部腐蝕嚴重；CO2分壓增加，腐蝕速率呈增大趨勢；pH值增大可降低腐蝕速度。為防止氣井在生產后期油管腐蝕影響開采，降低開采風險，延長井下管柱壽命提高效益，壓裂—完井一體化管柱所用油管采用13Cr材質氣密封防腐油管，該油管具有耐高壓、抗腐蝕、氣密封性能好的特點。

2.2 工具選擇

根據氣井特點及管柱需求，結合壓裂改造規模，優選了完井生產封隔器+Y241+Y341的工具組合。需要一次性下入多層壓裂封隔器和生產完井封隔器組合，實現壓裂期間的分層密封和壓裂后的完井生產封隔器的長期密封可靠。

2.2.1 壓裂、生產封隔器

SHP封隔器是一種一趟管柱作業的液壓封隔器，主要用于一趟管柱作業射孔和完井系統，利用壓差使井下工具坐封，具有三級膠筒、雙向卡瓦的特點，可承受上部及下部的壓力、載荷。

（1）SHP封隔器結構、特點：①設計可承受1000PSI壓差；

②特殊材料可承受325°F（163℃）工作溫度；

③多個膠筒串聯可以保障坐封后密封穩定性；

④獨有的棘輪鎖環結構保持鎖緊坐封力，使坐封力持久有效；

⑤雙向卡瓦能承受來自上、下方向的壓力差；

⑥有效錨定于套管的任意部位；

⑦上提解封，操作簡便；

⑧內通徑大。

（2）工作原理。SHP封隔器與配套的液壓坐封工具連接，將工具管串送入井內。下到預定位置后，向坐封工具內投入坐封球，通過油管打壓，坐封工具活塞運動，產生推力，坐封封隔器卡瓦和膠筒。坐封工具獨有的機構保證傳遞給封隔器足夠的坐封力的同時，確保有效丟手。丟手后，封隔器上端鎖環能夠持續保持坐封力，保證環空密封。解封時，下入專用解封工具，錨定于封隔器上方，上提管柱，可以釋放解封環，繼續上提解封封隔器，回收管柱。

SHP封隔器(如圖2所示)應用在一體化聯作管柱中時可以通過堵塞封隔器下部油管內通道，逐級加壓坐封封隔器，實現有效密封封隔油套環形空間。

圖2 SHP封隔器示意圖

主要技術參數：外徑：114.6mm；內徑：71mm；長度：1893.14mm；抗內外壓差：70MPa；耐溫：150℃；上下扣型：2-7/8″UPTBG/3-1/2″/BGT-1(可按需求)。

2.2.2 Y241封隔器的組成

Y241封隔器由錨體、蝶簧、水力錨塊、膠筒、內芯管、鎖套、卡瓦、活塞、解封套、連接頭、下接頭等組成（如圖3所示）。

圖3 Y241封隔器示意圖

主要技術參數：外徑：115mm；內徑：60mm；長度：1750mm；抗內外壓差：50MPa；耐溫：150℃；上下扣型：2-7/8″UPTBG。

2.2.3 Y341封隔器的組成

Y341裝置由上接頭、解封剪釘、外芯管頭、膠筒、防中途座封剪釘、外芯管、鎖套、卡瓦、調節套、內芯管、活塞、連接頭、下接頭組成（如圖4所示）。

圖4 Y341封隔器示意圖

主要技術參數：外徑：115mm；內徑：60mm；長度：1170mm；抗內外壓差：50MPa；耐溫：150℃；上下扣型：上3″UPTBG、下2-7/8”UPTBG。

該工具組合具有以下特點：

（1）采用液壓坐封方式，一次逐級打壓坐封全井多個封隔器，膠筒膨脹均勻、充分，保證了封隔器的密封；

（2）限位槽設計，防止膠筒過度擠壓；

（3）機械鎖緊設計，保證一定油、套壓差下的封隔可靠性；（4）水力錨設計，防止壓裂過程中管柱發生蠕動；（5）高溫膠筒保護裝置，膠筒在高溫高壓容易發生肩凸，為防止發生肩凸，需采取相應措施；

（6）高溫橡膠，需滿足井內溫度不大于170℃的井況下長期密封；

（7）耐磨鋼級，保證封隔器在大排量加砂的情況下，不會被拉斷也不會被沖刷。

2.3 深層氣井壓裂完井一體化管柱結構

為滿足深層氣井多層壓裂及完井一體化施工的需求，滿足壓裂施工排量需求以及環保、高效施工的需求，設計多層壓裂完井一體化管柱。管柱示意圖如圖5所示。

圖5 壓裂—完井一體化管柱示意圖

管柱結構特點：

（1）一趟管柱實現多層壓裂、試氣、完井工藝，實現多種作業聯合施工，無需起下作業更換管柱；

（2）減少壓井作業次數，避免壓井液倒灌地層，降低儲層污染；

（3）降低了施工井控風險及勞動強度，縮短了施工周期，提高了勞動效率；

（4）使用耐腐蝕氣密封油管完井，降低CO2腐蝕油管風險，降低了后期維護成本。

3 現場應用

深層氣井多層壓裂完井一體化管柱在FS4-1井進行了應用，成功進行不動管柱壓裂三層施工，及后續的試氣、完井工序施工。

3.1 井筒準備

為了使壓裂完井一體化管柱能夠下得去、坐得住、封得嚴，需進行井筒處理準備。

（1）射 孔 后 下 入 底 部 帶?116mm×1200mm通井規+GX-T140刮削器的通井刮削管柱，下入?88.9mmEUE油管306根，落實井筒通徑情況；

（2）對封隔器坐封位置及射孔井段上下30m處反復刮削三次；

（3）在井場要檢查下井封隔器、密封接頭、控制開關等工具扣型，測量工具內外徑及長度。

3.2 施工步驟

3.2.1 下完井管柱

下入壓裂完井一體化管柱，累計下入?73mm BGT1 13Cr-110氣 密 封 油 管294根，1m?73mm BGT1 13Cr-110氣密封短節1根，2m?73mmEUE油管短節2根，壓裂工具（生產封隔器及坐落裝置、Y241封隔器1個、Y341封隔器3個、控制開關2個、密封接頭2個、坐封噴砂一體控制器），?73mmEUE油管6根，寶鋼母扣轉變為外加大公扣的變扣一個。

3.2.2 管柱校深、調整管柱

油管內電纜校深，調整管柱，下入?73mm BGT1 13Cr-110氣密封油管1根，1m?73mm BGT1 13Cr-110氣密封短節2根，2m?73mm BGT1 13Cr-110氣密封短節3根，油管掛專用變扣一個，用?59mm通徑規逐根通徑，并使油管掛座掛在井口。

3.2.3 注環空保護液、打壓坐封封隔器

（1）環空注入環空保護液25m3，替液速度小于0.5m3/min。

（2）鋼絲作業投入平衡桿坐落裝置封堵油管通道。

（3）上提管柱0.6m，管柱懸重350kN，敞開環空，千型泵車向油管內逐級打壓13MPa穩壓5min、18MPa穩壓10min、25MPa穩壓10min、33MPa穩壓15min。

（4）下放管柱0.6m，管柱懸重降至320kN，SHP壓裂完井封隔器坐封，井口坐油管掛。

（5）鋼絲撬打撈平衡桿，上提10m，環空打壓15MPa，穩壓15min，壓力不降，試壓合格。

（6）鋼絲撬打撈堵塞器。

（7）向油管內投?35mm球，自由降落1h，撬裝泵向油管內逐級平緩打壓8MPa穩壓5min、12MPa穩壓5min、15MPa穩壓5min，繼續加壓至21MPa，壓力表瞬間下降5MPa，底部開關打開。Y241、Y341分層壓裂封隔器坐封。下放管柱0.6m，管柱懸重降至320kN，封隔器坐封，井口坐油管掛。

3.2.4 安裝壓裂井口、壓裂試氣

（1）拆2FZ18-70防噴器，裝全KQS105/78型采氣樹，井口連接壓裂立管，匯接于地面壓裂管線，試壓合格。

（2）壓裂過程中根據現場情況，從環空打背壓；依據《FS4-1井壓裂施工作業指導書》壓裂施工，順利完成。

（3）試氣（10mm油嘴，兩相分離器分離、測氣。臨界流量計計量，孔板14mm，油壓7.94MPa，套壓6.78MPa，日產氣30103m3，日產水76.80m3）結束后直接完井。完井管柱結構圖如圖6所示。

圖6 壓裂—完井一體化管柱結構示意圖

3.3 應用效果

（1）一趟管柱完成3層壓裂、試氣、完井施工，減少起、下管柱6趟；

（2）壓裂、試氣期間封隔器工作良好，有效密封油、套環形空間，保證了壓裂、試氣施工的正常進行；

（3）降低了壓井液使用，防止儲層污染，降低施工成本；

（4）縮短了施工周期4d，減小施工強度，提高了生產效率；降低了井控風險，提高了施工安全性。

4 結論

通過深層氣井壓裂—完井一體化管柱技術在FS4-1井的應用，初步體現了深層氣井一體化管柱技術在深層氣井施工中的優勢，形成了一套比較完整的工藝技術。能夠提高生產效率，提升井控安全管理水平，還能縮短施工周期、減少完井液對地層的污染。具有廣闊的應用前景，可應用于地層巖石密度高、孔隙度低、滲透性差，壓裂改造規模大，施工壓力高的深層氣井。