直井全通径大排量多层压裂工艺技术研究

张晓川

(中国石油大庆油田 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)①



直井全通径大排量多层压裂工艺技术研究

张晓川

(中国石油大庆油田 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)①

为了满足大庆油田外围低渗透扶杨油层开发的需要，针对现有压裂工艺管柱节流损失大、排量低等问题，研究了直井全通径大排量多层压裂工艺技术；研制了液控可变径全通径压裂喷砂封隔器，并进行了现场试验。研究与现场试验表明，该工艺可有效降低节流损失，实现大排量、无限级压裂施工。研究成果不仅可以满足低渗透储层大规模缝网压裂施工的需要，还可以提高施工效率、降低开发成本，具有较好的应用前景。

封隔器；全通径；压裂；节流损失

大庆油田进入开发后期，外围低渗透扶杨油层已成为大庆油田开发的主战场，该油层特低渗透占40 %以上。针对难采储量，大规模压裂初期试验已取得了较好的改造效果，试验18口井，其中葡扶区块压后初期平均单井日增油7.8 t[1-3]。但是还没有与之相配套的压裂工艺管柱，而目前的喷砂器滑套采用级差式结构设计，施工中会产生较大的节流效应，约36 %的能量损失在管柱的节流上，摩阻大，无法实现大排量施工，压裂段数也受到限制[4]。研制了液压式全通径大排量压裂工艺，通过全通径大排量多层压裂管柱，使多级喷砂器通径相同，实现大通道(通径大于ø50 mm)，并研制了其关键工具——液控可变径全通径压裂喷砂封隔器。

1　全通径大排量多层压裂管柱

1.1工艺组成与原理

全通径大排量多层压裂管柱主要由可缩径全通径压裂喷砂封隔器、K344型压裂封隔器、导压喷砂器、安全接头以及丝堵组成，如图1所示。压裂管柱采用全通径结构设计，液控球座变径，每段投送压裂球尺寸相同，突破常规球座级差限制，降低节流损失，实现大排量、无限级压裂施工[5-6]。

该工艺管柱下入到预定位置后，地面高压液体向油管内加压，通过全通径导压喷砂封隔器。压裂上一层时，环空压力通过封隔器导压通道传递到下一层中的滑套中，使滑套中的可变径球座收缩，做好投球打滑套准备；压裂本层位时，投球打开对应层位滑套，进行压裂施工；其他层段依次类推，使用同一规格球能够完成多段压裂施工[7]。

图1　全通径压裂工艺管柱示意

1.2技术参数

耐温

120 ℃

工作压力

70 MPa

变径球座

ø50 ～ø46 mm

单体喷砂器最大过砂量

80 m3

管柱最小内通径

50 mm

排量

8 m3/min

2　液控可变径全通径压裂喷砂封隔器

2.1结构及原理

液控可变径全通径压裂喷砂封隔器主要由上下接头、滑套、节流嘴、导压中心管、活塞、锁环套、上下钢碗及胶筒等组成，如图2。可实现大通径、无限级数压裂，减少了管柱更换次数，施工效率提高1倍以上。

图2　液控可变径全通径压裂喷砂封隔器示意

压裂施工时，液控可变径全通径压裂喷砂封隔器下入井中指定位置，高压液体从地面沿滑套上的割缝处进入，通过导压中心管上的坐封通道压缩胶筒，使该工具坐封；同时高压液体进入导压中心管的另一个导压通道，使环空压力传递到滑套中，使滑套中的球座形成缩径。投球加压后球座和滑套整体下行打开压裂通道，进行压裂[8]。

2.2关键技术

2.2.1一体化全通径导喷封隔器

全通径导喷封隔器集封隔、喷砂、液控导喷和球座变径于一体，如图3所示。液控系统采用双向桥式通道结构，实现变径、坐封压力有效传导的桥式双向4通道结构设计，节省空间并确保大通径；液压通过液控系统坐封通道将压力传递至胶筒，控制封隔器坐封，并通过缩径通道将压力传递至活塞，推动球座下行挤压形成球座，投球加压后球座和滑套整体下行打开压裂通道，进行喷砂压裂[9]。

图3　一体化全通径导喷封隔器结构

2.2.2球座变径结构

设计了活塞位移式可变径球座。球座采用弹簧爪结构；材料选用弹簧钢，表面镀铬，并渗碳处理，提高了工具的耐磨蚀性能，解决了大砂量条件下球座冲蚀磨损严重的问题，加砂施工前、后球座对比如图4所示。球座不变径时受磨蚀影响小、适应性强、加砂规模大；变径时启动压力低，5 MPa即可完成缩径动作，缩径后在70 MPa状态下弹簧爪割缝处无位移变形，不渗不漏，大幅提升了球座缩径的稳定性。实现了大排量、大砂量施工改造要求，单层可加砂80 m3，全井可加砂800 m3(按10层计算)。

a　施工前

b　加砂后

2.2.3侧壁径向节流结构

管柱采用侧壁节流方式坐封全部封隔器。侧壁节流喷砂器与常规导压喷砂器相比具有结构简单、压降损失小的特点，且侧壁节流喷砂器将节流部位集成到侧壁，有效地增加了管柱通径，减少了压力损失，有利于高排量施工[10]。

借助于Fluent模拟软件，对全通径侧壁部分进行了有限元分析，如图5～6所示。由图5～6可以看出，等面积节流嘴施工条件下，侧壁喷砂器较常规导压喷砂器压降损失降低了2倍。

2.2.4扩张式胶筒

原扩张式胶筒尺寸长，高压长时间施工后，胶筒残余形变量大，上提管柱易卡管柱，同时胶筒内径尺寸小，无法满足现场大排量施工要求，为此研制了扩张式高温高压短胶筒。优选强度更高的“钢丝+芳纶帘线”，研制新型粘贴剂解决芳纶与橡胶的粘接性能差的问题，使胶筒内部几种不同材料的变形率趋于一致，解决胶筒工作时断丝或断线问题，同时提高了胶筒的承压以及耐温指标。与原胶筒相比内径增大25 %，胶筒长度缩短27 %，达到通径大、尺寸短、易解封的目的，提高了胶筒性能指标及工艺安全性。胶筒技术特点如下：

1)胶筒长度仅为415 mm，内径ø77 mm。尺寸小，易解封。

2)胶筒性能指标达到耐温120 ℃，承压70 MPa。

3)最高压力达到80 MPa，无泄漏，残余变形最大4.6%，回收性能良好。

胶筒油浸试验数据如表1。

图5　侧壁节流喷砂器内部压降损失云图

图6　常规导压喷砂器内部压降损失云图

工具名称温度/℃浸泡时间/h压力/MPa次数浸泡前外径/mm试验后外径/mm变形率/%K344⁃115型封隔器120　16　708081113　118．2　4．6　

3　现场试验

该压裂工艺现场试验5口井，施工成功率100%。以X-X井为例，单层加砂80 m3，全井加砂800 m3(共10层)，起出后对工具进行检查，无磨损，可满足多段压裂施工的要求。

4　结论

1)直井全通径大排量多层压裂工艺，多级喷砂器通径相同，实现了大通道，满足了外围低渗透扶杨油层大规模缝网压裂施工的需要。

2)该工艺可有效降低节流损失，实现大排量、无限级压裂施工，施工排量可达8 m3/min。

3)扩张式高温高压短胶筒提高了工具的内通径，工具可耐温120℃、承压70 MPa。

4)液控可变径全通径压裂喷砂封隔器集封隔、喷砂、液控导喷和球座变径多功能于一体，缩径及密封效果好，为外围低渗透油藏高效开发提供技术支持。

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Research of Packers’ Same Inner Size & Large Displacement Multilayer Fracturing Technology in Vertical Wells

ZHANG Xiaochuan

(Production Engineering & Research Institute，PetroChina Daqing Oilfield，Daqing 163453，China)

The research of packers’ full bore & large displacement multilayer fracturing technology in vertical wells was researched in order to develop the low permeability Fuyang reservoirs in the periphery of Daqing Oilfield，which could get over the shortcomings of throttle loss and low displacement in the existing fracturing pipe strings.The fracturing sand jet packer，as the key tool，was designed and analyzed.The hydraulic pressure could change the packers’ inner size.Meanwhile，the field experiment was conducted successfully.The research and field application showed that the technology could effectively reduce the throttle loss to fulfill the large displacement and non-limited multi-layers fracturing operation.The research could not only perform the large-scale fracturing networks for developing the low permeability reservoirs，but also could improve the rig efficiency，reduce the development cost with favorable development prospects.

packers；full bore；fracturing；throttle loss

1001-3482(2016)10-0068-04

2016-04-14

大庆油田公司科研项目“特低渗透扶杨油层直井全通径大排量多层压裂工艺技术研究 ”( dqp-2013-cy-ky-002)

张晓川(1987-)，男，工程师，主要从事油气藏改造技术研究和新技术推广工作。

TE934.2

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.016