劉海龍,祝 歡,韓子建,杜軍軍,金成洪,韓光耀,南榮麗

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司 工程技術(shù)研究院,新疆 克拉瑪依834000;2.中國(guó)石油新疆油田分公司 儲(chǔ)氣庫(kù)有限公司,新疆 克拉瑪依834000;3.中國(guó)石油新疆油田分公司 石西油田作業(yè)區(qū),新疆 克拉瑪依834000)

水平井分段壓裂是目前經(jīng)過驗(yàn)證的致密油氣藏最為有效和成功的體積壓裂改造技術(shù),水平井分段壓裂技術(shù)的突破和大面積推廣應(yīng)用使得非常規(guī)油氣藏得到了有效開發(fā)。其中橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂工藝因其具有施工排量大、分壓段數(shù)不受限制、可實(shí)現(xiàn)多簇壓裂等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為國(guó)內(nèi)外水平井分段改造的主體技術(shù)[1-3]。但在強(qiáng)非均質(zhì)、近底水和低壓易漏儲(chǔ)層中,橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂工藝存在部分射孔簇未充分改造、部分射孔簇裂縫過度延伸溝通水層導(dǎo)致高含水以及鉆塞過程中無(wú)法建立循環(huán)導(dǎo)致卡鉆事故等風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開展了連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝研究應(yīng)用,通過連續(xù)油管下入由定位器、封隔器、平衡閥、噴槍等組成的井下工具管串,逐級(jí)噴砂射孔或開啟滑套進(jìn)行分段壓裂[7-12]。

連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝的核心是井下工具,其使用壽命和施工安全性不足將導(dǎo)致提下管柱更換工具延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間或井下事故,直接影響現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、效率和成本。工具性能主要包括定位器抗磨損性能與彈性、封隔器重復(fù)坐封解封性能、平衡閥多次開關(guān)及密封性能以及噴槍噴嘴耐磨及與本體抗返濺沖蝕性能等。為提高連續(xù)油管壓裂井下工具性能,國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了理論研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。羅建偉等[13]設(shè)計(jì)了一種固井滑套液壓關(guān)閉工具,降低了復(fù)雜井況中工具遇卡無(wú)法脫開的風(fēng)險(xiǎn);張道鵬[14]等設(shè)計(jì)了封隔器、平衡閥、定位器等井下工具,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證具有工具坐封、密封可靠,可反沖砂解卡等特點(diǎn);楊林[15]對(duì)封隔器膠筒、卡瓦、摩擦塊等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高了坐封成功率和防砂卡性能;韓婧[16]優(yōu)選了噴槍本體及噴嘴材料,提高了耐磨及抗沖蝕性能,同時(shí)開展了平衡閥正反循環(huán)流體力學(xué)分析,優(yōu)化了循環(huán)孔位置和角度,以提高沖砂解堵效果。本文主要通過對(duì)平衡閥進(jìn)行插入密封總成和閥桿排砂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高多次開關(guān)安全性和密封可靠性,同時(shí)降低工具維護(hù)成本。

1 技術(shù)分析

1.1 工作原理

連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝井下工具主要由平衡閥、封隔器、接箍或滑套定位器等組成,如圖1所示。首先通過定位器判斷套管接箍或固井滑套位置,調(diào)整工具串至設(shè)計(jì)改造位置后下壓連續(xù)油管坐封封隔器、關(guān)閉平衡閥,對(duì)封隔器上部噴砂射孔或開啟滑套后進(jìn)行環(huán)空加砂壓裂。壓裂結(jié)束后上提連續(xù)油管開啟平衡閥,封隔器上下連通壓力平衡,便于膠筒回縮;同時(shí)可通過環(huán)空泵液方式將封隔器上部沉砂通過平衡閥插入密封通道沖洗至封隔器下部,便于封隔器順利解封。上提工具串至下一層段重復(fù)上述操作進(jìn)行分段壓裂,全井壓裂結(jié)束后提出連續(xù)油管及工具串即可放噴投產(chǎn)。其中平衡閥是連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂和無(wú)限級(jí)固井滑套分壓工藝井下工具的重要組成部分,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-平衡閥;2-封隔器;3-滑套定位器;4-導(dǎo)向頭。圖1 連續(xù)油管分壓工藝井下工具結(jié)構(gòu)

圖2 平衡閥開關(guān)示意

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平衡閥主要由上接頭、壓帽、閥桿、插入密封總成、外筒等組成,如圖3所示。組裝時(shí)首先將壓帽套入上接頭,然后將裝好插入密封總成的閥桿與上接頭通過螺紋連接并裝入防松螺釘固定,最后套入外筒并與壓帽連接。平衡閥關(guān)閉時(shí)(即閥桿插入至外筒內(nèi)臺(tái)階孔中)通過閥桿與外筒內(nèi)部的臺(tái)階限位,開啟時(shí)通過閥桿和上接頭連接形成的臺(tái)階與壓帽限位。外筒上設(shè)計(jì)4個(gè)圓形和4道條形通孔作為液體流動(dòng)通道。平衡閥設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,該平衡閥適用于外徑?114.3～?139.7 mm的套管中分段壓裂。

表1 平衡閥設(shè)計(jì)參數(shù)

1-上接頭;2-壓帽;3-防松螺釘;4-閥桿;5-插入密封總成;6-外筒。

每層壓裂施工結(jié)束后,若停泵壓力顯著高于上一層,則上提解封封隔器需克服封隔器上下壓差作用力,相比正常狀態(tài)下所需解封力增加。

F-F0=(p1-p2)·S×10-3

(1)

式中:F為封隔器解封實(shí)際所需拉力,kN;F0為封隔器原始解封力,kN;p1為封隔器上部壓力,MPa;p2為封隔器下部壓力,MPa;S為封隔器上下壓差作用面積,mm2。

以?139.7 mm×10.54 mm套管為例,若不使用平衡閥,則壓差作用面積即為套管內(nèi)截面積,取封隔器上下壓差10 MPa帶入式(1)計(jì)算,可得需要增加解封拉力110 kN。使用平衡閥時(shí)開啟平衡閥后封隔器上下即壓力平衡,而在開啟平衡閥過程中壓差作用面積為插入密封孔內(nèi)截面積,按上述參數(shù)計(jì)算可得只需增加拉力9 kN,降低約92%,大幅降低了高壓差下封隔器解封難度。

1.3 插入密封優(yōu)化設(shè)計(jì)

平衡閥多次開關(guān)及密封能力是其最核心技術(shù)指標(biāo),為此,對(duì)平衡閥插入密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖4所示。插入密封總成由密封套、防沖套、鎖帽等組成。防沖套通過平衡閥下部連接的封隔器固定在外筒內(nèi)部臺(tái)階上并通過O型橡膠圈密封,內(nèi)壁采用滲碳淬火處理,硬度≥HRC60,提高了表面耐磨性能。密封套通過鎖帽固定在閥桿上并通過O型橡膠圈密封,對(duì)外壁同樣進(jìn)行滲碳淬火處理以提高耐磨性能。密封套外部采用硫化工藝將密封圈固定,防止在平衡閥多次開關(guān)過程中脫落導(dǎo)致密封失效。同時(shí)當(dāng)平衡閥經(jīng)過長(zhǎng)期使用無(wú)法密封時(shí),可通過單獨(dú)更換密封套、防沖套和密封圈恢復(fù)密封能力,大幅降低了工具維護(hù)保養(yǎng)成本。

1-O型密封圈;2-密封套;3-防沖套;4-外筒;5-硫化橡膠密封圈;6-防松螺釘;7-鎖帽;8-閥桿。

1.4 排砂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

壓裂過程中不可避免地會(huì)造成砂粒沉降,若砂粒夾在閥桿和外筒之間的縫隙內(nèi)將導(dǎo)致平衡閥開關(guān)困難及嚴(yán)重磨損。為此,設(shè)計(jì)了如圖5所示的排砂結(jié)構(gòu),閥桿上含有兩個(gè)循環(huán)通孔,同時(shí)圓周方向分布12道排砂槽,一方面減小了閥桿與外筒的接觸面積,降低了砂粒卡在縫隙中的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)當(dāng)平衡閥內(nèi)部沉砂時(shí)可通過正反循環(huán)將砂粒自循環(huán)孔和排砂槽沖至環(huán)空或管內(nèi),便于閥桿順利移動(dòng)實(shí)現(xiàn)平衡閥開關(guān)。

圖5 平衡閥閥桿排砂結(jié)構(gòu)示意

2 室內(nèi)試驗(yàn)

壓裂作業(yè)過程中,平衡閥關(guān)閉狀態(tài)下與下部封隔器、套管及井口共同形成封閉空間,室內(nèi)試驗(yàn)條件下對(duì)平衡閥上部試壓檢驗(yàn)其密封性所需工具設(shè)備較多。為降低室內(nèi)試驗(yàn)難度,設(shè)計(jì)了如圖6所示的試壓接頭。將試壓接頭連接至平衡閥下部固定防沖套,如圖7所示。通過拉壓機(jī)反復(fù)開關(guān)平衡閥50次后,將平衡閥處于關(guān)閉狀態(tài)并通過拉壓機(jī)夾緊固定防止開啟。連接液壓管線至試壓接頭,反向逐級(jí)打壓至70 MPa,穩(wěn)壓30 min無(wú)滲漏,如圖8所示,表明平衡閥多次開關(guān)后承壓密封性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,具備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的條件。

圖6 平衡閥試壓接頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 平衡閥與試壓接頭試驗(yàn)樣機(jī)

圖8 平衡閥室內(nèi)承壓試驗(yàn)曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的平衡閥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2口井8層,施工成功率100%。

以5DXX37井為例,該井完鉆井深1 903 m,設(shè)計(jì)采用無(wú)限級(jí)固井滑套工藝分6層壓裂改造。將定位器、封隔器、平衡閥等工具連接至連續(xù)油管下入井中自下而上進(jìn)行分層壓裂。各層作業(yè)過程中平衡閥開關(guān)正常、密封可靠,一趟管柱順利完成全井固井滑套開啟和分層壓裂施工,施工排量3.5～5.0 m3/min,最大施工壓力35 MPa,封隔器上下最大壓差7 MPa,入井液量756 m3,總加砂量70 m3,如表2所示。全井平均轉(zhuǎn)層時(shí)間(上一層壓裂施工結(jié)束至下一層壓裂施工開始時(shí)間)僅13.4 min,一天內(nèi)完成全井6層壓裂施工。壓后提出工具檢查發(fā)現(xiàn)平衡閥本體、閥桿及密封件均未見明顯損傷,具備重復(fù)使用條件。

表2 5DXX37井無(wú)限級(jí)固井滑套現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1) 通過插入密封結(jié)構(gòu)和密封面處理工藝優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了平衡閥開關(guān)過程中密封可靠性,同時(shí)可單獨(dú)更換易損部件,降低了工具維護(hù)保養(yǎng)成本。

2) 設(shè)計(jì)了閥桿排砂結(jié)構(gòu),可以通過正反循環(huán)沖出平衡閥內(nèi)壓裂沉砂,提高了平衡閥開關(guān)可靠性并降低磨損,保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全和效率。

3) 室內(nèi)密封試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)成功試驗(yàn)表明,優(yōu)化設(shè)計(jì)的平衡閥開關(guān)正常且多次開關(guān)后密封可靠,可以滿足水平井多級(jí)壓裂使用需求。