庫(kù)車(chē)山前深層高溫高壓氣井多封隔器分層壓裂工藝

王克林 張波 李超 劉洪濤 何新興 秦世勇 黃錕

1.中國(guó)石油塔里木油田分公司；2.新疆華油油氣工程有限公司

塔里木盆地庫(kù)車(chē)山前區(qū)域是國(guó)內(nèi)深層天然氣主要富集區(qū)域之一，其儲(chǔ)層孔隙度為4%～8%、滲透率為(0.01～0.5)×10-3μm2，最高溫度和壓力可達(dá)188 ℃、136 MPa，具有高溫高壓和低孔低滲特征，因此需要通過(guò)實(shí)施儲(chǔ)層改造來(lái)提高單井產(chǎn)量。暫堵分層、橋塞分段和多封隔器分層是儲(chǔ)層壓裂改造的常用工藝措施［1-3］。暫堵分層壓裂效果受限于儲(chǔ)層應(yīng)力差，當(dāng)應(yīng)力差大于6 MPa或小于3 MPa的儲(chǔ)層，暫堵轉(zhuǎn)向效果差。橋塞分段壓裂在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中應(yīng)用廣泛，但橋塞鉆磨作業(yè)過(guò)程中井口壓力需保持30 MPa以下，而庫(kù)車(chē)山前壓裂井的停泵壓力普遍在40 MPa以上，不適用于深層高溫高壓氣藏儲(chǔ)層改造［4-7］。因此，多封隔器分層成為庫(kù)車(chē)山前區(qū)域高溫高壓氣藏分層壓裂改造的必然選擇。然而，受井筒溫度壓力［8］、溫壓效應(yīng)［9-10］和完井管柱結(jié)構(gòu)［11］的影響，多封隔器分層壓裂工藝在高溫高壓氣井中容易出現(xiàn)封隔器失效、鋼球滯留及鉆井液返排不充分堵塞管柱等問(wèn)題，庫(kù)車(chē)山前區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也證實(shí)了上述問(wèn)題［12］，嚴(yán)重影響了分層壓裂的實(shí)施效果以及后期資料錄取。為解決上述問(wèn)題，從完井管柱、投球性質(zhì)和全通徑壓裂閥結(jié)構(gòu)三方面入手，改善了壓裂過(guò)程中封隔器受力情況，增加了管柱通徑，解決了滯留投球堵塞管柱的問(wèn)題，提高了井筒替液效率，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 壓裂工藝優(yōu)化

1.1 優(yōu)化完井管柱結(jié)構(gòu)

前期壓裂作業(yè)過(guò)程中，過(guò)大的軸向載荷導(dǎo)致封隔器失效，且完井管柱管鞋一般下入射孔段頂界或中部位置，無(wú)法把射孔段中下部的壓井鉆井液替出，導(dǎo)致壓井鉆井液出現(xiàn)沉淀，影響有效射孔厚度和壓裂施工作業(yè)?；诖耍瑢?duì)管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后分層壓裂完井管柱圖Fig.1 Optimized completion string of separate layer fracturing

首先，在封隔器之間設(shè)置了伸縮短節(jié)。通過(guò)控制伸縮短節(jié)銷(xiāo)釘?shù)臄?shù)量來(lái)確保伸縮短節(jié)在壓裂作業(yè)前處于閉合狀態(tài)，在壓裂作業(yè)時(shí)，伸縮短節(jié)處于拉開(kāi)狀態(tài)，從而避免壓裂時(shí)封隔器之間軸向力過(guò)大，造成封隔器失效。

其次，采用大尺寸封隔器與小尺寸封隔器組合提高管柱下入能力，規(guī)避多個(gè)封隔器在小尺寸尾管中下入遇阻的現(xiàn)象，形成了?177.8 mm+?127.0 mm(懸掛)和?206.38 mm+?139.7 mm (懸掛)套管柱封隔器組合方式。

第三，延伸完井管柱管鞋到射孔段底界，在完井管柱對(duì)應(yīng)射孔段頂界位置設(shè)置全通徑壓裂閥，形成大加小封隔器分層壓裂完井管柱，管柱通徑變大，從而替出射孔段試油鉆井液，為后期施工提供有利通道，形成了2種改進(jìn)的分層壓裂完井管柱。

(1) ?206.38 mm+?139.7 mm復(fù)合套管井：油管掛+?114.3 mm氣密封扣油管+?114.3 mm上提升短節(jié)+?114.3 mm上流量短節(jié)+?101.6 mm安全閥+?114.3 mm下流量短節(jié)+?114.3 mm下提升短節(jié)+?114.3 mm氣密封扣油管+變扣+?88.9 mm氣密封扣油管+Y443-162永久式封隔器+?88.9 mm氣密封扣油管+?88.9 mm伸縮管+?88.9 mm分層壓裂閥+Y443-111永久式封隔器+?88.9 mm全通徑壓裂閥+變扣+?73.02 mm氣密封扣油管+?73.02 mm球座。

(2) ?177.8 mm+?127.0 mm復(fù)合套管井：油管掛+?114.3 mm氣密封扣油管+?114.3 mm上提升短節(jié)+?114.3 mm上流量短節(jié)+?101.6 mm安全閥+?114.3 mm下流量短節(jié)+?114.3 mm下提升短節(jié)+?114.3 mm氣密封扣油管+變扣+?88.9 mm氣密封扣油管+ Y443-139永久式封隔器+?88.9 mm氣密封扣油管+?88.9 mm伸縮管+?88.9 mm+變扣+?73.02 mm氣密封扣油管+?73.02 mm分層壓裂閥+ Y443-101永久式封隔器+?73.02 mm全通徑壓裂閥+?73.02 mm氣密封扣油管+?73.02 mm球座。

1.2 研發(fā)可溶球

前期采用鋼球進(jìn)行投球作業(yè)，鋼球密度大，遇到低產(chǎn)井或遇卡后返排難度大，堵塞生產(chǎn)通道，影響后期生產(chǎn)和井筒作業(yè)。為此研發(fā)了高強(qiáng)度鋁合金可溶球，表面涂有以三聚氰胺為過(guò)渡層的復(fù)合有機(jī)硅樹(shù)脂涂層［13］保護(hù)膜，可溶球保護(hù)膜與溶液接觸時(shí)，溶解速度慢，保護(hù)膜溶解完后，本體與溶液接觸，本體材料比保護(hù)膜溶解快，溶解速度加快。

可溶球保護(hù)膜能夠確保溶解速度先慢后快。在“助排劑+1.0%破乳劑+0.2%交聯(lián)調(diào)節(jié)劑+5%甲醇+水”介質(zhì)中時(shí)，可溶球在60 ℃壓裂液中溶解10 h，其外徑由63.5 mm變?yōu)?3 mm。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為1.2%氯化鉀時(shí)，氯離子含量5 500～6 000 mg/L，在70 ℃條件下，22 h后可溶球外徑由63 mm變?yōu)?1 mm，48 h后外徑為32 mm，72 h后全部溶解完。

1.3 全通徑壓裂閥

前期完井管柱管鞋下至射孔頂界或中部，造成鉆井液及支撐劑易沉積在井底替不出；優(yōu)化完井管柱將管鞋延伸至射孔段底界為替液通道，射孔頂界下入壓裂閥作為壓裂通道；傳統(tǒng)分層壓裂閥的滑套下端設(shè)計(jì)彈性爪固定滑套，投球打壓打開(kāi)使滑套下移到設(shè)計(jì)位置，下端彈性爪彈開(kāi)對(duì)滑套固定，同時(shí)滑套和外筒的橢圓孔對(duì)正，滑套內(nèi)外連通，鋼球落入球座上，后期需要返排出來(lái)。為此，研發(fā)一種全通徑壓裂閥［14］，從而達(dá)到壓裂時(shí)對(duì)準(zhǔn)儲(chǔ)層和井筒疏通時(shí)采用大尺寸管柱目的。

全通徑壓裂閥采用棘爪式結(jié)構(gòu)和投球打壓方式，可在滑套打開(kāi)側(cè)孔時(shí)擴(kuò)徑通過(guò)球，使球移動(dòng)至管柱底部，不影響管柱的其他作業(yè)，通徑達(dá)到與封隔器相同，承壓能力及性能指標(biāo)與傳統(tǒng)分層壓裂滑套相同，見(jiàn)圖2。

圖2 全通徑壓裂閥示意圖Fig.2 Full-bore fracturing valve

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

2010—2013年，庫(kù)車(chē)山前區(qū)域進(jìn)行了9井次多封隔器機(jī)械分層壓裂作業(yè)，出現(xiàn)了封隔器失效、鋼球返排不出、替液不干凈及管柱堵塞等問(wèn)題。2019—2020年優(yōu)化后的多封隔器分層壓裂工藝在庫(kù)車(chē)山前博孜、克深等區(qū)域高壓氣井累計(jì)應(yīng)用14井次，未出現(xiàn)上述問(wèn)題，改造后平均單井產(chǎn)量提高5.1倍。

以KS1井為例，該井完鉆井深/垂深7 060.0 m/6 398.4 m，采用優(yōu)化后的分層壓裂工藝進(jìn)行多封隔器分層壓裂。在最高排量6.55 m3/min、最高泵壓118.5 MPa情況下，未出現(xiàn)管柱堵塞現(xiàn)象，封隔器坐封效果良好。壓裂結(jié)束后用?9 mm油嘴放噴求產(chǎn)，無(wú)阻流量由壓裂前的30×104m3/d增至壓裂后的250×104m3/d，提產(chǎn)效果顯著。

2.1 緩解軸向載荷避免封隔器失效

2012年，庫(kù)車(chē)山前某井下部層段酸壓快結(jié)束時(shí)，套壓突升、油壓突降，判斷油套竄通，修井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)封隔器芯軸被拉斷。計(jì)算發(fā)現(xiàn)［15］，壓裂過(guò)程中封隔器受到的軸向載荷由140 kN提高至405 kN，是導(dǎo)致封隔器失效的主要原因。KS1井加裝伸縮短節(jié)后，力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示在低擠、壓裂、生產(chǎn)工況下封隔器受力均處于安全范圍內(nèi)，很好地緩解了軸向載荷，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)未再出現(xiàn)封隔器失效現(xiàn)象。

2.2 可溶球解決管柱堵塞問(wèn)題

鋼球返排不出嚴(yán)重增加井筒油氣的流動(dòng)阻力，堵塞生產(chǎn)通道，影響后期生產(chǎn)和井筒作業(yè)，造成上述問(wèn)題的主要原因?yàn)椋旱貙恿黧w無(wú)法推動(dòng)鋼球向上運(yùn)動(dòng)至井口；鋼球被地層返出的砂或其他巖屑堆積卡死在管柱內(nèi)；液體返排速度小使鋼球在壓裂后由于塑性變形卡死在球座上。

可溶球在壓裂液中承壓能力仍保持在69 MPa以上，持續(xù)時(shí)間達(dá)4 h。庫(kù)車(chē)山前高溫高壓氣井壓裂期間井底溫度70 ℃左右，壓裂施工時(shí)間為3 h左右，耐壓差50 MPa，因此，可溶球強(qiáng)度能夠滿足前期壓裂施工要求。根據(jù)溶解速度先慢后快的特性，滯留井筒內(nèi)的可溶球，在較短時(shí)間內(nèi)即可溶解?？扇芮蛲度氍F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，未再出現(xiàn)管柱堵塞問(wèn)題。

2.3 優(yōu)化管柱設(shè)計(jì)，增強(qiáng)井筒疏通能力

庫(kù)車(chē)山前試油壓井鉆井液一般采用油基、水基或超微重晶石體系，密度1.75～2.25 g/cm3，分層壓裂完井管柱下到預(yù)定位置后換裝井口，再用完井液低排量反替出壓井鉆井液。前期分層壓裂完井管柱結(jié)構(gòu)：?206.38 mm套管+?139.7 mm套管井常用Y443-111永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內(nèi)徑58.62 mm，配置的最大壓裂閥內(nèi)徑52mm；?177.8 mm套管+?127.0 mm套管井采用Y443-101永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內(nèi)徑為48.51 mm，配置的最大壓裂閥內(nèi)徑42 mm。管鞋下至產(chǎn)層中部或頂部。

優(yōu)化前分層壓裂管柱不利于后期連續(xù)油管井筒疏通等作業(yè)，優(yōu)化后分層壓裂完井管柱?206.38 mm套管+?139.7 mm套管井采用Y443-162+Y443-111永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內(nèi)徑58.62 mm，配置的最大壓裂閥內(nèi)徑60 mm；?177.8 mm套管+?127.0 mm套管井采用Y443-139+Y443-101永久式封隔器多封隔器分層，封隔器最小內(nèi)徑48.51 mm，配置的最大壓裂閥內(nèi)徑60 mm。優(yōu)化后的分層壓裂管柱，管鞋延伸至射孔段底界，在壓裂作業(yè)時(shí)通過(guò)投球打開(kāi)全通徑壓裂閥的循環(huán)孔，壓裂液和支撐劑可通過(guò)循環(huán)孔直接進(jìn)入儲(chǔ)層，解決管鞋下至射孔段底界帶來(lái)的支撐劑易沉積在井底、循環(huán)摩阻大的問(wèn)題。全通徑壓裂閥投球打開(kāi)滑套后最大內(nèi)徑與封隔器內(nèi)徑一致，改進(jìn)后的管柱井筒疏通能力增強(qiáng)了，為壓裂液注入和后期井筒作業(yè)提供了良好的條件，在后期作業(yè)中應(yīng)用效果良好。

3 結(jié)論和建議

(1)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)管柱安裝伸縮短節(jié)、延伸管柱長(zhǎng)度、研發(fā)可溶球、優(yōu)選封隔器尺寸，并優(yōu)化分層壓裂閥結(jié)構(gòu)，有效解決了庫(kù)車(chē)山前區(qū)域高溫高壓氣井多封隔器分段壓裂封隔器失效、鋼球堵塞管柱及射孔段下部替液不干凈技術(shù)問(wèn)題。

(2)考慮到施工風(fēng)險(xiǎn)等因素，目前只能完成雙封隔器分層壓裂，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化封隔器性能及配套工藝以實(shí)現(xiàn)更多層數(shù)的壓裂作業(yè)。

致謝

感謝陜西科技大學(xué)對(duì)可溶球涂層制備提供的技術(shù)支持。