郭寶杉,蔡萌,李俊亮,吳恩成
1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院 (黑龍江 大慶 163453)2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (黑龍江 大慶 163453)
氣井不動管柱多層壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)主要由安全接頭、水力錨(或Y444壓裂生產(chǎn)封隔器)、帶滑套的導(dǎo)壓噴砂封隔器(或Y341平衡壓裂封隔器+投球滑套)等組成(圖1)。該技術(shù)采用多級封隔器封隔壓裂層段,通過水力錨(或Y444壓裂生產(chǎn)封隔器)實(shí)現(xiàn)管柱錨定,投球打開相應(yīng)層位的滑套實(shí)現(xiàn)多層壓裂,壓裂后直接返排試氣[1-3]。該油管壓裂工藝能夠有效地保護(hù)生產(chǎn)套管且工藝簡單,目前已成為大慶油田深層氣開發(fā)的主體技術(shù)。
深層致密氣開發(fā)及天然氣老井改造需要體積壓裂才能實(shí)現(xiàn)儲層的有效動用,要求耐溫170~200℃、承壓差90 MPa、單層加砂100 m3、施工排量6~7 m3/min(表1),現(xiàn)有的不動管柱多層壓裂技術(shù)僅能耐溫150℃、承壓差70 MPa、單層最大加砂80 m3、最大排量5 m3/min。超高溫、超高壓、大砂量及其在定向井中的拓展應(yīng)用對整個(gè)工藝及工具的可靠性提出了更加嚴(yán)格的要求?;诖?,從工具設(shè)計(jì)、工具加工檢驗(yàn)及現(xiàn)場施工3個(gè)方面提出質(zhì)量控制措施,旨在提升整個(gè)工藝技術(shù)的可靠性,保證壓裂施工改造效果。
圖1 氣井不動管柱多層壓裂工藝管柱結(jié)構(gòu)
表1 致密氣儲層單層最大加砂量和最大施工排量統(tǒng)計(jì)表
針對現(xiàn)有壓裂封隔器加砂量少、排量低、耐溫承壓性能不夠等技術(shù)問題,設(shè)計(jì)大砂量、大排量、高性能導(dǎo)壓噴砂封隔器,能夠滿足耐溫170℃、承壓差90 MPa,單層加砂120 m3。
更改中心通道內(nèi)置節(jié)流嘴結(jié)構(gòu)為側(cè)壁節(jié)流坐封結(jié)構(gòu)(圖2),工具最大過砂內(nèi)徑由40mm增至49mm,相同壓降下排量提高20%,壓裂段數(shù)由6段提升至8段。
圖2 大砂量導(dǎo)壓噴砂封隔器結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖
原始導(dǎo)壓噴砂封隔器本體采用調(diào)質(zhì)40Cr材料,壓裂后工具起出磨損嚴(yán)重,單層最大加砂80 m3,不能滿足致密氣體積壓裂要求。更改導(dǎo)壓噴砂封隔器本體采用高強(qiáng)度42CrMo材料,磨蝕嚴(yán)重區(qū)域采用硬質(zhì)合金YG6材料(室內(nèi)實(shí)驗(yàn)該材料在120 m3砂磨蝕后壁厚減薄0.1 μm),同時(shí)利用Fluent軟件數(shù)值模擬大砂量導(dǎo)壓噴砂封隔器磨蝕速率(圖3),工具單層加砂量達(dá)120m3,室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工具承壓差達(dá)90MPa。
圖3 大砂量導(dǎo)壓噴砂封隔器磨蝕速率及材質(zhì)優(yōu)選
原有封隔器膠筒采用改性氫化丁腈材料,最高耐溫150℃,承壓差70 MPa,無法滿足致密氣壓裂時(shí)溫度壓力指標(biāo)要求。改進(jìn)后的封隔器膠筒采用“全氟醚+特種改性氟橡膠”材料(該材料通過NOR?SOK M710測試[4]),同時(shí)膠筒上下均添加紫銅全保護(hù)和半保護(hù)結(jié)構(gòu),通過材料改進(jìn)及端部保護(hù)增強(qiáng)后,現(xiàn)有封隔器膠筒滿足耐溫170℃、承壓差90MPa。
為了進(jìn)一步提高目前工藝在體積壓裂下的可靠性,設(shè)計(jì)耐磨蝕壓裂配套工具,實(shí)現(xiàn)工藝管柱性能進(jìn)一步提升。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況,工具的主要磨蝕部位集中在縮頸或者結(jié)構(gòu)突變部位,一般在封隔器中心管、球座以及噴砂口等位置?;诖?,在Y444壓裂生產(chǎn)封隔器增加中心管硬質(zhì)合金耐磨套、壓差滑套敷焊硬質(zhì)合金保護(hù)套等(圖4),進(jìn)一步提高工藝管柱耐磨蝕性能。
圖4 壓力滑套噴砂口改進(jìn)示意圖
同時(shí)為了拓展工藝在定向井中的應(yīng)用范圍,設(shè)計(jì)防中途坐封結(jié)構(gòu)(圖5):在Y444封隔器中增加限位環(huán)、Y341及Y344封隔器增加限位鎖塊,將活塞套與中心管固為一體,改變以往由坐封銷釘控制刮卡力(一般8個(gè)銷釘、抗刮卡力8 t)的方式,抗刮卡力提升至24 t;壓裂管串下入到位后,打壓打掉支撐體,解除鎖塊限位,活塞套在壓力作用下上行壓縮膠筒,完成封隔器坐封。壓裂封隔器防中途坐封設(shè)計(jì)大大提高了工具在定向井中的通過能力,確保封隔器不會因?yàn)楣慰ǘ崆白?,保證管串在定向井中順利下入到位。
圖5 Y344封隔器防中途坐封改進(jìn)結(jié)構(gòu)
為滿足深層致密氣壓裂施工排量6~7 m3/min的實(shí)際需求,解決壓裂封隔器球座級差導(dǎo)致排量受限的問題,研制全通徑導(dǎo)壓噴砂封隔器,投同一尺寸球即可全井壓裂,進(jìn)一步提高壓裂施工規(guī)模。
設(shè)計(jì)全通徑導(dǎo)壓噴砂封隔器(圖6)通徑50 mm,投入Φ49 mm可溶球即可實(shí)現(xiàn)全井壓裂。工具具有雙向兩通道結(jié)構(gòu)(包括坐封通道和球座通道),坐封通道連接封隔器坐封活塞缸,在中心通道投球堵塞后仍可傳遞壓力至坐封活塞缸內(nèi)保證封隔器處于節(jié)流坐封狀態(tài)。球座通道將變徑球座活塞缸與壓裂層位的環(huán)空連接,用于傳遞壓裂層位環(huán)空壓力作用于推力活塞,推力活塞推動變徑球座下行坐落在滑套上縮徑形成球座。變徑球座安裝好后未形成球座前處于擴(kuò)張狀態(tài)(圖7(a)),形成球座后處于縮徑狀態(tài)(圖7(b))。
圖6 全通徑導(dǎo)壓噴砂封隔器噴砂體結(jié)構(gòu)圖
圖7 變徑球座不同狀態(tài)示意圖
實(shí)際施工的管柱結(jié)構(gòu)與圖1工藝管柱Ⅱ結(jié)構(gòu)相同,由Y444壓裂生產(chǎn)封隔器+Y341壓裂封隔器+多個(gè)全通徑導(dǎo)壓噴砂封隔器+壓差滑套+Y341壓裂封隔器+球與座等組成,壓裂管柱下入到位后,所有的全通徑封隔器變徑球座處于擴(kuò)張狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)管柱最小通徑50 mm。具體的分層壓裂的原理為:第1層為壓差滑套,不用投球直接油管內(nèi)打壓即可打開滑套壓裂,第1層壓裂環(huán)空壓力通過第1層上封全通徑導(dǎo)壓噴砂封隔器球座通道推動變徑球座下行,坐落于第1層上封滑套上,縮徑狀態(tài)被激活形成球座;第1層壓裂結(jié)束后,投Φ49 mm球坐落于被激活球座,打壓開啟第2層滑套,壓裂施工第2層,第2層壓裂環(huán)空壓力再次激活第2層上封全通徑導(dǎo)壓噴砂封隔器球座,依次重復(fù)激活壓裂層上封球座——投Φ49 mm球打開滑套——壓裂動作,完成全井壓裂,壓裂段數(shù)可以達(dá)到10段以上。
為了滿足體積壓裂要求,大砂量導(dǎo)壓噴砂封隔器、安全接頭、硬質(zhì)合金水力錨、投球滑套、壓差滑套、Y444封隔器等都有耐磨硬質(zhì)合金件。作為工藝管柱最重要的耐磨部件,必須保證硬質(zhì)合金硬度達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。由于目前硬質(zhì)合金是應(yīng)用最廣、也被證明是現(xiàn)場最有效的耐磨件,因而保證硬質(zhì)合金件合格至關(guān)重要。
硬質(zhì)合金件硬度用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測,但考慮到實(shí)際情況,如果硬度無法測量的話,現(xiàn)場一般通過測量硬質(zhì)合金密度的方法檢驗(yàn)。通過電子天平稱重及排水法測體積來檢驗(yàn)硬質(zhì)合金件的密度,YG6的密度范圍為14.2~14.7 g/cm3,在此范圍為合格,經(jīng)檢驗(yàn)密度合格的硬質(zhì)合金件才能用于現(xiàn)場。
大砂量導(dǎo)壓噴砂封隔器是壓裂管柱核心工具,導(dǎo)壓噴砂封隔器中心管是封隔器的核心零件,在投球壓裂中心管通道被堵塞的情況下,中心管導(dǎo)壓通道仍可傳壓到3個(gè)活塞缸保證封隔器始終處于坐封狀態(tài)。中心管導(dǎo)壓通道是將壓板通過特殊焊接工藝焊接在中心管主體上,然后車削至設(shè)計(jì)尺寸而成(圖8)。焊接不好的通道部位易漏失、焊接溫度高壓板變形通道易堵塞、車削后焊口變小壓板變薄通道承高壓性能差,因而中心管導(dǎo)壓通道是導(dǎo)壓噴砂封隔器強(qiáng)度最薄弱部位。通過檢驗(yàn)的封隔器中心管用于現(xiàn)場,可以保證導(dǎo)壓噴砂封隔器在壓裂施工中始終處于良好的工作狀態(tài),保證壓裂施工改造效果。
圖8 導(dǎo)壓通道示意圖
設(shè)計(jì)具備可重復(fù)使用且拆裝簡便的導(dǎo)壓噴砂封隔器中心管導(dǎo)壓通道檢驗(yàn)裝置(圖9),包括上接頭(連接中心管及打壓頭)、護(hù)帽、承壓套I、承壓套II。液體通過上接頭傳壓通道進(jìn)入導(dǎo)壓噴砂封隔器中心管導(dǎo)壓通道,按照與上接頭距離由近及遠(yuǎn)依次打開承壓套。打壓0.6 MPa通道出液孔液體呈噴出狀態(tài)即可判斷通道暢通,所有承壓套安裝到位后,打壓30 MPa、50 MPa、70 MPa、90 MPa,分別穩(wěn)壓10 min進(jìn)行高壓檢驗(yàn),通道暢通,高壓無滲漏則中心管檢驗(yàn)合格。截至2019年10月,共檢出通道堵塞、低壓滲漏、高壓漏失及變形(圖10)的中心管共計(jì)20根,節(jié)約成本60萬元。
圖9 導(dǎo)壓噴砂封隔器中心管導(dǎo)壓通道檢驗(yàn)裝置
硬質(zhì)合金水力錨是多層壓裂工藝管柱Ⅰ的錨定工具,在滿足承內(nèi)壓90 MPa的同時(shí),還需測定水力錨的防上頂及抗拉錨定力達(dá)到指定壓力的錨定要求[5]。
Y444壓裂生產(chǎn)封隔器是多層壓裂工藝管柱Ⅱ和Ⅲ的錨定工具,同樣也需在滿足承內(nèi)壓90 MPa的同時(shí),滿足管柱防上頂及抗拉要求:在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將Y444封隔器完全坐封于139.7 mm(5-1 2")套管內(nèi),通過套管與封隔器環(huán)空在封隔器膠筒上端及下端分別打壓70 MPa,封隔器無位移為合格,檢驗(yàn)合格后才能用于現(xiàn)場。
圖10 檢驗(yàn)出的不合格導(dǎo)壓噴砂封隔器中心管
膠筒是整個(gè)管柱核心密封元件,需滿足氣浸及耐溫承壓要求后才能用于壓裂施工。氣浸檢測的目的在于檢測膠筒材質(zhì)在井下高溫高壓氣體介質(zhì)環(huán)境中永久變形情況,氣浸變形大的膠筒會導(dǎo)致施工后管柱起出困難,而且膠筒易泄漏,無法形成有效的密封,嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致施工失敗。
加工膠筒的同時(shí),需要同步加工相同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)氣浸試片[6]用于氣浸檢測。試片和膠筒到貨后,要先進(jìn)行試片氣浸檢驗(yàn):試片懸掛在高溫高壓反應(yīng)釜進(jìn)行N2、CO2氣浸檢驗(yàn)(溫度170℃、壓力50 MPa浸泡16 h),要求氣浸體積變形小于5%,氣浸合格后才能進(jìn)行油浸高溫高壓試驗(yàn):膠筒成品在170℃高溫下浸泡2 h,上下端均打壓90 MPa維持20 min以上無滲漏為合格。
目前不動管柱多層壓裂有3種典型的管柱設(shè)計(jì)方案。
方案一(如圖1工藝管柱Ⅰ):使用硬質(zhì)合金水力錨作為管柱錨定元件,投球打開相應(yīng)導(dǎo)壓噴砂封隔器滑套即可壓裂。該工藝管柱主要用于壓裂后起管柱,但是從目前現(xiàn)場應(yīng)用看,該類型管柱壓裂后都直接生產(chǎn)了。優(yōu)點(diǎn)是壓裂后可以起管柱,油套聯(lián)通,可以進(jìn)行泡沫排水采氣,缺點(diǎn)是套管帶壓,長期生產(chǎn)有很大的安全隱患。
方案二(如圖1工藝管柱Ⅱ):兼具其余兩套管柱的優(yōu)點(diǎn),可以壓裂后直接投產(chǎn),套管不帶壓,生產(chǎn)時(shí)只有1套Y444封隔器和2套Y341封隔器處于坐封狀態(tài),解封相對容易,更換管柱難度低,目前是大慶深層氣直井的主體壓裂工藝管柱。管柱方案設(shè)計(jì)前需要與甲方充分溝通再確定管柱方案、連接扣型等現(xiàn)場實(shí)際問題。
方案三(如圖1工藝管柱Ⅲ):采用Y444封隔器作為管柱錨定元件,壓裂層位用Y341進(jìn)行封隔,投球依次打開投球滑套壓裂。該工藝管柱主要用于壓裂后直接進(jìn)行生產(chǎn),優(yōu)點(diǎn)是壓后直接生產(chǎn),且套管不帶壓,安全隱患?。蝗秉c(diǎn)是生產(chǎn)時(shí)所有的井下封隔器都處于坐封狀態(tài),更換管柱困難,無法進(jìn)行泡沫排水采氣。
氣井射孔后,需進(jìn)行一次模擬刮削通井,模擬通井達(dá)到要求后,才能下入壓裂管柱。刮削通井主要有3個(gè)目的:①下入刮削器對射孔孔眼反復(fù)刮削3次,避免孔眼劃傷膠筒,為壓裂工具下入做準(zhǔn)備;②通過下入模擬工具入井時(shí)最大長度和最大外徑,判斷工具是否能下入到位,是否符合壓裂工具入井要求;③通過下入通井測力器測量模擬工具入井過程中的阻力,即壓裂工具下入過程中可能的最大刮卡力。
實(shí)際通井刮削前,先要根據(jù)鉆井三開實(shí)測井眼軌跡數(shù)據(jù),計(jì)算工具的通過性能[7],為壓裂管柱設(shè)計(jì)提供參考,然后再刮削通井,刮削通井測力管柱自下而上包括:刮削器+普通EUE油管2根+Φ116 mm通井規(guī)2個(gè)+通井測力器+普通EUE油管若干。模擬工具由兩個(gè)Φ116 mm通井規(guī)(壓裂工具外徑Φ114 mm)直聯(lián),總長度4 m,模擬壓裂工具的下入情況。通井測力器設(shè)計(jì)4排測力銷釘(M10小徑Φ6 mm鋼釘自下而上2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)、8個(gè),測量遇卡力依次為2 t、4 t、6 t和8 t),測力器與2個(gè)通井規(guī)直聯(lián),可以直接測定模擬工具下井時(shí)的刮卡力。起出通井管柱后,需要檢查通井測力器銷釘被剪斷幾排,從而判斷刮卡力大小。隨后檢查2個(gè)通井規(guī)表面是否有軸向劃痕以及劃痕的長度和深度。一般刮卡力小于4 t,通井規(guī)表面沒有長度超過1 m的軸向劃痕,壓裂工具就能入井。若測力器刮卡力大于4 t或通井規(guī)表面有長度超過1 m的軸向劃痕(圖11),還需進(jìn)行二次刮削通井,直至滿足工具下入要求。
圖11 宋深XX井起出的通井測力器及通井規(guī)
模擬通井滿足要求后,需要按設(shè)計(jì)調(diào)配壓裂管柱結(jié)構(gòu),一般遵循3個(gè)原則:①壓裂封隔器跨過所有層位,不漏層;②壓裂封隔器膠筒坐封的位置避開套管接箍,且下封位置盡量距離射孔段近些,避免砂卡;③壓裂封隔器之間盡量少用短接,盡量用整根油管。因?yàn)閹Х飧羝鞯墓苤鶆偠却?,管柱下入速度盡量不超過10 m/min。下入到位根據(jù)校深調(diào)整后,再次核對壓裂封隔器位置,確保下入位置準(zhǔn)確。
以工藝管柱Ⅱ?yàn)槔瑝毫压苤氯脒^程中油套始終聯(lián)通,需要投入可溶球進(jìn)行坐封,實(shí)際施工中封隔器坐封都是用壓裂泵車坐封。打壓10MPa、15MPa、20 MPa、25 MPa,分別穩(wěn)壓10 min,保證Y444封隔器與Y341封隔器完全坐封,坐封時(shí)套管口敞開。最后打壓25 MPa時(shí),油壓穩(wěn)定,套管口不出液即可確定封隔器坐封。如條件允許的話,環(huán)空打壓10 MPa穩(wěn)壓10 min進(jìn)行封隔器驗(yàn)封。
壓裂施工過程中,每一層都需要投球打開滑套,遵循以下3個(gè)原則:①投球前需要測量好可溶球尺寸,確保是該層要投的可溶球;②需要嚴(yán)格控制好投球過程,確??扇芮蚵淙刖畠?nèi);③盡可能小排量追球,避免可溶球到位后壓力突升超過壓裂車組限壓??扇芮蛉刖笥?.6 m3/min排量追球,觀察到壓力曲線突然上升(6~18 MPa)并下降即可判斷滑套打開,隨后即可開展正常壓裂施工。
自2017年開展質(zhì)量提升以來,氣井不動管柱多層壓裂技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用共12口井,包括2口技套帶壓修復(fù)后的隱患井,工藝成功率100%。該工藝管柱最大壓裂深度4 040 m,最大壓裂段數(shù)6段,通過的最大井斜角41.6°,最大單層加砂量115 m3,最大全井加砂量450 m3,最大施工排量5.2 m3/min,最高施工壓力79 MPa,最長的已安全生產(chǎn)47個(gè)月,單井平均日增氣9×104m3,取得了較好的效果。
1)通過壓裂工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工具加工檢驗(yàn)及現(xiàn)場施工3個(gè)方面的質(zhì)量控制措施,提高了氣井不動管柱多層壓裂技術(shù)在超高溫、超高壓、大砂量及定向井中的適用性,在12口井的成功應(yīng)用也表明質(zhì)量提升后的工藝管柱能夠滿足井下苛刻的施工要求,工藝安全可靠。
2)加強(qiáng)質(zhì)量管理工作,對提高工藝技術(shù)的可靠性具有非常重要的意義。