劉科偉,李家明, 魏光華,盧玉靈,方 野

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000;2.中國石化河南石油勘探局油氣技術(shù)服務(wù)公司)

雙封拖動分層壓裂管柱的研制與應(yīng)用

劉科偉1,李家明1, 魏光華2,盧玉靈1,方 野1

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450000;2.中國石化河南石油勘探局油氣技術(shù)服務(wù)公司)

以前河南油田分層壓裂管柱為不動分層壓裂管柱，這類不動管柱配套工具多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每層壓裂后不能及時反洗井，存在砂埋管柱風(fēng)險；另外K344封隔器組配成拖動分層壓裂管柱，耐溫耐壓相對較低，壓裂后如果封隔器回收不好，在拖動過程中可能損壞膠筒，從而影響封隔器密封性。鑒于上述情況，進(jìn)一步優(yōu)化了雙封拖動分層壓裂管柱結(jié)構(gòu)。新型壓裂管柱工具少，同時ZY331封隔器和Y211封隔器結(jié)構(gòu)簡單，易于坐封解封，耐溫耐壓較高，適合拖動分層壓裂施工工藝。

河南油田；雙封拖動分層壓裂；沉砂口袋；封隔器

河南油田早已進(jìn)入高含水階段，配套的油井壓裂工藝技術(shù)在油田穩(wěn)產(chǎn)中起著重要作用，每年約有50口井需進(jìn)行壓裂工藝改造，其中，分層壓裂井約有5～8口。以前河南油田分層壓裂管柱為不動分層壓裂管柱，這種管柱組配較為復(fù)雜，所需工具多，雖然采取多種安全措施，仍然存在砂埋管柱的風(fēng)險。另外，壓裂完下層后，不動管柱接著投球壓裂上層，如此往復(fù)通過投球?qū)Χ鄠€油層壓裂，砂埋壓裂層封隔器的可能性很大，主要來源于兩個方面，一是壓完一層后，存留有沒頂替完管柱內(nèi)的攜砂液；二是所有油層壓裂完后不能反洗井，在排液放噴過程中，地層可能返吐砂子，這樣就可能造成砂埋封隔器的風(fēng)險，并會影響整個管柱的安全起出，造成作業(yè)井下事故。因此研制出“雙封拖動分層壓裂管柱”，以適應(yīng)河南油田老區(qū)及新區(qū)塊多層分層壓裂的需要。

1 壓裂封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及特點

1.1 ZY331-115壓裂封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計[1-3]

圖1 ZY331-115封隔器結(jié)構(gòu)示意

1.1.1 組合式密封結(jié)構(gòu)

組合式密封結(jié)構(gòu)由兩個餅式膠筒、骨架、鋼絲、自封皮碗部件組成。骨架、鋼絲、自封皮碗經(jīng)硫化工藝融為一個整體。餅式膠筒、自封皮碗的膠料選用優(yōu)質(zhì)膠，餅式膠筒邵氏硬度相對較高，耐高溫高壓，具備多次坐封特性；自封皮碗邵氏硬度相對較低，鋼絲要有彈性并具有足夠承壓能力。這種組合式密封結(jié)構(gòu)，易于坐封解封及反洗井，以適應(yīng)管柱反洗井要求。

1.1.2 工作原理

(1)坐封原理。自封皮碗緊貼套管內(nèi)壁，當(dāng)封隔器下壓高于上壓時，隨著下壓不斷增加，在自封皮碗密封作用下，皮碗骨架向上產(chǎn)生的軸向推力也增加，當(dāng)壓差達(dá)到15 MPa時，向上軸推力達(dá)到13 t，此時兩個餅式膠筒完成坐封，隨著壓力不斷升高，由自封皮碗承壓轉(zhuǎn)向餅式膠筒承壓，體現(xiàn)耐壓高的特點。

(2)解封原理：停泵泄壓后，膠筒自動回彈，完成解封。

1.1.3 特點

(1)耐壓差70 MPa；耐溫145 ℃。

西雙說所以，無論樓蘭治好還是治不好，只要復(fù)了婚，我都不會有好日子過。不要以為我在嚇唬你，我這還只是樂觀的想法。就是說，我寧愿相信樓蘭是真的想和我復(fù)婚，而沒有什么別的齷齪。我承認(rèn)這種時候猜疑她有些陰暗，不過我總得替自己考慮一下。假如她和她媽還有別的想法呢？比如她真的想利用復(fù)婚黑下那三萬塊錢，比如她真的想找個傻逼替她照顧女兒和母親，再比如，萬一她看上我剛剛通過賃款買下的那套房子呢？那我就倒了八輩子血霉了。當(dāng)然財產(chǎn)可以公證，可是她那樣的身體能陪我去公證嗎？當(dāng)然可以打官司，可是我敢保證一定能打得贏嗎？別忘了，她去了以后，她的女兒，就順理成章地成為財產(chǎn)的第二繼承人。第二繼承人啊！誰心里不哆嗦？

(2)可多次坐封，解封可靠，停泵自動解封。

(3)適用范圍廣，可實現(xiàn)分層壓裂、酸化等多種施工作業(yè)。

(4)單向承壓，具有反洗井功能。用于壓裂時，中途遇到砂堵現(xiàn)象，可立即進(jìn)行反洗井，消除砂堵，繼續(xù)壓裂施工。

1.2 Y211-115壓裂封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計[1-3]

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，仍要考慮壓裂封隔器耐溫耐壓性能和封隔器有多次坐封的特點及解封的可靠性。其結(jié)構(gòu)設(shè)計思想是，將噴砂器與該封隔器設(shè)計為一個整體，這種封隔器坐封、解封通過提放管柱實現(xiàn)，現(xiàn)場利于操作，工作性能穩(wěn)定可靠，其結(jié)構(gòu)組成見圖2。

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 Y211-115封隔器結(jié)構(gòu)示意

(1)噴砂結(jié)構(gòu)。通常的噴砂器結(jié)構(gòu)設(shè)計成一個獨立體，噴砂口離下封隔器膠筒距離相對較長，一般在0.35 m以上，有一定的沉砂口袋高度，而圖2設(shè)計的噴砂器與封隔器設(shè)計為一整體，噴砂口離下封隔器膠筒距離很短，僅為0.075 m，沉砂口袋很小，這有利于管柱的安全起出。

(2)密封結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)有兩個餅式膠筒，其承壓能力與前述ZY331-115封隔器相同，同樣有多次坐封與解封功能。

(3)坐封、解封結(jié)構(gòu)。其由錐體、卡瓦、箍簧、上護(hù)套、摩擦體、摩擦塊、彈簧片、下護(hù)套、中心管及中心管上的長軌道槽和短軌道槽組成，其中摩擦塊耐磨，彈簧片有足夠彈力，這樣能確保該封隔器坐封解封可靠。

1.2.2 工作原理

(1)坐封原理。管柱下到設(shè)計位置后，直接上提管柱，摩擦體凸柱進(jìn)入中心管長軌道槽，然后下放管柱，錐體下行，摩擦體、卡瓦等相對靜止，錐體與卡瓦接觸，繼續(xù)下放管柱，錐體楔入卡瓦里，使卡瓦卡在套管內(nèi)壁不動，然后繼續(xù)下放管柱壓縮膠筒，封隔油套環(huán)空，完成坐封動作。

(2)解封原理：直接上提管柱，摩擦體、卡瓦、摩擦塊相對不動，摩擦體凸柱進(jìn)入中心管短軌道槽，錐體與卡瓦分離，膠筒回收，完成解封動作。如此往復(fù)上提下放管柱實現(xiàn)多層壓裂。

1.2.3 特點

(1)耐壓差70 MPa；耐溫145 ℃；

(2)噴砂口與膠筒距離小，沉砂口袋小(高僅為0.075 m)，可消除砂埋封隔器風(fēng)險；

(3)適用范圍廣，可實現(xiàn)分層壓裂、酸化等多種施工作業(yè)。

2 雙封拖動分層壓裂管柱現(xiàn)場實施

2.1 壓裂管柱組成和井筒壓前準(zhǔn)備

(1)該管柱由壓裂油管、平衡閥、水力錨、安全接頭、ZY331-115封隔器、Y211-115封隔器及絲堵組成，壓裂管柱見圖3。

圖3 雙封拖動分層壓裂管柱

(2) 井筒壓前準(zhǔn)備。先用通井規(guī)通井到人工井底，起出通井管柱，檢查套管有無變徑；利用刮削器刮削到井底，起出刮削管柱，清潔套管內(nèi)壁。對于壓力擴散慢的井，井口要配帶壓作業(yè)裝置及油管堵塞器，以提高現(xiàn)場壓裂施工效率。

2.2 工藝施工過程

(1)封隔器坐封：在下管柱過程中，壓力平衡閥實現(xiàn)油套連通，油管大排量憋壓后壓力平衡閥關(guān)閉，油套不連通。管柱下到設(shè)計位置后，上提管柱，再下放管柱壓縮膠筒，完成坐封。座好壓裂井口，等待施工。

(2)根據(jù)設(shè)計壓裂規(guī)模的要求，進(jìn)行壓裂車組的確定，連接好地面管線，關(guān)閉井口高壓閥門，并對地面管線進(jìn)行高壓試壓。

(3)對壓裂層進(jìn)行壓裂：按照泵注程序擠入前置液、攜砂液、頂替液，精確控制頂替液量，要求頂替液大于2 m3，以確保管柱內(nèi)無攜砂液，完成第一層壓裂。對于壓力擴散快的淺層系油藏，可直接上提管柱，對第二層進(jìn)行壓裂，直到壓裂完所有層。對于壓力擴散慢的井，井口配套上帶壓作業(yè)裝置，油管里配套油管堵塞器，仍通過上提管柱，可進(jìn)行多層壓裂。

(4)壓裂管柱的起出。壓裂施工結(jié)束后，等油管壓力降到油層閉合壓力后，可直接起出管柱，如果上提管柱遇卡，可通過反洗井方式，洗出Y211封隔器膠筒上部砂子，這樣便可安全起出管柱。

(5)卡管柱風(fēng)險預(yù)案。如果反洗井后還是無法起出管柱，可通過正轉(zhuǎn)管柱倒掉安全接頭，逐個起出井下工具。因為噴砂口離下封膠筒距離僅為0.075 m，沉砂口袋小，再加上該管柱在任何時候可以反洗井，因此，消除了砂卡管柱的可能性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至2014年10月底，該技術(shù)已在現(xiàn)場應(yīng)用3口井，其中，壓裂3層1口井，壓裂2層2口井，工藝成功率100%，壓裂井最大井深達(dá)3 200 m，泵車施工壓力高達(dá)78 MPa，施工最大排量4.5 m3/min，最高砂比達(dá)46%，起出管柱解封負(fù)荷僅為3 t，達(dá)到工藝成功和安全起出的目的，取得了較好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

(1)研制的新型壓裂管柱施工成功率高，結(jié)構(gòu)簡單，可廣泛用于壓裂、酸化、注水、注聚等注入工藝，具有較好的應(yīng)用前景。

(2) 封隔器耐溫耐壓高，可用于復(fù)雜斷塊深層系、淺層系油藏的單層或多層分層壓裂。

(3)優(yōu)化后的設(shè)計管柱及配套工具，消除了砂埋管柱風(fēng)險。

[1] 羅英俊，萬仁溥.采油技術(shù)手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005：58-70.

[2] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004:75-92

[3] 吳奇，王林,陳顯進(jìn)，等.井下作業(yè)工程師手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007:120-132.

編輯：劉洪樹

1673-8217(2015)04-0141-03

2015-01-30

劉科偉，工程師，1980年生，2004年畢業(yè)于中原工學(xué)院機械工程系工業(yè)設(shè)計專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)工程研究工作。

TE357.13

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