王成龍，韓 成，王應(yīng)好，郭宇堃，徐 靖

[中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057]

壓裂已成為海上低滲砂巖油田、頁巖油等非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的主要手段。海上探井壓裂作業(yè)日漸增多，壓裂測試管柱設(shè)計(jì)既要保障壓裂施工期間管柱安全，又要提高壓裂規(guī)模和改造效果，以滿足地質(zhì)取資料的要求。壓裂測試管柱選擇對于海上壓裂測試作業(yè)顯得十分重要。海上油田探井最初從單層壓裂進(jìn)行嘗試，但單層壓裂管柱并不能滿足薄互層低滲等儲層的產(chǎn)能釋放，為此，經(jīng)過逐步實(shí)踐，逐漸發(fā)展了滑套封隔器分層壓裂管柱、電纜橋塞分層壓裂管柱等分層壓裂測試管柱[1-2]。本文總結(jié)了單層、分層壓裂管柱的優(yōu)缺點(diǎn)、關(guān)鍵工具作用原理及關(guān)鍵作業(yè)流程，為海上壓裂測試管柱的選擇提供參考。

1 單層壓裂測試管柱

1.1 常規(guī)型壓裂測試一體化管柱

海上常規(guī)壓裂測試一體化管柱結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，從下到上依次為射孔槍 + 丟槍點(diǎn)火頭 + 長槽篩管（不帶玻璃盤） + 長槽篩管（帶玻璃盤） + 長槽篩管（不帶玻璃盤）+ 封隔器 + 試壓閥 + 壓力計(jì)拖筒 + 氣密鉆挺 + 壓力計(jì)拖筒 + 選擇性測試閥 + RD安全循環(huán)閥 +氣密鉆挺 + 伸縮節(jié) + 油管。

圖1 常規(guī)型壓裂測試一體化管柱示意圖

壓裂測試一體化管柱下到位后坐封封隔器，環(huán)空加壓打開試壓閥，然后管柱正加壓進(jìn)行點(diǎn)火射孔，確認(rèn)射孔后即可進(jìn)行壓裂作業(yè)。為防止壓裂作業(yè)砂埋管柱而引起測試管柱困難，射孔槍頂部通常采用丟槍接頭，射孔瞬間實(shí)現(xiàn)丟槍，因此海上壓裂井一般要求預(yù)留足夠的丟槍口袋。長槽篩管（不帶玻璃盤）為管柱加壓點(diǎn)火射孔提供壓力通道，長槽篩管（帶玻璃盤）可防止管柱鐵屑鐵銹下沉至點(diǎn)火頭頂部造成堆積，無法點(diǎn)火。封隔器是壓裂管柱最重要的井下工具，需承受壓裂作業(yè)的高壓，因此應(yīng)選擇性能可靠耐高壓的封隔器，坐封方式可以選擇機(jī)械坐封也可以選擇液壓坐封，機(jī)械坐封封隔器需要根據(jù)坐封力選擇確定鉆鋌的數(shù)量。由于海上壓裂作業(yè)井口壓裂一般超過70 MPa，有必要對測試壓裂管柱進(jìn)行試壓，保證管柱安全，因此，壓裂測試一體化管柱通常需要設(shè)置一個(gè)試壓閥。

海上壓裂測試管柱內(nèi)外壓力變化大，而測試工具受環(huán)空壓力操作，為防止壓裂作業(yè)過程中環(huán)空壓力劇變出現(xiàn)測試閥井下關(guān)井導(dǎo)致壓裂作業(yè)失敗，測試閥一般設(shè)置為選擇性測試閥[3]，選擇性測試閥可以為鎖開和鎖關(guān)狀態(tài)，可減小環(huán)空壓力對測試閥開關(guān)的影響。設(shè)置兩個(gè)循環(huán)閥，提高壓井成功率。壓裂作業(yè)易引起管柱伸縮變化，壓裂測試管柱設(shè)置伸縮節(jié)用于補(bǔ)償壓裂作業(yè)過程中管柱的伸縮變化，降低管柱受力，保障管柱安全。為防止壓裂支撐劑在伸縮節(jié)內(nèi)外筒出現(xiàn)堆積，影響伸縮節(jié)伸縮能力，壓裂測試管柱采用倒裝伸縮節(jié)。為實(shí)現(xiàn)壓裂大排量壓裂，降低管柱摩阻，測試油管盡量選擇大內(nèi)徑高強(qiáng)度油管或鉆桿。

海上常規(guī)壓裂測試一體化管柱結(jié)構(gòu)完整，可以較好滿足地質(zhì)取資料的要求，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，RD循環(huán)閥、RD安全循環(huán)閥、測試閥、試壓閥均為環(huán)空壓力響應(yīng)的測試工具，而壓裂作業(yè)極易引起環(huán)空壓力發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致環(huán)空壓力響應(yīng)的測試工具易出現(xiàn)誤開關(guān)的問題，從而導(dǎo)致壓裂作業(yè)失敗。另外測試工具內(nèi)徑小，也限制壓裂排量，如圖1所示。

1.2 改良型壓裂測試管柱

為進(jìn)一步提高海上壓裂規(guī)模，提高壓裂排量，降低壓裂作業(yè)環(huán)空壓力變化對測試工具的影響，在常規(guī)型壓裂測試管柱基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化測試工具，形成改良型壓裂測試管柱，如圖2所示，取消RD循環(huán)閥、RD安全循環(huán)閥、測試閥，將RD試壓閥設(shè)置在封隔器之下。測試管柱下到位后，與常規(guī)型壓裂測試一體化管柱不同的是，改良型壓裂測試管柱先進(jìn)行環(huán)空加壓打開RD試壓閥，然后再坐封封隔器，再進(jìn)行測試管柱正加壓點(diǎn)火射孔。由于沒有RD循環(huán)閥、RD安全循環(huán)閥、測試閥測試工具，因此沒有壓裂作業(yè)期間環(huán)空壓力變化引起測試工具誤開關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，可顯著提高壓裂排量。但改良型壓裂測試管柱沒有設(shè)置循環(huán)閥，測試管柱沒有壓井通道，一般需要通過電纜帶壓下入油管或鉆桿沖孔工具，對油管進(jìn)行沖孔建立循環(huán)通道壓井，然后起測試管柱。

圖2 改良型壓裂測試管柱示意圖

改良型壓裂測試管柱可降低大規(guī)模壓裂作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，但是由于該測試壓裂管柱沒有壓井通道，壓井作業(yè)繁瑣，作業(yè)時(shí)間較長，尤其是井口壓力較高的話，增加井口電纜作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。改良型壓裂測試

管柱示意圖如圖2所示。

2 分層壓裂管柱

2.1 水力噴砂分層壓裂測試管柱

水力分層壓裂測試管柱從下到上依次為導(dǎo)向頭 +篩管 + 單流閥 + 第一級水力噴砂器（無滑套） + 封隔器 + 水力錨 + 第二級水力噴砂器 + 封隔器 + 水力錨 +第三級水力噴砂器 + …… + 安全接頭 + 油管。

水力分層壓裂測試管柱下入到位后，可以通過篩管洗井，井口投球封堵單流閥堵塞下部地層，然后井口可以通過第一級水力噴砂器進(jìn)行水力噴砂壓裂作業(yè)。封隔器、水力錨、水力噴砂器組成一套噴砂壓裂施工單元，初第一級水力噴砂器無滑套，后續(xù)每一級水力噴砂器和封隔器均為滑套式，通過投球憋壓打開滑套，打開水力噴砂器（滑套式）的噴嘴和封隔器（滑套式）的進(jìn)液通道，完成封隔器的坐封，即可進(jìn)行水力噴砂壓裂作業(yè)。水力錨可以錨定管柱，防止壓裂作業(yè)管柱蠕動。安全接頭在緊急情況下脫開管柱，起出上部管柱[4]。

該管柱可實(shí)現(xiàn)分層噴砂壓裂，且壓裂施工過程中逐級啟動對應(yīng)層段的封隔器和水力噴砂器的，提高工具使用壽命。但是該管柱壓裂改造效果有限，測試無法實(shí)現(xiàn)井下關(guān)井壓力和地層壓力的數(shù)據(jù)的錄取。

2.2 滑套封隔器分層壓裂管柱

為進(jìn)一步提高壓裂規(guī)模，獲得更好的壓裂改造效果，海上探井采用滑套封隔器分層壓裂管柱，從下到上依次為分層封隔器 + 投球壓裂滑套 + 分層封隔器+投球壓裂滑套 + …… + 分層封隔器 + 頂部懸掛封隔器。

測試壓裂管柱入井前，需要單獨(dú)下入一趟射孔管柱，按照設(shè)計(jì)壓裂井段射開地層。壓裂測試管柱需要經(jīng)過精確配長，要使得兩個(gè)封層封隔器正好卡封要壓裂的射孔段，壓裂測試管柱下到位后，通過井口投鋼球加壓同時(shí)坐封所有分層封隔器和頂部懸掛封隔，然后繼續(xù)加壓剪切球座，開始第一段壓裂作業(yè)，待第一段壓裂作業(yè)結(jié)束后，井口投可溶球，打開最下面的壓裂滑套即可進(jìn)行第二段壓裂作業(yè)，依此類推，依次在井口進(jìn)行投可溶球，打開下一級壓裂滑套，進(jìn)行下一段壓裂作業(yè)[5-7]。通過井口投入可溶球，待球入座后管柱內(nèi)正加壓剪切銷釘，滑套及球座一同下行，滑套打開建立壓裂通道，實(shí)施壓裂作業(yè)。另外，分層封隔器和頂部懸掛封隔選擇性能良好耐高壓耐高溫的封隔器，頂部懸掛封隔一般帶有錨定裝置，防止壓裂出現(xiàn)管柱蠕動。壓裂作業(yè)結(jié)束后，可脫手頂部懸掛封隔，起出上部管柱。為補(bǔ)償大規(guī)模壓裂引起的管柱收縮問題，防止管柱伸縮受力失效，在分層封隔器之間一般設(shè)置伸縮管。

可溶球的溶解時(shí)間把握對分層壓裂作業(yè)極為關(guān)鍵，既要保障壓裂作業(yè)施工期間不能溶解，又要在返排階段能夠快速溶解?？扇芮?qū)㈡V、鋁和鉬等特定金屬合金化后，自身形成了微電池，在微電池效應(yīng)作用下破壞鎂表面氧化膜的連續(xù)性，達(dá)到加速溶解鎂反應(yīng)的目的[8]。但不同陸地壓裂多用淡水基壓裂液，海上壓裂作業(yè)多用海水基壓裂液，高礦化度海水易加快可溶球溶解速率，無法滿足壓裂時(shí)間要求。因此，海上壓裂作業(yè)需要特別進(jìn)行可溶球與海水基壓裂液的溶解實(shí)驗(yàn)，選擇溶解時(shí)間合適的可溶球。

滑套封隔器分層壓裂管柱可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分層壓裂，但是該管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，井下壓裂工具多，工具失效風(fēng)險(xiǎn)高。由于每一級壓裂都需要進(jìn)行井口投可溶球，可溶球外徑一級一級縮小，如果壓裂層數(shù)較多，分層壓裂管柱的內(nèi)徑變小，導(dǎo)致壓裂摩阻及井口壓力增大，壓裂風(fēng)險(xiǎn)增大。另一方面，上面的壓裂滑套球座長時(shí)間受高含砂流體沖蝕，容易導(dǎo)致球座磨損，可溶球密封失效，影響壓裂作業(yè)。同時(shí)，對于套管內(nèi)進(jìn)行分層壓裂，需要提前射孔，且射孔后需要對炮眼位置進(jìn)行刮管洗井，導(dǎo)致施工周期較長，儲層也易受到污染。

2.2 電纜橋塞分層壓裂管柱

為進(jìn)一步提高壓裂規(guī)模，再次提高壓裂改造效果，海上探井還可以采用電纜橋塞分層壓裂管柱，一般在Φ139.7 mm套管底部設(shè)計(jì)串接趾端滑套，Φ139.7 mm套管固井結(jié)束后，井口加壓打開趾端滑套，依靠Φ139.7 mm套管等小尺寸套管作為壓裂通道進(jìn)行第一段壓裂作業(yè)。如果趾端滑套不能打開，連續(xù)油管帶著射孔槍進(jìn)行射孔，也可以進(jìn)行第一段壓裂作業(yè)。

待第一段壓裂作業(yè)結(jié)束后，井口使用電纜輸送橋塞和射孔槍至設(shè)計(jì)深度，大位移井或者水平井可以通過泵送電纜輸送橋塞及射孔，輸送至設(shè)計(jì)深度后，先坐封橋塞，脫手橋塞，然后上提射孔槍至設(shè)計(jì)深度，進(jìn)行射孔，起出電纜及射孔槍后，井口投可溶球后，可溶球與橋塞配合，封隔下部地層，仍依靠Φ139.7 mm套管作為壓裂通道進(jìn)行第二段壓裂作業(yè)。第二段壓裂作業(yè)結(jié)束后，再次使用電纜泵送橋塞和射孔槍至設(shè)計(jì)深度、坐封橋塞、脫手橋塞、上提射孔、起甩電纜，進(jìn)行第三段壓裂作業(yè)，依次類推，實(shí)現(xiàn)多層壓裂[8-10]。

電纜橋塞分層壓裂管柱結(jié)構(gòu)簡單，直接使用套管進(jìn)行壓裂，可滿足更大排量的壓裂。橋塞可以選擇可鉆式復(fù)合橋塞，在壓裂作業(yè)結(jié)束后，需要連續(xù)油管下入磨鞋，鉆銑橋塞，將復(fù)合橋塞形成的碎屑循環(huán)出井，這樣導(dǎo)致作業(yè)工期增加。橋塞可以選擇可溶橋塞，可溶球及可溶橋塞需要優(yōu)選與海上基壓裂液相匹配的材質(zhì)。但即使是可溶橋塞也并非能完全溶解，可溶橋塞的卡瓦牙片一般為陶瓷材質(zhì)，為非溶解材質(zhì)，如果壓裂層數(shù)較多，入井橋塞數(shù)量也多，這樣會導(dǎo)致不能溶解的部分在井底出現(xiàn)堆積，堵塞井眼，影響排液，影響測試數(shù)據(jù)的求取。

3 結(jié)束語

1）單層壓裂測試管柱測試工具完備，地質(zhì)資料獲取齊全，但壓裂規(guī)模受限，不能對薄互層地層進(jìn)行精細(xì)改造。

2）分層壓裂測試管柱可實(shí)現(xiàn)各層精細(xì)改造，提高改造規(guī)模和效果。但是分層壓裂管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工具繁多，壓裂施工風(fēng)險(xiǎn)高。