连续油管拖动底封水力喷射环空加砂分段压裂技术

王金友，许国文，李　琳，姚国庆，张宏岩，王　澈

(1.大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453；2.大庆油田有限责任公司 第六采油厂，黑龙江 大庆 163453)



连续油管拖动底封水力喷射环空加砂分段压裂技术

王金友1，许国文1，李琳1，姚国庆1，张宏岩1，王澈2

(1.大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453；2.大庆油田有限责任公司 第六采油厂，黑龙江 大庆 163453)

连续油管拖动底封水力喷射环空加砂压裂工艺是集射孔、压裂、封隔于一体的新型增产改造技术。针对常规结构Y211型封隔器或K344型封隔器及喷枪不完全满足工艺需求的问题，采用Solidworks、Ansys等软件对新型Y211型封隔器、喷枪等工具进行优化设计。创新设计特殊密封结构胶筒及其肩部保护机构，研制抗拉强度和延伸率高的胶料配方，降低了坐封力，提高了承压性能。优化卡瓦结构，设计防砂卡机构，提高了封隔器锚定及坐封可靠性。研制了内嵌整体式喷枪，提高耐磨性能，满足多段压裂需要。通过攻关研究，工艺管柱达到耐温120 ℃、承压70 MPa指标，单趟管柱可压裂14段，成本比国外降低50%以上。

连续油管；封隔器；分段压裂；工艺

连续油管拖动底封水力喷射环空加砂压裂技术是近年来研究的集射孔、压裂于一体的新型增产改造技术，可实现多簇射孔大规模压裂，管柱配套底部封隔器实现了层段间有效封隔，改造针对性强[1-2]。但底部封隔器采用K344-110型封隔器时，存在施工时油套压差控制难、操作不便及压裂后封隔器内压扩散慢、易沉砂难解封等问题，底封失封，既影响改造效果，又为施工安全带来风险。国外主要采用新型Y211型封隔器作为底封进行水力喷射环空加砂压裂施工，通过机械坐封、解封方式解决了扩张式底封存在的问题，有效提高了工艺可控性和施工效率。目前，国外新型Y211型底封仅租不售，而国内同类产品的核心部件——胶筒和卡瓦仍需进口。为满足压裂高效环保和降成本需求，自主研究了以新型Y211封隔器和内嵌整体式喷枪为核心的连续油管拖动底封水力喷射环空加砂分段压裂技术。同常规结构Y211型封隔器相比，新型Y211型封隔器研制难点是在连续油管仅能提供20 kN坐封力条件下，满足水平井一趟管柱多次重复锚定、坐封、水力喷砂射孔、环空加砂压裂及防砂卡安全起下管柱的多功能需求。此外，该新型Y211型封隔器及配套工具用于固井滑套分段压裂等工艺，更显高效与环保(无需放喷)优势，其先进设计理念应用领域广泛。

1　水力喷射环空加砂分段压裂工艺管柱组成

为能够与连续油管施工能力相匹配，管柱结构进行了优化组合与受力分析[3]，确定了工艺管柱主要由安全接头、高导流扶正器、内嵌整体式喷枪、单流阀、平衡阀、Y211封隔器、导向头等组成(如图1)。将连续油管和喷枪、底封等工具连接，通过油管水力喷砂射孔，环空加砂实现压裂，利用底封对已压层段进行封隔，由下至上逐级分段压裂。

1—安全接头；2—高导流扶正器；3—内嵌整体式喷枪；4—单流阀；5—平衡阀；6—Y211型封隔器；7—弹性扶正器；8—导向头。

2　配套工具研究

2.1新型Y211型封隔器设计

2.1.1特殊密封结构胶筒设计与油浸试验[4]

新型Y211型封隔器的核心部件是胶筒，最初设计的I型压缩式单胶筒，经过多次油浸试验均未达到承压40 MPa。采用Ansys有限元软件对胶筒进行了结构优化、工作状态模拟，承压密封机理探索，创新设计了特殊密封结构胶筒及其肩部保护机构，实现了承压指标的突破。通过对该结构3种不同端角及肩部保护胶筒的多轮次油浸试验、高抗拉强度胶料配方及胶筒二次成型硫化工艺等试制攻关，达到了20 kN坐封力下承压70 MPa、耐温120 ℃的应用指标(如图2)。

a　胶筒应力云图

b　胶筒油浸试验曲线

c　胶筒油浸试验后照片

2.1.2封隔器卡瓦结构优化和防砂卡设计

Y211型封隔器在压裂过程中，卡瓦将承受极大的交变载荷，且易被砂卡。因此，除了低坐封力、承受高压的胶筒外，封隔器卡瓦和防砂结构对新型Y211型封隔器工作性能的可靠与否至关重要。采用Solidworks和Ansys软件对卡瓦结构进行了工作状态模拟计算分析(如图3)，优选了具有良好加工性能、抗疲劳性能和较高硬度与韧性的超高强度合金钢，并采取特种热处理工艺对卡瓦进行了处理。同时，对Y211型封隔器锚定、坐封换向、扶正等机构进行了防砂卡设计，提高了封隔器锚定及工艺的可靠性能。

图3　Y211型封隔器卡瓦设计及计算分析结果

2.1.3新型Y211型封隔器原理试验与模拟井试验

将30%砂比的压裂液注入试验套管和增压缸组成的便捷试验装置，在20 kN坐封力下坐封封隔器，并使其承压20、30、50、70 MPa，如此反复5次，封隔器重复坐封、锚定、承压、解封和防砂卡性能可靠，试验装置无变形，无渗漏，最高承载力845 kN，封隔器无位移，取出完好；模拟现场工况，将Y211型封隔器与平衡阀、单流阀、喷枪、高导流扶正器等相连，下入模拟试验井1 000 m处，重复坐封、解封30余次，成功率100%(如图4)。

a　30%砂比压裂液

b　原理性试验装置

c　模拟试验井

2.2内嵌整体式喷枪的优化设计[5]

水力喷砂射孔时，喷枪的工作环境异常恶劣，高速携砂流体对其磨蚀破坏极为严重。对此，设计了内嵌整体式喷嘴结构，避免了外置分体式喷嘴被磨蚀后从枪体中脱离造成卡管柱的可能性。通过CFD对喷枪进行数值模拟，分析研究了喷枪喷嘴孔径、孔数、孔距、相位、靶距合理匹配对流态的影响，确定最优的喷嘴组合结构(如图5)。同时，枪体要具有极高的硬度和抗冲击韧性，从结构设计、选材、热处理工艺等方面开展攻关，从而提高了喷枪的耐磨蚀性能。

a　喷枪速度流线

b　使用前的喷枪

c　过砂168 m3后的喷枪

2.3平衡阀、单流阀、高导流扶正器等配套工具的研制

在平衡阀内部设计了密封和导流排砂洗井机构，其开启或关闭状态均可实现反洗井功能，射孔和压裂时处于密封状态，压后上提管柱时可快速平衡Y211型封隔器上、下压差，利于封隔器的顺利解封；设计了低启开力钢性与橡胶组合密封的凡尔式单流阀，避免了钢球式单流阀易磨损失效问题，提高了单流阀密封及耐冲蚀性能；研制了既可扶正、保护工具、提高密封性，又具有防砂卡导流功能的高导流扶正器，提高了压裂工艺管柱的可靠性能。

3　应用情况及效果

截止目前，应用自主研发的连续油管拖动底封水力喷射环空加砂分段压裂技术，在大庆油田完成了36口井285层(段)现场试验，单井最高施工压力70 MPa，最高工作温度120 ℃，加砂306 m3，施工排量7.4 m3/min，一趟管柱最多完成14段压裂施工。截至2015-10，统计24口油井压裂后初期平均单井日增油8 t，平均有效期13.5个月后仍有效，取得了较好的应用效果。该工艺正常情况下每压裂一层段后30 min内即可完成转层压裂，1 d内可完成6～7段压裂施工，且自主研发的产品成本降低50%以上。

4　结论

1)研制了连续油管拖动底封水力喷射环空加砂压裂工艺管住，耐温120 ℃、耐压差70 MPa，施工排量7.4 m3/min，单趟管柱最大加砂量306 m3，一趟管柱最多完成14段压裂施工，为大庆油田难采储量动用提供了强有力的技术支撑。

2)该工艺压后无需放喷，且底封封隔可靠，具有改造针对性强、高效环保、增产效果明显等优点，成为水平井分段压裂改造的主体技术之一。

3)新型Y211型封隔器的设计理念先进，还可用于固井滑套分段压裂等工艺技术领域。

[1]王凤山，张书进，王文军，等.大庆油田低渗透水平井压裂改造技术新发展[J].大庆石油地质与开发，2009，28(5)：234-238.

[2]吴涛.水平井多段压裂技术在大庆油田的发展与应用[J].化学工程与装备，2004(7)：169-171.

[3]王瑶，冯强，丁柯宇.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.

[4]王金友.高温高压油浸试验检测系统[J].油气田地面工程，2006，25(12)：29.

[5]杨光炼，潘勇，骆晓雪.水力喷射工具的研究及开发[J].钻采工艺，2013，36(2)：90-92.

Technology of Coiled Tubing Abrasive Perforating and Annulus Fracturing

WANG Jinyou1，XU Guowen1，LI Lin1，YAO Guoqing1，ZHANG Hongyan1，WANG Che2

(1.Production Engineering and Research Institute，Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163453，China；2.No.6 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163453，China)

The technology of abrasive perforating and annulus fracturing with coiled tubing is a novel stimulation method that integrates perforation with fracturing and zonal isolation.The bottom packer is set to seal the annulus between casing and tubing to plug lower reservoirs.Conventional structure Y211 packer or K344 packer and spray gun does not fully meet the technical requirements.So the design of the inflatable packers and hydraulic jet was optimized and improved by the software of Ansys and Solidworks.Both the innovative design of packing element and its shoulder protection mechanism and the formula of elastomer with high tensile strength and elongation could reduce the setting pressure and improve the bearing performance.Optimized slip structure and sand stuck prevention mechanism could improve the packers’ anchor and sealing reliability.The integral embedded hydraulic jet improves the wear resistance of the string to fracture the multiple stages with high efficiency.The pipe string rated up to 70 MPa at 120 degrees Celsius with maximum 14 stages in one trip.The cost was reduced more than 50% compared with that of foreign countries.

coiled tubing；packer；multi-stage fracturing；technology

1001-3482(2016)05-0069-04

2015-10-18

中国石油股份公司项目“油气藏储层改造技术持续攻关专项《大庆油田致密油层压裂技术攻关及现场试验》”(2015CGCGZ002)部分研究内容

王金友(1965-)，男，黑龙江拜泉人，高级工程师，博士，2010年毕业于东北石油大学，现从事分层采油和油气藏改造技术研究，E-mail：wangjinyou@petrochina.com.cn。

TE934.207

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.015