疏松砂巖水平井分段壓裂分層開采一體化工藝研究

摘 " 要：針對疏松砂巖具有高孔、高滲、且強度低、塑性強的特點，裂縫起裂與延伸機理較為復雜，儲層非均質性強，裸眼水平井全井段單次壓裂起裂位置具有不可控性。壓裂充填是為了提高疏松砂巖儲層產能，增強低滲層導流能力，解除近井地帶污染，實現防砂、增產、調剖和控水等多重目的的有效技術手段。通過對水平井全井段單次壓裂和多段壓裂的產能模擬對比分析，結果表明，疏松砂巖裸眼水平井分段壓裂是可行的、必要的。研制了一套適用于疏松砂巖地質的裸眼水平井分段壓裂、分層開采一體化工藝管柱。該工藝管柱通過裸眼封隔器對長水平段進行封隔，每層段設置有雙層復合篩管、充填滑套、生產滑套和循環滑套，其中雙層篩管基管不打孔。一趟管柱下入即可實現裸眼水平井分段壓裂充填防砂作業，且留井管柱保留有分層開采手段，無需后期單獨下入分采管柱即可選擇性隔離含水、含氣儲層。該工藝管柱可為海上疏松砂巖儲層的高效開采、防砂控水提供新的思路和方向。

關鍵詞：疏松砂巖；水平井；分段壓裂；分層開采；一體化管柱

中圖分類號：TE934 " " " " 文獻標志碼：B " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.06.012

Study on the Integrated Technology of Segmented Fracturing and Stratified Mining of Unconsolidated Sandstone Horizontal Wells

ZHANG Lun，XU Fengxiang，ZHANG Congcong，CHEN Shaohang，XU Haizhen，ZHENG Jiuzhou，YANG Lijun，WANG Yuming

（ China Oilfield Services Limited， Tianjin 300459，China）

Abstract： Frac-packing is an effective technical means to improve the productivity of unconsolidated sandstone reservoirs， to enhance the conductivity of low permeability layer， to relieve the contamination near the well， and to achieve sand control， yield increase， profile control and water control. Unconsolidated sandstone has the characteristics of high porosity and high permeability， low strength and strong plasticity， complicated fracture initiation and extension mechanism， strong reservoir heterogeneity， and uncontrollable fracture initiation position in the whole well section of open-hole horizontal wells. The results show that it is feasible and necessary to stage fracturing of open-hole horizontal wells in loose sandstone through the comparative analysis of productivity simulation of single fracturing and multi-stage fracturing. A set of integrated technologies of stage fracturing and stratified mining for open-hole horizontal wells in loose sandstone geology is developed. In this process， the long horizontal section is sealed by an open hole packer， and each section is equipped with double-layer composite screen， filling sleeve， production sleeve and circulation sleeve， in which the double-layer screen base pipe is not drilled. The sand control operation of open hole horizontal wells can be realized by stage fracturing and filling in a single run， and the stratified mining means are retained in the remaining well string， and the water-bearing and gas-bearing reservoirs can be selectively isolated without the need to separately run the separate production string in the later stage. This process can provide a new idea and direction for high-efficiency recovery and sand and water control of offshore unconsolidated sandstone reservoir.

Key words：unconsolidated sandstone; horizontal well; staged fracturing; slice mining; integrated pipe string

渤海油田淺層疏松砂巖儲層分布廣泛，油井出砂是疏松砂巖儲層生產過程中面臨的最為普遍的問題之一［1-2］。疏松砂巖普遍具有較高的孔隙度和滲透率，膠結程度差，強度低，裂縫起裂與延伸機理較為復雜，壓裂時裂縫形態受施工參數影響顯著［3］。先前學者通過理論計算或建立模型對疏松砂巖儲層出砂機理、疏松砂巖壓裂時裂縫延伸規律等進行了大量研究。王彥利等通過Mohr-Coulomb破壞準則原理研究了疏松砂巖臨界出砂壓差的計算方法［4］。李進等基于儲層動態出砂影響因素及機理分析建立了疏松砂巖儲層開發生產全過程生命周期中出砂風險的動態預測方法［3］。范白濤等基于疏松砂巖巖石應力建立疏松砂巖壓裂裂縫延伸流固耦合模型，分析了疏松砂巖油藏壓裂裂縫與壓裂液黏度、壓裂液排量等相關的延伸規律［5-9］。包勁青等采用平面應變模型使用有限元分析模擬了水平井壓裂過程中的裂縫擴展規律［10］。范白濤等基于疏松砂巖中油水兩相流描述方程研究了壓裂充填方式可以改變低滲層水驅波及程度，提高低滲層產油量和采出程度［6］。李虎俊等通過滲流阻力原理建立油水滲流模型，模擬計算了水平井壓裂后產能［9］。

對于疏松砂巖油藏來說，單純通過環填抑制出砂并不能提高單井產能［11-12］。近年來，渤海油田疏松砂巖油藏大規模采用套管井壓裂充填完井工藝，取得了良好的防砂增產效果。壓裂充填可以一次實現防砂和增產雙重目標，已成為疏松砂巖油藏常規套管直、斜井主要開采方式［7］，如國產？準177.8 mm套管井中的一次多層壓裂充填技術［8］和Halliburton ESTMZ System。但疏松砂巖裸眼水平井壓裂充填分段數量和分段位置與大斜度射孔井、低滲透水平井的壓裂相比有較大差異，且受現有配套工具、施工工藝限制，疏松砂巖儲層裸眼水平井目前仍然多采用獨立篩管完井或籠統循環充填防砂方式，整體儲層產能無法得到有效釋放［16-21］。

1 分段壓裂可行性與必要性

以某海上S區塊A10H井為例，生產段起始深度1 178 m，生產段長度433.2 m，地層靜壓力14.5 MPa，原始垂向主應力25.143 MPa，最大水平主應力28.88 MPa，最小水平主應力23.035 MPa，原油體積系數1.014 4，地下油黏度24.949 mPa·s。通過軟件計算分析該儲層均質特性可知：①最低/高破裂壓力分別為35.14、53.94 MPa；②平均破裂壓力為40.29 MPa；③破裂壓力25%的特征值為41.51 MPa；④破裂壓力50%的特征值為40.34 MPa；⑤破裂壓力75%的特征值為38.84 MPa；⑥絕對非均質系數為1.243；⑦統計非均質系數為1.069；⑧綜合非均質系數為1.199，判斷為強非均質。由于破裂壓力非均勻分布，全井段單次壓裂起裂位置具有不可控性，將測算數據錄入分段壓裂計算軟件分析可知，由于儲層高滲透型，該井一段壓裂產能比僅為1.094 8，裂縫對全井段產能貢獻不大。如按照4分段進行壓裂，各段產能比1.2～1.7，平均1.4，產能效益明顯高于單段，從產能效益方面長水平分段壓裂是必要的，該井分1段壓裂和分4段壓裂產能對比分析，如表1所示。

對于長水平井，壓裂分段數越高，產能比與增產效果越高，但也預示著施工難度和成本越高，需從全井各分段方案的產能比、均衡性、分段數量及成本綜合評價分析，優選確定最佳分段方案，通過使用與中國石油大學（華東）油氣開采研究所共同開發的Sandcontrol Office裸眼水平井分段壓裂專用軟件，分析各分段方案的平均分段產能比、總產能比、增產效果指標、均衡性指標、分段成果指標等關鍵數據，分析數據顯示，該水平井采用4分段壓裂綜合評價結果最佳。分析結果界面，如圖1所示。

2 裸眼水平井分段壓裂分層開采一體化技術

2.1 工藝管柱結構

裸眼水平井分段壓裂分層開采一體化工藝管柱由外層壓裂防砂管柱和內層服務管柱組成，如圖2～3所示。外層壓裂防砂管柱由下至上，依次為雙向球閥、鎖定筒、循環滑套、雙層篩管、生產滑套、雙層篩管、充填滑套總成、裸眼封隔器總成、循環滑套、雙層篩管、生產滑套、雙層篩管、充填滑套總成、頂部封隔器總成；內層服務管柱由下至上，依次為定位密封及剪切滑套、循環滑套開關工具、充填滑套開關工具、定位工具、充填滑套關閉工具、防抽吸閥、壓裂充填工具總成、回接工具總成、Hydrill 511型沖管（4英寸）、驗封頂封密封模塊、Hydrill 511型沖管（4英寸）、頂部封隔器液壓坐封工具。

2.2 工藝施工流程

1） 管柱連接及下入。將回接工具總成及以下服務管柱內置并鎖定在外層防砂管柱鎖定筒內，連接外層防砂管柱至充填滑套總成處并對外層防砂管柱密封性能進行試壓，下入沖管與回接工具總成對接，上提解鎖壓裂充填工具總成，連接頂部封隔器總成，連接操作鉆桿，管柱在裸眼段送鉆時可實現邊沖邊下，方便管柱下入。

2） 坐封頂部封隔器。管柱下放至設計位置后，首先投球完成頂部封隔器的坐封、驗掛和脫手。

3） 驗封頂部封隔器。上提管柱至頂部封隔器驗封位置，在此過程中底部雙向球閥被關閉，環空加壓驗封頂部封隔器。

4） 坐封裸眼封隔器。上提管柱，環空加壓坐封所有裸眼封隔器。

5） 打開循環滑套。上提管柱，使用底部循環滑套開啟工具打開底層循環滑套和次底層循環滑套，找到裸眼封隔器驗封位置為驗封裸眼封隔器做準備。

6） 驗封裸眼封隔器。環空持續加壓驗封裸眼封隔器，如果環空無返出則裸眼封隔器密封良好。

7） 關閉次底層循環滑套。上提、下放管柱，使用循環滑套關閉工具將次底層循環滑套關閉，同時充填滑套開關工具將底層充填滑套總成打開，并下放管柱至底層壓裂充填定位位置。

8） 壓裂充填。正循環泵入壓裂液，通過控制套管環空關閉、打開、限流操作實施對儲層進行壓裂或循環充填作業。

9） 反洗。壓裂作業完成后快速上提管柱至初始反洗位置，對充填滑套壓裂口附近進行初步反洗，之后上提管柱至大排量反洗位置，將鉆桿內部多余砂漿徹底清洗干凈，同時將充填滑套關閉。

10） 關閉底層循環滑套。下放管柱使用循環滑套關閉工具將底層循環滑套關閉。

11） 驗底層循環滑套關閉。上提管柱至設定位置，鉆桿內加壓驗底層循環滑套關閉后密封性能。

12） 壓裂上層。重復操作直至壓裂完成所有層位。

13） 起出服務工具管柱。施工完成后將所有服務工具管串起出井筒，下入生產管柱，并通過底部生產滑套打開工具對生產滑套進行選擇性打開，完成裸眼水平井各層段的分層開采要求，如圖4所示。

3 關鍵井筒工具設計

3.1 頂部封隔器

3.1.1 結構組成

頂部封隔器主要由推筒、扭矩筒、鎖環、推筒、膠筒、芯軸、卡瓦、錐體、鎖緊接頭、解封環、下接頭等零部件組成，如圖5所示。頂部封隔器與液壓坐封工具配合，通過管內加壓，液壓坐封工具活塞向下運動，推動封隔器推筒下移，帶動鎖環下移壓縮膠筒和卡瓦，卡瓦與套管壁錨定，膠筒與套管壁貼合密封，坐封力被封隔器鎖環鎖定，完成頂部封隔器的坐封過程。頂部封隔器上端扭矩筒設計有嚙合齒，與液壓坐封工具配合后可使封隔器整體具有抗扭功能。頂部封隔器回收時，下入專用回收工具與封隔器下部解封環配合，上提剪斷解封環上固定的解封銷釘，回收工具帶動芯軸上移，釋放膠筒和卡瓦，封隔器完成回收。

3.1.2 關鍵零部件強度校核

頂部封隔器設計性能參數為耐壓等級35 MPa，懸掛能力700 kN，整體材質選用42CrMo，屈服強度930 MPa，對芯軸分別施加內壓35 MPa和外壓35 MPa壓力載荷，通過有限元分析結果表明，芯軸在內壓35 MPa載荷下的最大應力為819.9 MPa，在外壓35 MPa載荷下的最大應力為846.8 MPa均未達到材質的屈服強度，芯軸在35 MPa內壓、35 MPa外壓下的應力云圖，如圖6～7所示。

3.2 裸眼封隔器總成

裸眼封隔器總成采用擴張膠筒做為密封單元，膠筒長度為1.7 m，通過配備三組閥系來實現封隔器的脹封和壓力鎖定。膠筒內部設置有彈性鋼片組成的支撐籠，耐壓等級高，擴張性能強，膠筒最大外徑為。通過室內密封性能測試，結果表明，裸眼封隔器膠筒可滿足在裸眼井徑下35 MPa的密封要求，脹封后的裸眼封隔器膠筒，如圖8所示。密封測試曲線，如圖9所示。

3.3 生產滑套

生產滑套主要連接在各生產段雙層復合篩管之間，通過打開棘爪筒所密封的循環空溝通產層，生產滑套主要由上接頭、棘爪筒、導流罩、密封桿、連接桿等零部件組成，結構如圖10所示。棘爪筒外部設置有循環孔，通過移動棘爪筒的位置來控制生產滑套打開或關閉，同時棘爪筒在打開和關閉位置均設置有自鎖凹槽，可有效防止生產滑套被誤開或者誤關。生產滑套通過密封桿和連接桿與雙層復合篩管連接，密封桿和連接桿之間設置有旁通通道，原油通過雙層復合篩管進入生產滑套旁通通道，然后經過棘爪筒上設置的循環孔進入井筒。壓裂作業時生產滑套處于關閉狀態，壓裂完成后，可根據油藏地質特性選擇性打開或者保持關閉，以隔絕水層或氣層。

3.4 雙向球閥

3.4.1 結構組成

雙向球閥連接在整個壓裂防砂管串的最下端，主要有定位密封筒、操作棘筒、外筒、操作桿、球座、球體、引鞋等零部件組成，如圖11所示。管柱下入時，壓裂服務管柱底部的密封桿與雙向球閥上端的定位密封筒定位密封，同時密封桿下部的嚙合凹槽與操作棘筒上端棘齒嚙合并推動操作棘筒下移，進而帶動操作桿下移，推動球體旋轉至打開狀態，使整個管柱具有自動灌漿功能，同時管柱進入水平段時，可通過鉆桿內部泵入完井液，通過雙向球閥底部的引鞋流出，沖洗裸眼井筒，使管柱在裸眼段順利下入。當頂部封隔器坐封完成，上提內部服務管柱時，密封桿帶動操作棘筒上移，同時操作桿帶動球體旋轉至關閉狀態，操作棘筒上端的棘爪鎖定在外筒內部的凹槽內，球體關閉后可防止裸眼內部的砂漿或液體進入井筒，也可防止壓裂時井筒內部的液體通過雙向球閥擴散至裸眼，以實現球閥上下的雙向密封。

3.4.2 關鍵零部件強度校核

雙向球閥在整個壓裂過程中作為關鍵承壓工具，其耐壓及密封性能至關重要，為滿足雙向承壓，多次打開或關閉以后仍能保持良好的密封性能，球體選用耐高溫、耐腐蝕和優良力學性能的718鎳基合金材質，并通過有限元進行受力仿真模擬，結果顯示，球體在35 MPa受壓情況下的最大應力為455.7 MPa，遠低于718材質屈服極限1 200 MPa，滿足壓裂作業要求，球體受內壓35 MPa狀態下的應力云圖，如圖12所示。

4 管柱摩阻分析

為滿足？準215.9 mm（8英寸）裸眼水平井分段壓裂充填需求，該工藝管柱采雙層復合篩管基管內徑為？準124.26 mm，服務管柱采用Hydril 511型無接箍沖管，沖管外徑？準101.6 mm，沖管內徑？準90.1 mm，壓裂充填工具總成最小內徑為？準60 mm，反循環通道當量直徑？準54 mm。壓裂充填工藝作業能力主要受限于反循環時的排量限壓。以井深2 500 m，水平裸眼段400 m為例，壓裂過程中，鉆桿內部、套管鞋以上套管與鉆桿之間環空面積較大，沿程摩阻可忽略不計，因此反循環時的沿程摩阻主要發生在？準101.6 mm沖管與？準124.26 mm篩管基管之間環形空間，形成壓裂充填工具總成反循環通道？準54 mm的當量直徑，與壓裂充填工具總成最小直徑？準60 mm處的節流壓差。當反循環排量為1 m3/min時，沖管與篩管之間環形空間的沿程摩阻為0.21 MPa，壓裂充填工具總成內孔節流壓差0.021 MPa，反循環通道節流壓差0.31 MPa，整個工藝過程產生的沿程摩阻及節流壓差遠低于井口限壓的20 MPa，因此裸眼水平井分段壓裂充填從工藝技術上滿足水平井分段壓裂充填防砂的作業要求。

5 結論

1） 通過使用Sandcontrol Office裸眼水平井分段壓裂可行性評價與分段優化軟件，對疏松砂巖裸眼水平井進行單段和多段壓裂的產能效果、總體產能均衡性、成本指標等關鍵數據對比，結果顯示對疏松砂巖裸眼水平井進行分段壓裂可有效提升儲層產能，對疏松砂巖裸眼水平井進行分段壓裂是可行的。

2） 疏松砂巖裸眼水平井分段壓裂分層開采一體化技術與水平井全井筒單段壓裂技術相比，對裸眼段起裂位置具有較好的操控性，尤其是對于強非均質儲層和井段。

3） 裸眼水平井分段壓裂分層開采一體化技術與裸眼水平井循環充填技術相比，可根據儲層均質特性對不同層段選擇壓裂充填或循環充填，可滿足海上疏松砂巖裸眼水平井精細化防砂需求。

4） 與裸眼水平井循環充填工藝相比，疏松砂巖裸眼水平井分段壓裂分層開采一體化技術可通過壓裂改善儲層液體流態，達到以砂防砂、有效提升儲層產能的效果，且留有控制水錐、氣錐推進的分層開采手段，為疏松砂巖裸眼水平井防砂、控水、分層開采提供了一種新方法。

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