双封拖动分层压裂管柱的研制与应用

刘科伟,李家明, 魏光华,卢玉灵,方 野

(1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450000;2.中国石化河南石油勘探局油气技术服务公司)

双封拖动分层压裂管柱的研制与应用

刘科伟1,李家明1, 魏光华2,卢玉灵1,方 野1

(1.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450000;2.中国石化河南石油勘探局油气技术服务公司)

以前河南油田分层压裂管柱为不动分层压裂管柱，这类不动管柱配套工具多、结构复杂，每层压裂后不能及时反洗井，存在砂埋管柱风险；另外K344封隔器组配成拖动分层压裂管柱，耐温耐压相对较低，压裂后如果封隔器回收不好，在拖动过程中可能损坏胶筒，从而影响封隔器密封性。鉴于上述情况，进一步优化了双封拖动分层压裂管柱结构。新型压裂管柱工具少，同时ZY331封隔器和Y211封隔器结构简单，易于坐封解封，耐温耐压较高，适合拖动分层压裂施工工艺。

河南油田；双封拖动分层压裂；沉砂口袋；封隔器

河南油田早已进入高含水阶段，配套的油井压裂工艺技术在油田稳产中起着重要作用，每年约有50口井需进行压裂工艺改造，其中，分层压裂井约有5～8口。以前河南油田分层压裂管柱为不动分层压裂管柱，这种管柱组配较为复杂，所需工具多，虽然采取多种安全措施，仍然存在砂埋管柱的风险。另外，压裂完下层后，不动管柱接着投球压裂上层，如此往复通过投球对多个油层压裂，砂埋压裂层封隔器的可能性很大，主要来源于两个方面，一是压完一层后，存留有没顶替完管柱内的携砂液；二是所有油层压裂完后不能反洗井，在排液放喷过程中，地层可能返吐砂子，这样就可能造成砂埋封隔器的风险，并会影响整个管柱的安全起出，造成作业井下事故。因此研制出“双封拖动分层压裂管柱”，以适应河南油田老区及新区块多层分层压裂的需要。

1 压裂封隔器结构设计原理及特点

1.1 ZY331-115压裂封隔器结构设计[1-3]

图1 ZY331-115封隔器结构示意

1.1.1 组合式密封结构

组合式密封结构由两个饼式胶筒、骨架、钢丝、自封皮碗部件组成。骨架、钢丝、自封皮碗经硫化工艺融为一个整体。饼式胶筒、自封皮碗的胶料选用优质胶，饼式胶筒邵氏硬度相对较高，耐高温高压，具备多次坐封特性；自封皮碗邵氏硬度相对较低，钢丝要有弹性并具有足够承压能力。这种组合式密封结构，易于坐封解封及反洗井，以适应管柱反洗井要求。

1.1.2 工作原理

(1)坐封原理。自封皮碗紧贴套管内壁，当封隔器下压高于上压时，随着下压不断增加，在自封皮碗密封作用下，皮碗骨架向上产生的轴向推力也增加，当压差达到15 MPa时，向上轴推力达到13 t，此时两个饼式胶筒完成坐封，随着压力不断升高，由自封皮碗承压转向饼式胶筒承压，体现耐压高的特点。

(2)解封原理：停泵泄压后，胶筒自动回弹，完成解封。

1.1.3 特点

(1)耐压差70 MPa；耐温145 ℃。

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(2)可多次坐封，解封可靠，停泵自动解封。

(3)适用范围广，可实现分层压裂、酸化等多种施工作业。

(4)单向承压，具有反洗井功能。用于压裂时，中途遇到砂堵现象，可立即进行反洗井，消除砂堵，继续压裂施工。

1.2 Y211-115压裂封隔器结构设计[1-3]

在进行结构设计时，仍要考虑压裂封隔器耐温耐压性能和封隔器有多次坐封的特点及解封的可靠性。其结构设计思想是，将喷砂器与该封隔器设计为一个整体，这种封隔器坐封、解封通过提放管柱实现，现场利于操作，工作性能稳定可靠，其结构组成见图2。

1.2.1 结构设计

图2 Y211-115封隔器结构示意

(1)喷砂结构。通常的喷砂器结构设计成一个独立体，喷砂口离下封隔器胶筒距离相对较长，一般在0.35 m以上，有一定的沉砂口袋高度，而图2设计的喷砂器与封隔器设计为一整体，喷砂口离下封隔器胶筒距离很短，仅为0.075 m，沉砂口袋很小，这有利于管柱的安全起出。

(2)密封结构。密封结构有两个饼式胶筒，其承压能力与前述ZY331-115封隔器相同，同样有多次坐封与解封功能。

(3)坐封、解封结构。其由锥体、卡瓦、箍簧、上护套、摩擦体、摩擦块、弹簧片、下护套、中心管及中心管上的长轨道槽和短轨道槽组成，其中摩擦块耐磨，弹簧片有足够弹力，这样能确保该封隔器坐封解封可靠。

1.2.2 工作原理

(1)坐封原理。管柱下到设计位置后，直接上提管柱，摩擦体凸柱进入中心管长轨道槽，然后下放管柱，锥体下行，摩擦体、卡瓦等相对静止，锥体与卡瓦接触，继续下放管柱，锥体楔入卡瓦里，使卡瓦卡在套管内壁不动，然后继续下放管柱压缩胶筒，封隔油套环空，完成坐封动作。

(2)解封原理：直接上提管柱，摩擦体、卡瓦、摩擦块相对不动，摩擦体凸柱进入中心管短轨道槽，锥体与卡瓦分离，胶筒回收，完成解封动作。如此往复上提下放管柱实现多层压裂。

1.2.3 特点

(1)耐压差70 MPa；耐温145 ℃；

(2)喷砂口与胶筒距离小，沉砂口袋小(高仅为0.075 m)，可消除砂埋封隔器风险；

(3)适用范围广，可实现分层压裂、酸化等多种施工作业。

2 双封拖动分层压裂管柱现场实施

2.1 压裂管柱组成和井筒压前准备

(1)该管柱由压裂油管、平衡阀、水力锚、安全接头、ZY331-115封隔器、Y211-115封隔器及丝堵组成，压裂管柱见图3。

图3 双封拖动分层压裂管柱

(2) 井筒压前准备。先用通井规通井到人工井底，起出通井管柱，检查套管有无变径；利用刮削器刮削到井底，起出刮削管柱，清洁套管内壁。对于压力扩散慢的井，井口要配带压作业装置及油管堵塞器，以提高现场压裂施工效率。

2.2 工艺施工过程

(1)封隔器坐封：在下管柱过程中，压力平衡阀实现油套连通，油管大排量憋压后压力平衡阀关闭，油套不连通。管柱下到设计位置后，上提管柱，再下放管柱压缩胶筒，完成坐封。座好压裂井口，等待施工。

(2)根据设计压裂规模的要求，进行压裂车组的确定，连接好地面管线，关闭井口高压阀门，并对地面管线进行高压试压。

(3)对压裂层进行压裂：按照泵注程序挤入前置液、携砂液、顶替液，精确控制顶替液量，要求顶替液大于2 m3，以确保管柱内无携砂液，完成第一层压裂。对于压力扩散快的浅层系油藏，可直接上提管柱，对第二层进行压裂，直到压裂完所有层。对于压力扩散慢的井，井口配套上带压作业装置，油管里配套油管堵塞器，仍通过上提管柱，可进行多层压裂。

(4)压裂管柱的起出。压裂施工结束后，等油管压力降到油层闭合压力后，可直接起出管柱，如果上提管柱遇卡，可通过反洗井方式，洗出Y211封隔器胶筒上部砂子，这样便可安全起出管柱。

(5)卡管柱风险预案。如果反洗井后还是无法起出管柱，可通过正转管柱倒掉安全接头，逐个起出井下工具。因为喷砂口离下封胶筒距离仅为0.075 m，沉砂口袋小，再加上该管柱在任何时候可以反洗井，因此，消除了砂卡管柱的可能性。

3 现场应用

截至2014年10月底，该技术已在现场应用3口井，其中，压裂3层1口井，压裂2层2口井，工艺成功率100%，压裂井最大井深达3 200 m，泵车施工压力高达78 MPa，施工最大排量4.5 m3/min，最高砂比达46%，起出管柱解封负荷仅为3 t，达到工艺成功和安全起出的目的，取得了较好的经济效益。

4 结论

(1)研制的新型压裂管柱施工成功率高，结构简单，可广泛用于压裂、酸化、注水、注聚等注入工艺，具有较好的应用前景。

(2) 封隔器耐温耐压高，可用于复杂断块深层系、浅层系油藏的单层或多层分层压裂。

(3)优化后的设计管柱及配套工具，消除了砂埋管柱风险。

[1] 罗英俊，万仁溥.采油技术手册[M].北京：石油工业出版社，2005：58-70.

[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004:75-92

[3] 吴奇，王林,陈显进，等.井下作业工程师手册[M].北京：石油工业出版社，2007:120-132.

编辑：刘洪树

1673-8217(2015)04-0141-03

2015-01-30

刘科伟，工程师，1980年生，2004年毕业于中原工学院机械工程系工业设计专业，现从事油气田开发工程研究工作。

TE357.13

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