劉紅磊，陳 作，周林波，秦紅祥，楊同玉，薛占峰

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京102206；3.中國石化華北油氣分公司，河南鄭州450006）

裸眼封隔器多級(jí)滑套分段壓裂工藝逐漸被可鉆橋塞、連續(xù)油管帶底部封隔器全通徑、固井投球滑套[1–3]等套管機(jī)械分段壓裂工藝所替代。套管封隔器分段壓裂具有不壓井、不動(dòng)管柱、對(duì)目的層改造徹底和現(xiàn)場施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在壓裂管柱復(fù)雜、封隔器失效[4]、壓裂后管柱難以安全起出和易造成大修等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍受到限制。套管封隔器分段壓裂工藝為：水平段內(nèi)第1段壓裂結(jié)束后，投球加壓，使滑套下移，將下面一段關(guān)閉，露出第2段噴砂循環(huán)孔，開始?jí)毫训?段，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱壓裂多段[5–7]，一般一趟管柱可壓2～3段。其優(yōu)點(diǎn)是，套管頭不用承壓，對(duì)于直井段套管和套管頭抗壓強(qiáng)度不高的水平井也具有較好的適應(yīng)性；缺點(diǎn)是，水平井筒底部易沉砂、壓裂后上提壓裂管柱會(huì)壓實(shí)沉砂或封隔器無法解封，造成上提遇卡，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。某氣田水平井X 01井采用套管封隔器分段壓裂工藝進(jìn)行分段壓裂，前3段壓裂后壓裂管柱上提遇卡，筆者以該井為例分析管柱遇卡原因[8]，制定了解卡措施；為防止后續(xù)6段壓裂再出現(xiàn)壓裂管柱上提遇卡的問題，優(yōu)化了套管封隔器分段壓裂管柱，采用優(yōu)化后的壓裂管柱順利完成后續(xù)6段的壓裂，且壓裂結(jié)束后壓裂管柱全部安全提出。該井處理壓裂管柱上提遇卡的方法和解卡措施對(duì)今后類似問題的處理具有借鑒作用。

1 管柱遇卡情況

X 01井是部署在某致密氣田的一口水平開發(fā)井，完鉆井深4 218.00m，目的層位于盒1段，水平段長度1 000.00m。該井采用二開井身結(jié)構(gòu)，二開下入?139.7mm P110套管（壁厚7.72mm）固井，采用?244.5mm×?139.7mm套管頭，由于套管頭的承壓能力只有35MPa，無法采用橋塞射孔連作或連續(xù)油管帶底封等分段壓裂工藝，只能采用套管封隔器分段壓裂工藝進(jìn)行壓裂。為了最大限度動(dòng)用X01井的控制儲(chǔ)量，根據(jù)該水平井段長度和儲(chǔ)層的特征，設(shè)計(jì)分9段15簇進(jìn)行壓裂改造。根據(jù)套管封隔器分段壓裂工藝特點(diǎn)，考慮水平井封隔器分段壓裂技術(shù)水平和施工風(fēng)險(xiǎn)，該井下入3趟壓裂管柱進(jìn)行壓裂，每趟壓裂管柱壓裂3段。第1趟壓裂管柱（壓裂前3段）如圖1所示。

圖1 X01井第1趟壓裂管柱（壓裂前3段）Fig.1 The first-trip fracturing string (the first three sections)in W ell X01

完成第1—3段壓裂，放噴后上提壓裂管柱遇卡，反洗井后逐級(jí)上提壓裂管柱，成功解卡。壓裂管柱提至地面后，發(fā)現(xiàn)第2段的噴砂滑套1未打開，為確保增產(chǎn)效果，下入圖2所示的壓裂管柱補(bǔ)壓第2段。

圖2 X01井補(bǔ)壓第2段的壓裂管柱Fig.2 The fracturing string in the second section of pressure compensation inW ell X01

補(bǔ)壓第2段時(shí)，加砂58m3，用液量560m3。放噴排液7 d，累計(jì)排出液量超過130m3，反循環(huán)洗井至水質(zhì)合格后，上提壓裂管柱再次遇卡，上提力達(dá)到630 kN，無法解卡。

2 遇卡原因分析及解卡措施

2.1 壓裂管柱遇卡情況分析

水平井套管封隔器分段壓裂管柱遇卡原因，大致有砂埋管柱、砂卡管柱、封隔器無法解封、水力錨爪無法收回和套管變形等情況。處理壓裂管柱遇卡時(shí)，首先要分析遇卡原因。X 01井在上提壓裂管柱時(shí)先后2次遇卡，但2次遇卡過程中大鉤載荷、上下活動(dòng)距離和返排液性質(zhì)均具有明顯差異，說明2次遇卡原因不盡相同。

上提壓裂管柱首次遇卡后，先采用大力上提法進(jìn)行解卡，壓裂管柱上提到一定行程后遇阻；后采用憋壓反循環(huán)法解卡，大排量反洗井筒，地層返出液中有1.1m3支撐劑，待返出液與注入液性質(zhì)一致時(shí)，上提活動(dòng)管柱，每次上提壓裂管柱都有一定的行程，判斷為砂卡，反復(fù)幾次將上提力增至550 kN，順利解卡。

第2次遇卡時(shí)，利用大力上提法進(jìn)行解卡，每次上提力達(dá)到設(shè)計(jì)的上提力，壓裂管柱的上行距離有限且位置相同，與第1次砂卡壓裂管柱時(shí)的上行距離相差較大，初步判斷該次壓裂管柱遇卡與第1次遇卡的原因不同。采用大力上提法無法解卡，因此用憋壓反循環(huán)法解卡，分別以清水、壓裂基液（黏度39mPa·s）為洗井介質(zhì)大排量（850 L/min）反洗井，返出液量為4倍井筒體積，返出液中未發(fā)現(xiàn)支撐劑或其他固相雜質(zhì)，表明井筒較為干凈，無砂橋等堵塞物，可以確認(rèn)該次管柱遇卡不是砂卡。將上提力增至630 kN，無法解卡，判斷可能是管柱結(jié)構(gòu)異變造成的卡管柱。

結(jié)合該井壓裂管柱（見圖2）可知，由于第1段的壓力低于第2段的壓力，封隔器3和水力錨2無法解封，噴砂滑套1與封隔器1之間的支撐劑無法清洗出來。綜合上述分析可知，可能是機(jī)械原因（封隔器膠筒損壞、水力錨爪未回收和油管本體變形等當(dāng)中的一種或多種）導(dǎo)致遇卡。

2.2 壓裂管柱存在滑套調(diào)質(zhì)空間不大等不足

分析前3段的壓裂管柱（見圖1）可以看出，其存在以下不足：

1）設(shè)計(jì)加砂量大，噴砂滑套沖蝕嚴(yán)重。噴砂滑套的噴砂口面積與?60.0mm滑套相當(dāng)，無節(jié)流；壓裂施工時(shí)一旦加砂量超過噴砂滑套的設(shè)計(jì)過砂能力，上部滑套沖蝕較嚴(yán)重，導(dǎo)致球過滑套、安全接頭打不開等問題；目前噴砂滑套的硬度與硬質(zhì)合金材料接近，調(diào)質(zhì)空間有限，無法滿足多段、大規(guī)模壓裂施工要求。

2）封隔器解封不徹底。由于壓縮式封隔器的密封膠筒未采用整體設(shè)計(jì)，封隔器坐封后，密封膠筒長時(shí)間處于高溫環(huán)境中失去彈性，不能回縮，形成一個(gè)一個(gè)的橡膠段塞，即使設(shè)計(jì)了反洗、上提解封機(jī)構(gòu)，膠筒回收仍不徹底，起出壓裂管柱時(shí)上提力大，膠筒多數(shù)被強(qiáng)行上提拉壞掉入井筒，給逐級(jí)打撈帶來困難。特別是遇到砂堵或其他壓裂事故，滑套一旦打不開，封隔器無法解封，只有通過反向加壓解封，反向加壓解封壓力高達(dá)20～30MPa，對(duì)于已射開的地層，需要的排量較大（約2～3m3/m in），現(xiàn)場實(shí)施困難。

3）逐級(jí)打撈工作效率低。從壓裂正常油井打撈壓裂用封隔器的過程中看，每趟起出壓裂管柱最多只能撈起2套封隔器，其原因主要是由于上一級(jí)封隔器解封后滑套關(guān)閉，而下一級(jí)封隔器由于密封膠筒回收不徹底，與井筒摩擦力大，封隔器無法解封，只能通過上提剪斷封隔器的解封銷釘，利用機(jī)械解封方式起出封隔器；即使能解封多套封隔器，上提過程中依然會(huì)脫開。打撈時(shí)需要多次沖砂、起下打撈管柱，工作量比較大。

2.3 遇卡封隔器受力分析

采用有限元方法分析封隔器密封膠筒高承壓后與套管之間的接觸應(yīng)力，計(jì)算密封膠筒與套管的摩擦力。根據(jù)封隔器密封膠筒的工作原理，建立有限元模型（見圖3（a）），對(duì)其作邊界處理。封隔器坐封后，密封膠筒承受軸向載荷，封隔器的本體及套管采用35CrM o材質(zhì)。有限元分析表明，膠筒兩側(cè)施加約束，封隔器承壓70MPa時(shí)，密封膠筒與套管之間的最大接觸應(yīng)力為47.517MPa（見圖3（b））。

圖3 封隔器膠筒有限元分析Fig.3 Finite elem ent analysisof packer rubber cylinder

從圖3可以看出，在承壓70 MPa條件下，密封膠筒與套管之間的接觸應(yīng)力最大為47.517MPa，接觸面積為39.0 cm2，密封膠筒與套管之間的摩擦系數(shù)取0.5，不考慮其他因素，只考慮因封隔器未解封而導(dǎo)致壓裂管柱遇卡，則上提力達(dá)到92.7 kN就能提出封隔器。

2.4 解卡措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，判斷該井第2趟壓裂管柱遇卡類型為機(jī)械卡管柱，結(jié)合解卡全過程情況，確定采取以下解卡措施：

1）先小排量（500 L/m in）沖洗干凈壓裂管柱，之后采用快速坐封、解封的方式解封水力錨，嘗試起出壓裂管柱。

2）如果無法起出壓裂管柱，根據(jù)壓裂管柱上部的油管確定最大上提力，建議更換承載力高的修井機(jī)進(jìn)行強(qiáng)提。該井井內(nèi)壓裂管柱上部為N 80鋼級(jí)?88.9mm外加厚油管，其屈服極限為551.5MPa，由此計(jì)算得到油管最薄弱環(huán)節(jié)螺紋的抗拉強(qiáng)度為921.4 kN。管柱安全系數(shù)取1.2，則最大允許上提力為767.8 kN；并且考慮解卡過程中反復(fù)多次進(jìn)行起下作業(yè)，為了避免引起疲勞破壞，向下取整，確定最大上提力為700.0 kN。

3）若強(qiáng)力上提仍無法起出該趟壓裂管柱，建議將這部分管柱丟手。

4）如果丟手無法順利實(shí)施，利用連續(xù)油管下入射孔槍進(jìn)行爆破切割或轉(zhuǎn)入大修作業(yè)。

2.5 管柱實(shí)際解卡過程

先多次反洗及活動(dòng)管柱，均未解卡，最大上提力為630.0 kN，反洗排量為200～850 L/m in；后采用懸吊方式解卡，反復(fù)活動(dòng)后上提至上提力達(dá)520 kN，12 h后下放管柱至上提力為270 kN，再次上提至上提力420 kN，上提力不再增大，成功解卡，隨即起出壓裂管柱。

觀察起出的壓裂管柱發(fā)現(xiàn)，壓裂管柱中的2套噴砂滑套均已完全打開，且有順利過砂的痕跡。中部K344封隔器2（封隔第2段）的膠筒保持完好，下部K 344封隔器1（封隔第1段）的膠筒上部出現(xiàn)了鼓包現(xiàn)象，但未撕裂和缺失，上部K344封隔器3（封隔第3段）的膠筒上部損傷最為嚴(yán)重，有明顯撕裂和缺失情況，原因是在3段壓裂施工過程中，上部封隔器3始終處于承壓狀態(tài)，經(jīng)過反復(fù)坐封、解封及承壓，造成膠筒損傷。頂部水力錨錨爪出現(xiàn)部分損傷；底部水力錨完好，錨爪損傷較小。主要原因是施工過程中上部水力錨反復(fù)承壓，導(dǎo)致錨爪逐步受損；下部水力錨在第2段滑套打開后即不再承壓，因此損傷較小。封隔器3與噴砂滑套2之間的油管出現(xiàn)23和30mm的2個(gè)凹槽，分別距離油管下端6.72和6.45 m。分析認(rèn)為，油管出現(xiàn)凹陷的原因主要是：1）油管本身存在缺陷，局部金相組織不均勻，注入酸液與井下套管形成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致產(chǎn)生凹陷；2）壓裂過程中支撐劑堆積在環(huán)空，擠壓油管使其變形；3）油管內(nèi)壓力釋放過快，地層壓力擠壓導(dǎo)致其變形。

綜合分析表明，造成壓裂管柱遇卡的原因是封隔器密封膠筒和油管本體變形。

3 壓裂管柱優(yōu)化與應(yīng)用

X 01井前3段采用的分段壓裂管柱在壓裂后，起出過程中2次遇卡。為防止后續(xù)6段壓裂結(jié)束后起出壓裂管柱時(shí)再次遇卡，在分析2次遇卡原因的基礎(chǔ)上，對(duì)壓裂管柱進(jìn)行了優(yōu)化：1）去掉下部的水力錨，每個(gè)層段上下均有封隔器封隔，防止壓裂管柱在壓裂過程中因上頂力過大導(dǎo)致其彎曲變形，降低上提管柱遇卡風(fēng)險(xiǎn)；2）下部引鞋采用帶孔引鞋，以平衡內(nèi)外壓差，降低封隔器解封難度。壓裂管柱優(yōu)化后可以一趟管柱完成6段壓裂施工，壓裂施工結(jié)束后還可以作為試氣管柱直接試氣，待后期需要時(shí)再起出壓裂管柱。

優(yōu)化后的壓裂管柱（見圖4）具備以下4方面的技術(shù)優(yōu)勢：

圖4 優(yōu)化后的壓裂管柱Fig.4 Optim ized fracturing string

1）改變了常規(guī)的進(jìn)液方式，保證了中心管的完整性，提高了中心管的強(qiáng)度，保證了地面至井底扭矩的傳遞。

2）壓裂滑套封隔器K341在有無節(jié)流壓差的情況下都能夠?qū)崿F(xiàn)坐封[9–10]，內(nèi)部設(shè)有保壓裝置，油管泄壓后封隔器仍然處于坐封狀態(tài)；可以采用上提或反洗方式解封，確保了封隔器在壓裂施工結(jié)束能完全解封；封隔器本體采用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼，膠筒承壓能力達(dá)到70 MPa，承受溫度可達(dá)到150℃；內(nèi)部滑套、防砂管均采用激光割縫工藝加工，確保了內(nèi)部零件的正常動(dòng)作。

3）可多次重復(fù)坐封、解封。施工時(shí)，液體通過進(jìn)液口推動(dòng)閥體前端的滑塊上行，剪斷防坐封剪釘，同時(shí)液體通過單向閥進(jìn)入封隔器膠筒內(nèi)腔，使膠筒擴(kuò)張，達(dá)到坐封的目的。施工結(jié)束后需要解封封隔器時(shí)，可通過一定排量反循環(huán)洗井，液體通過防坐封剪釘（進(jìn)液口）推動(dòng)閥體前端的滑塊下行，觸碰閥體內(nèi)頂針，釋放膠筒內(nèi)腔液體，達(dá)到解封封隔器的目的。上提壓裂管柱時(shí)，膠筒和中心管會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，單向閥上行頂針觸碰滑塊后，封隔器解封?？砂蚊撌絿娚捌魇菍踩宇^、噴砂器集成一體的新型工具，壓裂結(jié)束后上提壓裂管柱，可將噴砂器噴口關(guān)閉，以確保下層的反洗效果；可以逐級(jí)設(shè)定脫開壓力，噴口微節(jié)流，以降低噴口流速，減輕套管損傷，降低施工壓力。

4）配備專用安全接頭。安全接頭連接于壓裂管柱最上方，當(dāng)上提壓裂管柱遇卡、采取反洗井等措施無法解卡時(shí)，可將壓裂管柱從安全接頭處倒開（或剪斷銷釘斷開）再進(jìn)行打撈、鉆銑等后續(xù)作業(yè)。安全接頭采用錨爪限位設(shè)計(jì)，本體采用螺旋導(dǎo)向槽，更利于反循環(huán)沖砂。

X 01井下入優(yōu)化后的壓裂管柱進(jìn)行后續(xù)6段的壓裂施工，壓裂累計(jì)加砂538 m3，用液量4 658 m3，用時(shí)28 h全部一次性壓開；壓裂施工結(jié)束后，壓裂管柱順利起出，未發(fā)生遇卡。

4 結(jié)論與建議

1）剖析套管封隔器分段壓裂管柱及其關(guān)鍵工具的結(jié)構(gòu)、原理及參數(shù)，是制定水平井套管封隔器分段壓裂管柱解卡措施的關(guān)鍵。

2）套管封隔器分段壓裂管柱采用K 341壓裂滑套封隔器，可降低壓裂管柱上提過程中遇卡的概率，提高壓裂施工的成功率和效率。

3）可拔脫式噴砂器是將安全接頭、噴砂器集成一體的新型壓裂工具，選用新型壓裂配套工具并采取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，可以提高水平井套管封隔器分段壓裂的成功率。