三類油層壓裂驅(qū)油防噴防卡工具研制

李 琳

(1.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453; 2. 黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163453)

大慶油田進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)后期，措施對(duì)象逐步轉(zhuǎn)向“薄、差、低、散”的三類油層。這類油層的剩余油儲(chǔ)量大，是油田重要的接替潛力儲(chǔ)層。這類儲(chǔ)層主要以三角洲內(nèi)外前緣相沉積為主，砂體類型多、儲(chǔ)層物性差、水驅(qū)采出程度低、剩余油分布零散，水驅(qū)開(kāi)發(fā)采出程度低?；瘜W(xué)驅(qū)開(kāi)發(fā)見(jiàn)到一定效果，但仍存在注入效率低、薄差層動(dòng)用差、單井產(chǎn)量低的問(wèn)題[1-3]。針對(duì)三類油層特征開(kāi)展了壓裂驅(qū)油工藝技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用低黏度驅(qū)油劑代替壓裂液造縫，壓開(kāi)低滲、剩余油富集井層。通過(guò)裂縫快速注入驅(qū)油液，將大量驅(qū)油劑快速、高效注入到目的層，最后進(jìn)行加砂支撐裂縫，實(shí)現(xiàn)壓裂、增能、驅(qū)油三重功效。與常規(guī)壓裂相比較，壓裂驅(qū)油工藝的孔隙壓力及滲流范圍縱向分布范圍變大，驅(qū)油劑在可控的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大濾失，提高儲(chǔ)層動(dòng)用程度，達(dá)到提高單井產(chǎn)量目的[4]。

壓裂驅(qū)油技術(shù)的主要施工特點(diǎn)為：

1) 泵入液量大。單層可達(dá)到2 000 m3，平均單井5～7層，總液量為10 000～15 000 m3。

2) 施工排量高。油管泵注排量達(dá)到8 m3/min。

3) 連續(xù)施工時(shí)間長(zhǎng)。不間斷持續(xù)泵注3～5 d。

4) 工藝管柱需具有防噴功能。為保證壓裂驅(qū)油效果和盡快投產(chǎn)，壓后需盡快起出井內(nèi)工藝管柱，起管柱時(shí)必須配套防噴設(shè)備及工藝，避免壓后起管柱時(shí)驅(qū)油劑返排出井。

因此，壓裂驅(qū)油施工對(duì)于工藝管柱及關(guān)鍵工具提出了更高的要求。

1 常規(guī)工藝管柱問(wèn)題分析

壓裂驅(qū)油工藝試驗(yàn)初期直接采用常規(guī)直井多段壓裂工藝。管柱主要由丟手接頭、滑套式彈簧噴砂器、K344型封隔器和死堵組成，如圖1所示。通過(guò)不動(dòng)管柱投球開(kāi)啟不同層段對(duì)應(yīng)的滑套式彈簧噴砂器，進(jìn)行多段壓裂驅(qū)油施工。工藝管柱性能指標(biāo)為耐溫70 ℃、承壓55 MPa，單趟管柱壓裂5段，單層加砂30～60 m3。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)暴露出2個(gè)問(wèn)題：

1) 防噴措施失效。壓后防噴措施失效，起管柱時(shí)井內(nèi)液體從油管噴出或溢流，污染環(huán)境，降低壓裂驅(qū)油的效果。

1-丟手接頭；2-滑套式彈簧噴砂器；3-K344型封隔器；4-死堵。圖1 常規(guī)直井多段壓裂工藝管柱

2) 管柱遇卡。壓后起管柱時(shí)遇卡，無(wú)法正常起出，需大修作業(yè)起管柱，使壓裂驅(qū)油措施失效。

1.1 防噴措施失效問(wèn)題分析

初期試驗(yàn)時(shí)為滿足壓后起管柱防噴需要，井下工具采用滑套式彈簧噴砂器，分別設(shè)計(jì)了噴砂口外部密封和內(nèi)部密封滑套，如圖2所示，壓裂驅(qū)油施工后油管和套管連接通道可關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)防噴。

1-彈簧；2-噴砂口外部密封；3-噴砂口；4-噴砂口內(nèi)部密封滑套。圖2 滑套式彈簧噴砂器密封防噴結(jié)構(gòu)示意

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了2個(gè)問(wèn)題：

1) 噴砂口外部密封處，經(jīng)壓裂砂沖蝕后無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封，失去防噴作用，如圖3所示。

2) 內(nèi)部密封滑套未能完全進(jìn)入彈簧噴砂器內(nèi)，導(dǎo)致噴砂口內(nèi)部未實(shí)現(xiàn)封堵，無(wú)法起到防噴作用，如圖4所示。

圖3 密封面沖蝕后不密封

圖4 滑套未完全進(jìn)入彈簧噴砂器

1.2 管柱遇卡問(wèn)題分析

初期試驗(yàn)管柱遇卡后，通過(guò)對(duì)大修作業(yè)起出的井下工具進(jìn)行分析，明確了遇卡原因：

1) 壓裂驅(qū)油施工液量大、時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致封隔器膠筒疲勞失效而不回收，如圖5所示。

2) 每級(jí)噴砂器和封隔器內(nèi)部和外部均有壓裂砂，如圖6所示，據(jù)此也可判斷該工具所在位置與套管環(huán)空間隙中存在壓裂砂，導(dǎo)致砂卡管柱[5]。

圖5 未回收的封隔器膠筒

圖6 工具中心管內(nèi)存砂

2 防噴防卡工藝管柱分析

2.1 工藝管柱總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)問(wèn)題分析，對(duì)工藝管柱進(jìn)行優(yōu)化，總體工藝采用不動(dòng)管柱投球滑套多段壓裂驅(qū)油工藝[6]。針對(duì)工藝需求，重點(diǎn)從防噴、防卡2個(gè)方面開(kāi)展研究，形成了具有防噴防卡功能的壓裂驅(qū)油工藝管柱，如圖7所示。

1-油管防噴閥；2-導(dǎo)壓噴砂封隔器；3-防噴橋塞。圖7 壓驅(qū)防噴防卡工藝管柱

在防噴工藝方面，工藝管柱頂部設(shè)置油管防噴閥，底部設(shè)置防噴橋塞，如圖8所示。壓裂驅(qū)油施工完成后，先投入鋼球激活油管防噴閥內(nèi)板閥，封堵油管截面，實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)防噴。然后，利用帶壓作業(yè)裝置將工藝管柱上提至壓驅(qū)層段以上，坐封防噴橋塞，隔絕下部已改造層段，實(shí)現(xiàn)套管防噴。起出全部管柱，下泵時(shí)攜帶打撈解封工具解封防噴橋塞，直接進(jìn)行投產(chǎn)，待后期檢泵時(shí)起出橋塞即可。該工藝可同時(shí)滿足驅(qū)油液不外排、快速下泵投產(chǎn)的需要，保證了壓裂驅(qū)油效果。

圖8 防噴原理流程示意

在防卡工藝方面，針對(duì)壓裂驅(qū)油施工后易引起卡管柱的問(wèn)題，研制了導(dǎo)壓噴砂封隔器，使工藝管柱具備反洗井功能，同時(shí)縮短噴砂口和封隔器膠筒間距離，減少沉砂段長(zhǎng)度[7]；研制了薄壁大通徑短膠筒，提高了封隔器坐封解封性能，降低砂卡風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 油管防噴閥結(jié)構(gòu)

油管防噴閥結(jié)構(gòu)如圖9所示，核心機(jī)構(gòu)為中心滑套和防噴閥板?？煞胖迷诠苤敳?，通過(guò)投球打掉中心滑套，使防噴閥板關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)油管防噴，動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠。

1-中心滑套；2-防噴閥板。圖9 油管防噴閥總體結(jié)構(gòu)

為了保證防噴閥板在扭簧預(yù)緊力作用下能成功實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，將扭簧由傳統(tǒng)單作用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙作用結(jié)構(gòu)，受力更合理。同時(shí)，優(yōu)選高性能彈簧鋼，并經(jīng)時(shí)效抗疲勞處理[8]，其彈性和抗疲勞性能提高了30%。如圖10所示。

為提高油管防噴閥關(guān)閉可靠性，采用高強(qiáng)度和韌性兼具的優(yōu)質(zhì)合金鋼扭簧與輕質(zhì)鋁合金閥門(mén)組合(如圖11所示)，使防噴承壓達(dá)到30 MPa，質(zhì)量?jī)H為常規(guī)結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的1/3。

圖10 扭簧優(yōu)化前后示意

1-扭簧；2-防噴閥板。圖11 油管防噴閥的閥板結(jié)構(gòu)

2.3 防噴橋塞結(jié)構(gòu)

研制了新型Y425型防噴橋塞，設(shè)計(jì)了具有“離合器”功能的上下棘齒機(jī)構(gòu)，如圖12所示，提高了橋塞錨定坐封的可靠性，解決了橋塞下入和起出過(guò)程中由于誤操作導(dǎo)致中途坐封問(wèn)題。橋塞同壓裂管柱起下過(guò)程中，上下棘齒機(jī)構(gòu)處于分離狀態(tài)，橋塞錨定坐封機(jī)構(gòu)未被激活。當(dāng)需要錨定坐封時(shí)，上提并旋轉(zhuǎn)橋塞，上下棘齒相互嚙合，激活雙向卡瓦錨定機(jī)構(gòu)，使橋塞錨定。采用上提管柱方式壓縮膠筒完成封隔器坐封，實(shí)現(xiàn)防噴功能[9]。下泵時(shí)攜帶配套打撈裝置，通過(guò)上提解封橋塞，實(shí)現(xiàn)油套的連通，滿足正常注水或采油完井需要。

圖12 防噴橋塞示意

2.4 防砂卡導(dǎo)壓噴砂封隔器結(jié)構(gòu)

2.4.1 噴砂和封隔功能的一體化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了橋式導(dǎo)壓通道，使噴砂器節(jié)流壓差能有效地傳導(dǎo)到封隔器中心管中，確保噴砂口下方的封隔器膠筒有效坐封和解封。實(shí)現(xiàn)了噴砂器和封隔器一體化集成，工具長(zhǎng)度縮短17%，沉砂段縮短20%，滿足了1.2 m小卡距精細(xì)壓裂需求，有效降低砂卡風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，使封隔器具備反洗井功能，提高工藝管柱防卡、解卡性能。 如圖13所示。

1-噴砂口；2-導(dǎo)壓通道；3-封隔器膠筒。 圖13 導(dǎo)壓噴砂封隔器

2.4.2 薄壁大通徑短膠筒結(jié)構(gòu)

膠筒長(zhǎng)度越短，與套管的摩擦力越低，越容易解封；增大膠筒內(nèi)通徑，可以有效減少節(jié)流損失，提高施工排量。研發(fā)了鋼絲簾線結(jié)構(gòu)的薄壁大通徑短膠筒，內(nèi)通徑由?42 mm擴(kuò)大至?61 mm，密封長(zhǎng)度僅為175 mm，較常規(guī)膠筒縮短31%，如圖14所示。

1-常規(guī)結(jié)構(gòu)膠筒；2-薄壁大通徑短膠筒圖14 大通徑短膠與常規(guī)膠筒對(duì)比

為提高薄壁大通徑短膠筒承壓性能，將“鋼絲+尼龍簾線”設(shè)計(jì)為強(qiáng)度更高的“鋼絲+芳綸簾線”，優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼絲簾布角度為15°，均勻分布鋼絲簾線張力，確保受力均勻[10]。如圖15所示。

a 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前

b 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后

研究了特種處理工藝，解決芳綸與橡膠粘接性能差的問(wèn)題，使鋼絲、橡膠、膠漿和芳綸簾線在硫化成膠筒時(shí)融為一體，不“分層”，實(shí)現(xiàn)了膠筒內(nèi)部幾種不同材料的變形率趨于一致，從而解決膠筒工作時(shí)斷絲或斷線問(wèn)題。膠筒材料由丁腈橡膠(NBR)改為氫化丁腈橡膠(HNBR)，并加入納米級(jí)添加劑。設(shè)計(jì)了無(wú)痕模具和配套硫化成型工藝，避免膠筒在縱向有痕處開(kāi)裂，提高了膠筒性能指標(biāo)的穩(wěn)定性[11-12]。膠筒室內(nèi)檢驗(yàn)達(dá)到耐溫120 ℃、承壓差70 MPa，連續(xù)穩(wěn)壓48 h后殘余變形僅為3.1%，滿足長(zhǎng)時(shí)間高壓施工后仍能有效回收的工藝要求，降低了卡管柱風(fēng)險(xiǎn)[13]。

2.4.3 噴砂器節(jié)流結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為滿足壓驅(qū)井多段大排量施工需要，對(duì)噴砂器節(jié)流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將常規(guī)軸向節(jié)流優(yōu)化為側(cè)壁徑向節(jié)流結(jié)構(gòu)，增加了工具內(nèi)徑，釋放軸向內(nèi)徑空間，使噴砂器內(nèi)通徑同油管趨于一致，減少大排量施工時(shí)的節(jié)流損失。Fluent流體分析表明，側(cè)壁徑向節(jié)流使工具內(nèi)部流速更均勻，如圖16～17所示。噴砂器噴砂磨損方式由軸向梨削磨蝕轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚍礊R磨蝕，降低了噴砂器磨蝕強(qiáng)度，從而提高了噴砂器加砂量[14-15]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，噴砂器加砂量由30 m3提高到102 m3，滿足了壓裂驅(qū)油大砂量施工需要。

圖16 軸向與徑向節(jié)流結(jié)構(gòu)壓降損失云圖

圖17 軸向與徑向節(jié)流結(jié)構(gòu)出口流速云圖

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以N8-31井為例，該井為1口老井，與斷層距離124 m，開(kāi)發(fā)層位中2號(hào)、3號(hào)層存在4個(gè)單元注采不完善，儲(chǔ)量難以動(dòng)用。選擇4個(gè)層段開(kāi)展壓裂驅(qū)油現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，單段注入驅(qū)油液2 073 m3以上，單層加砂32 m3以上，施工排量6 m3/min，施工壓力最高51 MPa，具體參數(shù)如表1。

壓裂驅(qū)油施工完成后，首先關(guān)閉油管防噴閥，采用帶壓作業(yè)設(shè)備上提管柱，出現(xiàn)了上提載荷增加，通過(guò)大排量反循環(huán)沖砂后上提管柱載荷正常，起至全井射孔井段上部坐封防噴橋塞，實(shí)現(xiàn)井筒封堵。順利起出管柱后下入抽油泵，解封防噴橋塞后正式投產(chǎn)。從壓裂驅(qū)油施工結(jié)束起管柱至下泵投產(chǎn)僅2.5 d時(shí)間，較試驗(yàn)初期縮短7 d以上。試驗(yàn)后該井初期日增液80 t，日增油19.4 t，投產(chǎn)1 a時(shí)間累產(chǎn)達(dá)到6 300 t，單井產(chǎn)量大幅提升。

目前，該工藝?yán)塾?jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用160余口井，防噴防卡工藝成功率由試驗(yàn)初期不足50%提升至100%，為壓裂驅(qū)油工藝順利實(shí)施提供了有力技術(shù)支持。

表1 N8-21井壓裂驅(qū)油施工參數(shù)

4 結(jié)論

1) 壓裂驅(qū)油工藝可解決三類薄差層注采關(guān)系不完善、剩余油難以動(dòng)用的問(wèn)題，能夠有效提高單井產(chǎn)量。

2) 研發(fā)的防噴工藝實(shí)現(xiàn)了壓裂驅(qū)油施工過(guò)程中管柱下入、起出和下泵全過(guò)程防噴，環(huán)保施工，滿足了壓后快速下泵需求。單井投產(chǎn)周期縮短1個(gè)月以上，提高了壓驅(qū)效果和施工效率，降低了成本。

3) 研發(fā)的防卡工藝實(shí)現(xiàn)了直井縱向上多段、小卡距、安全、高效精控壓裂驅(qū)油施工，提高了主力油層小層壓開(kāi)率和三類儲(chǔ)層動(dòng)用程度。

4) 該防噴防卡工藝管柱可實(shí)現(xiàn)多段、大規(guī)模、高效、環(huán)保施工，不僅適合于壓裂驅(qū)油施工，還可拓展應(yīng)用于其他斜直井大規(guī)模多段壓裂施工中，能夠顯著提高施工效率，降低施工成本。