黃有泉 王金友 張宏巖 程新穎 毛慶波 張春輝

1.中國石油大慶油田有限責任公司；2.中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院；3.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室

在油田開發(fā)過程中由于地質(zhì)、工程等多種因素，油水井在生產(chǎn)中出現(xiàn)套管變形、套漏等現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生成片套損區(qū)。套損井由于井筒的不完整性，導致常規(guī)增產(chǎn)增注措施無法實施，既影響油井產(chǎn)油效果，也破壞注采井網(wǎng)的完整性，給油田開發(fā)帶來了較大影響。針對套損井多層壓裂，國內(nèi)各大油田均開展了相關(guān)研究。新疆吐哈油田采用K341-98封隔器結(jié)合噴砂尾管工藝對套變點以下層段進行壓裂，該工藝操作簡單，施工成功率高，但無法精準分層［1］。華北油田研發(fā)了水力噴射多簇噴槍不動管柱分層壓裂工藝，利用滑套控制各級小直徑噴槍，壓裂時按順序投入密封球打開對應(yīng)層段滑套，實施水力噴射壓裂；不攜帶任何封隔器，只利用流體伯努利效應(yīng)實現(xiàn)層段分隔?，F(xiàn)場試驗單井壓裂達到3段，該工藝主要應(yīng)用于層間差異較小的井，對于層間差異大或小層分布較多的井其層間分隔能力不足。長慶油田、中原油田也應(yīng)用水力噴射工藝開展了套損井壓裂現(xiàn)場試驗［2］。大慶油田前期開展的套損井分層壓裂工藝，能夠滿足修復井徑?105 mm以上的套損井壓裂要求，工藝管柱承壓40～45 MPa，通過不動管柱投球方式，實現(xiàn)單趟管柱壓裂2～4段，單層加砂15～20 m3，壓裂層段能夠?qū)崿F(xiàn)機械分隔［3］。

大慶油田1960年投入開發(fā)，1963年發(fā)現(xiàn)第1口套損井，60余年來按套損率劃分出現(xiàn)了3次套損高峰，累計套損井已超萬口，其中套損部位在油層以上比例達60%以上。由于前期缺乏成熟高效的壓裂工藝，壓裂改造程度低、剩余油相對富集，在老油田開發(fā)后期選井、選層難度越來越大的情況下，挖潛套損井控制的剩余油是提高單井產(chǎn)量和區(qū)塊開發(fā)效果的有效手段之一。大慶油田長垣老區(qū)儲層縱向上發(fā)育40～100個含油砂巖，經(jīng)長期開發(fā)各個小層改造及動用程度差異大，常規(guī)工藝管柱一般單井壓裂3～4個層段，單個層段內(nèi)至少2個以上小層合壓，需要精細分層進行針對性改造才能有效動用剩余油，提高單井產(chǎn)量。以提高單井縱向精細分層為目的，研發(fā)套損井多層精細壓裂工藝，有效提高套損井小層改造精準程度和施工效率。

1 工藝技術(shù)難點

大慶油田套損井套變點在油層部位以上比例約占60%，井筒局部縮徑尺寸已下降至?100 mm，要求工藝管柱外徑既要通過套變點，又要在油層段壓裂改造時達到常規(guī)工藝管柱性能。同時油藏改造需要精細改造，單井單次改造段數(shù)量要求越來越多，最多已突破10段。前期研發(fā)的不動管柱投球分層壓裂工藝由于工具外徑、內(nèi)徑的限制，不同尺寸密封球級差的排布也相應(yīng)受到限制。封隔器使用過多也為壓后工藝管柱起出帶來了風險，最多僅能實現(xiàn)單趟管柱壓裂4層，當壓裂層段超過4層時，則需要更換管柱，既降低施工效率，又增加了壓裂工具和作業(yè)成本。為此改變了不動管柱投球分層壓裂工藝模式，可采用兩級封隔器攜帶噴砂器單獨分卡目的層，采用拖動上提的方式進行逐層精準改造，無需通過投球開啟滑套逐層壓裂，無密封球級差限制，同時封隔器數(shù)量少，降低了管柱遇卡風險。

根據(jù)井身結(jié)構(gòu)特點制定了逐層拖動式的套損井多層壓裂工藝方案，每壓裂一層段后小直徑封隔器解封，通過套管反循環(huán)關(guān)閉小直徑油管防噴閥，上提至下一層段，油管正注開啟小直徑油管防噴閥后再次坐封小直徑封隔器，由小直徑導壓噴砂器進行加砂。工藝管柱變徑點以下工具外徑均為95 mm，滿足井徑100 mm以上套損井多段壓裂要求，主要包括小直徑油管防噴閥、安全接頭、水力錨、小直徑封隔器、小直徑導壓噴砂器和導向死堵組成(圖1)。

圖1 工藝管柱Fig.1 The process pipe string

需要解決以下技術(shù)難點：(1)由于拖動式多層壓裂工藝特點，小直徑封隔器需要通過變徑點，多次重復坐封、解封，既要最大限度縮小其外徑便于安全起下，又要保證小直徑膠筒密封常規(guī)套管能夠承壓差50 MPa以上，以滿足多層壓裂需要；同時要求封隔器高壓條件下鋼體無變形、膠筒低殘余變形，膠筒和鋼體研發(fā)難度較大；(2)小直徑導壓噴砂器提高加砂量，要求1套噴砂器完成全井多層加砂，耐磨蝕性能差會導致工具磨斷，因此對其耐磨蝕性能要求較高；(3)小直徑油管防噴閥需要在逐層拖動時層層防噴，實現(xiàn)多次重復開關(guān)防噴難度較大。

2 小直徑關(guān)鍵工具研制

2.1 室內(nèi)研究

2.1.1 小直徑封隔器研制

主要從封隔器膠筒和薄壁鋼體開展研究。小直徑、大擴張比、高承壓的擴張式膠筒，膠筒外徑設(shè)計為93 mm，與常規(guī)113 mm膠筒相比，膠筒的擴張百分比由9.7%增大至33.3%，受力面積增大2.4倍。常規(guī)膠筒殘余變形大、易破損，膠筒損壞嚴重時上提管柱易出現(xiàn)遇卡，因此對其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、硫化工藝等進行優(yōu)化。首先改進膠料配方，以改性氫化丁腈橡膠為主料，加入納米級增強劑，提升強度1.7倍；其次設(shè)計“鋼絲+簾線+芳綸”結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鋼絲與簾線排布角度為15°，與膠筒端部緊固，采取特殊硫化處理工藝，使鋼絲、橡膠、芳綸簾線和膠漿等變形率趨于一致，解決多種材料分層、斷絲的問題；設(shè)計無痕模具，避免膠筒縱向有痕處開裂，進一步提高其承壓性能。室內(nèi)油浸實驗，0號柴油120 ℃條件下浸泡8 h后，反復疲勞10次承壓70 MPa，殘余變形僅為2.7%，能夠滿足現(xiàn)場要求［4］。

研發(fā)薄壁、承高壓封隔器鋼體。為滿足小直徑封隔器小外徑、大通徑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，將封隔器鋼體外徑設(shè)計為95 mm，鋼體壁厚為6.5 mm。封隔器材質(zhì)選擇40CrMnMo調(diào)質(zhì)錳鋼，在價格、強度、加工難易等方面具有綜合優(yōu)勢。對40CrMnMo封隔器鋼體進行受力分析(圖2)，承壓70 MPa時鋼碗與膠筒接觸處出現(xiàn)擴徑現(xiàn)象，相應(yīng)的室內(nèi)實驗結(jié)果也表明擴徑現(xiàn)象嚴重，鋼體外徑由95 mm增加至101.5 mm，僅能承壓1次，再次坐封膠筒與鋼體接觸處清水噴出，膠筒無法密封，現(xiàn)場應(yīng)用將帶來管柱遇卡風險。根據(jù)材質(zhì)特點優(yōu)選鹽浴淬火熱處理工藝，達到高強度鋼的性能，室內(nèi)承壓實驗表明熱處理措施有效，鋼體承壓70 MPa后無變形［5］。

圖2 常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼體承壓受力分析Fig.2 Pressure-bearing analysis of conventional quenched and tempered steel body

2.1.2 耐磨蝕小直徑導壓噴砂器研制

小直徑導壓噴砂器為適應(yīng)套損井的壓裂要求，外徑由常規(guī)的115 mm縮至95 mm［6］。外徑縮小后環(huán)空體積增大，在排量及加砂量不變的條件下，壓裂時易形成渦流造成噴砂口兩側(cè)磨蝕嚴重，影響施工規(guī)模和安全性［7］。采用“防、疏”相結(jié)合的措施：（1）在噴砂口處及下部采用特殊熱處理工藝提高硬度或進行噴涂硬化處理［8-10］，減小攜砂液接觸到套管后，對導壓噴砂器造成的返濺磨蝕，提高噴砂器耐磨蝕能；（2）噴砂口處增加內(nèi)襯套，采用“斜截面+多孔”結(jié)構(gòu)(圖3)并對噴砂孔數(shù)、間距進行優(yōu)化，減少渦流的同時改變液流方向，減輕噴孔噴出攜砂液對外壁面的直接沖蝕?，F(xiàn)場實際應(yīng)用小直徑噴砂器加砂量由80 m3提高至230 m3以上,可滿足大慶油田長垣老區(qū)壓裂改造規(guī)模需求。

圖3 斜截面多孔噴砂結(jié)構(gòu)Fig.3 Multiaperture sandblaster with oblique section

2.1.3 小直徑油管防噴閥研制

為解決逐層拖動上提管柱時油管防噴問題，研發(fā)了壓控式可重復開關(guān)小直徑油管防噴閥，利用液體從油管或套管注入時產(chǎn)生的油套壓差控制其開關(guān)，優(yōu)化設(shè)計重復開關(guān)控制機構(gòu)與重復密封機構(gòu)。

重復開關(guān)控制機構(gòu)，主要利用“面積差活塞+壓簧”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，當壓差作用于面積差活塞推動壓簧帶動開關(guān)滑套移動，從而使密封閥板開啟或關(guān)閉。壓差的形成不但與液體注入排量相關(guān)，也與不同區(qū)塊地層壓力參數(shù)、防噴閥的下入深度等因素密切相關(guān)。在設(shè)計時要合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免因控制壓差較低造成防噴閥誤關(guān)閉，或者控制壓差過大不易關(guān)閉。為此，依據(jù)大慶油田長垣老區(qū)地層壓力系數(shù)，優(yōu)化設(shè)計面積差活塞和壓簧結(jié)構(gòu)參數(shù)，總體設(shè)定關(guān)閉壓差5～6 MPa。該結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)其他區(qū)塊不同地層壓力進行參數(shù)調(diào)整，滿足不同工況條件需要。

重復密封機構(gòu)，主要包括橡膠密封件(圖4)、閥板及扭簧。閥板在扭簧作用下關(guān)閉并在液體壓力下壓縮橡膠密封件從而形成密封，避免井內(nèi)液體從油管溢出，從而實現(xiàn)油管防噴。扭簧由于工作次數(shù)頻繁，因此材料選擇要具有較高的屈服強度、較好的韌性、較低的熱敏感性以及較好的耐H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)性能。經(jīng)室內(nèi)實驗優(yōu)選特種高彈性合金鋼材質(zhì)加工扭簧，同常規(guī)彈簧鋼材質(zhì)相比，彈性和抗疲勞性能可提高30%。閥板設(shè)計應(yīng)采用輕質(zhì)鋁合金材料，降低閥板質(zhì)量可提高防噴閥關(guān)閉可靠性。

圖4 密封機構(gòu)實物Fig.4 Real picture of the sealing mechanism

2.2 現(xiàn)場試驗

采用該工藝開展現(xiàn)場試驗109口井，施工成功率100%，單趟管柱最多精細壓裂11段。工藝管柱結(jié)構(gòu)簡單，封隔器性能高，且使用封隔器數(shù)量少，施工安全性大幅度提高?，F(xiàn)場應(yīng)用壓裂后工藝管柱均順利起出，壓后單井平均日增油5 t/d以上。以N5-X井為例，該井為地質(zhì)目標薩爾圖油層的修復套損井，2016年首次壓裂 1～2號層 (深度 1 035.3～1 046.0 m)，初期穩(wěn)產(chǎn) 5.4 t/d，至 2019年底降至2 t/d以下。因此對該井1～2號層進行重復壓裂，同時下部地質(zhì)條件較好未壓裂的 3～5號層 (深度1 110.1～1 133.0 m)進行初次壓裂 (表1)。

表1 N5-X井壓裂井段射孔數(shù)據(jù)Table 1 Perforation data of fractured well section in Well N5-X

壓裂前通井時在1 083.7 m處發(fā)現(xiàn)套變，井徑縮小至106 mm，無法采用常規(guī)工藝壓裂。更改原壓裂方案，采用套損井精細分層壓裂工藝，最小隔層1.0 m，單趟管柱壓裂5段，單套噴砂器加砂230 m3，實現(xiàn)了縱向上多個層段均衡改造。壓裂施工后封隔器膠筒、鋼體無變形，導壓噴砂器磨蝕較小，工藝管柱順利起出，壓后初期產(chǎn)油12.83 t/d，年累產(chǎn)2 800 t，提高了單井產(chǎn)量，實現(xiàn)了剩余油的有效挖潛。

該井所在區(qū)塊套損油水井較多，大部分處于關(guān)井狀態(tài)，區(qū)塊井網(wǎng)不完善，影響了整體注采平衡。因此集中開展了套損井治理與壓裂改造，采用該技術(shù)對8口水井、5口油井分別進行了精細改造，措施后開井率由85%提升至97%，完善了注采井網(wǎng)，提高區(qū)塊整體開發(fā)效果。

3 工藝技術(shù)優(yōu)勢

常規(guī)分層壓裂工藝單趟管柱壓裂2～4段,單層加砂量 15～20 m3，承壓 50 MPa，適用?105 mm 及以上井徑。拖動式套損井精細分層壓裂工藝與之相比具有4方面優(yōu)勢：（1）單趟管柱壓裂段數(shù)多，單井1次壓裂施工可完成11段細分壓裂，避免了因壓裂段數(shù)多而多趟更換管柱，既提高精細改造程度，也大幅提高了施工效率，同時節(jié)約了施工成本；（2）單層加砂量大，單套噴砂器可加砂230 m3，有利于滿足油藏大規(guī)模加砂提高儲層改造體積的需求；（3）承壓性能更高，工藝管柱整體達到承壓70 MPa，可以滿足部分低滲透儲層壓裂改造需要，拓寬了工藝適應(yīng)領(lǐng)域；（4）適應(yīng)井徑更小，能夠滿足?100 mm井徑套損井分層壓裂，提高了可改造套損井比例。以大慶油田為例，套損井可改造比例提高了40%以上，減少了報廢井數(shù)；同時該工藝配套了適合拖動式壓裂工藝的油管防噴閥，可實現(xiàn)環(huán)保施工，減少廢液拉運處理，降低了環(huán)保措施成本。

4 結(jié)論

(1)成功解決了套損井壓裂工藝既要小直徑、高通過性又要精細分層壓裂的技術(shù)難題，細分壓裂段數(shù)達到11段、適應(yīng)井徑?100 mm，改變了套損井因壓裂工藝不配套長期處于無法細分壓裂的現(xiàn)狀，有利于注采開發(fā)井網(wǎng)完善和套損井剩余油的挖潛。

(2) 該工藝管柱結(jié)構(gòu)簡單、安全性高，但由于雙封隔器間連接的油管長度固定，對于單井改造各層段厚度差異大無法共用同一卡距時，需要更換管柱調(diào)整封隔器間卡距，有待進一步完善。

(3)該工藝不僅適用于修復套損井精細壓裂，也適用于?100～124 mm小尺寸套管井分層壓裂，發(fā)展配套連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備，可進一步提高施工效率。