過球式水力噴射器研制及在低滲透油田應(yīng)用

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(1.長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710018； 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018)

水力噴射壓裂工藝集射孔、壓裂功能于一體，簡(jiǎn)化了施工工序，節(jié)省了施工時(shí)間，提高了施工效率，為低滲透儲(chǔ)層的開發(fā)改造提供了有效的技術(shù)手段，已在國(guó)內(nèi)多個(gè)油氣田進(jìn)行了試驗(yàn)[1-4]。長(zhǎng)慶油田在套管完井、裸眼完井等多種完井方式的水平井改造中，采用水力噴砂射孔、壓裂分段改造工藝，顯著提高了改造效果，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。水力噴射器是水力噴射壓裂工藝的關(guān)鍵工具。目前，所用的噴射器有常規(guī)噴射器和滑套式噴射器[5-7]。采用常規(guī)噴射器，壓裂液進(jìn)入噴射器，直接從噴射孔射出，進(jìn)行施工作業(yè)，只能完成一級(jí)工具施工?；资絿娚淦魍ㄟ^投球的方式打開滑套，可以實(shí)現(xiàn)可控開啟，主要應(yīng)用在氣井不動(dòng)管柱分段酸化、壓裂改造中。在水平井分段改造中，采用噴射器加底封封隔拖動(dòng)壓裂分段壓裂工藝，只有常規(guī)一級(jí)噴射器，限制了施工效率?，F(xiàn)有的滑套式噴射器不能用于油田拖動(dòng)多級(jí)壓裂。為滿足油田拖動(dòng)管柱改造施工需求，進(jìn)一步提高油井改造施工效率，降低開發(fā)成本，長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院研發(fā)了一種適用于分段多簇改造的過球式噴射器。獲國(guó)家專利，專利號(hào)：ZL201220364792.7。

1 工具結(jié)構(gòu)及工作原理

過球式水力噴射器由上接頭、噴射器本體、彈性球座、下滑套、剪切銷釘、噴嘴組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—上接頭；2—彈性球座；3—固定銷釘；4—密封圈；5—噴射器本體；6—下滑套；7—噴嘴；8—剪切銷釘。

當(dāng)壓裂管柱上一級(jí)的水力噴射器失效后，投該級(jí)過球水力噴射器的密封球，密封球坐到彈性球座上，當(dāng)壓力達(dá)到剪切銷釘剪斷壓力值時(shí)，下滑套剪斷剪切銷釘，彈性球座與下滑套一起下行，彈性球座進(jìn)入噴射器本體內(nèi)腔時(shí)，彈性球座釋放開，密封球下落，依次通過彈性球座、下滑套內(nèi)腔，落到噴射器外。與此同時(shí)，下滑套下行到噴射器的腔座上，下滑套液流通道與噴射器本體噴嘴孔對(duì)齊，射流通道打開，進(jìn)行過球式水力噴射器的射孔、壓裂作業(yè)。

2 彈性球座設(shè)計(jì)計(jì)算

彈性球座是過球式噴射器的關(guān)鍵部件，其性能決定噴射器射流通道是否能實(shí)現(xiàn)可控開啟。整個(gè)彈性球座上端分為n片，n的數(shù)值根據(jù)球座直徑尺寸具體設(shè)計(jì)，一般為6～10片，上端大徑擠壓閉合可形成球座，結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 彈性球座在自由狀態(tài)

球座的性能要求：

1) 彈性要求。滑套未開啟前，在接頭內(nèi)收縮狀態(tài)下閉合形成球座?；组_啟后，在噴射器腔體內(nèi)釋放狀態(tài)下恢復(fù)到自由狀態(tài)，可以釋放密封球。

2) 強(qiáng)度要求。上端球座處要有一定的強(qiáng)度，滿足密封球承壓強(qiáng)度要求，下端薄壁要有一定的強(qiáng)度和剛度，滿足球座承壓后抗壓強(qiáng)度球。

3) 耐磨性要求。必須具有一定的硬度，滿足形成球座狀態(tài)下過砂、過液而不被沖蝕。

4) 密封性要求。在形成球座時(shí)，密封性能越高，開啟壓力控制越準(zhǔn)確，可靠性要高。

2.1 簡(jiǎn)化模型

彈性球座在自然狀態(tài)下如圖2所示。當(dāng)工具完成裝配后，其各片彈性爪收縮到上接頭內(nèi)腔內(nèi)，形成球座，如圖3所示。

圖3 彈性球座在收縮狀態(tài)

建立分析模型時(shí)做如下假設(shè)：

1) 各分片加工精確，尺寸完全形同。

2) 裝配后處于收縮狀態(tài)下，各片受力相同，變形形同。

3) 大端在其整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)變形量相同，其值為彈性球座自然狀態(tài)下大端外徑尺寸與上接頭內(nèi)腔內(nèi)徑尺寸之差。

4) 忽略彈性球座重力的影響。

收縮狀態(tài)下彈性球座大端處產(chǎn)生的位移相同，用Δx表示，由此將彈性球座簡(jiǎn)化化為n個(gè)相同的懸臂梁模型，取其中的1個(gè)進(jìn)行分析，將其所受的外壓力簡(jiǎn)化為集中力F。如圖4所示。

圖4 彈性球座簡(jiǎn)化模型

2.2 彈性變形校核

彈性球座在形成球座時(shí)，每片的變形量為Δx。根據(jù)懸臂梁在集中作用F力下的變形公式，可得

(1)

彎曲條件最大應(yīng)力為

(2)

式中：E為材料彈性模量；J為慣性矩；W為抗彎截面模數(shù)；l為懸臂梁的長(zhǎng)度，[σe]為材料的彈性極限應(yīng)力。

3 剪切銷釘?shù)募羟辛υO(shè)計(jì)

噴射器打開滑套噴砂口，需要一定的開啟壓力作用的密封球上，剪斷剪切銷釘，克服摩擦力，使滑套下行，相互關(guān)系如圖5所示。開啟壓力是由分布的液體壓力作用到密封球上產(chǎn)生的集中力FK提供。

圖5 彈性球座簡(jiǎn)化模型

由此可得，打開滑套的力為

FK=Q+f1+f2

(3)

FK=p×S

式中：p為滑套的開啟壓力；S為開啟壓力作用面積，即密封滑套直徑面積；Q為剪切銷釘力；f1為下滑套與噴射器本體產(chǎn)生的摩擦力；f2為彈性球座與上接頭產(chǎn)生的摩擦力。

其中，f1主要為密封圈產(chǎn)生的摩擦力，不是主要因素，進(jìn)行忽略；f2是彈性球座產(chǎn)生的摩擦力，由彈性球座各分片的正壓力產(chǎn)生。該正壓力包括彈性球座彈性變形產(chǎn)生的正壓力N1和密封球所受壓力作用到彈性片上的正壓力N2。

密封球所受壓力主要是因打開滑套剪斷剪切銷釘所需的剪切力Q產(chǎn)生，由此建立密封球受力模型，如圖6所示[5]。

圖6 壓裂后密封球受力模型

進(jìn)行受力分析，可得，

(4)

彈性球座彈性變形產(chǎn)生的正壓力N1可看做n個(gè)彈性滑套分片的合力，即，N1=n×F。

(5)

密封球所受壓力作用到彈性片上的正壓力N2，是由水平方向的剪切力Q在垂直于球座斜面上產(chǎn)生正壓力，可得

N2=Q×sinα

(6)

將以上推導(dǎo)所得結(jié)果代入式(3)得

式中：n為懸臂梁個(gè)數(shù)，即彈性滑套分片數(shù)量；μ為密封球與球座間的摩擦因數(shù)。

由此，根據(jù)設(shè)計(jì)的滑套開啟壓力，可以設(shè)計(jì)滑套剪釘?shù)募羟辛?，并選擇合適的剪切銷釘。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

對(duì)該過球式水力噴射器進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，包括工具整體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，工具密封承壓實(shí)驗(yàn)，以及滑套開啟過球功能工作的實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)。在進(jìn)行滑套開啟試驗(yàn)時(shí)，由于室內(nèi)試驗(yàn)泵排量的限制，彈性球座收縮形成的球座存在泄漏，不能起壓。因此，專門設(shè)計(jì)了密封塞，以密封塞形成絕對(duì)密封，密封塞推動(dòng)密封球傳遞力到滑套剪切銷釘，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。將試驗(yàn)工具固定到試驗(yàn)臺(tái)架上，上接頭連接加壓管線，緩慢加壓，測(cè)定滑套開啟壓力。

圖7 過球噴射器室內(nèi)試驗(yàn)內(nèi)部機(jī)構(gòu)

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1) 工具能承受650 kN的拉力。

2) 密封壓力達(dá)到45 MPa。承壓試驗(yàn)后工具可順利拆卸開，沒有發(fā)生變形、損壞。

3) 剪釘剪斷的剪切壓力為14 MPa(如圖8)，與設(shè)計(jì)相吻合，滿足滑套開啟壓力13～15 MPa的要求。

圖8 剪釘剪斷壓力曲線

4) 滑套開啟后密封順利落出工具，整個(gè)工具的功能動(dòng)作順利實(shí)現(xiàn)。

5) 該過球式水力噴射器滿足設(shè)計(jì)要求，具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

5.1 工藝管柱組成

過球式水力噴射器與滑套封隔器相配合，可增加1～2級(jí)壓裂工具，形成多級(jí)水力噴射壓裂管柱，如圖9所示。第1級(jí)工具為常規(guī)工具，第2級(jí)開始為過球式噴射器。受套管尺寸限制，目前的多級(jí)管柱可實(shí)現(xiàn)4級(jí)壓裂，綜合考慮施工風(fēng)險(xiǎn)以及施工段數(shù)，一般推薦2級(jí)壓裂管柱，最大3級(jí)。管柱施工過程為：首先采用第1級(jí)工具進(jìn)行拖動(dòng)壓裂施工，此時(shí)第2級(jí)等前面工具不啟動(dòng)，只起著油管連接作用；當(dāng)?shù)?級(jí)達(dá)到預(yù)期壽命或意外失效時(shí)，投球啟動(dòng)第2級(jí)工具，此時(shí)，第2級(jí)的噴射器和可控式封隔器開啟，同時(shí)封堵第1級(jí)工具。繼續(xù)施工，以此類推，直到設(shè)計(jì)級(jí)數(shù)都施工完畢。多級(jí)水力噴射壓裂管柱與拖動(dòng)作業(yè)相結(jié)合，與單級(jí)水力噴射拖動(dòng)壓裂管柱相比，單趟管柱施工段數(shù)提高2～3倍，使管柱施工效率大幅度提高。

5.2 管柱特點(diǎn)

1) 射孔、壓裂一體化作業(yè)。

2) 通過投球控制第2級(jí)以上工具的開啟。

3) 一球同時(shí)開啟噴射器和封隔器多個(gè)工具。

4) 多級(jí)工具管柱與拖動(dòng)作業(yè)相結(jié)合，一趟管柱可以實(shí)現(xiàn)多段壓裂。

5.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

過球式噴射器與封隔器組成的二級(jí)水力噴射分段壓裂管柱在XXX井試驗(yàn)成功。該井一趟管柱完成全部8段施工，其中第1級(jí)完成前4段施工，第2級(jí)完成剩余4段施工，各段破壓明顯，施工正常。水平井從施工到完成僅用時(shí)2 d，打破了該區(qū)塊常規(guī)水平井壓裂最快用時(shí)4～5 d的記錄。圖10為在第2級(jí)工具開啟及施工第5段的曲線。

圖9 過球式噴射器多級(jí)管柱結(jié)構(gòu)示意

第2級(jí)工具的開啟壓力為10.8 MPa，滑套開啟不考慮阻力。該井垂深約1 200 m，靜液柱壓力12 MPa，則打滑套時(shí)上部壓力為22.8 MPa，下部壓力為地層壓力9.6 MPa。因此，工具開啟實(shí)際壓力為13.2 MPa，與設(shè)計(jì)開啟壓力13～15 MPa完全符合。

圖10 長(zhǎng)慶油田某井的壓裂施工曲線

在長(zhǎng)慶油田成功完成了14口水平井的壓裂施工，最高一趟管柱完成10段施工，達(dá)到水平井一趟管柱實(shí)現(xiàn)多段壓裂改造的目的，有效提高了水力噴射施工效率，減少了起下鉆次數(shù)，減輕了作業(yè)強(qiáng)度，尤其減少了入地壓裂液殘?jiān)鼫魧?duì)儲(chǔ)層造成的傷害，降低了作業(yè)成本。為低滲透油田的經(jīng)濟(jì)、有效開發(fā)提供了有力支持，對(duì)高滲透性、高地層能量、高氣油比油藏減少井控風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。

6 結(jié)論

1) 研制的過球式水力噴射器的結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計(jì)巧妙。室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)充分驗(yàn)證了其開啟壓力設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)確，工具可靠性能高。

2) 過球式水力噴射器與封隔器組成的水平井多級(jí)分段壓裂管柱，可有效提高油田水力噴射器施工效率，降低壓裂液殘?jiān)鼫魧?duì)儲(chǔ)層的傷害及減少井控風(fēng)險(xiǎn)。