连续油管喷砂射孔多层环空加砂压裂管柱研制

艾白布·阿不力米提，达 勇，候启太，赵　签，王建磊，麦尔耶姆古丽·安外尔，张　虎，郝承志

（新疆油田公司，新疆　克拉玛依834000）①

连续油管喷砂射孔多层环空加砂压裂管柱研制

艾白布·阿不力米提，达 勇，候启太，赵签，王建磊，麦尔耶姆古丽·安外尔，张虎，郝承志

（新疆油田公司，新疆克拉玛依834000）①

连续油管定点喷砂射孔多层环空加砂压裂是喷砂射孔和环空压裂的一体化工艺，一趟管柱可以实现多层射孔压裂，适用于致密油气藏、页岩油气藏等非常规油气藏，特别是多层、薄层油气藏进行有效准确定位射孔压裂施工。针对新疆油田某些区块的低压、低产、低渗的特点，研制了一套用于连续油管定点喷砂射孔多层环空加砂压裂的工艺管柱，并对关键零部件进行了有限元计算。试验表明，该技术降低了射孔和压裂施工风险，施工周期短、定位射孔准确、施工后井筒清洁，可以直接下入生产管柱进行生产。为低压、低产、低渗提供了高效安全的施工方法。

连续油管；喷砂射孔；多层压裂；工具管柱

随着我国油气田开发进入中后期，储层薄、低压、低渗、高含水、储采失衡等问题日益凸现。这些油气田的油气层分散、层间跨距不规则，普通的压裂技术无法满足高效开采的需求。喷砂射孔多层环空加砂压裂工艺成为解决这类问题的核心方法［13］。

连续油管喷砂射孔环空加砂压裂是射孔压裂一体化工艺，一趟管柱同时进行射孔和压裂施工。利用小直径喷嘴将高压携砂液转化成高速射流撞击套管和岩层实现射孔的目的，再通过环空进行加砂压裂，压裂结束后通过上提工艺管柱解封，将工艺管柱转移至待射孔压裂层位坐封，再次进行射孔压裂。该工艺简单，施工周期短，事故风险低，成本低［46］。

1　喷砂射孔压裂工艺管柱

喷砂射孔压裂工艺管柱主要由扶正器、枪体总成、单流阀总成、封隔器胶筒总成、卡瓦总成、定位器总成和引鞋组成，如图1所示。其工作状态分为入井、坐封和解封。工艺管柱入井时处于入井状态，在喷砂射孔和环空压裂时处于坐封状态，在上提转层和定位时处于解封状态。

图1　工艺管柱结构

2　工艺管柱的设计

2．1 枪体总成

枪体总成由喷枪本体、保护套、压帽、喷嘴、保护套背帽和顶丝组成，如图2所示，是整个压裂管柱中关键部件之一。通过小直径喷嘴，将地面泵入的高压携砂液转换成高速射流，高速携砂液冲击套管内壁实现射孔的目的；通过压帽将喷嘴安装在本体锥形孔中，喷嘴与本体之间用锥面密封；为了减少喷砂射孔阶段反击砂子对枪体本体的冲蚀作用，在本体外围设计了高质合金保护套。

图2　枪体总成

2．2 单流阀总成

单流阀总成主要由单流阀阀体、球挡环、阀球、旋转滑块、筛管、接箍、密封杆、密封胶筒、垫片和密封座等组成，如图3所示。单流阀总成安装在枪体总成下端，单流阀通过阀球和阀体内部锥面，起到单向密封作用，地面泵入的高压携砂液全部从喷嘴喷出；当需要反洗井时，通过油套环空泵入液体，这时阀球被环空液体顶开，建立畅通的内部通道，实现反洗井的目的。旋转滑块结构为下部换轨坐封结构提供360°的旋转自由度。在施工中密封胶筒插入密封座内孔，起控制背压的作用。

图3　单流阀总成

2．3 封隔器总成

封隔器总成的卡瓦为封隔器胶筒压缩变形提供锚定，封隔器胶筒压缩变形封隔油套环空，在分层施工时起到封隔的作用。封隔器总成如图4所示。当工艺管柱下入预定的位置后，上提连续油管1～1．5 m，使导轨进行换轨，再下放连续油管，这时卡瓦及连接的零部件在阻尼器的作用下在套管内壁上处于静止状态，继续下放连续油管，下压环与卡瓦内壁接触撑开卡瓦，使卡瓦外壁与套管内壁接触起锚定作用；这时加大下压力，在下压力的作用下胶筒压缩变形与套管内壁接触起封隔作用。

图4　封隔器总成

2．4 接箍定位器总成

由于连续油管存在弯曲，显示仪显示的深度和实际深度有一定的误差。用接箍定位器检测套管接箍通过时产生的悬重变化，可以准确判断连续油管在井内的实际深度。接箍定位器总成如图5所示，其安装在管柱最下端。下放连续油管工艺管柱入井时，由于定位器卡瓦倒角大端朝下，定位器卡瓦与套管接箍之间的阻力较小，当管柱下放到表层套管下端1～2根套管深度时，上提连续油管观察悬重变化；当定位器卡瓦卡入套管接箍时悬重会有20～35 k N的变化，通过表层套管数据可以准确判断工艺管柱的实际的深度。

图5　接箍定位器总成

3　施工工艺

3．1 工艺管柱的组装

在施工现场组装工艺管柱入井之前，将工艺管柱的关键零部件在室内进行安全测试，例如安全丢手、喷枪总成、单流阀总成、卡瓦总成和定位器总成。

连续油管连接器安装完成后进行抗拉试压测试，测试合格后将安全丢手、扶正器、枪体、单流阀总成、封隔器胶筒总成、卡瓦换轨总成、定位器总成和引鞋连接组装。

3．2 施工工序

1） 连续油管携带工艺管柱入井，在入井过程中确保下入速度控制在15～20 m／s。

2） 工艺管柱下入井内100～200 m时进行坐封测试，测试合格后方可继续入井。

3） 工艺管柱下到待射孔部位时，根据井筒接箍数据确定接箍定位器的实际位置。

4） 由接箍定位器数据和连续油管深度显示仪进行准确定位，定位后确保封隔器导轨处于长轨状态及下放可坐封状态。

5） 下放连续油管进行坐封，连续油管泵入液体进行封隔器验封。

6） 打开环空建立循环（从连续油管泵入环空外排）。

7） 连续油管加砂进行喷砂射孔。

8） 连续油管泵入顶替液，将连续油管内和环空内的携砂液全部外排干净。

9） 环空进行主压裂，在环空压裂过程中为了保护连续油管，应确保从连续油管小排量泵入液体。

10） 环空压裂完成后，连续油管上提解封。11） 连续油管上提至上层待射孔压裂层位，进行坐封。

重复5～10个工序可以实现一趟管柱多层射孔压裂的目的。

4　封隔器胶筒有限元分析

4．1 数学模型

封隔器胶筒采用丁腈橡胶，材料的泊松比为0．48，可以承受很大的弹性变形，是超弹材料。超弹材料的弹性势能函数是一个应变或变形张量的标量函数，该标量函数对应变分量的导数就是相应的应力量［7-8］。

式中：［S］为第二皮奥拉克希霍夫应力张量；W为单位体积的应变能函数；［E］为拉格朗日应变张量。

拉格朗日应变为式中：I为单位矩阵。［C］为柯西格林应变张量，是变形梯度张量，为变形后的节点位置变量，X为初始节点位置适量。

应变不变量的2个常数的MooneyRiv Lin应变能密度函数为

式中：a10、a01为材料常数，a10＝1．87MPa，a01＝0．47MPa。

4．2 计算模型

封隔胶筒有限元分析的几何模型如图6所示。因为胶筒为轴对称，为了减少计算量及提高计算精度，选用的几何模型为两位轴对称模型；分析对象为套管、内管、上压环、胶筒和下压环。

图6　胶筒几何模型

4．3 计算结果

作用在上压环上的坐封力为17 MPa时，胶筒与套管内壁及内管内壁之间的接触应力如图7所示。与套管内壁最大接触应力发生在胶筒上端，最大接触应力为22．991 MPa；与内管外壁最大接触应力发生在胶筒上端，最大接触应力为22．719 MPa。

图7　接触应力

在不同的坐封作用力下，胶筒与套管之间的接触应力分布如图8所示。胶筒与套管的接触主要发生在胶筒中间部位，坐封力为17 MPa时，胶筒中间部位与套管内壁的接触应力为7．98 MPa。

图8　不同坐封作用力下胶筒与套管的接触应力

坐封力为17 MPa时，胶筒的压缩变形情况如图9所示。最大压缩量为42．525 mm。在坐封过程中胶筒上端与套管内壁之间的摩擦力较大，是胶筒最容易失效的部位。

图9　最大坐封力下胶筒位移

5　结论

研究了连续油管定点喷砂射孔多层环空加砂压裂施工工艺，其工艺管柱具有射孔、封隔、压裂一体化功能，可实现一趟管柱多层射孔压裂的目的。减少了施工风险、提高施工效率和安全性；可有效开采低渗和非常规难动用油气藏。

［1］ 孙鑫，程智远，周晓昱，等．连续油管喷砂射孔环空分段压裂工具研制［J］．石油矿场机械，2014，43（6）：73-76．

［2］ 王瑶，冯强，刘欣，等．适用于连续油管的封隔器管串结构及原理分析［J］．石油矿场机械，2013，42（1）：83-86．

［3］ 周建权．连续油管水力喷砂射孔深度确定方法探究［J］．中国科技信息，2008（24）：55-56．

［4］ 杜常桥，李世民，吕宏茹．封隔器胶筒应力数值模拟与结构优化研究［J］．断块油气田，2008（2）：104-106．

［5］ 李亮，邱艳华，陈书宁．连续油管喷砂射孔分段压裂技术的现场应用［J］．中国石油和化工标准与质量，2013 （14）：181．

［6］ 宁，邹刚，蒋友谊，等．连续管喷砂射孔分段压裂工具的研究与应用［J］．石油机械，2012（11）：94-98．

［7］ 陈健，田播源，刘玉文．压缩式封隔器胶筒失效因素分析及措施［J］．科技资讯，2010（31）：80-82．

［8］ 刘永辉．封隔器胶筒性能有限元分析及结构改进［D］．成都：西南石油大学，2006．

Development and Application of Coiled Tubing Fixedpoint Abrasive Perforating and
Multilayer Annulus Add－sand Fracturing Tool

Aibaibu·Abulimiti，DA Yong，HOU Qitai，ZHAO Qian，WANG Jianlei，Maieryemuguli·Anwaier，ZHANG Hu，HAO Chengzhi
（PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China）

The coiled tubing fixedpoint abrasive perforating and multilayer annulus addsand fracturing process are the technology of integrating perforating and fracturing，a tubular column can realize the purpose of multilayer perforation and fracturing one time，and it implements the exploration and development of oil and gas reservoirs such as dense reservoirs，shale reservoirs．It is particularly effective for accurate positioning perforation fracturing of multilayer and thin layer．For some Xinjiang oilfield block with low pressure，low productive and low permeability，a set of tool string used in coiled tubing fixedpoint abrasive perforating and multilayer annulus addsand fracturing was designed，and the parameters of key components and parts were calculated．Test showed that the technology reduced the risk of perforating and fracturing operation，shorten operation cycle，and positioning accurately，and the wellbore was clean after construction．Thus，it provided an efficient and safe method for low pressure，low productivity，and low permeability reservoirs．

coiled tubing；abrasive perforating；multilayer fracturing；tool string

TE934．2

B

10．3969／j．issn．1001－3842．2015．09．019

1001－3482（2015）09－0076－04

①2015－03－12

艾白布·阿不力米提（1984-），男，维吾尔族，新疆托克逊人，硕士，主要从事连续油管井下工具管柱的研究，E-mail：aibaibu＠163．com。