潘 勇， 王 娟， 張 權(quán)， 張道鵬

(中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司)

我國(guó)常規(guī)油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向深部復(fù)雜油氣儲(chǔ)層，該儲(chǔ)層具有埋藏深、非均質(zhì)性強(qiáng)、地層破裂壓力大、溫度高等特點(diǎn)，增產(chǎn)改造難度大，對(duì)增產(chǎn)改造工具提出了更高的要求[1-5]。以分層壓裂酸化工具為例，目前國(guó)內(nèi)高溫高壓儲(chǔ)層分層壓裂酸化均采用同時(shí)坐封管柱中所有封隔器的常規(guī)方式進(jìn)行施工，如圖1所示。施工過(guò)程中，第一層高擠施工前就將三套封隔器同時(shí)坐封，施工中平衡壓力只能加到封隔器Ⅲ之上，封隔器Ⅰ與封隔器Ⅲ之間的管柱無(wú)法加平衡壓力，若施工壓力高將可能致使該段工具管柱超壓而影響管柱安全。

圖1 常規(guī)分三層壓裂酸化工具管柱示意圖

因此，常規(guī)分層壓裂酸化工具管柱在高壓儲(chǔ)層改造中存在不足，難以滿(mǎn)足深部復(fù)雜油氣儲(chǔ)層分層改造的需要，成為當(dāng)前亟待解決的難題[6-10]。

一、新型分層壓裂酸化技術(shù)

針對(duì)常規(guī)分層壓裂酸化工具技術(shù)在高溫高壓儲(chǔ)層改造中存在的不足，通過(guò)長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)，提出了能分時(shí)啟動(dòng)各封隔器的新型分層壓裂酸化工具技術(shù)。分層施工時(shí)，啟動(dòng)施工層的封隔器，其余封隔器不啟動(dòng)，且每一段工具管柱均可施加平衡壓力。

1. 新型分層壓裂酸化工藝原理

施工第一層時(shí)，啟動(dòng)封隔器Ⅰ，封隔器Ⅱ和封隔器Ⅲ未啟動(dòng)，平衡壓力可施加至封隔器Ⅰ之上，如圖2(a)示；施工第二層時(shí)，只啟動(dòng)封隔器Ⅰ和封隔器Ⅱ，封隔器Ⅲ未啟動(dòng)，平衡壓力即可施加至封隔器Ⅱ之上，如圖2(b)示；施工第三層時(shí)，只啟動(dòng)封隔器Ⅱ和封隔器Ⅲ，平衡壓力即可施加至封隔器Ⅲ之上，如圖2(c)示。由此可見(jiàn)，分層施工中每套封隔器均可施加平衡壓力，可有效避免封隔器及管柱超壓。

圖2 新型分層壓裂酸化工藝示意圖

2. 新型分層壓裂酸化工具管柱結(jié)構(gòu)

針對(duì)新型分層壓裂酸化工藝特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了滿(mǎn)足工藝的工具管柱。以三層分層壓裂酸化為例，管柱結(jié)構(gòu)(自下而上)：球座Ⅰ+油管+水力錨+Y344封隔器+水力錨+油管+分層控制滑套Ⅰ+油管+球座Ⅱ+油管+水力錨+Y344可控坐封封隔器Ⅰ+水力錨+油管+分層控制滑套Ⅱ+油管+Y344可控坐封封隔器Ⅱ+水力錨+反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套+油管至井口，如圖3示。

圖3 新型分層壓裂酸化工具管柱結(jié)構(gòu)示意圖

分層施工時(shí)，完成低替后提高排量或投球打壓?jiǎn)?dòng)Y344封隔器，對(duì)第一層進(jìn)行壓裂酸化施工，施工中Y344可控坐封封隔器Ⅰ和Ⅱ不啟動(dòng)，平衡壓力可施加至Y344封隔器之上。第一層施工結(jié)束后投入相匹配的球啟動(dòng)Y344可控坐封封隔器Ⅰ，完成啟動(dòng)后自動(dòng)釋放該啟動(dòng)球，球落入分段控制滑套Ⅰ的球座上，打壓開(kāi)啟分段控制滑套Ⅰ，滑套開(kāi)啟后自動(dòng)將球釋放，球下落坐于球座Ⅰ上，封堵第一層，且對(duì)Y344封隔器具有保壓作用而不致解封，實(shí)施第二層壓裂酸化施工，此時(shí)上封隔器未啟動(dòng)，平衡壓力可施加至中間封隔器之上。同理第二層施工結(jié)束后投入相匹配的球，啟動(dòng)Y344可控坐封封隔器Ⅱ和開(kāi)啟分段控制滑套Ⅱ后，球坐于球座Ⅱ上，對(duì)第三層進(jìn)行壓裂酸化施工。

二、關(guān)鍵工具研制

分層壓裂酸化工具管柱主要由封隔器及配套工具組成，其功能靠各封隔器和配套工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，根據(jù)新型分層壓裂酸化工藝需要，研發(fā)了Y344可控坐封封隔器、分層控制滑套和反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套等產(chǎn)品。其中，Y344可控坐封封隔器可實(shí)現(xiàn)分時(shí)控制啟動(dòng)，是新型分層壓裂酸化工藝技術(shù)的關(guān)鍵；分層控制滑套可為第二層以上施工提供過(guò)液通道，是分層壓裂酸化施工必不可少的配套工具；施工作業(yè)結(jié)束后，如果封隔器解封存在異常，反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套可溝通油套管環(huán)空。

1. Y344可控坐封封隔器

Y344可控坐封封隔器主要由上接頭、保護(hù)套、中心管、膠筒、密封圈、缸套、下接頭、控制球、變徑球座、控制套、擴(kuò)徑腔和剪釘?shù)炔糠纸M成，如圖4所示。需要啟動(dòng)坐封封隔器時(shí)，從井口向油管內(nèi)投入相匹配的控制球，控制球下落至變徑球座上，通過(guò)井口向油管內(nèi)打壓，當(dāng)油管內(nèi)壓力升至一定值時(shí)，剪斷剪釘，控制套、變徑球座和控制球同時(shí)下移，當(dāng)變徑球座移動(dòng)到與擴(kuò)徑腔正對(duì)時(shí)，變徑球座散開(kāi)，內(nèi)徑增大，控制球通過(guò)變徑球座下落。同時(shí)，下接頭上的傳壓孔外露，壓力通過(guò)傳壓孔傳至由缸套、中心管和下接頭組成液壓缸內(nèi)，推動(dòng)缸套上行，壓縮脹大膠筒，使膠筒貼緊套管，完成密封封隔。

圖4 Y344可控坐封封隔器結(jié)構(gòu)示意圖

2. 分層控制滑套

分層控制滑套主要由殼體、開(kāi)啟球、哈弧式球座、密封圈、內(nèi)套、擴(kuò)徑內(nèi)腔和剪釘?shù)炔糠纸M成，如圖5所示。Y344可控坐封封隔器啟動(dòng)后釋放的球下落至哈弧式球座上，通過(guò)井口向油管內(nèi)打壓，當(dāng)壓力升至一定值時(shí)，剪斷剪釘，內(nèi)套、密封圈、哈弧式球座和開(kāi)啟球一同下移，露出殼體上的側(cè)孔，當(dāng)哈弧式球座移動(dòng)到與擴(kuò)徑內(nèi)腔正對(duì)時(shí)，哈弧式球座散開(kāi)，內(nèi)徑增大，開(kāi)啟球通過(guò)哈弧式球座下落。

圖5 分層控制滑套結(jié)構(gòu)圖

3. 反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套

反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套主要由上接頭、固定螺釘、密封圈、殼體、開(kāi)關(guān)套、剪釘和下接頭等部分組成，如圖6所示。反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套連接在工具管柱頂封隔器之上，施工結(jié)束若封隔器解封困難，通過(guò)井口從環(huán)空打壓至一定值，壓力通過(guò)殼體循環(huán)孔傳至開(kāi)關(guān)套與殼體形成的液壓缸內(nèi)，產(chǎn)生一向左的推力，剪斷剪釘，開(kāi)關(guān)套向左移動(dòng)，開(kāi)關(guān)套上的孔與殼體上循環(huán)孔對(duì)正時(shí)，滑套完成開(kāi)啟。若需要關(guān)閉時(shí)，提高排量正注，流體在開(kāi)關(guān)套側(cè)孔處形成一定節(jié)流阻力，使開(kāi)關(guān)套內(nèi)部的壓力大于外部壓力，推動(dòng)開(kāi)關(guān)套向右移動(dòng)，重新關(guān)閉滑套。

圖6 反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套結(jié)構(gòu)圖

三、室內(nèi)試驗(yàn)

分層壓裂酸化關(guān)鍵工具試制加工完成后，進(jìn)行了室內(nèi)結(jié)構(gòu)組裝，并對(duì)可控坐封封隔器性能、反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套和分段控制滑套等開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，如表1所示。

表1 分層壓裂酸化關(guān)鍵工具室內(nèi)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)可控坐封封隔器性能、反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套和分層控制滑套等分層壓裂酸化關(guān)鍵工具進(jìn)行一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具備入井使用條件，具體試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)研制的分層壓裂酸化工具管柱最高承受工作壓差70 MPa，最高耐溫180℃，較好的滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。

(2)研制的分層壓裂酸化工具管柱各封隔器能實(shí)現(xiàn)分時(shí)啟動(dòng)，平衡壓力可施加到每套封隔器，施工管柱更加安全可靠，并可直觀判斷各層封隔器的密封情況，管柱結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，能有效滿(mǎn)足高溫高壓儲(chǔ)層分層改造工藝要求。

(3)研制的封隔器耐溫承壓可靠、解封順利，可控坐封封隔器可獨(dú)立控制啟動(dòng)，水力錨能克服施工中管柱受力變化，反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套重復(fù)開(kāi)關(guān)操作簡(jiǎn)單方便，分層控制滑套開(kāi)啟動(dòng)作靈活可靠。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型分層壓裂酸化工具管柱進(jìn)行了6井次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，工具管柱最大下深5 470.27 m，最高井溫160℃，最大施工泵壓90.4 MPa，最大施工壓差59.03 MPa。以某井現(xiàn)場(chǎng)施工為例，其壓裂施工曲線(xiàn)如圖7所示，該井分3段壓裂，共注入地層液量842.92 m3，砂量73.9 m3，最大施工泵壓89 MPa；施工作業(yè)中，Y344可控坐封封隔器坐封密封承壓性能良好，各封隔器能實(shí)現(xiàn)分時(shí)啟動(dòng)，滿(mǎn)足了高溫高壓儲(chǔ)層分層改造工藝需求；排液測(cè)試后，工具管柱可順利起出，取得了較好的應(yīng)用效果。

圖7 某井分段壓裂施工曲線(xiàn)

五、結(jié)論

(1)新型分層壓裂酸化工具管柱各封隔器能實(shí)現(xiàn)分時(shí)啟動(dòng)，平衡壓力可施加到每套封隔器，施工管柱更加安全可靠，并可直觀判斷各層封隔器的密封情況，管柱結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，能滿(mǎn)足高溫高壓儲(chǔ)層分層改造工藝需求。

(2)封隔器耐溫承壓可靠、解封順利，可控坐封封隔器可獨(dú)立控制啟動(dòng)，反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套重復(fù)開(kāi)關(guān)操作簡(jiǎn)單方便，分層控制滑套開(kāi)啟動(dòng)作靈活可靠。

(3)管柱中設(shè)置反循環(huán)重復(fù)開(kāi)關(guān)滑套，施工中若意外開(kāi)啟，可重新關(guān)閉保證施工正常運(yùn)行，同時(shí)，也為施工結(jié)束后保證油套管溝通提供了一套技術(shù)手段。