PSK多级滑套水力喷射分段压裂技术的应用——以镇北油田水平井为例

王建麾，王成旺，余兴国，李川，向奎，范希良

（中国石油长庆油田公司超低渗透研究中心，陕西 西安710018）

国外在20世纪80年代中期开始研究水平井压裂增产改造技术，最初是沿水平井段进行笼统压裂。2002年以后，随着非常规油气资源的大规模开发和水平井的大规模应用，许多公司开始尝试水平井分段压裂技术。近几年，随着水平井开发技术的日益成熟，水平段越来越长，压裂改造段数越来越多，对水平井作业效率和压裂工具要求也越来越高［1-7］。

1 国内技术现状及存在问题

国内各大油田经过多年研究、改进与试验，形成了水平井3 大主体分段改造技术，即双封单卡分段压裂、封隔器滑套分段压裂和水力喷射分段压裂技术。

1.1 双封单卡分段压裂技术

采用小直径双封隔器单卡对目的层段进行压裂，通过拖动实现一趟管柱分压多个层段。该技术可以一次性射开所有待改造层段。利用导压喷砂封隔器的节流压差压裂管柱，采用上提方式，一趟管柱完成多层压裂［1］。该工艺优点是可实现精确卡层，可控制目的层改造规模；缺点是入井工具多、卡钻风险大（水力锚存在有硬卡的风险），靠拖动管柱实现多段分压。

1.2 封隔器滑套分段压裂技术

不动管柱的多级封隔器分段压裂技术［8］是在双封隔器分段压裂成功的基础上发展成的。

该工艺的优点是不动管柱分压，施工效率高；缺点是入井工具多，卡钻风险大，环空间隙小，不易建立反循环通道。

1.3 水力喷射分段压裂技术

水力喷射分段压裂技术是把压能转变为动能，将水力喷砂射孔和水力压裂有机结合起来的一种新工艺技术［9］。

该工艺的优点是增加射孔的穿透深度、入井工具少、卡钻风险小，射孔压裂一体化、施工简单有效。

上述3 项水平井分段压裂技术主要在大庆、吉林、长庆等油田推广应用，权衡3 项技术利弊，结合长庆油田实际，选择了水力喷射分段压裂技术。

2 PSK 多级滑套水力喷射分段压裂

常规水力喷射钻具经过多年的现场应用，暴露出一些问题，如2011—2012年镇北水平井完试4 口，平均水平段长度411 m，单井压裂8.3 段，单井用工具3.5套，单趟工具仅能压裂2.4 段，单井换钻具时间约为63 h，单趟钻具改造段数少。频繁起下钻造成施工周期过长，成为影响水平井施工效率的一大问题。

2.1 PSK 水力喷射封隔工具

2.1.1 结构

该工具主要由喷射器本体、喷嘴、内滑套、上胶筒座、中心管、胶筒、下胶筒座、下接头和坐落接头等组成，下层施工时不开启，投球开启后可正常工作［10-15］。

2.1.2 工作原理

水力喷枪的喷嘴和封隔器的坐封水眼被滑套挡住，喷枪和封隔器都不工作，液流经过PSK 工具内部从下工具串流出。当下面的喷射工具失效后，从井口投球，加压剪钉，打掉滑套，同时钢球和滑套一起下落，经过封隔器中心管进入滑套坐封接头，封堵下面管柱。

通过改变滑套的内径，可以实现多级PSK 工具，投不同尺寸的钢球开启对应的PSK 工具。

2.1.3 参数

总长1 560 mm，最大外径110 mm，滑套内通径有28，32，35 mm 等3 种规格。

2.2 选择性开启式喷射封隔工具

2.2.1 原理

PSK 喷射工具对常规的封隔器进行了改进，在封隔器坐封导压通道上增加了滑套机构，并将封隔器的上接头设计成水力喷枪，用一个滑套同时封堵喷枪和封隔器的坐封水眼。未开启此滑套前，该通道处于关闭状态；开启此滑套，封隔器坐封，同时开启喷枪的出液孔，从而使得封隔器的水眼滑套在管柱中自下而上逐级开启，实现自下而上选择性座封。

2.2.2 结构设计

PSK344-110 在常规封隔器的基础上加以改进，其上接头改为水力喷枪，同时将其坐封水眼也设计在上接头上。其主要由下接头、剪钉和密封件组成。

目前已经形成了2 级滑套分段压裂工具和3 级滑套分段压裂工具（见图1—3）。2 级滑套水力喷射分段压裂技术已经推广应用，3 级滑套水力喷射分段压裂技术现场试验也获得了成功，提速提效效果良好。

图1 水力喷射分段压裂管柱示意

图2 2 级PSK 水力喷射分段压裂管柱示意

图3 3 级PSK 水力喷射分段压裂管柱示意

2.3 工具改进

水力喷砂射孔过程中，在水力喷射工具喷嘴处会产生一定的反溅伤害，且反溅伤害集中区域在喷嘴外围，如果液体内含有一定量的石英砂等硬度较高的材料时，伤害度会更大。在射孔及压裂过程中，喷嘴外围都会受到大排量及大砂量施工液体的反溅冲蚀，如果本体材料硬度不够，本体将会被刺穿，导致水力喷射工具失效。

在镇平×井第一次施工时，采用常规水力喷射钻具，在施工第4 段的时候，因为反溅损害掏空了一个喷嘴，导致工具失效，具体情况见图4。

为了将反溅损害对喷枪本体的影响减到最小，采取喷枪本体外表面喷涂高硬度的硬质合金技术，来对抗反溅伤害。

经过表面喷涂硬质合金保护层处理之后，水力喷射工具在井内的施工情况有了明显改善，本体反溅损害程度降低了很多（见图5）。

图4 镇平×井第4 段施工1 级喷枪反溅损害情况

图5 镇平×井施工第5 段的PSK 水力喷射封隔工具

2.4 现场验证分压有效性

为进一步验证PSK 多级滑套水力喷射工具分压的有效性，在镇北油田×井现场应用PSK 2 级滑套水力喷射工具施工。应用1 级PSK 成功压裂3 段，第1，2，3段施工破压明显，后续压裂施工压力平稳，整个施工过程中封隔器坐封良好，施工结束起出封隔器，喷射器完好，工具性能稳定。

应用2 级PSK 成功压裂2 段，投球开启2 级PSK工具，打滑套动作明显，压裂施工过程中顺利破压后压力平稳无异常变化，整个施工过程中封隔器坐封完好，压裂改造充分。施工结束后起出钻具，2 级封隔器略有损坏，2 级喷射器完好，工具整体性能稳定。

2.5 现场应用效果

PSK 多级滑套水力喷射分段压裂技术在镇北油田水平井应用14 口井，应用效果显著，尤其是长8 层，单趟钻具压裂改造段数由常规的2.2 段提高到目前的4.1 段，单井下钻次数由前期的5.0 次下降到目前的2.3 次，极大地提高了施工效率。

3 结论

1）水力喷射分段压裂入井工具少，卡钻风险小，现场操作简单，安全有效。

2）PSK 多级滑套分段压裂基于常规水力喷射封隔工具进行改进，在封隔器座封导压通道上增加了滑套机构，通过表面喷涂保护层增加喷嘴的性能。目前已经形成了2 级和3 级滑套分段压裂工具，现场应用性能稳定，封隔有效，能实现多个层段的有效分压。

3）该技术在镇北油田应用，提速提效效果显著，大幅缩短了施工周期。通过一次管柱可以压裂多层，极大地提高了作业效率，减少了作业成本。

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