全可溶變徑球座體積壓裂工具研制與應(yīng)用

郭思文, 王治國(guó)， 薛曉偉, 趙敏琦, 李治君, 張家志, 任國(guó)富, 費(fèi)二戰(zhàn)

(1中石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 3中石油長(zhǎng)慶油田分公司第四采氣廠 4中石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠)

長(zhǎng)慶油田致密油氣藏的高效開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)5 000×104t持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵，該類(lèi)油氣藏的主體改造技術(shù)為密切割體積壓裂，即“多簇射孔+大排量+大液量+低黏液”體積壓裂模式，能夠?qū)崿F(xiàn)裂縫對(duì)儲(chǔ)層的全覆蓋，大幅度提高單井產(chǎn)量[1-5]。前期體積壓裂工具采用進(jìn)口可溶橋塞和快鉆橋塞，通過(guò)橋塞-射孔聯(lián)作，完成射孔和段間封隔。然而這兩種工具在長(zhǎng)水平段中遇到如下問(wèn)題：一是隨著可溶橋塞橋塞數(shù)量的增加，可溶橋塞橡膠件溶解慢的影響越來(lái)越大，易形成殘留物堵塞井筒通道；二是由于在長(zhǎng)水平段中鉆壓難以施加，快鉆橋塞鉆磨效率低。為了解決這些問(wèn)題，開(kāi)展了全可溶變徑球座研制，并在現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模運(yùn)用，取得了較好的效果。

一、全可溶變徑球座技術(shù)思路及工藝流程

1. 技術(shù)思路

為確?？扇芮蜃鶎?duì)現(xiàn)有壓裂模式的適應(yīng)性，保持橋塞-射孔聯(lián)作工藝不變[6]，主要改變?cè)谟谒蕉翁坠苌显黾忧蜃薪悠?，并研制可溶分瓣式變徑球座，通過(guò)可溶球座、承接器和可溶球之間的金屬密封實(shí)現(xiàn)段間封隔，壓裂技術(shù)示意圖如圖1所示。

圖1 全可溶變徑球座壓裂技術(shù)示意圖

2. 工藝流程

(1)球座承接器與套管連接，入井后固井完井。

(2)第一段采用油管傳輸射孔打開(kāi)地層，進(jìn)行光套管壓裂。

(3)水力泵送球座-射孔聯(lián)作工具串到球座承接器上方，點(diǎn)火坐封球座并丟手，上提進(jìn)行多簇射孔。

(4)起出工具串，投可溶球，推動(dòng)球座至承接器處，封隔上一段，光套管壓裂第二段。

(5)重復(fù)3、4步驟依次完成各段壓裂改造。

(6)可溶球與可溶球座全部溶解，井筒恢復(fù)全通徑，投產(chǎn)。

二、關(guān)鍵工具研制

1. 全可溶分瓣式變徑球座

球座材料為全可溶金屬，由兩個(gè)上瓣、兩個(gè)下瓣、底座構(gòu)成。上下瓣側(cè)面設(shè)計(jì)有燕尾槽式導(dǎo)軌，上下瓣通過(guò)導(dǎo)軌連接，導(dǎo)軌與軸線(xiàn)成一定夾角，因此上下瓣沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)徑，擴(kuò)徑后球座外徑122 mm, 擴(kuò)徑率8%以上，球座所需的閉合行程90 mm，常用火藥坐封工具可以滿(mǎn)足球座閉合行程要求，當(dāng)上下瓣完全閉合后，與底座鎖定在一起。坐封前后狀態(tài)如圖2所示。

圖2 分瓣式可溶球座坐封前后狀態(tài)

可溶變徑球座設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：①由于球座承壓高，需要提高可溶材料強(qiáng)度;②為保證金屬密封效果，需要可溶材料有一定的塑性。然而提高可溶材料強(qiáng)度與塑性存在矛盾，為了解決該矛盾從兩方面入手：一是優(yōu)化球座密封機(jī)構(gòu)，使其主要承受正壓力，避免承受過(guò)大的剪切力，可降低球座對(duì)材料強(qiáng)度的要求；二是調(diào)整可溶材料配方、熱處理參數(shù)，使可溶材料的強(qiáng)度和塑性達(dá)到平衡點(diǎn)[7]。

2. 投放工具

投放工具用于實(shí)現(xiàn)球座坐封及丟手。投放工具的芯桿通過(guò)丟手剪釘與下瓣相連，錐筒與上瓣相連。通過(guò)芯桿與錐筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)上下瓣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成球座坐封。球座坐封后剪斷丟手剪釘，完成工具丟手。為防止中途坐封，錐筒與芯桿之間設(shè)計(jì)有坐封啟動(dòng)剪釘。投放工具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 投放工具結(jié)構(gòu)圖

3. 承接器

承接器外徑153.6 mm，與套管接箍一致，可保證下鉆安全性，內(nèi)部設(shè)計(jì)有錐形臺(tái)階密封面，能夠承接擴(kuò)徑后的可溶球座，承接器與球座、可溶球形成金屬密封，實(shí)現(xiàn)壓裂過(guò)程的段間封隔。壓后球座全部溶解，形成大的排液和生產(chǎn)通道，不影響后期井下作業(yè)。承接器結(jié)構(gòu)及密封原理如圖4所示。

圖4 承接器結(jié)構(gòu)示意圖

4. 大尺寸可溶球

球座配備?115 mm大尺寸可溶球。由于大尺寸可溶球在鑄造過(guò)程中存在偏析現(xiàn)象，即合金元素分布不均勻?qū)е氯芙獠粡氐?，因此?chuàng)新提出雙層鑄造工藝，解決了偏析問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)壓后可溶球的徹底溶解。

5. 可溶球座關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

關(guān)鍵工具技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 可溶球座關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

三、室內(nèi)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

1. 坐封、丟手性能測(cè)試

由于火藥工具受相關(guān)法規(guī)管控較多，不便于室內(nèi)測(cè)試，因此設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的液壓坐封工具，用于檢驗(yàn)可溶變徑球座坐封和丟手性能，測(cè)試結(jié)果表明：導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活，開(kāi)始坐封的啟動(dòng)力2 t，丟手力4.5 t，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2. 承壓性能測(cè)試

將可溶球座、可溶球依次放入承接器內(nèi)，承接器上端連接打壓接頭，承壓性能測(cè)試結(jié)果表明，可溶球座承壓70 MPa。

3. 溶解性能測(cè)試

模擬返排環(huán)境，設(shè)計(jì)了恒溫溶解裝置，將閉合后的可溶球座置于承接器中，一起放入50℃的EM30返排液中， 120 h后球座全部溶解，滿(mǎn)足體積壓裂返排制度要求。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)開(kāi)展2批次、共計(jì)6口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。第1批選擇2口井進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn)，尋找問(wèn)題并進(jìn)行了改進(jìn)；第2批選擇4口井?dāng)U大試驗(yàn)，最長(zhǎng)水平段1 560 m，現(xiàn)場(chǎng)最大改造段數(shù)17段，成功率100%，工具性能穩(wěn)定。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

5口井的基本施工情況見(jiàn)表2。

表2 全可溶分瓣式變徑球座試驗(yàn)情況

1.2 射孔-球座聯(lián)作工具串結(jié)構(gòu)

從下向上依次為：全可溶分瓣式變徑球座+投放工具+火藥坐封工具+炮尾+射孔槍+點(diǎn)火炮頭+快速接頭+磁定位短節(jié)+馬龍頭+魚(yú)雷+電纜。

1.3 泵送參數(shù)

為確保泵送過(guò)程中球座平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，泵送參數(shù)如表3所示。

表3 泵送參數(shù)

2. 存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

在先導(dǎo)性試驗(yàn)過(guò)程中，遇到主要問(wèn)題是投球后壓力變化不明顯，無(wú)法準(zhǔn)確判斷段間封隔狀態(tài)，原因分析及改進(jìn)措施如表4所示。

表4 存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

3. 應(yīng)用效果

改進(jìn)后的球座在投球后起壓明顯，施工過(guò)程中封隔可靠，與鄰井進(jìn)口可溶橋塞施工相比壓力曲線(xiàn)特征相同，能夠滿(mǎn)足密切割體積壓裂的需求，施工曲線(xiàn)如圖5所示。壓后下沖砂管柱試探，順利通過(guò)，證明球座全部溶解，解決了可溶橋塞溶解不徹底、壓后需要鉆磨的難題，節(jié)省了作業(yè)費(fèi)用，與進(jìn)口可溶橋塞相比工具成本降低了40%，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

圖5 華H*井可溶球座施工曲線(xiàn)

五、結(jié)論與建議

(1)全可溶分瓣式變徑球座能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)水平段水平井密切割體積壓裂需求，溶解徹底，實(shí)現(xiàn)了壓后免鉆磨。

(2)與可溶橋塞相比，工具成本降低40%，并且節(jié)約了鉆磨費(fèi)用，降本增效明顯。

(3)長(zhǎng)水平段井筒易沉砂，可能會(huì)影響平穩(wěn)泵送以及金屬密封，建議施工結(jié)束后采用雙倍井容(滑溜水+高黏液)大排量頂替，保證井筒清潔。