水平井趾端壓裂關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊同玉，魏 遼，馮麗瑩，馬蘭榮，朱玉杰

(1.中國石化華北油氣分公司工程技術(shù)管理部，河南鄭州450006；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

鄂爾多斯盆地北部大牛地氣田和東勝氣田的新開發(fā)井大都采用套管完井+連續(xù)油管底封拖動(dòng)或泵送橋塞壓裂增產(chǎn)方式，受儲(chǔ)層特性及工具性能等的影響，現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)存在以下問題：1)底封拖動(dòng)壓裂采用水力噴射射孔進(jìn)行首段壓裂，施工泵壓超過70 MPa時(shí)，封隔器上下壓差大，壓裂后解封時(shí)密封單元易損壞，必須起出壓裂管柱更換封隔器[1-3]，截至2017年底，2個(gè)氣田封隔器失效井占總井?dāng)?shù)的10%以上；2)采用泵送橋塞進(jìn)行趾端壓裂前，必須通過連續(xù)油管穿電纜攜帶射孔槍進(jìn)行射孔[4-8]，導(dǎo)致趾端壓裂作業(yè)成本較其他層段增加20%以上[9-11]。

針對(duì)上述問題，筆者開展了水平井趾端滑套分段壓裂技術(shù)研究，優(yōu)化了壓裂管柱結(jié)構(gòu)，研制了固井施工用密封鎖緊座以及具備套管試壓、延時(shí)啟動(dòng)功能的趾端壓裂滑套等關(guān)鍵工具，并進(jìn)行了地面性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，該工具控制啟動(dòng)壓力的準(zhǔn)確性好，延時(shí)控制系統(tǒng)的可靠性高，承壓能力達(dá)到了現(xiàn)場應(yīng)用要求，能滿足非常規(guī)油氣儲(chǔ)層水平井壓后套管內(nèi)全通徑的要求[12-14]。

1 水平井趾端壓裂技術(shù)原理

水平井趾端壓裂技術(shù)是在套管柱上預(yù)置趾端壓裂工具，與套管柱一起下入井內(nèi)，壓裂施工時(shí)無需下入其他工具即可實(shí)現(xiàn)水平井首段壓裂施工[15]，水平井趾端壓裂管柱從水平井底部開始依次為浮鞋、密封鎖緊座、套管、趾端延時(shí)滑套和套管(至井口)，如圖1所示。

圖1 水平井趾端壓裂管柱示意Fig.1 Diagram of toe-end fracturing string for horizontal wells

油層套管下至預(yù)定位置后，實(shí)施常規(guī)固井，投固井膠塞進(jìn)行頂替施工直至膠塞與密封鎖緊座碰壓并鎖緊、密封，為壓裂施工時(shí)套管試壓提供井筒密封條件。進(jìn)行套管柱試壓作業(yè)時(shí)，管內(nèi)壓力激活趾端延時(shí)滑套。試壓時(shí)間持續(xù)15～30 min，試壓結(jié)束后滑套延時(shí)停止，滑套打開，此時(shí)管內(nèi)與地層溝通，通過地面泵入壓裂液進(jìn)行水平井首段壓裂。

該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：1)套管柱預(yù)置密封鎖緊座，可實(shí)現(xiàn)管內(nèi)密封，管柱內(nèi)加壓進(jìn)行壓裂前套管試壓作業(yè)，降低了因套管泄露產(chǎn)生的施工風(fēng)險(xiǎn)；2)套管試壓結(jié)束后，趾端滑套立即打開，直接進(jìn)行首段壓裂，無需進(jìn)行射孔作業(yè)，相比常規(guī)電纜射孔作業(yè)大大縮短了施工周期。

2 關(guān)鍵工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平井趾端壓裂工具要滿足套管柱內(nèi)密封可靠和滑套開啟可靠的要求，且壓裂后套管柱內(nèi)應(yīng)形成全通徑，以方便實(shí)施修井或者其他二次作業(yè)。為此，研制了全通徑趾端延時(shí)滑套和具備循環(huán)功能的密封鎖緊座等關(guān)鍵工具。

2.1 趾端延時(shí)滑套

趾端延時(shí)滑套是一種通過液壓控制開啟的壓裂滑套，主要由爆破閥、內(nèi)活塞、液體腔、延時(shí)閥和真空腔等部分組成，如圖2所示。

圖2 趾端延時(shí)滑套結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of toe-end time delay sliding sleeve

該工具主要具有以下2方面的功能：1)滿足套管固井、壓裂施工前套管試壓要求，利用泵車向套管內(nèi)加壓，啟動(dòng)滑套延時(shí)控制系統(tǒng)，滑套延時(shí)時(shí)間即為套管試壓時(shí)間；2)試壓結(jié)束后，趾端滑套立即打開，建立套管與地層之間的液流通道，并進(jìn)行水平井首段壓裂施工作業(yè)。因此，該工具主要包括壓力控制系統(tǒng)(爆破閥)和延時(shí)控制系統(tǒng)。其中，延時(shí)控制系統(tǒng)的主要部件是延時(shí)閥，該閥將活塞腔分為液體腔和真空腔2部分。

壓力控制系統(tǒng)和延時(shí)控制系統(tǒng)的可靠性直接決定了滑套在井下相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，其工作原理是：當(dāng)工作壓力超過延時(shí)控制系統(tǒng)的剪切限定值時(shí)，爆破閥開啟，壓力推動(dòng)內(nèi)活塞移動(dòng)，激活工具內(nèi)的延時(shí)控制系統(tǒng)，內(nèi)活塞將液體腔內(nèi)的液壓油緩慢擠入真空腔，通過延時(shí)閥控制液壓油的流速；試壓時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，內(nèi)活塞移動(dòng)到位，滑套完全打開，建立井筒與地層間的流通通道。

2.1.1 啟動(dòng)壓力控制系統(tǒng)

趾端延時(shí)滑套需具備精準(zhǔn)控制啟動(dòng)壓力的能力，如果啟動(dòng)壓力過高，現(xiàn)場試壓結(jié)束后滑套不能正常打開；如果啟動(dòng)壓力過低，管柱下入及固井替漿過程中滑套可能提前打開。經(jīng)過研究，滑套啟動(dòng)壓力的誤差需控制在設(shè)計(jì)值的3%以內(nèi)。

滑套的打開機(jī)構(gòu)主要由爆破閥單元和活塞單元組成。其中,爆破閥是打開滑套的關(guān)鍵部件，如圖3所示，當(dāng)壓力達(dá)到爆破閥啟動(dòng)壓力時(shí)，閥片破裂，壓力傳導(dǎo)到活塞上，活塞在液壓作用下移動(dòng)，直至滑套完全打開。因此，爆破閥啟動(dòng)壓力的誤差關(guān)系到延時(shí)滑套能否在設(shè)定壓力下順利打開。影響爆破閥啟動(dòng)壓力的因素主要包括閥片材質(zhì)、閥片面積、加工工藝和破裂方式等[11]。

圖3 爆破閥結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural diagram of blasting valve

為了降低環(huán)空壓力對(duì)爆破閥啟動(dòng)壓力的影響，啟動(dòng)壓力設(shè)計(jì)為滑套所在位置的井底靜液柱壓力加上爆破閥的破裂壓力，計(jì)算公式為：

pv=ps+ph

(1)

式中：pv為延時(shí)爆破閥實(shí)際啟動(dòng)壓力，MPa；ps為爆破閥破裂壓力，MPa；ph為滑套所在位置的靜液柱壓力，MPa。

現(xiàn)場施工時(shí)，爆破閥的啟動(dòng)壓力需根據(jù)地層破裂壓力、井深、水泥漿密度、固井時(shí)的循環(huán)壓力及壓裂前井內(nèi)液體密度等多個(gè)因素決定。

2.1.2 延時(shí)控制系統(tǒng)

延時(shí)控制系統(tǒng)主要由活塞、液體腔、延時(shí)閥和真空腔組成，如圖4所示。通過設(shè)計(jì)液體腔和真空腔，利用活塞推動(dòng)液體在兩腔之間進(jìn)行單向定量流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)。

圖4 延時(shí)控制系統(tǒng)原理示意Fig.4 Schematic diagram of time delay control system

延時(shí)閥是延時(shí)控制系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響滑套的可靠性，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過調(diào)整閥體開度，調(diào)節(jié)流體流動(dòng)速度、壓力，精準(zhǔn)控制延時(shí)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)延時(shí)15～40min。其中,閥芯及密封組件需滿足耐高溫(150 ℃)和耐高壓(100MPa)的要求。延時(shí)閥通過控制液體腔內(nèi)液體排出的速度來控制滑套打開時(shí)間，以起到延遲打開的功能。因此，延時(shí)閥控制滑套打開時(shí)間(液體腔內(nèi)液體排出的時(shí)間)的計(jì)算公式為：

式中：tc為套管試壓時(shí)間(即滑套延時(shí)時(shí)間)，min；Vv為延時(shí)滑套內(nèi)套打開時(shí)液體腔內(nèi)排出液體的體積，mL；As為延時(shí)閥的流量參數(shù)，mL/min。

圖5 延時(shí)閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of time delay valve

2.2 密封鎖緊座

密封鎖緊座主要由外殼、限位套、內(nèi)滑套、鎖緊裝置和配套固井膠塞等部件組成，如圖6所示。與常規(guī)碰壓短節(jié)不一樣的是，配合趾端延時(shí)滑套使用的密封鎖緊座要求一次碰壓成功且碰壓后實(shí)現(xiàn)鎖緊密封，只有這樣才能確保在套管柱內(nèi)形成密封腔。同時(shí)，該短節(jié)在隨套管柱下入過程中，需要具備正反循環(huán)功能，避免循環(huán)時(shí)井內(nèi)污物在密封鎖緊座處沉積造成堵塞和循環(huán)不暢等問題，防范固井結(jié)束后發(fā)生環(huán)空水泥漿倒返、井噴和井涌等風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 密封鎖緊座Fig.6 Seal locking seat

鎖緊裝置是密封鎖緊座的核心結(jié)構(gòu)，其裝配位置見圖6?，F(xiàn)場施工時(shí)，固井膠塞運(yùn)行至循環(huán)閥處，塞芯導(dǎo)向頭進(jìn)入內(nèi)滑套，與內(nèi)滑套配套鎖緊；繼續(xù)提高管柱內(nèi)的壓力，剪斷循環(huán)閥剪釘，內(nèi)滑套下移關(guān)閉鎖緊座循環(huán)孔，管柱內(nèi)外實(shí)現(xiàn)壓力隔離。同時(shí)，鎖緊裝置上的鎖止塊彈開鎖住內(nèi)滑套，實(shí)現(xiàn)碰壓短節(jié)與膠塞的雙重鎖定和密封，防止井底壓力將內(nèi)滑套推開，從而確保循環(huán)閥能承受一定的反向壓力。該裝置的結(jié)構(gòu)區(qū)別于常規(guī)卡簧式鎖止裝置，大大提高了膠塞與內(nèi)滑套以及碰壓短節(jié)自身的反向鎖止密封可靠性。

3 地面性能試驗(yàn)

3.1 趾端延時(shí)滑套性能試驗(yàn)

根據(jù)φ139.7mm趾端延時(shí)滑套現(xiàn)場施工要求，按照滑套額定承壓105.0MPa、爆破閥啟動(dòng)壓力80.0MPa和滑套延時(shí)15～30min完全打開等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并加工相應(yīng)樣機(jī)及試驗(yàn)裝置，進(jìn)行趾端延時(shí)滑套性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，趾端延時(shí)滑套安裝在模擬試驗(yàn)井筒內(nèi)，以清水為介質(zhì)，通過連接加壓泵將清水注入滑套內(nèi)，測試滑套延時(shí)時(shí)間及打開壓力，結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)表明，爆破閥在壓力達(dá)到82.0MPa時(shí)啟動(dòng)(見圖7中點(diǎn)A)，啟動(dòng)之后壓力有所下降(見圖7中點(diǎn)B)，此時(shí)延時(shí)滑套的內(nèi)活塞開始移動(dòng)并擠壓液體腔內(nèi)的液體開始延時(shí)，繼續(xù)提高壓力至滑套額定工作壓力105.0MPa左右(見圖7中點(diǎn)C)；在此壓力下，滑套穩(wěn)定延時(shí)約29min后壓力開始下降(見圖7中點(diǎn)D)，滑套內(nèi)活塞完全打開，壓力瞬間降至0MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，滑套爆破閥啟動(dòng)壓力和滑套延時(shí)打開時(shí)間均符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 趾端延時(shí)滑套性能試驗(yàn)曲線Fig.7 Performance testing curve of toe-end time delay sliding sleeve

3.2 密封鎖緊座性能試驗(yàn)

將膠塞裝入試驗(yàn)套管內(nèi)，然后組裝密封鎖緊座性能試驗(yàn)管柱(見圖8)，進(jìn)行密封鎖緊座性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，以清水為介質(zhì)，開啟循環(huán)泵，將排量調(diào)至0.4m3/min，推動(dòng)膠塞在套管內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)觀察泵壓變化，當(dāng)壓力迅速升高至9.3MPa后，達(dá)到循環(huán)泵泄壓壓力，系統(tǒng)壓力迅速降至0MPa，說明實(shí)現(xiàn)了膠塞碰壓；同時(shí)在管柱另一側(cè)接入試壓泵，測試碰壓鎖緊短節(jié)的反向承壓能力，試壓最高壓力參考現(xiàn)場固井碰壓壓力(最高35.0MPa)并附加50%計(jì)算(為52.5MPa)，試壓穩(wěn)壓15min后均無泄露，表明膠塞與碰壓鎖緊短節(jié)碰壓、鎖緊成功，且反向承壓達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 密封鎖緊座性能試驗(yàn)管柱Fig.8 Performance testing string of seal locking seat

4 結(jié)論與建議

1) 通過地面性能試驗(yàn)可知，趾端延時(shí)滑套啟動(dòng)壓力為82.0MPa，額定工作壓力達(dá)到105.0MPa，延時(shí)29min后滑套完全打開，延時(shí)時(shí)間控制準(zhǔn)確，表明其具備現(xiàn)場應(yīng)用的可行性。

2) 密封鎖緊座鎖緊后的反向承壓能力達(dá)52.5MPa，可為趾端延時(shí)開啟滑套提供可靠的鎖緊密封，提高整套管柱系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

3) 趾端延時(shí)滑套打開壓力的設(shè)定需結(jié)合現(xiàn)場施工井的實(shí)際參數(shù)，因此，在后續(xù)的研究中，需要評(píng)估啟動(dòng)壓力控制系統(tǒng)、延時(shí)控制系統(tǒng)的抗疲勞性能，防止工具入井時(shí)因壓力頻繁波動(dòng)發(fā)生滑套提前打開等問題。