李博睿（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）

復(fù)雜斷塊油藏直井多段壓裂工具研制

李博睿
（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）①

海拉爾盆地屬于低孔低滲的復(fù)雜斷塊油藏，平面、層間物性差異大，非均質(zhì)性強(qiáng)，有效動(dòng)用程度低。采用常規(guī)壓裂工藝，難以滿足高溫高壓要求；加砂規(guī)模小，改造強(qiáng)度低，難以建立有效驅(qū)動(dòng)體系。通過對(duì)節(jié)流損失計(jì)算、流態(tài)模擬、室內(nèi)油浸耐溫承壓試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研發(fā)出適合海拉爾地層條件的直井不動(dòng)管柱多段壓裂技術(shù)及配套工具，包括大通徑封隔器及膠筒、大通徑水力錨的研制，實(shí)現(xiàn)大砂量、大排量的大規(guī)模壓裂。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用30口井，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模加砂，大排量施工，壓后增產(chǎn)明顯。

直井；分層壓裂；工具

海拉爾油田總體上為邊際油田，屬于低孔低滲的復(fù)雜斷塊油藏。Ⅲ類儲(chǔ)層發(fā)育，平面、層間物性差異大，開發(fā)難度大，有效動(dòng)用程度低。儲(chǔ)層砂體規(guī)模較小，非均質(zhì)性強(qiáng)。單層厚度小，平均僅為1．1m，小于2．0m的油層占總層數(shù)的85．6%。常規(guī)壓裂技術(shù)由多組K344-114型擴(kuò)張式封隔器與DQKPS-114型彈簧噴砂器組成。存在問題：當(dāng)排量過大時(shí)，壓力差可能提前打開彈簧噴砂器滑套，導(dǎo)致無法按設(shè)計(jì)處理目的層；噴砂器滑套孔徑逐級(jí)減小，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，限制了排量的提升。一趟管柱雖然最多壓裂10段，但全井加砂量僅50m3，達(dá)不到大規(guī)模施工改造目的。承壓指標(biāo)50MPa，耐溫指標(biāo)90℃，難以滿足海拉爾油田高溫高壓壓裂（100℃，70MPa）需求。針對(duì)上述問題，開展直井多段壓裂技術(shù)研究，提高單趟管柱加砂規(guī)模，施工排量及耐溫承壓指標(biāo)。

1　直井不動(dòng)管柱多段壓裂管柱結(jié)構(gòu)及原理

圖1　工藝管柱組成

不動(dòng)管柱多段壓裂工藝管柱主要由安全接頭、大通徑水力錨、K344-115型封隔器、導(dǎo)噴封隔器、導(dǎo)壓噴砂器、死堵組成（如圖1）。工作原理：第1段由導(dǎo)噴封隔器（1級(jí)）與大通徑封隔器單卡目的層，直接通過導(dǎo)壓噴砂器進(jìn)行壓裂。其他層段每兩級(jí)導(dǎo)噴封隔器單卡目的層，通過投球開啟導(dǎo)噴封隔器內(nèi)滑套進(jìn)行逐層壓裂。與常規(guī)壓裂相比，卡距任意可調(diào)。適用于直井139．7mm（5英寸）套管固井完井分段壓裂［1-4］。

2　配套工具研制

2．1 技術(shù)難點(diǎn)

1） 球座防磨設(shè)計(jì)。噴砂器滑套的球座過砂量增大，易被磨損，導(dǎo)致球座內(nèi)徑增大，鋼球無法密封，滑套將無法開啟。

2） 節(jié)流嘴尺寸小，限制施工排量提升。

3） 當(dāng)壓裂級(jí)數(shù)很多，使用兩級(jí)封隔器單卡目的層時(shí)，由于工具串長而增加卡管柱風(fēng)險(xiǎn)。

4） 由于膠筒壁薄，導(dǎo)致工具耐溫承壓性能較差。

5） ?50mm內(nèi)徑的水力錨限制了壓裂級(jí)數(shù)的提升。

2．2 工具壁厚及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)強(qiáng)度分析理論，工具最小壁厚設(shè)計(jì)為6mm，以利于增加壓裂級(jí)數(shù)。噴砂口流道采用15°緩變徑設(shè)計(jì)［6］。對(duì)工具內(nèi)部的流態(tài)用Fluent軟件進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)變徑處的流速最高。當(dāng)壓裂液攜帶支撐劑以高速在工具內(nèi)部流過時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)屬于紊流，如圖2。由圖2可以看出，內(nèi)徑突變處（中心深色部分）流速最高，高速攜砂液對(duì)工具的破壞性非常大。當(dāng)排量提升至6～8m3／min時(shí)，流態(tài)變化更為明顯。高流速區(qū)附近產(chǎn)生的小渦流對(duì)工具造成嚴(yán)重磨蝕［7］。

所以，對(duì)于球座采用合金材質(zhì)。合金材質(zhì)硬度高，耐磨性好，但是材料脆，非常容易損壞。鋼球在重力加速度以及高速壓裂液帶動(dòng)下，很容易砸壞球座。為此設(shè)計(jì)了緩沖座，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來看，球座無一碎裂。優(yōu)化設(shè)計(jì)的球座結(jié)構(gòu)提高關(guān)鍵部件耐磨性能70%以上，進(jìn)而提高單井加砂量，提高單井改造規(guī)模。

圖2　工具內(nèi)部速度分布

2．3 節(jié)流嘴尺寸優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)大排量施工，對(duì)工具節(jié)流嘴進(jìn)行壓力損失計(jì)算，結(jié)果如表1。

表1　節(jié)流壓力損失計(jì)算

由表1可能看出節(jié)流嘴內(nèi)徑越大，產(chǎn)生的節(jié)流損失越小，即壓差越小。當(dāng)節(jié)流嘴內(nèi)徑為40mm時(shí)，壓差為1．2MPa。而封隔器的坐封力為1．1 MPa。這說明節(jié)流嘴內(nèi)通徑為40mm時(shí)，產(chǎn)生的節(jié)流壓差已經(jīng)大于封隔器坐封力，從而最大限度減少能量損失?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)施工排量大，選擇40mm節(jié)流嘴完全可以使工具坐封。

2．4 導(dǎo)噴封隔器設(shè)計(jì)

新工具保留了封隔器的耐溫承壓性能和導(dǎo)壓噴砂器的耐磨蝕性能。單個(gè)工具長度較原來兩種工具連接在一起縮短400mm，降低起下遇卡風(fēng)險(xiǎn)。如圖3。創(chuàng)新點(diǎn)：由于噴砂體和封隔器在一個(gè)壓力系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)壓力傳遞通道，使液壓由濾網(wǎng)經(jīng)橋式通道傳遞到中心管，從而使膠筒膨脹密封。而且壓力通道應(yīng)當(dāng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，防止其被破壞導(dǎo)致工具坐封失效。另外，工具下鋼碗采用單活動(dòng)端設(shè)計(jì)，可以隨膠筒膨脹而發(fā)生位移，并且有限位環(huán)限制移動(dòng)量，從而最大化減小膠筒應(yīng)力集中，提高膠筒的穩(wěn)定性。

圖3　導(dǎo)噴封隔器

工具上、下接頭螺紋采用2UPTBG（加厚油管扣），方便連接油管以及配套工具，經(jīng)計(jì)算滿足工作強(qiáng)度，安全系數(shù)1．5。采用萬能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行室內(nèi)拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如圖4，表明設(shè)計(jì)的中心管強(qiáng)度安全可靠。

導(dǎo)噴封隔器工作原理：壓裂目的層時(shí)，首先從井口投鋼球（有時(shí)為了提高施工效率，在井口配備投球器），坐落在滑套球座上，憋壓至12 MPa（滑套開啟壓力），滑套剪斷銷釘，隨鋼球下行，噴砂口露出，實(shí)施壓裂［5］。

圖4　導(dǎo)壓噴砂封隔器中心管拉伸試驗(yàn)曲線

2．5 耐溫承壓膠筒研制

導(dǎo)噴封隔器中心管外徑提高，導(dǎo)致膠筒內(nèi)徑變大，外徑不變的情況下，膠筒壁厚變薄會(huì)影響其耐溫承壓性能。

針對(duì)導(dǎo)噴封隔器，研制出了HNBR、NBR、二價(jià)鹽改性、高彈性炭黑增強(qiáng)的共混納米膠筒，其物理性能大幅度提高。炭黑顆粒小于100 nm，屬納米材料，納米顆粒分布更加均勻。在受力后，產(chǎn)生無數(shù)小裂紋，阻止了導(dǎo)致膠筒損壞的大裂紋產(chǎn)生［6］。

對(duì)導(dǎo)噴封隔器進(jìn)行了油浸試驗(yàn)，檢驗(yàn)其耐溫承壓性能。任取導(dǎo)噴封隔器及新研制膠筒各3支，分別命名a，b，c。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，試驗(yàn)表明導(dǎo)噴封隔器可達(dá)到耐溫100℃、承壓70MPa。試驗(yàn)后膠筒如圖5。

表2　K344115型導(dǎo)噴封隔器油浸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　100℃、70 MPa試驗(yàn)后的膠筒

提升油浸溫度至120℃時(shí)，膠筒承壓30 MPa，肩部即發(fā)生刺漏，如圖6。下步擬在膠筒肩部增加保護(hù)裝置，能隨膠筒膨脹打開，防止肩部突出，進(jìn)一步提高承壓性能，滿足高壓施工要求。

圖6　120℃試驗(yàn)后膠筒肩部破壞

2．6 大通徑水力錨研制

常規(guī)水力錨的內(nèi)徑為50mm，導(dǎo)致球與滑套的級(jí)數(shù)受到限制。因此研制大通徑水力錨十分必要。

經(jīng)過大量試驗(yàn)，新設(shè)計(jì)的水力錨，通過尺寸優(yōu)選，使用了2種不同尺寸的膠圈，并且只在第一道膠圈處加聚四氟乙烯墊片。這樣使內(nèi)通徑達(dá)到55mm。單趟管柱施工層數(shù)可以由原來的6層提高到8層。錨爪采用硬質(zhì)合金材質(zhì)，柱狀牙設(shè)計(jì)［8］，硬度大于89 HRC，能有效防止其與套管摩擦帶來的損壞，并且能夠有效防止管柱蠕動(dòng)。室內(nèi)試驗(yàn)壓力70MPa。如圖7～9。

圖7　水力錨爪剖面圖

圖8　水力錨內(nèi)通徑

圖9　硬質(zhì)合金錨爪

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

截止目前，該項(xiàng)技術(shù)在海拉爾已累計(jì)應(yīng)用30口井。壓裂層段單井4～6層，最大施工排量8．0m3／min，最高施工壓力60 MPa，溫度100℃，最高加砂量150m3。

井A加砂120m3，管柱起出后，工具只有輕微磨損。如圖10～11。

圖10　噴砂口磨損情況

圖11　滑套磨損情況

壓裂后總體產(chǎn)量明顯提高。其中井B的壓裂試油曲線如圖12，壓后初期日產(chǎn)油10．08 t／d，為同區(qū)塊相鄰直井的4倍。

圖12　壓裂試油求產(chǎn)曲線

4　結(jié)論

1） 研發(fā)的直井不動(dòng)管柱多段壓裂技術(shù)滿足了海拉爾盆地復(fù)雜斷塊油藏高溫高壓大砂量施工要求，已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用30口井，成功率100%。

2） 導(dǎo)噴封隔器的成功研制可以提高多段壓裂的加砂量至150m3。大通徑水力錨的成功研制可以提高壓裂段數(shù)，并且提高了管柱的錨定力。

3） 工藝管柱初步實(shí)現(xiàn)了大排量（8m3／min）、大規(guī)模壓裂施工。

4） 該技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，可成為海拉爾復(fù)雜巖性儲(chǔ)層進(jìn)一步提高動(dòng)用儲(chǔ)量及單井產(chǎn)量的主體技術(shù)，可在國內(nèi)其他油田推廣應(yīng)用。

［1］ 張永國，劉友權(quán)，鄭文靜，等．水力噴射分層加砂壓裂液室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］．石油與天然氣化工，2011，40 （6）：590-593．

［2］ 李興煜．不動(dòng)管柱分層壓裂技術(shù)研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（9）：103-106．

［3］ 景亮，肖春金．雙封隔器機(jī)械分層壓裂工藝技術(shù)研究［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2011（2）：116-117．

［4］ 高應(yīng)祥，白興達(dá)，丁紅，等．TAP閥直井分層壓裂完井技術(shù)在吉深1井的應(yīng)用［J］．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，31（6）：53-56．

［5］ 李琳．深層氣井大砂量分層壓裂工藝管柱［J］．油氣田地面工程，2011（4）：16-18．

［6］ 黃粟．直井不動(dòng)管柱10段壓裂工藝技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2013（18）：103-105．

［7］ 陳家瑯．水力學(xué)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，1984：．

［8］ 王志堅(jiān)，鄧衛(wèi)東，林忠超．水平井封隔器卡瓦的有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］．石油鉆采工藝，2013，35（4）：78-81．

Study on Multi-stage Fracturing Technology in Vertical Wells in Complex Fault Block Reservoir

LI Borui
（Production Technology Institute，Daqing Oilfield Company Ltd．，Daqing 163453，China）

Hailar basin，with its property of low porosity and permeability，is complex fault block reservoir which is hardly recovered because of heterogeneity．Regular frac technology with ineffec-tive stimulation cannotmeet the requirements of HPHT and high sand volume．To realize larg e-scale fracturing and to increase the well production and efficiency，by pressure calculation，flow state simulation and experiment indoor and site application，vertical wellmulti-stage fracturing withoutmoving string in Hailar basin is developed．It has realized big scale fracturing with big sand volume and rate．Matched tools including big diameter packer and relevant rubber element，big diameter hydraulic anchor have been developed．The technology has been applied in 30 wells with obvious effect under the big sand volume and rate fracturing．

vertical well；separate layer fracturing；tool

TE934．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．014

1001－3482（2015）08－0059－05

①2015－02－09

李博睿（1984-），男，黑龍江大慶人，工程師，2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，目前主要從事分層壓裂工藝及配套工具的研發(fā)及推廣工作，Email：lbrwj＠hotmail．com。