秦金立， 吳姬昊， 崔曉杰， 李富平, 鄒傳元

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

水平井裸眼分段壓裂是低壓低滲透油氣藏開發(fā)的重要增產(chǎn)措施之一，近年來在國內(nèi)開始推廣應(yīng)用[1-8]。水平井裸眼分段壓裂工具是該技術(shù)的核心，其中滑套為壓裂建立過流通道和壓裂級數(shù)。而滑套球座作為重要部件，關(guān)系到封隔效果及鉆除效率，與之匹配的憋壓球結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度是密封的基礎(chǔ)，而造成密封失效的主要因素是沖蝕。因此，球座的材料和結(jié)構(gòu)是提高球座鉆除效率的關(guān)鍵。但是，目前國內(nèi)尚無關(guān)于該問題研究的報(bào)道。為此，筆者進(jìn)行了球座與憋壓球密封能力有限元分析及試驗(yàn)、球座沖蝕及沖蝕后的密封試驗(yàn)、球座室內(nèi)鉆除試驗(yàn)，以解決投球滑套高承壓密封及完井管柱的全通徑問題。

1 滑套球座與憋壓球密封技術(shù)研究

隨著儲(chǔ)層改造技術(shù)的發(fā)展及分段壓裂工具的不斷成熟，需進(jìn)行壓裂改造的水平段不斷延長，分段壓裂級數(shù)不斷增加。在φ114.3 mm管柱的有限空間內(nèi)，壓裂級數(shù)越多，相鄰滑套球座級差應(yīng)越小。球座級差較小時(shí)，是否能滿足壓裂施工70 MPa的承壓能力，則取決于投球滑套球座的承壓機(jī)構(gòu)及憋壓球材料的強(qiáng)度。

1.1 滑套球座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

φ114.3 mm裸眼分段壓裂完井管柱中，壓裂油管的壁厚為6.35 mm，內(nèi)徑為101.6 mm，當(dāng)設(shè)計(jì)壓裂級數(shù)大于16級時(shí)，球座級差應(yīng)不大于3.175 mm。當(dāng)憋壓球與球座級差均為3.175 mm時(shí)，在壓裂施工中既能保證憋壓球能順利通過前一級球座，又能與該級球座形成密封且承壓能力大于70 MPa。在設(shè)計(jì)球座時(shí)宜在增大憋壓球與球座接觸面積的同時(shí)，考慮在球座接觸面處設(shè)計(jì)憋壓球限位機(jī)構(gòu)，以防止憋壓球擠壓變形穿過球座，出現(xiàn)上下兩層竄層現(xiàn)象。

1.2 憋壓球材料優(yōu)選及力學(xué)性能試驗(yàn)

在增大球座與憋壓球接觸面積的同時(shí)，降低了憋壓球被擠壓變形的可能，但只從球座結(jié)構(gòu)方面提高承壓能力是不現(xiàn)實(shí)的，憋壓球的材料優(yōu)選也是提高承壓能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為保證3.175 mm級差的憋壓球與球座承壓能力大于70 MPa，要求憋壓球剛性好、強(qiáng)度高；為保證壓裂施工結(jié)束后放噴壓裂液時(shí)，憋壓球能被返排至地面，憋壓球的當(dāng)量密度要低。針對上述要求，優(yōu)選低密度高分子工程塑料作為憋壓球的基體材料。另外，因碳纖維(CF)以其強(qiáng)度高、耐磨損、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小以及自潤滑等優(yōu)異性能成為近年來最重要的增強(qiáng)材料之一，所以選擇在工程塑料基體中添加一定量的CF，以提高憋壓球基體材料的綜合力學(xué)性能和耐溫性能[9-11]。

壓裂施工時(shí)，如采用的高分子工程塑料強(qiáng)度較低，制備的憋壓球可能會(huì)破壞，出現(xiàn)變形、壓碎等問題，造成憋壓球與球座無法形成密封，導(dǎo)致上下竄層。通過理論計(jì)算可知，70 MPa壓力條件下憋壓球的抗壓強(qiáng)度在200 MPa左右。根據(jù)抗壓參數(shù)指標(biāo)，優(yōu)化低密度高分子工程塑料配方、制作試樣，進(jìn)行了憋壓球抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 憋壓球試樣在軸向壓縮時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve at the time of axial compression of ball specimen

從圖1可以看出，配方優(yōu)化后的高分子工程塑料的抗壓強(qiáng)度大于230 MPa，達(dá)到了理論要求。

1.3 滑套球座與憋壓球的承壓能力分析

為驗(yàn)證憋壓球封堵球座的密封能力，利用ANSYS有限元分析軟件對憋壓球及球座進(jìn)行了分析。由于憋壓球及球座的模型和載荷都軸對稱，外加載荷也軸對稱，故取剖面建立了軸對稱平面模型。材料性能：球座材料為鑄鐵，抗壓強(qiáng)度近500 MPa；憋壓球材料為高分子工程塑料，抗壓強(qiáng)度230 MPa，彈性模量2.1 GPa，泊松比0.3。

現(xiàn)場壓裂過程中，最大施工壓力不超過70 MPa，且該壓力均勻作用到憋壓球與球座上。φ63.5 mm憋壓球作用到匹配的球座上，當(dāng)憋壓球上部承受70 MPa壓力時(shí)，憋壓球與球座的應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 憋壓球上作用70 MPa壓力時(shí)其與球座的應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution between ball and ball seat when 70 MPa pressure is applied at the ball

由圖2可知：球座的最大應(yīng)力為240 MPa，憋壓球的最大應(yīng)力小于214 MPa，均遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，故認(rèn)為是安全的。

1.4 滑套球座與憋壓球的密封性能試驗(yàn)

在有限元分析的基礎(chǔ)上，通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證了級差3.175 mm憋壓球與配套球座的密封能力，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 低密度憋壓球參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Parameters and experimental result of low-density ball

由表1可知，憋壓球的靜壓差均達(dá)70 MPa；由于現(xiàn)場試驗(yàn)過程中管柱施工壓力不大于70 MPa，再者憋壓球在使用時(shí)下部有背壓，故用優(yōu)選材料制成的級差3.175 mm的憋壓球可以滿足現(xiàn)場使用要求。

2 滑套球座可鉆性研究

在壓裂施工作業(yè)中，優(yōu)選的憋壓球與球座復(fù)合后應(yīng)承受大于地層的破裂壓力，球座作為憋壓球的主要支撐件，球座材料應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng)度。壓裂施工結(jié)束到采油后期，對管柱進(jìn)行后續(xù)作業(yè)時(shí)，需要將球座鉆除，實(shí)現(xiàn)管柱全通徑，球座材料應(yīng)具備易鉆除性能。為此，開展了滑套球座的可鉆性研究，優(yōu)選了球座材料，利用鉆除性能試驗(yàn)驗(yàn)證了滑套球座材料的可鉆性。

2.1 球座材料的優(yōu)選

結(jié)合目前國內(nèi)外可鉆橋塞、可鉆封隔器等所用材料的特性，優(yōu)選鑄鐵作為加工球座的材料。鑄鐵材料具有較低的熔點(diǎn)、優(yōu)良的鑄造性能、較高的減摩性和耐磨性，且生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，經(jīng)適當(dāng)合金化以后還可以具有良好的耐蝕性[12]。

滑套球座經(jīng)過大量加砂溶液沖蝕，再與憋壓球復(fù)合密封承受上部近70 MPa的液柱壓力，此時(shí)球座與滑套連接處承受較大拉力，與憋壓球接觸部位承受較高的壓力，因此球座材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度且耐沖擊，但為了更容易將球座鉆除，球座材料的硬度和韌性不宜過高。因此，在多種鑄鐵材料中，優(yōu)選T1和T2兩種材料。

2.2 球座可鉆性試驗(yàn)

準(zhǔn)備好球座試驗(yàn)裝置、現(xiàn)場用鉆除磨鞋、沖洗液、提供扭矩和鉆壓的試驗(yàn)設(shè)備，然后將優(yōu)選的T1和T2兩種材料及常用的合金鋁、合金鋼等材料加工為成品球座，并安裝在球座試驗(yàn)裝置中，與多功能試驗(yàn)臺架相連；將試驗(yàn)裝置液缸與試壓泵相連，對球座試驗(yàn)裝置底座進(jìn)行固定以防其旋轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺架高度，開始試驗(yàn)，記錄其轉(zhuǎn)數(shù)與初始扭矩，試壓泵開始加壓，同時(shí)開始記錄球座鉆除時(shí)間，待鉆除扭矩穩(wěn)定后記錄鉆除扭矩。

對4種材料的球座樣機(jī)進(jìn)行了每樣3件的鉆除試驗(yàn)，球座鉆除前后的形貌如圖3所示，鉆除時(shí)間見表2。

圖3 球座鉆除前后的形貌Fig.3 Shape of ball seat before and after being drilled out

球座材料鉆壓/kN轉(zhuǎn)速/(r·min-1)循環(huán)排量/(m3·min-1)穩(wěn)定扭矩/(N·m)鉆除時(shí)間/sT120250.35380195T220250.35385360鑄鋁20250.354501 300合金鋼20250.355102 700

由表2可知，在試驗(yàn)條件下，T1材料的球座其平均鉆除時(shí)間為195 s，T2材料的球座其平均鉆除時(shí)間為360 s，T1的可鉆性較T2稍好。對于合金鋁和合金鋼2種材料的球座，不僅鉆除扭矩大，鉆除時(shí)間也長。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并經(jīng)綜合考慮，選擇可鉆性較好的T1作為加工球座的材料。在鉆除過程中，單個(gè)磨鞋順利完成12個(gè)球座的鉆磨銑工作，因此在井下球座磨銑過程中，一個(gè)磨鞋可滿足大多數(shù)井況的球座磨銑任務(wù)，不必中途起鉆更換磨鞋。

3 滑套球座耐沖蝕性能分析

壓裂施工中壓裂液的排量較大，加之壓裂液中有大量的石英砂、陶粒等顆粒，對球座會(huì)產(chǎn)生較大的沖蝕，且越靠近井口的球座沖蝕時(shí)間越長。如不對球座內(nèi)表面進(jìn)行硬化處理，球座可能會(huì)被壓裂液沖蝕出小坑眼，待球到位后將很難與球座形成密封。故需對球座表面進(jìn)行硬化處理，以改善其耐磨性和耐沖蝕性能。

3.1 球座的表面硬化處理

3.2 球座的沖蝕及密封試驗(yàn)

用優(yōu)選的材料加工成球座并經(jīng)過表面硬化處理后，將其組裝至設(shè)計(jì)的沖蝕試驗(yàn)裝置內(nèi)。整體試壓70 MPa無泄漏后，將該試驗(yàn)裝置接入正在裸眼分段多級滑套壓裂施工的壓裂管線之間進(jìn)行了沖蝕試驗(yàn)，其中與憋壓球復(fù)合的一端為液體的進(jìn)口方向。試驗(yàn)過程中，以3.5 m3/min的排量泵送前置液和攜砂液，沖蝕時(shí)間共計(jì)600 min，加砂總量達(dá)233 m3。

球座試驗(yàn)裝置在沖蝕近600 min后，球座表面無明顯沖蝕現(xiàn)象。之后，將球座再次組裝至球座沖蝕試驗(yàn)裝置中，投憋壓球至球座處，連接試壓泵，進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。加壓至70 MPa，穩(wěn)壓10 min，無壓降，證明沖蝕后球座與優(yōu)選憋壓球的耐壓能力滿足要求。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

自2012年首次應(yīng)用以來，設(shè)計(jì)的多級滑套壓裂工具在紅河油田、大牛地氣田等油氣田的8口井進(jìn)行了試驗(yàn)。在8口井總計(jì)72級的分段壓裂施工中，單井最多壓裂段數(shù)達(dá)到12級，封隔器有效封隔壓力達(dá)64 MPa，封隔井徑最大達(dá)175 mm，滑套打開成功率100%。

其中，DPS-63 井是大牛地氣田的一口水平井，也是水平井多級滑套分段壓裂工具現(xiàn)場應(yīng)用的第8口井，該井進(jìn)行了12級分段壓裂。DPS-63 井壓裂施工曲線如圖4所示。

圖4 DPS63 井壓裂施工曲線Fig.4 Fracturing operation curve of Well DPS63

由圖4可知，DPS-63井的平均施工排量為4 m3/min，球與球座平均密封壓力達(dá)20 MPa時(shí)打開滑套并開始進(jìn)行每段的壓裂施工，第1～10段壓裂曲線平穩(wěn)，第11段出現(xiàn)了油壓升高的情況。后經(jīng)相關(guān)人員及時(shí)有效處理，順利完成第11段及12段的壓裂施工。壓裂過程中，入井總液量3 833.8 m3，加砂總量471 m3，注入液氮總量205.3 m3。綜合而言，該井壓裂施工順利，裸眼封隔器有效封隔，滑套打開壓力明顯，證明滑套球座與憋壓球的密封性能及滑套球座的耐沖蝕性能均滿足現(xiàn)場要求。

5 結(jié) 論

1) 通過分析研究，選擇配方優(yōu)化后的高分子工程塑料作為加工憋壓球的材料，T1為加工滑套球座的材料。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)均表明，采用優(yōu)選材料加工成的滑套球與憋壓球的密封性及球座的可鉆性、耐沖蝕性滿足現(xiàn)場要求。

2) 設(shè)計(jì)的多級滑套壓裂工具成功試驗(yàn)了8口井，完成了72級壓裂施工，其中單井最大壓裂級數(shù)12級。壓裂中，滑套打開壓力明顯，壓裂曲線顯示無竄層現(xiàn)象，進(jìn)一步證明球座與憋壓球的密封能力及球座的耐沖蝕性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3) 設(shè)計(jì)的多級滑套壓裂工具的成功應(yīng)用，解決了頁巖氣等非常規(guī)水平井裸眼段逐級分段壓裂的關(guān)鍵問題。

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