多段压裂水平井拖动管柱找水关键技术

崔文昊， 苏祖波， 康　健， 韩光顺， 吕亿明， 朱洪征

(1.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；3.中国石油长庆油田分公司第十采油厂，甘肃庆阳 745110)

长庆油田水平井受多段压裂、注水开发影响，随着开发周期延长，见水井逐年增多，部分水平井见水后含水率快速上升、产油量突降，严重影响了开发效果。截至2017年底，长庆油田含水率大于80%的水平井超过总井数的20%，亟需应用水平井找堵水技术恢复油井产能。针对常规生产测井技术不适应长庆油田低液量的问题[1-4]，研究了水平井机械找水技术，初步形成了“机械封隔、逐段拖动、分段测试”的拖动管柱找水技术[5-9]，解决了低液量水平井找水的难题。但是，前期采用的皮碗封隔器受井深和工具性能等因素影响，存在不适应长水平段水平井的问题。为此，笔者通过模拟井下环境的室内试验，得到了皮碗封隔器下深界限，并对Y211型拖动压裂封隔器的结构进行改进、优选胶筒材料，研制了Y211-1型和Y211-2型找水封隔器，同时研制了可在水平段重复坐封的Y111型找水封隔器，形成了新型水平井拖动管柱找水技术，解决了长水平段水平井找水的难题。

1　皮碗封隔器应用现状及下深界限确定

1.1　水平井拖动管柱找水工艺现状

前期针对不同见水特征的水平井，研究形成了单封和双封2种拖动管柱找水工艺，采用的皮碗封隔器基本满足了低液量水平井找水的需求。

1.1.1单封拖动管柱找水工艺

单封拖动找水管柱结构如图1所示。

图1　单封拖动找水管柱结构Fig.1　Pipe string of single-packer water detection by dragging

其工艺原理为：将封隔器下至待测射孔段上部坐封，多段抽汲(自流)生产测试，通过递减法计算每段的产液量及含水率，判断主要出水层段。

工艺特点：1)采用一套封隔器和智能开关器即可实现一趟管柱多层段找水测试；2)不受测试井产液量限制；3)出水层段反应明显，找水效率高，套返井单井找水测试周期1～3 d，抽汲井单段找水测试周期2～3 d。

1.1.2双封拖动管柱找水工艺

双封拖动找水管柱结构如图2所示。

图2　双封拖动找水管柱结构Fig.2　Pipe string of dual-packer water detection by dragging

其工艺原理为：采用双封隔器将待测射孔段封隔，拖动管柱逐段抽汲生产，可定量测试各段的产液量及含水率，确定出水层段。

工艺特点为：1)双封隔器封隔、单段生产，测试不受层间干扰；2)拖动管柱换层、逐段抽汲，量化出水层段液量、含水率；3)单段找水测试周期1～3 d。

1.1.3Z331型皮碗封隔器的结构与性能

Z331型皮碗封隔器主要依靠皮碗与套管内壁的过盈接触和井内压差来达到封隔油套环空的目的，完成测试后直接上提并起出管柱。

封隔器钢体最大外径116.0 mm，长度500.0 mm，皮碗最大外径131.0 mm，内通径60.0 mm，适用内径124.3 mm的套管，承压35.0 MPa，最大工作温度120.0 ℃。

1.2　存在的问题

1) 随着水平段长度不断增加，同时高含水井套管壁有砂、垢沉积，造成皮碗封隔器胶筒磨损，导致3口井测试失败(平均井深3 277.00 m)。

2) 起出皮碗封隔器后发现胶筒基本脱落，这会给后期采取堵水措施时清洁井筒带来困难。

1.3　皮碗封隔器下深界限的确定

为了明确皮碗封隔器的适用条件，有针对性地开展找水措施，对其下深界限进行了研究。通过室内磨损试验确定皮碗封隔器在拖动时与套管过盈配合的使用极限，试验采用“伺服电机+滚珠丝杠”实现皮碗磨损性能测试。试验装置如图3所示。

在常温常压、空气介质条件下对2套皮碗封隔器进行磨损试验及不同磨损距离下的承压试验。2套皮碗封隔器下深为1 500.00，2 000.00，2 500.00，3 000.00和3 500.00 m时的累计磨损量和承压能力见表1。

图3　皮碗封隔器试验装置Fig.3　Cup packer test apparatus

表1　皮碗封隔器磨损试验数据Table1　Wear test data ofthe cup packer

由表1可知：随着封隔器下深增加，皮碗磨损量也增加，当下深为3 000.00 m时单边累计磨损量接近2.00 mm，但承压仍达25.0 MPa；当下深达到3 500.00 m时，累计磨损量超过2.00 mm，由于皮碗封隔器起密封作用的区域主要在碗口，封隔器坐封后密封区域变短，承压已不能满足找水需求；若存在套管变形或封隔器偏心，则易造成密封不可靠甚至失效。因此，皮碗封隔器单边累计磨损量不宜超过2.00 mm。综合磨损试验结果并考虑到安全系数不能小于1.2，确定皮碗封隔器的下深界限为2 500.00 m。

2　长水平段水平井拖动找水管柱设计

2.1　设计依据

针对皮碗封隔器在拖动管柱找水时存在的问题，需研究一种可下入长水平段水平井、对后期井筒处理不造成影响的找水技术。调研发现，水平井拖动压裂管柱比较成熟，该管柱采用的Y211型拖动压裂封隔器承上压差达70.0 MPa，具有机械锚定、压缩封隔、多次重复坐封且密封可靠的特点，单趟管柱施工能力更强，降低了后期作业处理井筒的难度[9-12]。因此，可借鉴水平井拖动管柱压裂工艺，实现长水平段水平井拖动管柱找水。

2.2　设计思路

1) 单封拖动找水管柱。将Y211型封隔器连接在管柱下部，通过上提下放实现封隔器的坐封与解封，坐封后油管与封隔器下部射孔段连通，抽汲或自流生产，测试每段的产液量及含水率，定性判识出水层段，适用于井口压力高的套返井。管柱结构如图4所示。

图4　Y211型单封拖动找水管柱结构Fig.4　Pipe string of Y211 single-packer water detection by dragging

2) 双封拖动找水管柱。将Y111型封隔器与Y211型封隔器自上而下连接，下至设计位置后，通过上提下放坐封Y211型封隔器，继续下放坐封Y111型封隔器,2封隔器坐封后抽汲两封隔器之间的射孔段，测量其产液量及含水率，确定出水层段。管柱结构如图5所示。

图5　Y111型+Y211型双封拖动找水管柱Fig.5　Pipe string of Y111+Y211 dual-packer water detection by dragging

3) 特点。与前期拖动找水管柱相比，压缩式封隔器在拖动时胶筒损伤小，无需配套井下智能开关器，管柱更简单，可降低后期作业风险。

2.3　需解决的关键问题

对拖动找水管柱进行了受力分析，如图6所示(图6中：p1为Y111型封隔器上部压力，MPa；p3为Y211型封隔器下部压力，MPa；p2为2个封隔器之间的压力，MPa)。

图6　双封拖动找水管柱受力分析示意Fig.6　Force analysis diagram of dual-packer pipe string water detection by dragging

分析可知，找水前p1≈p2≈p3，找水时p2≤p1≈p3。因此，双封拖动管柱找水时Y111型封隔器需承受上压差，Y211型封隔器需承受下压差。而Y211型拖动压裂封隔器要实现找水工艺，需解决以下问题：1)该封隔器承受下压差不足10.0 MPa，而双封拖动找水时下层液体不能进入管内，胶筒需承受下层压力；2)需研制可在水平段重复坐封、易解封的Y111型拖动找水封隔器。

3　关键工具的研制

3.1　Y211-1型单封拖动找水封隔器

对于单封拖动找水管柱，Y211型拖动压裂封隔器可以满足要求，但找水时上压差一般不大于25.0 MPa，因此从经济角度考虑，将胶筒由承压能力较强的材料改为承压能力较弱的材料。

Y211-1型单封拖动找水封隔器主要由平衡阀、胶筒、卡瓦、摩擦块、换向槽和导向丝堵(带孔)等组成，如图7所示。

图7　Y211-1型找水封隔器结构示意Fig.7　Structural diagram of Y211-1 water detection packer

封隔器钢体最大外径116.0 mm，长度1 750.0 mm，可承上压差25.0 MPa，可承下压差10.0 MPa，可坐封载荷50.0 kN，可解封负荷30.0 kN，可重复坐封30次，最大工作温度110.0 ℃。

工作原理为：入井时，Y211-1型封隔器在短槽位置下钻至设计位置；坐封时，上提管柱1.5 m切换到长槽，再下放管柱打开卡瓦，继续加压坐封封隔器；解封时，上提管柱开启平衡阀，等待30 min胶筒上下压力达到平衡后，封隔器解封(见图8)。这种工作原理可有效保护胶筒，实现重复坐封。

图8　Y211-1型找水封隔器的工作原理Fig.8　Working principle of Y211-1 water detection packer

3.2　Y211-2型双封拖动找水封隔器

由于双封拖动管柱找水时下层液体不能进入管内，胶筒坐封后承受的下压差大于上压差，需对Y211-1型封隔器进行改进。首先，优化下支撑胶筒材料，降低其硬度，使其坐封后下支撑胶筒能够承受接近上支撑胶筒的应力；然后，将Y211-1型封隔器平衡阀的内密封机构从单流阀改为实心结构，确保下层液体无法进入管内。

Y211-2型双封拖动找水封隔器钢体最大外径116.0 mm，长度1 750.0 mm，可承受上压差15.0 MPa，可承受下压差25.0 MPa，可坐封载荷30.0 kN，可解封负荷30.0 kN，可重复坐封30次，最大工作温度110.0 ℃。

该封隔器坐封原理与Y211-1型封隔器相似，与Y111型封隔器配合使用。

3.3　Y111型双封拖动找水封隔器

常规Y111型封隔器抽汲后，由于上压差大于下压差，解封时易损伤胶筒，甚至无法解封，为了解决这一问题，需增加平衡阀和可重复坐封机构。

Y111型双封拖动找水封隔器主要由平衡阀、胶筒、防中途坐封机构和重复坐封机构等组成，如图9所示。该封隔器设定坐封载荷，超过设定值坐封；遇阻后上提，坐封机构重新复位；上提开启平衡阀，待压力平衡胶筒复位后上提管柱即可解封。

图9　Y111型水平井找水封隔器的结构Fig.9　Structural diagram of Y111 water detection packer in horizontal wells

Y111型双封拖动找水封隔器(以下简称“新Y111型封隔器”)钢体最大外径为116.0 mm，长度为950.0 mm，可承受上压差25.0 MPa，可承受下压差10.0 MPa，可坐封载荷50.0 kN，可解封负荷20.0 kN，可重复坐封30次，最大工作温度110.0 ℃。

工作原理为：入井时，Y211-2型封隔器从短槽位置下至设计位置；坐封时，上提管柱切换到长槽，下放管柱使Y211-2型封隔器先坐封，继续加压使新Y111型封隔器坐封，所有胶筒密封(如图10所示)；解封时，上提管柱至正常悬重，新Y111型封隔器的平衡阀先开启，等待30 min胶筒上下压力平衡后新Y111型封隔器解封，继续上提Y211-2型封隔器解封。

图10　新Y111型+Y211-2型封隔器工作原理Fig.10　Working principle of new Y111 + Y211-2 packers

4　封隔器室内性能试验

4.1　单封隔器承压试验

将每个封隔器分别放入试验套管内，坐封后采用泵注系统加压至设计值，观察单封隔器的承压能力。

试验结果表明，Y211-1型封隔器坐封后承受上压差25.0 MPa、下压差10.0 MPa时，胶筒密封完好；Y211-2型封隔器坐封后承受上压差15.0 MPa、下压差25.0 MPa时，胶筒密封完好；室内对Y211-1型和Y211-2型封隔器进行了30次坐封再加压，胶筒依然密封完好。新Y111型封隔器坐封后承受上压差25.0 MPa、下压差15.0 MPa时，胶筒密封完好，表明新研制的封隔器均达到设计的承压能力。

4.2　封隔器推力、拉力试验

为确保双封拖动管柱时重复坐封可靠，进行了3组封隔器推力和拉力试验。

试验结果表明，新Y111型封隔器重复坐封机构推力大于Y211-2型封隔器摩擦块推力，新Y111型封隔器重复坐封机构回拉力较小(见表2)。

表2　封隔器重复坐封试验数据Table 2　Experimental data of repeated packer setting

试验结果说明，双封隔器配合时，能够确保新Y111型封隔器胶筒在不压缩的情况下推动Y211-2型封隔器，上提时可在觧封Y211-2型封隔器之前解封。

4.3　双封隔器承压试验

将新Y111型封隔器和Y211-2型封隔器连接后放入试验套管内(见图11)，模拟封隔器坐封后，采用泵注系统加压至25.0 MPa，观察双封隔器的承压能力。

图11　双封隔器室内承压试验装置Fig.11　Apparatus for laboratory bearing tests of dual packers

试验结果表明，新Y111型封隔器和Y211-2型封隔器均密封完好，说明双封隔器配合可以有效坐封并能够承受设计压差。

5　现场应用

新型封隔器和拖动找水管柱在长庆油田6口水平井的找水中进行了应用，6口井平均井深3 382.00 m，改造段数10段，单井坐封11次。现场应用发现，1套封隔器可以完成2口井的找水作业，测试成功率由皮碗封隔器拖动找水管柱的91.3%提高至100.0%，机械堵水后单井平均含水率由100.0%降至66.3%，单井平均日增产油量2.2 t，单井测试费用仅为皮碗封隔器拖动管柱找水的1/2。

以长平X井为例，介绍其具体应用情况。该井井深3 210.00 m，改造段数12段，于2013年6月投产。投产初期平均产液量8.6 m3/d，产油量6.2 t/d，含水率12.3%；2016年1月含水率突升至100.0%，产液量升至16.0 m3/d。由于该井较深，无法应用皮碗封隔器拖动管柱找水。因此，2017年7月采用新型双封拖动找水管柱找水。完成找水作业前的准备工作(通井、刮削和洗井)后，将封隔器连接好下至设计位置，坐封封隔器后测试卡封射孔段的出水情况，完成该段测试并解封封隔器后，拖动管柱至下一射孔段测试。该井封隔器累计坐封11次，起出后的新Y111型和Y211-2型封隔器的胶筒均完好无损，并成功找到出水位置。该井进行机械堵水后，产液量8.9 m3/d，含水率由100.0%降至45.0%，日增产油量3.8 t，表明长水平段水平井应用新型拖动找水管柱测试结果准确，起出的封隔器仍能应用于其他水平井的找水中，取得了较好的应用效果和经济效益。

6　结　论

1) 针对皮碗封隔器在长水平段水平井拖动管柱找水时易出现胶筒密封性变差、起钻皮碗脱落的问题，通过室内耐磨试验，综合分析得到其下深界限为2 500.00 m。

2) 针对长庆油田长水平段水平井找水需求，研制了Y211-1型、Y211-2型拖动找水封隔器及可在水平段重复坐封的Y111型双封拖动找水封隔器，设计了新型水平井拖动找水管柱，其具有机械锚定、压缩封隔、多次重复坐封和密封可靠的特点。

3) 现场应用表明，采用新型拖动找水管柱找水更简便、结果更准确、成本更低。1套封隔器至少可以完成2口井的找水作业，起出后胶筒仍然完好，降低了后期堵水作业清洁井筒的难度，在长水平段水平井中表现出良好的适应性。

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