劉昕 祝紹功 李博睿 王靜 于喆 張宏巖

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠第一油礦九區(qū)三隊(duì)

大慶油田累計(jì)套損井近萬口，套損率為15.4%。在壓裂選井難度越來越大、可選壓裂井層越來越少的情況下，套損井由于壓裂程度低、剩余油相對(duì)富集，反而成為了地質(zhì)條件較好的壓裂潛力井。初步調(diào)查，目前有883口套損井具有較大的壓裂地質(zhì)潛力，其中套管內(nèi)徑在?108 mm以上的井占比40%，而?104 mm以上的井占比70%。

2006年，大慶油田探索過套損井壓裂技術(shù)，取得了一定的效果。但現(xiàn)存套損井中，套損點(diǎn)位于油層部位以上的井占比67%。這些井補(bǔ)貼或整形后通徑變小，壓裂分層工具的選擇及起下難度增大。因此，現(xiàn)有套損井壓裂工藝出現(xiàn)不適應(yīng)性：施工層數(shù)受限，單井施工1～2層，無法滿足多級(jí)壓裂（單趟管柱3層以上）的需求；技術(shù)未形成系列化，現(xiàn)有套損井壓裂技術(shù)只能壓裂套管內(nèi)徑?108 mm（約占40%）以上的井，而對(duì)于套管內(nèi)徑?104～108 mm（約占30%）區(qū)間的井無法壓裂；砂量受限，單井砂量30 m3，無法滿足大規(guī)模壓裂需求；小直徑雙封上提工藝管柱無配套防噴措施，現(xiàn)已無法應(yīng)用［1-2］。

新疆吐哈油田提到的單壓方式，可滿足通徑大于?105 mm套損井壓裂［3］。盡管施工排量達(dá)到5 m3/min，砂量37 m3，但只能施工一層。文獻(xiàn)中采用雙封壓裂工藝，封隔器外徑為?100 mm，但管柱無錨定結(jié)構(gòu)，當(dāng)施工規(guī)模增大時(shí)，管柱產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)可能導(dǎo)致封隔器失效，最多施工2層，而且無配套防噴工藝［4］； 大慶油田的全通徑壓裂技術(shù)雖可實(shí)現(xiàn)無限級(jí)壓裂，但由于封隔器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法將工具外徑縮至?104 mm以下，不能用于套損井［5］。

為了有效動(dòng)用套損井地質(zhì)儲(chǔ)量、滿足水驅(qū)精細(xì)挖潛的需求，開展了套損井大規(guī)模壓裂工藝技術(shù)研究。設(shè)計(jì)了小直徑擴(kuò)張式封隔器，解決了其在大形變下密封失效的難題，確保封隔器安全通過套損點(diǎn)，單趟管柱施工層數(shù)至少為5層；優(yōu)化設(shè)計(jì)了小直徑噴砂器，外徑縮至?98 mm，提升工藝施工覆蓋率至70%；設(shè)計(jì)了新型錨定器，解決了管柱施工蠕動(dòng)失穩(wěn)問題；設(shè)計(jì)了防噴封隔器，解決了雙封壓裂工藝在套損井施工時(shí)的環(huán)保問題。

1 小直徑封隔器的研制

套損點(diǎn)內(nèi)徑小，限制了封隔器外徑，進(jìn)而限制了膠筒外徑。與常規(guī)封隔器相比較，同樣的封隔內(nèi)徑?124 mm套管，小直徑封隔器膠筒必然產(chǎn)生更大的形變。在同樣實(shí)驗(yàn)條件下，封隔器結(jié)構(gòu)、壁厚和材質(zhì)均相同時(shí)，?100 mm封隔器鋼體承壓后向外鼓脹，而?105 mm封隔器鋼體承壓后經(jīng)測(cè)量無變化，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，封隔器外徑越小，鋼體將承受越大的由膠筒產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致超越屈服強(qiáng)度而損壞。因此有必要對(duì)膠筒進(jìn)行力學(xué)行為分析。

圖1 ?100 mm（發(fā)黑處理）和?105 mm（未發(fā)黑處理）封隔器實(shí)驗(yàn)后對(duì)比Fig. 1 Comparison between ?100 mm packer and ?105 mm packer after the experiment

練章華等學(xué)者對(duì)外徑?114 mm，長度200 mm的膠筒進(jìn)行了應(yīng)力分析［6］，但膠筒肩部角度、膠筒長度對(duì)應(yīng)力變化也有直接關(guān)系。套損井分注封隔器的結(jié)構(gòu)雖可以借鑒，但其技術(shù)指標(biāo)無法滿足壓裂施工［7］。因此，采用SOLIDWORKS有限元分析軟件，應(yīng)用二階非線性Mooney-Rivilin模型，對(duì)外徑?95 mm，內(nèi)徑?61 mm的膠筒4種肩部角度（范圍30°～60°）進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，壓強(qiáng)載荷 30 MPa，初步得到角度與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1）。由表1可知，在50°時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，最小的應(yīng)力極值為507.8 MPa。

表1 角度-應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Angle-stress relationship

對(duì)4種膠筒長度參數(shù)進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，壓強(qiáng)載荷30 MPa，初步得到長度與應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示，在長度為550 mm時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，最小的應(yīng)力極值為409.7 MPa。該結(jié)果的應(yīng)力圖解如圖2所示，其最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在鋼體端部與膠筒肩部接觸的部位。降低該處應(yīng)力可提升封隔器的安全性。因此，最終確定封隔器膠筒參數(shù)為，肩部角度50°，長度550 mm。另外，膠筒承壓時(shí)，末端位移最大為128.1 mm。在壓裂施工時(shí)，如遇壓力頻繁波動(dòng)，會(huì)使導(dǎo)致膠筒疲勞損壞。而膠筒兩端采用固定約束后，應(yīng)力降低30 MPa。因此，封隔器結(jié)構(gòu)采用雙側(cè)固定。

表2 長度-應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Length-stress relationship

圖2 30 MPa、 550 mm膠筒擴(kuò)張應(yīng)力圖解Fig. 2 Expandable stress of rubber cylinder (30 MPa, 550 mm)

根據(jù)模擬結(jié)果確定的參數(shù)，試制樣品（肩部角度50°，長度550 mm），并通過油浸試驗(yàn)，檢驗(yàn)封隔器耐溫承壓及耐疲勞性能。在120 ℃柴油中浸泡16 h后，承壓50 MPa實(shí)驗(yàn)條件下，反復(fù)坐解封8次，每次穩(wěn)壓20 min，測(cè)量膠筒變形量符合要求，鋼體無變形。

2 小直徑噴砂器研制

優(yōu)化壁厚是縮減工具尺寸的有效手段，但是壁厚變薄帶來的問題是耐磨能力、強(qiáng)度的降低。因此，應(yīng)用以材料力學(xué)為依據(jù)的自編軟件對(duì)關(guān)鍵部件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。原噴砂器結(jié)構(gòu)抗內(nèi)壓強(qiáng)度為90.39 MPa，小直徑噴砂器抗內(nèi)壓強(qiáng)度降至74.76 MPa。以設(shè)計(jì)施工壓力50 MPa為例，計(jì)算安全系數(shù)約為1.5，能夠在保證安全強(qiáng)度、耐磨能力前提下，滿足施工需求。

節(jié)流嘴采用分體式設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌合金，如圖3所示，能夠最大限度減少高流速攜砂液對(duì)工具的磨蝕，確保形成節(jié)流壓差，使封隔器穩(wěn)定坐封。該節(jié)流嘴有多種內(nèi)徑尺寸（25～40 mm），能夠根據(jù)設(shè)計(jì)施工排量進(jìn)行選擇，這有利于減少壓裂液壓力損失，使更多能量作用于地層；還可部分回收，重新利用，可降低加工成本，縮短加工周期。最終噴砂器外徑縮至?98 mm，能夠?qū)μ坠軆?nèi)徑大于?104 mm的套損井進(jìn)行施工，工藝覆蓋率提升至70%。

圖3 噴砂器原、新節(jié)流嘴對(duì)比Fig. 3 Comparison between original and new flow mouths of sand blower

3 錨定工具研制

現(xiàn)有錨定器外徑?114 mm，無法下過套損點(diǎn)，不能有效防止管柱在施工時(shí)發(fā)生蠕動(dòng)。如果以原結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)小直徑錨定器，則錨爪伸長量過大，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)位而不回收，使管柱產(chǎn)生遇卡風(fēng)險(xiǎn)。因此設(shè)計(jì)了新型過套損點(diǎn)錨定器，如圖4所示。該工具通過油管加壓，推動(dòng)活塞上行使卡瓦片張開，錨定套管，確保管柱施工時(shí)穩(wěn)定。卸壓后，由于卡瓦牙角度設(shè)計(jì)及箍簧回復(fù)力輔助，通過上提回收，解封錨定工具。經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，該工具能夠完成套管內(nèi)錨定，且回收動(dòng)作順利。

圖4 錨定器Fig. 4 Anchor

4 雙功能防噴封隔器研制

雙封上提壓裂工藝原理是單層壓裂施工后，上提管柱施工下一目的層。上提過程中，井筒壓力高于油管壓力，因此部分壓裂液從油管噴出，流到地面，污染環(huán)境。如果該工藝不能實(shí)現(xiàn)環(huán)保施工，則無法應(yīng)用于現(xiàn)場。因此，針對(duì)套損井壓裂施工，研制了雙功能防噴封隔器，如圖5所示，它既能起到封隔油層的作用，又能實(shí)現(xiàn)防噴功能。該工具的工作原理為：通過油管加壓，中心管帶動(dòng)活塞下行推開密封片（圖中狀態(tài)）；隨著壓力升高，中心管繼續(xù)下行推動(dòng)錐體壓縮膠筒坐封。施工結(jié)束后，封隔器初步解封，露出反循環(huán)沖砂通道；上提管柱，中心管上行，密封片關(guān)閉（立起與圖中垂直），此時(shí)無液體通過密封片（承壓25 MPa）從油管中流出 ；繼續(xù)上提，完全解封可對(duì)下一層目標(biāo)層段進(jìn)行壓裂施工。

圖5 防噴封隔器Fig. 5 Blowout preventing packer

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

將2支?100 mm封隔器分別與同一支噴砂器的首尾相連，形成套損井雙封上提壓裂管柱。利用雙封壓裂工藝分別對(duì)3口井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。其中套管最小內(nèi)徑?104 mm，最大施工排量3.5 m3/min，單井最多施工5層，單井最大砂量289 m3，初步實(shí)現(xiàn)了套損井多級(jí)大規(guī)模壓裂施工。

另外，針對(duì)內(nèi)徑?108 mm以上套損井，建議選擇內(nèi)徑?105 mm以上封隔器，能夠降低封隔器鋼體鼓脹、遇卡風(fēng)險(xiǎn)，形成系列化工藝管柱。見表3。

表3 系列化封隔器選用表Table 3 Selection list of serial packers

6 結(jié)論

（1）套損井大規(guī)模壓裂工藝技術(shù)指標(biāo)為耐溫度120 ℃、承壓差50 MPa，可針對(duì)內(nèi)徑?104 mm以上套管進(jìn)行5層多級(jí)壓裂。

（2）工藝配套工具包括小直徑噴砂器，其最大過砂量289 m3；錨定工具能有效防止封隔器因蠕動(dòng)導(dǎo)致?lián)p壞，且能夠順利回收；防噴封隔器能夠有效封隔目的層，且施工結(jié)束上提管柱過程中，無壓裂液流出，滿足環(huán)保施工要求。

（3）該工藝實(shí)現(xiàn)了系列化，可針對(duì)不同井徑（104～124 mm）套損井進(jìn)行多級(jí)壓裂，有效降低風(fēng)險(xiǎn)，為大慶油田后期開發(fā)提供技術(shù)支撐。