海上探井壓裂測試管柱研究與應用

王成龍，韓 成，王應好，郭宇堃，徐 靖

[中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057]

壓裂已成為海上低滲砂巖油田、頁巖油等非常規油氣勘探開發的主要手段。海上探井壓裂作業日漸增多，壓裂測試管柱設計既要保障壓裂施工期間管柱安全，又要提高壓裂規模和改造效果，以滿足地質取資料的要求。壓裂測試管柱選擇對于海上壓裂測試作業顯得十分重要。海上油田探井最初從單層壓裂進行嘗試，但單層壓裂管柱并不能滿足薄互層低滲等儲層的產能釋放，為此，經過逐步實踐，逐漸發展了滑套封隔器分層壓裂管柱、電纜橋塞分層壓裂管柱等分層壓裂測試管柱[1-2]。本文總結了單層、分層壓裂管柱的優缺點、關鍵工具作用原理及關鍵作業流程，為海上壓裂測試管柱的選擇提供參考。

1 單層壓裂測試管柱

1.1 常規型壓裂測試一體化管柱

海上常規壓裂測試一體化管柱結構圖如圖1所示，從下到上依次為射孔槍 + 丟槍點火頭 + 長槽篩管（不帶玻璃盤） + 長槽篩管（帶玻璃盤） + 長槽篩管（不帶玻璃盤）+ 封隔器 + 試壓閥 + 壓力計拖筒 + 氣密鉆挺 + 壓力計拖筒 + 選擇性測試閥 + RD安全循環閥 +氣密鉆挺 + 伸縮節 + 油管。

圖1 常規型壓裂測試一體化管柱示意圖

壓裂測試一體化管柱下到位后坐封封隔器，環空加壓打開試壓閥，然后管柱正加壓進行點火射孔，確認射孔后即可進行壓裂作業。為防止壓裂作業砂埋管柱而引起測試管柱困難，射孔槍頂部通常采用丟槍接頭，射孔瞬間實現丟槍，因此海上壓裂井一般要求預留足夠的丟槍口袋。長槽篩管（不帶玻璃盤）為管柱加壓點火射孔提供壓力通道，長槽篩管（帶玻璃盤）可防止管柱鐵屑鐵銹下沉至點火頭頂部造成堆積，無法點火。封隔器是壓裂管柱最重要的井下工具，需承受壓裂作業的高壓，因此應選擇性能可靠耐高壓的封隔器，坐封方式可以選擇機械坐封也可以選擇液壓坐封，機械坐封封隔器需要根據坐封力選擇確定鉆鋌的數量。由于海上壓裂作業井口壓裂一般超過70 MPa，有必要對測試壓裂管柱進行試壓，保證管柱安全，因此，壓裂測試一體化管柱通常需要設置一個試壓閥。

海上壓裂測試管柱內外壓力變化大，而測試工具受環空壓力操作，為防止壓裂作業過程中環空壓力劇變出現測試閥井下關井導致壓裂作業失敗，測試閥一般設置為選擇性測試閥[3]，選擇性測試閥可以為鎖開和鎖關狀態，可減小環空壓力對測試閥開關的影響。設置兩個循環閥，提高壓井成功率。壓裂作業易引起管柱伸縮變化，壓裂測試管柱設置伸縮節用于補償壓裂作業過程中管柱的伸縮變化，降低管柱受力，保障管柱安全。為防止壓裂支撐劑在伸縮節內外筒出現堆積，影響伸縮節伸縮能力，壓裂測試管柱采用倒裝伸縮節。為實現壓裂大排量壓裂，降低管柱摩阻，測試油管盡量選擇大內徑高強度油管或鉆桿。

海上常規壓裂測試一體化管柱結構完整，可以較好滿足地質取資料的要求，但結構復雜，RD循環閥、RD安全循環閥、測試閥、試壓閥均為環空壓力響應的測試工具，而壓裂作業極易引起環空壓力發生劇烈變化，導致環空壓力響應的測試工具易出現誤開關的問題，從而導致壓裂作業失敗。另外測試工具內徑小，也限制壓裂排量，如圖1所示。

1.2 改良型壓裂測試管柱

為進一步提高海上壓裂規模，提高壓裂排量，降低壓裂作業環空壓力變化對測試工具的影響，在常規型壓裂測試管柱基礎上，合理優化測試工具，形成改良型壓裂測試管柱，如圖2所示，取消RD循環閥、RD安全循環閥、測試閥，將RD試壓閥設置在封隔器之下。測試管柱下到位后，與常規型壓裂測試一體化管柱不同的是，改良型壓裂測試管柱先進行環空加壓打開RD試壓閥，然后再坐封封隔器，再進行測試管柱正加壓點火射孔。由于沒有RD循環閥、RD安全循環閥、測試閥測試工具，因此沒有壓裂作業期間環空壓力變化引起測試工具誤開關的風險，可顯著提高壓裂排量。但改良型壓裂測試管柱沒有設置循環閥，測試管柱沒有壓井通道，一般需要通過電纜帶壓下入油管或鉆桿沖孔工具，對油管進行沖孔建立循環通道壓井，然后起測試管柱。

圖2 改良型壓裂測試管柱示意圖

改良型壓裂測試管柱可降低大規模壓裂作業風險，但是由于該測試壓裂管柱沒有壓井通道，壓井作業繁瑣，作業時間較長，尤其是井口壓力較高的話，增加井口電纜作業風險。改良型壓裂測試

管柱示意圖如圖2所示。

2 分層壓裂管柱

2.1 水力噴砂分層壓裂測試管柱

水力分層壓裂測試管柱從下到上依次為導向頭 +篩管 + 單流閥 + 第一級水力噴砂器（無滑套） + 封隔器 + 水力錨 + 第二級水力噴砂器 + 封隔器 + 水力錨 +第三級水力噴砂器 + …… + 安全接頭 + 油管。

水力分層壓裂測試管柱下入到位后，可以通過篩管洗井，井口投球封堵單流閥堵塞下部地層，然后井口可以通過第一級水力噴砂器進行水力噴砂壓裂作業。封隔器、水力錨、水力噴砂器組成一套噴砂壓裂施工單元，初第一級水力噴砂器無滑套，后續每一級水力噴砂器和封隔器均為滑套式，通過投球憋壓打開滑套，打開水力噴砂器（滑套式）的噴嘴和封隔器（滑套式）的進液通道，完成封隔器的坐封，即可進行水力噴砂壓裂作業。水力錨可以錨定管柱，防止壓裂作業管柱蠕動。安全接頭在緊急情況下脫開管柱，起出上部管柱[4]。

該管柱可實現分層噴砂壓裂，且壓裂施工過程中逐級啟動對應層段的封隔器和水力噴砂器的，提高工具使用壽命。但是該管柱壓裂改造效果有限，測試無法實現井下關井壓力和地層壓力的數據的錄取。

2.2 滑套封隔器分層壓裂管柱

為進一步提高壓裂規模，獲得更好的壓裂改造效果，海上探井采用滑套封隔器分層壓裂管柱，從下到上依次為分層封隔器 + 投球壓裂滑套 + 分層封隔器+投球壓裂滑套 + …… + 分層封隔器 + 頂部懸掛封隔器。

測試壓裂管柱入井前，需要單獨下入一趟射孔管柱，按照設計壓裂井段射開地層。壓裂測試管柱需要經過精確配長，要使得兩個封層封隔器正好卡封要壓裂的射孔段，壓裂測試管柱下到位后，通過井口投鋼球加壓同時坐封所有分層封隔器和頂部懸掛封隔，然后繼續加壓剪切球座，開始第一段壓裂作業，待第一段壓裂作業結束后，井口投可溶球，打開最下面的壓裂滑套即可進行第二段壓裂作業，依此類推，依次在井口進行投可溶球，打開下一級壓裂滑套，進行下一段壓裂作業[5-7]。通過井口投入可溶球，待球入座后管柱內正加壓剪切銷釘，滑套及球座一同下行，滑套打開建立壓裂通道，實施壓裂作業。另外，分層封隔器和頂部懸掛封隔選擇性能良好耐高壓耐高溫的封隔器，頂部懸掛封隔一般帶有錨定裝置，防止壓裂出現管柱蠕動。壓裂作業結束后，可脫手頂部懸掛封隔，起出上部管柱。為補償大規模壓裂引起的管柱收縮問題，防止管柱伸縮受力失效，在分層封隔器之間一般設置伸縮管。

可溶球的溶解時間把握對分層壓裂作業極為關鍵，既要保障壓裂作業施工期間不能溶解，又要在返排階段能夠快速溶解?？扇芮驅㈡V、鋁和鉬等特定金屬合金化后，自身形成了微電池，在微電池效應作用下破壞鎂表面氧化膜的連續性，達到加速溶解鎂反應的目的[8]。但不同陸地壓裂多用淡水基壓裂液，海上壓裂作業多用海水基壓裂液，高礦化度海水易加快可溶球溶解速率，無法滿足壓裂時間要求。因此，海上壓裂作業需要特別進行可溶球與海水基壓裂液的溶解實驗，選擇溶解時間合適的可溶球。

滑套封隔器分層壓裂管柱可以實現大規模分層壓裂，但是該管柱結構復雜，井下壓裂工具多，工具失效風險高。由于每一級壓裂都需要進行井口投可溶球，可溶球外徑一級一級縮小，如果壓裂層數較多，分層壓裂管柱的內徑變小，導致壓裂摩阻及井口壓力增大，壓裂風險增大。另一方面，上面的壓裂滑套球座長時間受高含砂流體沖蝕，容易導致球座磨損，可溶球密封失效，影響壓裂作業。同時，對于套管內進行分層壓裂，需要提前射孔，且射孔后需要對炮眼位置進行刮管洗井，導致施工周期較長，儲層也易受到污染。

2.2 電纜橋塞分層壓裂管柱

為進一步提高壓裂規模，再次提高壓裂改造效果，海上探井還可以采用電纜橋塞分層壓裂管柱，一般在Φ139.7 mm套管底部設計串接趾端滑套，Φ139.7 mm套管固井結束后，井口加壓打開趾端滑套，依靠Φ139.7 mm套管等小尺寸套管作為壓裂通道進行第一段壓裂作業。如果趾端滑套不能打開，連續油管帶著射孔槍進行射孔，也可以進行第一段壓裂作業。

待第一段壓裂作業結束后，井口使用電纜輸送橋塞和射孔槍至設計深度，大位移井或者水平井可以通過泵送電纜輸送橋塞及射孔，輸送至設計深度后，先坐封橋塞，脫手橋塞，然后上提射孔槍至設計深度，進行射孔，起出電纜及射孔槍后，井口投可溶球后，可溶球與橋塞配合，封隔下部地層，仍依靠Φ139.7 mm套管作為壓裂通道進行第二段壓裂作業。第二段壓裂作業結束后，再次使用電纜泵送橋塞和射孔槍至設計深度、坐封橋塞、脫手橋塞、上提射孔、起甩電纜，進行第三段壓裂作業，依次類推，實現多層壓裂[8-10]。

電纜橋塞分層壓裂管柱結構簡單，直接使用套管進行壓裂，可滿足更大排量的壓裂。橋塞可以選擇可鉆式復合橋塞，在壓裂作業結束后，需要連續油管下入磨鞋，鉆銑橋塞，將復合橋塞形成的碎屑循環出井，這樣導致作業工期增加。橋塞可以選擇可溶橋塞，可溶球及可溶橋塞需要優選與海上基壓裂液相匹配的材質。但即使是可溶橋塞也并非能完全溶解，可溶橋塞的卡瓦牙片一般為陶瓷材質，為非溶解材質，如果壓裂層數較多，入井橋塞數量也多，這樣會導致不能溶解的部分在井底出現堆積，堵塞井眼，影響排液，影響測試數據的求取。

3 結束語

1）單層壓裂測試管柱測試工具完備，地質資料獲取齊全，但壓裂規模受限，不能對薄互層地層進行精細改造。

2）分層壓裂測試管柱可實現各層精細改造，提高改造規模和效果。但是分層壓裂管柱結構復雜，工具繁多，壓裂施工風險高。