全可溶变径球座体积压裂工具研制与应用

郭思文, 王治国， 薛晓伟, 赵敏琦, 李治君, 张家志, 任国富, 费二战

(1中石油长庆油田分公司油气工艺研究院 2低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 3中石油长庆油田分公司第四采气厂 4中石油长庆油田分公司第三采油厂)

长庆油田致密油气藏的高效开发是实现5 000×104t持续稳产的关键，该类油气藏的主体改造技术为密切割体积压裂，即“多簇射孔+大排量+大液量+低黏液”体积压裂模式，能够实现裂缝对储层的全覆盖，大幅度提高单井产量[1-5]。前期体积压裂工具采用进口可溶桥塞和快钻桥塞，通过桥塞-射孔联作，完成射孔和段间封隔。然而这两种工具在长水平段中遇到如下问题：一是随着可溶桥塞桥塞数量的增加，可溶桥塞橡胶件溶解慢的影响越来越大，易形成残留物堵塞井筒通道；二是由于在长水平段中钻压难以施加，快钻桥塞钻磨效率低。为了解决这些问题，开展了全可溶变径球座研制，并在现场规模运用，取得了较好的效果。

一、全可溶变径球座技术思路及工艺流程

1. 技术思路

为确保可溶球座对现有压裂模式的适应性，保持桥塞-射孔联作工艺不变[6]，主要改变在于水平段套管上增加球座承接器，并研制可溶分瓣式变径球座，通过可溶球座、承接器和可溶球之间的金属密封实现段间封隔，压裂技术示意图如图1所示。

图1 全可溶变径球座压裂技术示意图

2. 工艺流程

(1)球座承接器与套管连接，入井后固井完井。

(2)第一段采用油管传输射孔打开地层，进行光套管压裂。

(3)水力泵送球座-射孔联作工具串到球座承接器上方，点火坐封球座并丢手，上提进行多簇射孔。

(4)起出工具串，投可溶球，推动球座至承接器处，封隔上一段，光套管压裂第二段。

(5)重复3、4步骤依次完成各段压裂改造。

(6)可溶球与可溶球座全部溶解，井筒恢复全通径，投产。

二、关键工具研制

1. 全可溶分瓣式变径球座

球座材料为全可溶金属，由两个上瓣、两个下瓣、底座构成。上下瓣侧面设计有燕尾槽式导轨，上下瓣通过导轨连接，导轨与轴线成一定夹角，因此上下瓣沿导轨运动能够实现扩径，扩径后球座外径122 mm, 扩径率8%以上，球座所需的闭合行程90 mm，常用火药坐封工具可以满足球座闭合行程要求，当上下瓣完全闭合后，与底座锁定在一起。坐封前后状态如图2所示。

图2 分瓣式可溶球座坐封前后状态

可溶变径球座设计的难点在于：①由于球座承压高，需要提高可溶材料强度;②为保证金属密封效果，需要可溶材料有一定的塑性。然而提高可溶材料强度与塑性存在矛盾，为了解决该矛盾从两方面入手：一是优化球座密封机构，使其主要承受正压力，避免承受过大的剪切力，可降低球座对材料强度的要求；二是调整可溶材料配方、热处理参数，使可溶材料的强度和塑性达到平衡点[7]。

2. 投放工具

投放工具用于实现球座坐封及丢手。投放工具的芯杆通过丢手剪钉与下瓣相连，锥筒与上瓣相连。通过芯杆与锥筒的相对运动可以实现上下瓣的相对运动，完成球座坐封。球座坐封后剪断丢手剪钉，完成工具丢手。为防止中途坐封，锥筒与芯杆之间设计有坐封启动剪钉。投放工具结构如图3所示。

图3 投放工具结构图

3. 承接器

承接器外径153.6 mm，与套管接箍一致，可保证下钻安全性，内部设计有锥形台阶密封面，能够承接扩径后的可溶球座，承接器与球座、可溶球形成金属密封，实现压裂过程的段间封隔。压后球座全部溶解，形成大的排液和生产通道，不影响后期井下作业。承接器结构及密封原理如图4所示。

图4 承接器结构示意图

4. 大尺寸可溶球

球座配备Ø115 mm大尺寸可溶球。由于大尺寸可溶球在铸造过程中存在偏析现象，即合金元素分布不均匀导致溶解不彻底，因此创新提出双层铸造工艺，解决了偏析问题，能够实现压后可溶球的彻底溶解。

5. 可溶球座关键技术指标

关键工具技术指标如表1所示。

表1 可溶球座关键技术指标

三、室内试验与评价

1. 坐封、丢手性能测试

由于火药工具受相关法规管控较多，不便于室内测试，因此设计了专用的液压坐封工具，用于检验可溶变径球座坐封和丢手性能，测试结果表明：导轨机构运动灵活，开始坐封的启动力2 t，丢手力4.5 t，满足设计要求。

2. 承压性能测试

将可溶球座、可溶球依次放入承接器内，承接器上端连接打压接头，承压性能测试结果表明，可溶球座承压70 MPa。

3. 溶解性能测试

模拟返排环境，设计了恒温溶解装置，将闭合后的可溶球座置于承接器中，一起放入50℃的EM30返排液中， 120 h后球座全部溶解，满足体积压裂返排制度要求。

四、现场应用

1. 现场实施

现场共计开展2批次、共计6口井的现场试验。第1批选择2口井进行先导性试验，寻找问题并进行了改进；第2批选择4口井扩大试验，最长水平段1 560 m，现场最大改造段数17段，成功率100%，工具性能稳定。

1.1 现场施工情况

5口井的基本施工情况见表2。

表2 全可溶分瓣式变径球座试验情况

1.2 射孔-球座联作工具串结构

从下向上依次为：全可溶分瓣式变径球座+投放工具+火药坐封工具+炮尾+射孔枪+点火炮头+快速接头+磁定位短节+马龙头+鱼雷+电缆。

1.3 泵送参数

为确保泵送过程中球座平稳运动，泵送参数如表3所示。

表3 泵送参数

2. 存在问题及改进措施

在先导性试验过程中，遇到主要问题是投球后压力变化不明显，无法准确判断段间封隔状态，原因分析及改进措施如表4所示。

表4 存在问题及改进措施

3. 应用效果

改进后的球座在投球后起压明显，施工过程中封隔可靠，与邻井进口可溶桥塞施工相比压力曲线特征相同，能够满足密切割体积压裂的需求，施工曲线如图5所示。压后下冲砂管柱试探，顺利通过，证明球座全部溶解，解决了可溶桥塞溶解不彻底、压后需要钻磨的难题，节省了作业费用，与进口可溶桥塞相比工具成本降低了40%，经济效益非常显著。

图5 华H*井可溶球座施工曲线

五、结论与建议

(1)全可溶分瓣式变径球座能够满足长水平段水平井密切割体积压裂需求，溶解彻底，实现了压后免钻磨。

(2)与可溶桥塞相比，工具成本降低40%，并且节约了钻磨费用，降本增效明显。

(3)长水平段井筒易沉砂，可能会影响平稳泵送以及金属密封，建议施工结束后采用双倍井容(滑溜水+高黏液)大排量顶替，保证井筒清洁。