套管压裂井不压井完井工艺技术研究及应用*

平恩顺 王林 解同川 王志民 刘松 滕俊男 张磊

(中国石油集团渤海钻探工程有限公司井下技术服务分公司)

0 引 言

随着页岩油、致密油等低渗透油藏的勘探开发，泵送桥塞射孔联作体积压裂技术得到广泛应用[1]。目前非常规光套管压裂井放喷后，关井压力高，常规完井工艺采用压井液压井，压井完成后上修井机进行完井作业，存在污染储层和降低压裂效果的问题。另外，采用带压作业装置下泵完井不仅成本较高，施工周期长，而且存在不能下入电泵完井作业的局限。

杨康敏等[2]研制了液控找堵水开关器及配套管柱，可实施不动管柱多级分层找水和堵水等工艺；王子健等[3]研制了井下开关滑阀及配套的连续管传送井下控制工具，形成了连续管水平井找堵水作业技术；孙丕昊等[4]针对油井检泵作业地层压力较大的情况，研制了液控式修井井下开关；王玲玲等[5]介绍了高压油井免带压作业的检泵技术，研制了配套的相关工具，但并未指出关键工具一旦遇堵如何保持连续生产的问题。

以上研究成果均未明确解决套管压裂后如何带压完井的问题[6-11]。鉴于此，本文研究了套管压裂后完井过程中的不压井作业工艺技术，不仅研究了不压井作业工艺管柱及主要施工步骤，还详细介绍了配套工具的结构、原理和主要技术参数，形成了适用于光套管压裂井不压井的完井工艺技术；不仅实现了使用修井机下泵或后期小修检泵作业时的不压井作业，而且满足了低成本不压井完井工艺技术的需要，有效避免了压井液压井，对油层无污染，保证了压裂效果，同时降低了作业成本，施工周期明显长于常规带压作业工艺。该工艺不仅适用于有杆泵完井工艺，还适用于电泵完井工艺，具有良好的推广应用前景。

1 不压井完井工艺技术

1.1 完井工艺管柱

套管压裂井不压井完井工艺管柱主要由连续管、坐封工具、通孔桥塞、滑套阀、压控开关阀、尾管(包括筛管)和丝堵等组成[12-13]，其结构示意图如图1所示。

1—连续管+坐封工具；2—通孔桥塞；3—滑套阀；4—压控开关阀；5—尾管(包括筛管)；6—丝堵；7—空心光杆；8—防喷盒；9—井口四通；10—ø73 mm加厚油管；11—ø22 mm H级杆；12—ø19 mm H级杆；13—ø28 mm加重杆；14—ø38 mm等径防砂泵；15—ø73 mm平式油管；16—通孔桥塞及以下工具串。

连续管下入工具串后可暂闭油层，通过通孔桥塞、滑套阀与压控开关阀三者之间的有效配合，调控采油的流通通道，保证井口处于安全受控保护状态，避免压井液压井，使油层不受压井液污染，实现了油井压裂后不压井完井作业。

1.2 施工步骤

套管压裂井不压井完井工艺的主要施工步骤如下。

(1)连续管冲砂，通井，刮削，热洗井。

(2)在井口带压状态下，下入连续管工具串：连续管+铆钉连接器+单流阀+安全接头+扶正器短节+坐封工具+通孔桥塞+滑套阀+压控开关阀+尾管(包括筛管)+丝堵。

(3)上水泥车，通过连续管正加压20 MPa坐封通孔桥塞并脱手，上提连续管工具串，下放连续管工具串复探通孔桥塞。

(4)复探通孔桥塞位置无误后，上提连续管工具串。打开套管阀门，观察溢流情况，如无溢流显示，则说明通孔桥塞坐封情况良好。至此完成封闭油套环空的施工工序。

(5)之后关闭套管阀门，水泥车通过连续管正加压20 MPa，稳压10 min，然后水泥车泄压至0。打开套管阀门，观察溢流情况，以此来验证压控开关阀是否打开。如有溢流显示，且溢流持续稳定，则说明压控开关阀打开状态良好。之后关闭套管阀门。

(6)水泥车继续通过连续管正加压20 MPa，稳压10 min，然后水泥车泄压至0。打开套管阀门，观察溢流情况，如无溢流显示，且持续无溢流显示，则说明压控开关阀关闭状态良好。至此完成一次暂闭油层的施工工序。之后关闭套管阀门。

(7)起出连续管，撤连续管设备，上修井机通过油管下入抽油泵(包括有杆泵或无杆泵，下面以有杆泵为例)。

(8)下入活塞+泵杆组合。试抽憋压合格后，把活塞放入泵筒底部，最上部1根泵杆倒扣起出。

(9)换采油树上挂，下入泵杆对扣，上提重新紧扣后，下入泵杆短节及光杆，试抽合格后，装配好地面抽油机，之后打开套管阀门，通过水泥车向井筒内加压20 MPa，稳压10 min，然后水泥车泄压至0，则可以打开压控开关阀，完井。

(10)采油很长一段时间后，如遇产量降低，则可通过水泥车向井筒内加压30 MPa，稳压10 min，然后水泥车泄压至0，则可以打开滑套阀，继续进行采油作业。

2 主要配套工具

2.1 通孔桥塞

2.1.1 结构

通孔桥塞是一种通过液压坐封工具坐封，上提打捞工具解封的井下封隔工具，具有承受压差高，坐封、解封稳定的特点，其结构如图2所示。其中，坐封机构主要由锁定接头、连接头和剪钉等组成；密封机构主要由连接筒、胶筒Ⅰ、胶筒Ⅱ和下规环等组成；卡瓦锚定机构采用单卡瓦双向锚定方式，卡瓦置于卡瓦筒内，主要由上锥体、限位套、卡瓦筒、卡瓦、卡瓦弹簧和下锥体等组成。锁定结构主要由锁套接头、锁套和开口锁环组成。

1—锁定接头；2—连接头；3—解封头；4—锁套接头；5—锁套；6—开口锁环；7—连接筒；8—胶筒Ⅰ；9—胶筒Ⅱ；10—心轴；11—下规环；12—上锥体；13—限位套；14—卡瓦筒；15—卡瓦；16—下锥体；17—导向头；18—卡瓦弹簧。图2 通孔桥塞结构示意图Fig.2 Schematic structure of through-hole bridge plug

2.1.2 工作原理

将通孔桥塞上端与液压坐封工具连接，向坐封工具加压，当压力达到一定值时，液压坐封工具推动锁定接头，锁定接头推动解封头、锁套接头和锁套下移，卡瓦先靠近套管壁，继续下移，压缩胶筒，胶筒压缩好后，继续加压，直至卡瓦牙咬死套管壁。锁套带动开口锁环下移至中心管外部锁齿处，锁定整个工具。

2.1.3 主要技术参数

最大外径：104 mm；

最小内径：36 mm；

总长度：780 mm；

工作压差：50 MPa；

工作温度：150 ℃；

坐封压力：18～20 MPa。

2.2 滑套阀

2.2.1 结构

滑套阀主要由上接头、限位套、滑套、卡环、限位环、滑阀套、外筒和下接头组成，其结构如图3所示。

1—上接头；2—限位套；3—盘根Ⅰ；4—滑套；5—卡环；6—限位环；7—紧定螺钉；8—盘根Ⅱ；9—滑阀套；10—剪钉；11—外筒；12—下接头。图3 滑套阀结构示意图Fig.3 Schematic structure of sleeve valve

2.2.2 工作原理

滑套阀上端连接通孔桥塞，下端连接压控开关阀，通过水泥车向井筒加压，高压流体进入传压孔，流体在压差作用下推动滑套呈下移趋势，最终剪切销钉，滑套阀下移，露出环空过液孔。在下泵采油很长一段时间后，如遇产量减少，很可能是压控开关阀堵塞，则可通过井筒加压打开滑套阀，露出环空循环孔，则可继续进行采油作业。

2.2.3 主要技术参数

最大外径：89 mm；

总长度：540 mm；

工作压差：50 MPa；

工作温度：150 ℃；

打开压力：30～35 MPa。

2.3 压控开关阀

2.3.1 结构

压控开关阀主要由上接头、上外套、弹簧、上中心管、滑销套、滑销、活塞、O形密封圈、连接套、下外套、下中心管、阀罩、钢球、球座和下接头组成，其结构如图4所示[5]。

1—上接头；2—上外套；3—弹簧；4—上中心管；5—滑销套；6—滑销；7—活塞；8—O形密封圈；9 —连接套；10—下外套；11—下中心管；12—阀罩；13—钢球；14—球座；15—下接头。图4 压控开关阀结构示意图Fig.4 Schematic structure of pressure-controlled switch valve

2.3.2 工作原理

压控开关阀上端连接滑套阀。当需要压控开关阀打开时，从套管加压，高压流体推动活塞和滑销套上行，使滑销沿上中心管的长轨道上行，压缩弹簧，当液压力达到一定压力值时，滑销到达长轨道的上顶点。泄压后，滑销在弹簧力的作用下下行至短轨道的下顶点，打开中心管的进液孔，地层流体通过球座及阀罩流经进液孔进入工具串内部，通过泵抽出地面[14-15]。

当需要压控开关阀关闭时，从套管再次加压，高压流体推动活塞和滑销套上行，使滑销到达短轨道的上顶点。泄压后，滑销在弹簧力的作用下下行至长轨道的下顶点，同时推动活塞下行，关闭中心管的进液孔，关闭进液通道，隔离工具串与地层流体。

2.3.3 主要技术参数

本体最大外径：106 mm；

内通径：48 mm；

总长度：1 050 mm；

工作压差：50 MPa；

工作温度：150 ℃；

换向打开/关闭压力：18～20 MPa。

3 关键技术分析

(1)通孔桥塞解封机构通过下入打捞工具，打捞矛卡瓦牙锚住解封头内壁，上提载荷，剪断销钉，实现解封。

(2)滑套阀盘根Ⅰ设置为两个V形盘根对称布置，且两个V形盘根中间设置有中间挡环；卡环、限位环与两个V形盘根设置在一起，保证在井底高温高压条件下，长时间性能可靠，不易碳化失效。

(3)压控开关阀上中心管设计为长、短轨道式，通过液压力与弹簧力的共同作用，控制滑销在长、短轨道上交替滑动，实现中心管液流通道的打开与关闭。滑销在滑销套的带动下，做轴向移动和径向旋转运动。压控开关阀结构简单，安全可靠，可重复多次使用。

(4)不压井完井工艺采用通孔桥塞封闭环空，压控开关阀暂闭油层的方式。压控开关阀通过井筒多次加压实现开启和关闭，调控采油流通通道，保证井口处于安全受控的保护状态，有效避免了压井液压井。

4 现场应用

4.1 基本情况

截至2020年7月，套管压裂井不压井完井工艺在大港油田现场应用4口井，其中井口最高压力5.2 MPa，最大井斜91.2°，桥塞最大下入井深5 073 m，不压井作业工艺成功率100%。套管压裂井不压井完井工艺的成功应用，是套管压裂井带压完井技术的又一次突破。

该工艺管柱结构简单，不仅实现了使用修井机下泵或后期小修检泵作业时的不压井作业，而且满足了低成本不压井完井工艺技术的需要，单井缩短施工周期4～6 d，有效避免了压井液压井，对油层无污染，保证了压裂效果。现场应用情况统计如表1所示。

表1 套管压裂井不压井完井工艺现场应用情况统计Table 1 Field applications statistics of completion technique without killing in casing fracturing wells

4.2 典型井例

2020年1月12日，套管压裂井不压井完井工艺在大港油田G2井进行了现场应用。在井口压力5.1 MPa条件下，首先通过连续管底带铆钉连接器+单流阀+安全接头+扶正器短节+坐封工具+ø104 mm通孔桥塞×780 mm+ø89 mm滑套阀×540 mm+ø106 mm变扣×140 mm+ø106 mm压控开关阀×1 050 mm+尾管(包括筛管)+丝堵。下到设计深度2 997 m，正加压25 MPa坐封通孔桥塞，上提连续管工具串10 m，再下放连续管工具串加压15 kN，复探通孔桥塞位置无变化。打开套管阀门，观察溢流25 min。无溢流显示，说明通孔桥塞坐封良好。之后关闭套管阀门。水泥车连接热水罐车通过连续管正加压25 MPa，稳压10 min，然后水泥车泄压至0。打开套管阀门，观察有溢流显示，继续观察20 min，溢流持续稳定，说明压控开关阀已打开。之后关闭套管阀门。通过连续管正加压25 MPa，稳压10 min，然后水泥车泄压至0。打开套管阀门，持续观察溢流25 min，无溢流显示，说明压控开关阀已关闭，试验成功。然后通过修井机下入完井生产管柱，对井筒加压25 MPa，打开压控开关阀后进行采油生产。

2020年6月18日，在井口压力4.5 MPa条件下，需要上小修检泵作业时，上水泥车先反洗井，然后打开套管阀门，对井筒加压25 MPa关闭压控开关阀，稳压10 min，然后水泥车泄压至0。之后打开套管阀门，持续观察溢流25 min，无溢流显示，说明压控开关阀已关闭，之后小修进行不压井检泵作业。G2井成功应用套管压裂井不压井完井工艺，现场应用效果良好，投产后最大日产液23.7 m3，最大日产油4.9 m3，达到了降本增效的施工目的。

5 结 论

(1)套管压裂井不压井完井工艺解决了套管压裂井带压完井的问题，通过通孔桥塞、滑套阀与压控开关阀三者之间的有效配合，调控采油的流通通道，使井口处于安全受控保护状态，有效避免了压井液压井，对油层无污染，保证了压裂作业效果，满足了非常规油井套管压裂后不压井完井作业的需要。

(2)套管压裂井不压井完井工艺配套工具耐高温、高压，性能安全可靠。压控开关阀通过井筒加压实现开启和关闭，控制压力低，可重复多次使用。滑套阀解决了压控开关阀一旦遇堵则不能保持连续生产的问题。

(3)套管压裂井不压井完井工艺管柱结构简单，通孔桥塞封闭环空，压控开关阀暂闭油层，对储层起到了很好的隔离保护作用，实现了使用修井机下泵或后期小修检泵作业时的不压井作业，满足了低成本不压井完井工艺技术的需要。该工艺不仅适用于有杆泵完井工艺，而且适用于电泵完井工艺，具有良好的推广应用前景。