复杂断块油藏直井多段压裂工具研制

李博睿（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）

复杂断块油藏直井多段压裂工具研制

李博睿
（大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）①

海拉尔盆地属于低孔低渗的复杂断块油藏，平面、层间物性差异大，非均质性强，有效动用程度低。采用常规压裂工艺，难以满足高温高压要求；加砂规模小，改造强度低，难以建立有效驱动体系。通过对节流损失计算、流态模拟、室内油浸耐温承压试验以及现场试验，研发出适合海拉尔地层条件的直井不动管柱多段压裂技术及配套工具，包括大通径封隔器及胶筒、大通径水力锚的研制，实现大砂量、大排量的大规模压裂。现场应用30口井，实现大规模加砂，大排量施工，压后增产明显。

直井；分层压裂；工具

海拉尔油田总体上为边际油田，属于低孔低渗的复杂断块油藏。Ⅲ类储层发育，平面、层间物性差异大，开发难度大，有效动用程度低。储层砂体规模较小，非均质性强。单层厚度小，平均仅为1．1m，小于2．0m的油层占总层数的85．6%。常规压裂技术由多组K344-114型扩张式封隔器与DQKPS-114型弹簧喷砂器组成。存在问题：当排量过大时，压力差可能提前打开弹簧喷砂器滑套，导致无法按设计处理目的层；喷砂器滑套孔径逐级减小，产生节流效应，限制了排量的提升。一趟管柱虽然最多压裂10段，但全井加砂量仅50m3，达不到大规模施工改造目的。承压指标50MPa，耐温指标90℃，难以满足海拉尔油田高温高压压裂（100℃，70MPa）需求。针对上述问题，开展直井多段压裂技术研究，提高单趟管柱加砂规模，施工排量及耐温承压指标。

1　直井不动管柱多段压裂管柱结构及原理

图1　工艺管柱组成

不动管柱多段压裂工艺管柱主要由安全接头、大通径水力锚、K344-115型封隔器、导喷封隔器、导压喷砂器、死堵组成（如图1）。工作原理：第1段由导喷封隔器（1级）与大通径封隔器单卡目的层，直接通过导压喷砂器进行压裂。其他层段每两级导喷封隔器单卡目的层，通过投球开启导喷封隔器内滑套进行逐层压裂。与常规压裂相比，卡距任意可调。适用于直井139．7mm（5英寸）套管固井完井分段压裂［1-4］。

2　配套工具研制

2．1 技术难点

1） 球座防磨设计。喷砂器滑套的球座过砂量增大，易被磨损，导致球座内径增大，钢球无法密封，滑套将无法开启。

2） 节流嘴尺寸小，限制施工排量提升。

3） 当压裂级数很多，使用两级封隔器单卡目的层时，由于工具串长而增加卡管柱风险。

4） 由于胶筒壁薄，导致工具耐温承压性能较差。

5） ø50mm内径的水力锚限制了压裂级数的提升。

2．2 工具壁厚及结构优化

根据强度分析理论，工具最小壁厚设计为6mm，以利于增加压裂级数。喷砂口流道采用15°缓变径设计［6］。对工具内部的流态用Fluent软件进行模拟分析，发现变径处的流速最高。当压裂液携带支撑剂以高速在工具内部流过时，流动状态属于紊流，如图2。由图2可以看出，内径突变处（中心深色部分）流速最高，高速携砂液对工具的破坏性非常大。当排量提升至6～8m3／min时，流态变化更为明显。高流速区附近产生的小涡流对工具造成严重磨蚀［7］。

所以，对于球座采用合金材质。合金材质硬度高，耐磨性好，但是材料脆，非常容易损坏。钢球在重力加速度以及高速压裂液带动下，很容易砸坏球座。为此设计了缓冲座，现场应用来看，球座无一碎裂。优化设计的球座结构提高关键部件耐磨性能70%以上，进而提高单井加砂量，提高单井改造规模。

图2　工具内部速度分布

2．3 节流嘴尺寸优化

为了实现大排量施工，对工具节流嘴进行压力损失计算，结果如表1。

表1　节流压力损失计算

由表1可能看出节流嘴内径越大，产生的节流损失越小，即压差越小。当节流嘴内径为40mm时，压差为1．2MPa。而封隔器的坐封力为1．1 MPa。这说明节流嘴内通径为40mm时，产生的节流压差已经大于封隔器坐封力，从而最大限度减少能量损失。考虑到现场施工排量大，选择40mm节流嘴完全可以使工具坐封。

2．4 导喷封隔器设计

新工具保留了封隔器的耐温承压性能和导压喷砂器的耐磨蚀性能。单个工具长度较原来两种工具连接在一起缩短400mm，降低起下遇卡风险。如图3。创新点：由于喷砂体和封隔器在一个压力系统，需要设计压力传递通道，使液压由滤网经桥式通道传递到中心管，从而使胶筒膨胀密封。而且压力通道应当进行保护设计，防止其被破坏导致工具坐封失效。另外，工具下钢碗采用单活动端设计，可以随胶筒膨胀而发生位移，并且有限位环限制移动量，从而最大化减小胶筒应力集中，提高胶筒的稳定性。

图3　导喷封隔器

工具上、下接头螺纹采用2UPTBG（加厚油管扣），方便连接油管以及配套工具，经计算满足工作强度，安全系数1．5。采用万能试验机，进行室内拉伸试验，结果如图4，表明设计的中心管强度安全可靠。

导喷封隔器工作原理：压裂目的层时，首先从井口投钢球（有时为了提高施工效率，在井口配备投球器），坐落在滑套球座上，憋压至12 MPa（滑套开启压力），滑套剪断销钉，随钢球下行，喷砂口露出，实施压裂［5］。

图4　导压喷砂封隔器中心管拉伸试验曲线

2．5 耐温承压胶筒研制

导喷封隔器中心管外径提高，导致胶筒内径变大，外径不变的情况下，胶筒壁厚变薄会影响其耐温承压性能。

针对导喷封隔器，研制出了HNBR、NBR、二价盐改性、高弹性炭黑增强的共混纳米胶筒，其物理性能大幅度提高。炭黑颗粒小于100 nm，属纳米材料，纳米颗粒分布更加均匀。在受力后，产生无数小裂纹，阻止了导致胶筒损坏的大裂纹产生［6］。

对导喷封隔器进行了油浸试验，检验其耐温承压性能。任取导喷封隔器及新研制胶筒各3支，分别命名a，b，c。试验数据如表2，试验表明导喷封隔器可达到耐温100℃、承压70MPa。试验后胶筒如图5。

表2　K344115型导喷封隔器油浸试验数据

图5　100℃、70 MPa试验后的胶筒

提升油浸温度至120℃时，胶筒承压30 MPa，肩部即发生刺漏，如图6。下步拟在胶筒肩部增加保护装置，能随胶筒膨胀打开，防止肩部突出，进一步提高承压性能，满足高压施工要求。

图6　120℃试验后胶筒肩部破坏

2．6 大通径水力锚研制

常规水力锚的内径为50mm，导致球与滑套的级数受到限制。因此研制大通径水力锚十分必要。

经过大量试验，新设计的水力锚，通过尺寸优选，使用了2种不同尺寸的胶圈，并且只在第一道胶圈处加聚四氟乙烯垫片。这样使内通径达到55mm。单趟管柱施工层数可以由原来的6层提高到8层。锚爪采用硬质合金材质，柱状牙设计［8］，硬度大于89 HRC，能有效防止其与套管摩擦带来的损坏，并且能够有效防止管柱蠕动。室内试验压力70MPa。如图7～9。

图7　水力锚爪剖面图

图8　水力锚内通径

图9　硬质合金锚爪

3　现场试验

截止目前，该项技术在海拉尔已累计应用30口井。压裂层段单井4～6层，最大施工排量8．0m3／min，最高施工压力60 MPa，温度100℃，最高加砂量150m3。

井A加砂120m3，管柱起出后，工具只有轻微磨损。如图10～11。

图10　喷砂口磨损情况

图11　滑套磨损情况

压裂后总体产量明显提高。其中井B的压裂试油曲线如图12，压后初期日产油10．08 t／d，为同区块相邻直井的4倍。

图12　压裂试油求产曲线

4　结论

1） 研发的直井不动管柱多段压裂技术满足了海拉尔盆地复杂断块油藏高温高压大砂量施工要求，已在现场应用30口井，成功率100%。

2） 导喷封隔器的成功研制可以提高多段压裂的加砂量至150m3。大通径水力锚的成功研制可以提高压裂段数，并且提高了管柱的锚定力。

3） 工艺管柱初步实现了大排量（8m3／min）、大规模压裂施工。

4） 该技术的规模化应用，可成为海拉尔复杂岩性储层进一步提高动用储量及单井产量的主体技术，可在国内其他油田推广应用。

［1］ 张永国，刘友权，郑文静，等．水力喷射分层加砂压裂液室内研究及现场试验［J］．石油与天然气化工，2011，40 （6）：590-593．

［2］ 李兴煜．不动管柱分层压裂技术研究［J］．石油矿场机械，2008，37（9）：103-106．

［3］ 景亮，肖春金．双封隔器机械分层压裂工艺技术研究［J］．内蒙古石油化工，2011（2）：116-117．

［4］ 高应祥，白兴达，丁红，等．TAP阀直井分层压裂完井技术在吉深1井的应用［J］．中国石油和化工标准与质量，2011，31（6）：53-56．

［5］ 李琳．深层气井大砂量分层压裂工艺管柱［J］．油气田地面工程，2011（4）：16-18．

［6］ 黄粟．直井不动管柱10段压裂工艺技术研究与应用［J］．内蒙古石油化工，2013（18）：103-105．

［7］ 陈家琅．水力学［M］．北京：石油工业出版社，1984：．

［8］ 王志坚，邓卫东，林忠超．水平井封隔器卡瓦的有限元分析及结构改进［J］．石油钻采工艺，2013，35（4）：78-81．

Study on Multi-stage Fracturing Technology in Vertical Wells in Complex Fault Block Reservoir

LI Borui
（Production Technology Institute，Daqing Oilfield Company Ltd．，Daqing 163453，China）

Hailar basin，with its property of low porosity and permeability，is complex fault block reservoir which is hardly recovered because of heterogeneity．Regular frac technology with ineffec-tive stimulation cannotmeet the requirements of HPHT and high sand volume．To realize larg e-scale fracturing and to increase the well production and efficiency，by pressure calculation，flow state simulation and experiment indoor and site application，vertical wellmulti-stage fracturing withoutmoving string in Hailar basin is developed．It has realized big scale fracturing with big sand volume and rate．Matched tools including big diameter packer and relevant rubber element，big diameter hydraulic anchor have been developed．The technology has been applied in 30 wells with obvious effect under the big sand volume and rate fracturing．

vertical well；separate layer fracturing；tool

TE934．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．014

1001－3482（2015）08－0059－05

①2015－02－09

李博睿（1984-），男，黑龙江大庆人，工程师，2007年毕业于哈尔滨工程大学热能与动力工程专业，目前主要从事分层压裂工艺及配套工具的研发及推广工作，Email：lbrwj＠hotmail．com。