王金友 許永權(quán) 宮磊磊 趙一澤 姚金劍

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

大慶油田為實(shí)現(xiàn)“十四五”天然氣快速上產(chǎn)的目標(biāo)，在川渝流轉(zhuǎn)區(qū)塊部署了老井復(fù)查工作。該區(qū)塊屬于致密氣藏，儲(chǔ)層滲透率低，早期受工藝水平限制，采用常規(guī)壓裂，加砂量和施工排量較低，未取得預(yù)期效果，本次計(jì)劃采用大規(guī)模體積壓裂工藝，以實(shí)現(xiàn)提高單井產(chǎn)能、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層潛力的目的。目前，國(guó)內(nèi)外致密氣儲(chǔ)層多段壓裂主要采用封隔器坐壓多層以及暫堵轉(zhuǎn)向等工藝，而封隔器坐壓多層工藝更適用于具備機(jī)械分層條件的儲(chǔ)層。另外，為實(shí)現(xiàn)縱向儲(chǔ)層分別單獨(dú)試氣評(píng)價(jià)，管柱需具備可取功能，多段高壓施工條件下壓裂管柱可取回收難度加大。早期文獻(xiàn)記載多層壓裂工藝包括機(jī)械封隔器連續(xù)分壓技術(shù)，Y344封隔器及工藝管柱進(jìn)行大規(guī)模壓裂，庫(kù)車(chē)山前深層高溫高壓氣井多封隔器分層壓裂工藝［1-3］，但采用的工藝管柱在承壓和可取性方面無(wú)法滿足川渝高壓致密氣儲(chǔ)層的施工要求，需要進(jìn)行高壓為100 MPa、大砂量 150 m3、大排量 7～9 m3/min、可取式多段壓裂工藝管柱的科研攻關(guān)。

1 技術(shù)需求及解決思路

1.1 技術(shù)需求

目前，國(guó)內(nèi)外高壓多段壓裂封隔器以70 MPa永久式封隔器(不可取)類(lèi)型為主，壓裂后直接試氣。然而，川渝地區(qū)大規(guī)模體積壓裂施工壓力預(yù)計(jì)達(dá)到90 MPa以上(地面壓力超過(guò)100 MPa)、單層加砂規(guī)模可達(dá)150 m3、施工排量7～9 m3/min，常規(guī)高壓多段壓裂封隔器無(wú)法滿足其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。同時(shí)，不同層系間跨距比較大，跨距范圍為1 500～3 000 m，無(wú)法一趟管柱實(shí)現(xiàn)縱向所有層的壓裂、試氣，需要壓裂后將管柱取出，暫堵儲(chǔ)層后，上返壓裂。針對(duì)川渝地區(qū)多層系評(píng)價(jià)的要求，工具管柱的性能要求：(1)工藝管柱耐溫和承壓需滿足地質(zhì)及施工工藝要求；(2)封隔器滿足多段壓裂，同時(shí)考慮到老井井身可能存在套管變形的可能，需要考慮管柱串的下入問(wèn)題；(3)為實(shí)現(xiàn)體積壓裂，工藝管柱需要同時(shí)滿足排量和大砂量的磨蝕要求；(4)為滿足鉆井液條件下的使用要求，封隔器需要考慮鉆井液防護(hù)措施，同時(shí)考慮替鉆井液過(guò)程中的施工安全，避免因鉆井液與壓井液之間密度差過(guò)大，導(dǎo)致封隔器提前坐封。

1.2 解決思路

多封隔器工藝管柱對(duì)完整性要求較高，針對(duì)上述一系列技術(shù)需求，單獨(dú)一種措施工藝無(wú)法滿足全部施工要求，需要綜合考慮施工工藝、工具材料、結(jié)構(gòu)等問(wèn)題，針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題逐一解決。

(1)在工藝管柱承壓方面，需要進(jìn)行各工況條件下管柱受力分析。早期文獻(xiàn)提出了管柱力學(xué)全長(zhǎng)分析與封隔器芯軸三維有限元分析結(jié)合的綜合分析方法［4］，對(duì)于高溫高壓油氣井分段改造工藝，考慮了油管內(nèi)流動(dòng)和井筒傳熱特點(diǎn)，建立了數(shù)學(xué)模型，形成了一套多封隔器分段改造管柱設(shè)計(jì)方法［5］，針對(duì)高壓大排量工藝管柱需要進(jìn)行嚴(yán)格的受力分析，保證核心壓裂封隔器等工具滿足承壓要求。

(2)考慮方便工具下入因素，要求工具減小外徑、縮短長(zhǎng)度。另外可突破常規(guī)管柱工藝，集成封隔器和噴砂器的功能，將2種工具集成在一起，這樣就可以簡(jiǎn)化管柱串結(jié)構(gòu)，顯著縮短工具長(zhǎng)度，對(duì)于多段壓裂來(lái)說(shuō)，工具長(zhǎng)度的縮短可以更有利于管柱的下入，降低了提前坐封的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減少了工具連接時(shí)間，提高施工效率。

(3)解決施工排量的問(wèn)題，需要保證工具內(nèi)通徑增大、摩阻減小。解決加砂量的問(wèn)題，主要考慮材質(zhì)的耐磨性能，另外，結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化，流態(tài)變化處要重點(diǎn)考慮進(jìn)行緩變徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過(guò)開(kāi)展材料耐沖蝕和磨蝕的研究，用數(shù)值模擬方法分析流態(tài)，優(yōu)化硬質(zhì)合金的零件布局，增強(qiáng)工具耐磨性。

(4)解決鉆井液?jiǎn)栴}，首先需要考慮防止固體顆粒進(jìn)入封隔器的內(nèi)部，為此優(yōu)化設(shè)計(jì)了“進(jìn)液防砂”機(jī)構(gòu)，同時(shí)封隔器的坐封力設(shè)計(jì)為連續(xù)可調(diào)方式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的液體密度進(jìn)行調(diào)整。

2 高壓多段壓裂工藝管柱

2.1 工藝原理

工藝管柱主要由壓裂油管、安全接頭、水力錨、多級(jí)導(dǎo)壓噴砂封隔器以及坐封球座、配套可溶球等組成。壓裂施工前先對(duì)壓裂層段刮削通井。然后下入工具串，到位后地面施加泵壓，坐封封隔器，觀察環(huán)空返液情況，確認(rèn)環(huán)空無(wú)液體返出，滿足施工條件后壓裂第1層，之后逐級(jí)投球完成全井壓裂，壓裂之后直接返排壓裂液，試氣。整體工藝管柱可耐溫120 ℃、承壓90 MPa，單層加砂可達(dá)150 m3，油管壓裂施工排量可滿足9 m3/min，管柱具有工藝簡(jiǎn)單、高效，不動(dòng)管柱最高壓裂6層的特點(diǎn)，可根據(jù)生產(chǎn)需要壓裂后取出管柱。

2.2 管柱受力分析

井下管柱力學(xué)分析的目的就是計(jì)算管柱在下入、替液、坐封、射孔、壓裂、開(kāi)關(guān)井等壓裂與完井投產(chǎn)過(guò)程中的載荷、應(yīng)力和變形情況，以此來(lái)了解管柱的可下入性、管柱及封隔器在井下的狀態(tài)和安全性，指導(dǎo)管柱設(shè)計(jì)和施工參數(shù)的選擇。在坐封載荷及高泵壓虛構(gòu)力和生產(chǎn)壓差所形成的活塞力作用下，跨距間管柱常常會(huì)失穩(wěn)彎曲，甚至發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致壓裂失敗。經(jīng)典的無(wú)限長(zhǎng)管柱力學(xué)理論不再適用于兩端受到封隔器約束的有限長(zhǎng)跨隔段管柱，考慮井眼和封隔器的約束，對(duì)跨隔段有限長(zhǎng)管柱的彎曲行為重新進(jìn)行分析［6］。

屈曲臨界載荷公式為

彎矩表達(dá)式為

最大彎曲應(yīng)力為

式中，F(xiàn)c為臨界載荷，N；E為管材彈性模量，Pa；I為管柱橫截面極慣性矩，m4；qe為單位長(zhǎng)度管柱等效質(zhì)量，kg；φ為井眼軸線偏離垂直方向的角度，°；δ為管柱與井壁間的徑向間隙，m；M為彎矩，kN·m；θ為轉(zhuǎn)角，°；σb為最大彎曲應(yīng)力，Pa；D為管柱外徑，m。

根據(jù)上述跨距間管柱屈曲臨界載荷、彎矩、彎曲應(yīng)力計(jì)算公式，可以在已知跨距、管柱組合、坐封力、泵壓或生產(chǎn)壓差的情況下計(jì)算跨距間管柱、工具的強(qiáng)度。計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 跨距間管柱屈曲臨界載荷、彎矩、彎曲應(yīng)力計(jì)算流程Fig.1 Flow chart of critical load, bending moment and bending stress for string between spans

式中，F(xiàn)1為跨距間管柱正弦彎曲臨界力，N；F2為螺旋彎曲臨界力，N；Fz為跨距間管柱受到的軸向壓力，N； Δp為 生產(chǎn)壓差，Pa；Ah為環(huán)空面積，m2；Ff為有效坐封力，N；σ為危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力，Pa；A為危險(xiǎn)截面處管柱或工具的有效承載面積，m2； [ σ]為危險(xiǎn)截面處許用應(yīng)力，Pa；[Δpg]為跨距間管柱及工具強(qiáng)度所允許泵壓或生產(chǎn)壓差，Pa。

根據(jù)松遼地區(qū)實(shí)際施工井的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用圖1中管柱強(qiáng)度計(jì)算流程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果如表1所示，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致。由表1可知，此方法同樣可用于川渝地區(qū)高壓致密氣儲(chǔ)層，從理論分析層面，突破了卡距內(nèi)油管施工壓力不能超過(guò)70 MPa，一旦超過(guò)將導(dǎo)致油管斷脫的常規(guī)管柱壓裂工藝，將管柱限壓提高到90 MPa，可有效指導(dǎo)工藝管柱的組配及施工參數(shù)的確定。

表1 不同施工參數(shù)模擬分析結(jié)果Table 1 Simulation analysis results under different fracturing parameters

3 高壓多段壓裂核心工具

3.1 導(dǎo)壓噴砂封隔器

Y344導(dǎo)壓噴砂封隔器是壓裂工藝的核心工具，集成了封隔器和噴砂器的功能，用于封隔不同壓裂層段并進(jìn)行噴砂壓裂。如圖2所示，Y344導(dǎo)壓噴砂封隔器主要由上接頭、濾網(wǎng)、節(jié)流嘴、球座、滑套、滑套銷(xiāo)釘、噴砂體、膠筒、活塞套、剪斷銷(xiāo)釘、下接頭等組成。該封隔器采用節(jié)流壓差式坐封。從油管加液壓,通過(guò)封隔器噴砂體進(jìn)液通道進(jìn)液，推動(dòng)活塞、壓縮膠筒，實(shí)現(xiàn)坐封。壓裂施工時(shí)，向封隔器中心管內(nèi)投球，剪切滑套銷(xiāo)釘，推動(dòng)滑套下移，開(kāi)啟噴砂孔，提供壓裂液及加砂通道，實(shí)現(xiàn)壓裂目的。液壓卸掉后，封隔器自動(dòng)解封。

圖2 Y344導(dǎo)壓噴砂封隔器Fig.2 Y344 pressure-steering sandblasting packer

為了實(shí)現(xiàn)多段壓裂，確保投球堵塞中心通道的情況下，下部封隔器膠筒處于正常坐封狀態(tài)，設(shè)計(jì)了側(cè)壁導(dǎo)壓結(jié)構(gòu)，可繞過(guò)球座及壓裂球，通過(guò)側(cè)壁設(shè)計(jì)的軸向?qū)和ǖ缹毫鲗?dǎo)至活塞套內(nèi)部，使膠筒處于工作狀態(tài)，并精細(xì)設(shè)計(jì)了活塞面積，使壓裂過(guò)程中膠筒上下壓力處于平衡狀態(tài)，保證膠筒密封可靠性。同時(shí)，為了避免鉆井液里的重晶石等固體顆粒進(jìn)入封隔器內(nèi)部，導(dǎo)致導(dǎo)壓通道堵塞以及活塞、滑套等零件無(wú)法運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了“進(jìn)液防砂”結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行鉆井液防護(hù)的零件采用了線切割方式，同時(shí)導(dǎo)壓通道上部設(shè)計(jì)了防砂濾網(wǎng)，通過(guò)內(nèi)外部綜合考慮，可有效保證封隔器工作正常。

3.2 本體金屬材料的耐沖蝕分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在材料選擇方面，對(duì)42CrMo和硬質(zhì)合金YG6材質(zhì)耐沖蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖3所示，依據(jù)噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)原理，模擬現(xiàn)場(chǎng)施工條件，通過(guò)數(shù)據(jù)回歸得出模型參數(shù)［7］。

圖3 噴射式?jīng)_蝕實(shí)驗(yàn)Fig.3 Jet erosion experiment

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了沖蝕速率模型為

式中，E1為材料的沖蝕速率，mm/h；Er為沖蝕角度90°時(shí)材料的沖蝕速率隨流速變化關(guān)系；v為流速，m/s；k、n分別為模型系數(shù)和速度指數(shù)，數(shù)值與材料特性、液體特性以及顆粒特性有關(guān)；α為液體沖擊角度，°；λ為鉆井液含砂量；A、B為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)量綱化后擬合得出。

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出42CrMo和硬質(zhì)合金YG6沖蝕規(guī)律：42CrMo屬于韌性材料，45°沖擊角度時(shí)，水平微切削和垂直鍛打協(xié)同作用，使得材質(zhì)的沖蝕速率達(dá)到最大；硬質(zhì)合金YG6屬于脆性材料，90°沖擊的沖蝕最大。隨著流速的增加，顆粒動(dòng)能增加，沖蝕速率增大；隨著顆粒濃度增加，沖蝕速率逐漸趨于穩(wěn)定。

表2 實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of experiment fitting parameters

3.3 封隔器噴砂體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)壓噴砂封隔器沖蝕磨損最大的區(qū)域主要包括噴砂口內(nèi)外區(qū)域。在上述得出材料參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用40/60目砂粒，粒徑變化范圍最小0.25 mm，最大0.42 mm，平均粒徑0.335 mm，攜砂液為排量4 m3/min、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的胍膠壓裂液，利用冪律流體模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。如圖4所示，通過(guò)封隔器噴砂體內(nèi)總壓力模擬、封隔器噴砂體各臺(tái)肩壁面沖蝕速率模擬的分析結(jié)果可知，封隔器噴砂體結(jié)構(gòu)多處變化，使得流體流過(guò)裝置內(nèi)部時(shí)在不同位置產(chǎn)生不同程度的沖蝕，最大沖蝕速率發(fā)生在直沖肩，并在噴砂口處產(chǎn)生渦流，流態(tài)變化對(duì)本體沖蝕增加，單純依靠42CrMo材質(zhì)耐磨性差，與早期文獻(xiàn)記載對(duì)球座等耐沖蝕性分析規(guī)律一致［8-9］，為此考慮采用內(nèi)部嵌套硬質(zhì)合金材料，提高工具內(nèi)部抗沖磨蝕性。

圖4 封隔器噴砂體內(nèi)總壓力云圖Fig.4 Cloud map of total pressure in the sand blasting body of the packer

3.4 封隔器膠筒密封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

膠筒是封隔器的核心部件，尤其對(duì)于高壓氣井，膠筒的材料、結(jié)構(gòu)以及肩部保護(hù)等均需要細(xì)致的研究，早期文獻(xiàn)記載分別就上述問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析［10-13］。針對(duì)儲(chǔ)層特點(diǎn)重點(diǎn)在材料優(yōu)選和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了研究。

3.4.1 材料優(yōu)選

研制的封隔器需要承受90 MPa高壓，且用于氣井，因此封隔器膠筒采用耐氣膠料，為降低成本，降低價(jià)格昂貴的全氟醚用量，沿用了自主研制的全氟醚、聚丙氟、氟硅、納米充填復(fù)合材料等。通過(guò)材料配方復(fù)配，引進(jìn)高性能穩(wěn)定樹(shù)脂，提高膠筒彈性，增加了封隔器解封的可靠性，最終形成了耐氣浸、耐高溫高壓的復(fù)合橡膠，其分子式如圖5所示。

圖5 耐氣浸、耐高溫高壓復(fù)合橡膠分子式Fig.5 Molecular formula of compound rubber resistant to gas immersion, high temperature and high pressure

3.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化中膠筒密封結(jié)構(gòu)角度如圖6所示，改變了肩部角度尺寸，壓縮式膠筒活動(dòng)端邊膠筒受力小，固定端邊膠筒受力大，中膠筒受力隨著承受壓力的增加逐步增大，密封作用增強(qiáng)。文獻(xiàn)［14］以及自身有限元分析均驗(yàn)證了承受上下壓不同時(shí)，固定端膠筒受力大，活動(dòng)端膠筒受力小，由于多段壓裂膠筒雙向承壓，通過(guò)增加中膠筒尺寸可提高承壓性能，綜合考慮工具長(zhǎng)度的承壓關(guān)系，增加套管接觸面積8%，通過(guò)了高壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 膠筒角度優(yōu)化前后對(duì)比Fig.6 Comparison of rubber cylinder angle before and after optimization

3.5 硬質(zhì)合金水力錨研制

水力錨對(duì)于管柱的穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用，一旦壓裂過(guò)程中封隔器失封，還能起到防止管柱上頂?shù)淖饔?，設(shè)計(jì)了高錨定力的硬質(zhì)合金水力錨。如圖7所示，水力錨主要由上接頭、主體、硬質(zhì)合金塊、錨爪、壓板、下接頭等組成。攜砂壓裂液流過(guò)水力錨時(shí)，由于水力錨內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，會(huì)造成局部阻力突然增大，管柱內(nèi)壁的壓力也會(huì)發(fā)生波動(dòng)。通過(guò)模擬分析，水力錨內(nèi)壁最大沖蝕速率發(fā)生在直沖肩，流體高速撞擊直沖臺(tái)肩，在流體急轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)壓力突變點(diǎn)。水力錨內(nèi)壁結(jié)構(gòu)突變形成繞流，導(dǎo)致該處湍流能聚集。流體產(chǎn)生較強(qiáng)的漩渦，漩渦不斷的產(chǎn)生和剝落，一方面加劇腐蝕性介質(zhì)的傳質(zhì)過(guò)程，使得此處的腐蝕加劇；另一方面會(huì)造成液固兩相流體在此處的壁面剪切應(yīng)力達(dá)到最大，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜以及材料本體的沖蝕加劇?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果對(duì)水力錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

圖7 硬質(zhì)合金水力錨結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of cemented carbide hydraulic anchor

4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

4.1 導(dǎo)壓噴砂封隔器室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)封隔器膠筒耐溫承壓性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，在導(dǎo)熱油介質(zhì)中進(jìn)行，最大程度地避免柴油介質(zhì)對(duì)膠筒性能的影響。對(duì)膠筒加溫至120 ℃、浸泡2 h后，通過(guò)控制中心進(jìn)行打壓，分別進(jìn)行60、70、80及90 MPa階梯打壓，各穩(wěn)壓10 min，膠筒不滲不漏，重復(fù)試驗(yàn)3組，外觀完好。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明封隔器滿足壓裂指標(biāo)要求。

表3 膠筒結(jié)構(gòu)尺寸Table 3 Structural size of rubber cylinder

表4 膠筒硬度Table 4 Rubber cylinder hardness

對(duì)封隔器整體性能進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，將封隔器放入高壓實(shí)驗(yàn)間，中心管打壓、坐封完成后分別進(jìn)行上下壓檢驗(yàn)，分別進(jìn)行60、70、80、90 MPa階梯打壓，各穩(wěn)壓10 min，滿足承壓要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.2 硬質(zhì)合金水力錨室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行了水力錨承內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)：水力錨上接頭與打壓頭相連接，下接頭與絲堵連接，用套管短接把錨爪全部覆蓋，臺(tái)鉗夾緊套管短接，放入油浸實(shí)驗(yàn)鐵板房?jī)?nèi)，依次打壓 30、50、70、80、90 MPa，分別穩(wěn)壓10 min，穩(wěn)壓性能良好。之后開(kāi)展了錨定力實(shí)驗(yàn)：連接好水力錨、錨定力實(shí)驗(yàn)工裝及套管，分別進(jìn)行60、70、80、90 MPa階梯打壓，各穩(wěn)壓 10 min，滿足承壓及錨定要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)致密氣儲(chǔ)層多段壓裂工具的使用條件進(jìn)行了需求分析，研制了川渝致密氣多層壓裂工藝技術(shù)，管柱可耐溫120 ℃、承壓90 MPa、一趟管柱坐壓6層，單層加砂超過(guò)100 m3，施工排量9 m3/min，壓裂后工具可取，可滿足川渝多層系壓裂試氣需求。

(2)研制了新型高壓、大砂量、大排量Y344型導(dǎo)壓噴砂封隔器和硬質(zhì)合金水力錨。封隔器通過(guò)了90 MPa、120 ℃室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，承壓后解封順利；水力錨通過(guò)了90 MPa承壓實(shí)驗(yàn)；研究成果為加快天然氣快速上產(chǎn)提供了技術(shù)手段。