海上探井压裂测试管柱研究与应用

王成龙，韩 成，王应好，郭宇堃，徐 靖

[中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057]

压裂已成为海上低渗砂岩油田、页岩油等非常规油气勘探开发的主要手段。海上探井压裂作业日渐增多，压裂测试管柱设计既要保障压裂施工期间管柱安全，又要提高压裂规模和改造效果，以满足地质取资料的要求。压裂测试管柱选择对于海上压裂测试作业显得十分重要。海上油田探井最初从单层压裂进行尝试，但单层压裂管柱并不能满足薄互层低渗等储层的产能释放，为此，经过逐步实践，逐渐发展了滑套封隔器分层压裂管柱、电缆桥塞分层压裂管柱等分层压裂测试管柱[1-2]。本文总结了单层、分层压裂管柱的优缺点、关键工具作用原理及关键作业流程，为海上压裂测试管柱的选择提供参考。

1 单层压裂测试管柱

1.1 常规型压裂测试一体化管柱

海上常规压裂测试一体化管柱结构图如图1所示，从下到上依次为射孔枪 + 丢枪点火头 + 长槽筛管（不带玻璃盘） + 长槽筛管（带玻璃盘） + 长槽筛管（不带玻璃盘）+ 封隔器 + 试压阀 + 压力计拖筒 + 气密钻挺 + 压力计拖筒 + 选择性测试阀 + RD安全循环阀 +气密钻挺 + 伸缩节 + 油管。

图1 常规型压裂测试一体化管柱示意图

压裂测试一体化管柱下到位后坐封封隔器，环空加压打开试压阀，然后管柱正加压进行点火射孔，确认射孔后即可进行压裂作业。为防止压裂作业砂埋管柱而引起测试管柱困难，射孔枪顶部通常采用丢枪接头，射孔瞬间实现丢枪，因此海上压裂井一般要求预留足够的丢枪口袋。长槽筛管（不带玻璃盘）为管柱加压点火射孔提供压力通道，长槽筛管（带玻璃盘）可防止管柱铁屑铁锈下沉至点火头顶部造成堆积，无法点火。封隔器是压裂管柱最重要的井下工具，需承受压裂作业的高压，因此应选择性能可靠耐高压的封隔器，坐封方式可以选择机械坐封也可以选择液压坐封，机械坐封封隔器需要根据坐封力选择确定钻铤的数量。由于海上压裂作业井口压裂一般超过70 MPa，有必要对测试压裂管柱进行试压，保证管柱安全，因此，压裂测试一体化管柱通常需要设置一个试压阀。

海上压裂测试管柱内外压力变化大，而测试工具受环空压力操作，为防止压裂作业过程中环空压力剧变出现测试阀井下关井导致压裂作业失败，测试阀一般设置为选择性测试阀[3]，选择性测试阀可以为锁开和锁关状态，可减小环空压力对测试阀开关的影响。设置两个循环阀，提高压井成功率。压裂作业易引起管柱伸缩变化，压裂测试管柱设置伸缩节用于补偿压裂作业过程中管柱的伸缩变化，降低管柱受力，保障管柱安全。为防止压裂支撑剂在伸缩节内外筒出现堆积，影响伸缩节伸缩能力，压裂测试管柱采用倒装伸缩节。为实现压裂大排量压裂，降低管柱摩阻，测试油管尽量选择大内径高强度油管或钻杆。

海上常规压裂测试一体化管柱结构完整，可以较好满足地质取资料的要求，但结构复杂，RD循环阀、RD安全循环阀、测试阀、试压阀均为环空压力响应的测试工具，而压裂作业极易引起环空压力发生剧烈变化，导致环空压力响应的测试工具易出现误开关的问题，从而导致压裂作业失败。另外测试工具内径小，也限制压裂排量，如图1所示。

1.2 改良型压裂测试管柱

为进一步提高海上压裂规模，提高压裂排量，降低压裂作业环空压力变化对测试工具的影响，在常规型压裂测试管柱基础上，合理优化测试工具，形成改良型压裂测试管柱，如图2所示，取消RD循环阀、RD安全循环阀、测试阀，将RD试压阀设置在封隔器之下。测试管柱下到位后，与常规型压裂测试一体化管柱不同的是，改良型压裂测试管柱先进行环空加压打开RD试压阀，然后再坐封封隔器，再进行测试管柱正加压点火射孔。由于没有RD循环阀、RD安全循环阀、测试阀测试工具，因此没有压裂作业期间环空压力变化引起测试工具误开关的风险，可显著提高压裂排量。但改良型压裂测试管柱没有设置循环阀，测试管柱没有压井通道，一般需要通过电缆带压下入油管或钻杆冲孔工具，对油管进行冲孔建立循环通道压井，然后起测试管柱。

图2 改良型压裂测试管柱示意图

改良型压裂测试管柱可降低大规模压裂作业风险，但是由于该测试压裂管柱没有压井通道，压井作业繁琐，作业时间较长，尤其是井口压力较高的话，增加井口电缆作业风险。改良型压裂测试

管柱示意图如图2所示。

2 分层压裂管柱

2.1 水力喷砂分层压裂测试管柱

水力分层压裂测试管柱从下到上依次为导向头 +筛管 + 单流阀 + 第一级水力喷砂器（无滑套） + 封隔器 + 水力锚 + 第二级水力喷砂器 + 封隔器 + 水力锚 +第三级水力喷砂器 + …… + 安全接头 + 油管。

水力分层压裂测试管柱下入到位后，可以通过筛管洗井，井口投球封堵单流阀堵塞下部地层，然后井口可以通过第一级水力喷砂器进行水力喷砂压裂作业。封隔器、水力锚、水力喷砂器组成一套喷砂压裂施工单元，初第一级水力喷砂器无滑套，后续每一级水力喷砂器和封隔器均为滑套式，通过投球憋压打开滑套，打开水力喷砂器（滑套式）的喷嘴和封隔器（滑套式）的进液通道，完成封隔器的坐封，即可进行水力喷砂压裂作业。水力锚可以锚定管柱，防止压裂作业管柱蠕动。安全接头在紧急情况下脱开管柱，起出上部管柱[4]。

该管柱可实现分层喷砂压裂，且压裂施工过程中逐级启动对应层段的封隔器和水力喷砂器的，提高工具使用寿命。但是该管柱压裂改造效果有限，测试无法实现井下关井压力和地层压力的数据的录取。

2.2 滑套封隔器分层压裂管柱

为进一步提高压裂规模，获得更好的压裂改造效果，海上探井采用滑套封隔器分层压裂管柱，从下到上依次为分层封隔器 + 投球压裂滑套 + 分层封隔器+投球压裂滑套 + …… + 分层封隔器 + 顶部悬挂封隔器。

测试压裂管柱入井前，需要单独下入一趟射孔管柱，按照设计压裂井段射开地层。压裂测试管柱需要经过精确配长，要使得两个封层封隔器正好卡封要压裂的射孔段，压裂测试管柱下到位后，通过井口投钢球加压同时坐封所有分层封隔器和顶部悬挂封隔，然后继续加压剪切球座，开始第一段压裂作业，待第一段压裂作业结束后，井口投可溶球，打开最下面的压裂滑套即可进行第二段压裂作业，依此类推，依次在井口进行投可溶球，打开下一级压裂滑套，进行下一段压裂作业[5-7]。通过井口投入可溶球，待球入座后管柱内正加压剪切销钉，滑套及球座一同下行，滑套打开建立压裂通道，实施压裂作业。另外，分层封隔器和顶部悬挂封隔选择性能良好耐高压耐高温的封隔器，顶部悬挂封隔一般带有锚定装置，防止压裂出现管柱蠕动。压裂作业结束后，可脱手顶部悬挂封隔，起出上部管柱。为补偿大规模压裂引起的管柱收缩问题，防止管柱伸缩受力失效，在分层封隔器之间一般设置伸缩管。

可溶球的溶解时间把握对分层压裂作业极为关键，既要保障压裂作业施工期间不能溶解，又要在返排阶段能够快速溶解。可溶球将镁、铝和钼等特定金属合金化后，自身形成了微电池，在微电池效应作用下破坏镁表面氧化膜的连续性，达到加速溶解镁反应的目的[8]。但不同陆地压裂多用淡水基压裂液，海上压裂作业多用海水基压裂液，高矿化度海水易加快可溶球溶解速率，无法满足压裂时间要求。因此，海上压裂作业需要特别进行可溶球与海水基压裂液的溶解实验，选择溶解时间合适的可溶球。

滑套封隔器分层压裂管柱可以实现大规模分层压裂，但是该管柱结构复杂，井下压裂工具多，工具失效风险高。由于每一级压裂都需要进行井口投可溶球，可溶球外径一级一级缩小，如果压裂层数较多，分层压裂管柱的内径变小，导致压裂摩阻及井口压力增大，压裂风险增大。另一方面，上面的压裂滑套球座长时间受高含砂流体冲蚀，容易导致球座磨损，可溶球密封失效，影响压裂作业。同时，对于套管内进行分层压裂，需要提前射孔，且射孔后需要对炮眼位置进行刮管洗井，导致施工周期较长，储层也易受到污染。

2.2 电缆桥塞分层压裂管柱

为进一步提高压裂规模，再次提高压裂改造效果，海上探井还可以采用电缆桥塞分层压裂管柱，一般在Φ139.7 mm套管底部设计串接趾端滑套，Φ139.7 mm套管固井结束后，井口加压打开趾端滑套，依靠Φ139.7 mm套管等小尺寸套管作为压裂通道进行第一段压裂作业。如果趾端滑套不能打开，连续油管带着射孔枪进行射孔，也可以进行第一段压裂作业。

待第一段压裂作业结束后，井口使用电缆输送桥塞和射孔枪至设计深度，大位移井或者水平井可以通过泵送电缆输送桥塞及射孔，输送至设计深度后，先坐封桥塞，脱手桥塞，然后上提射孔枪至设计深度，进行射孔，起出电缆及射孔枪后，井口投可溶球后，可溶球与桥塞配合，封隔下部地层，仍依靠Φ139.7 mm套管作为压裂通道进行第二段压裂作业。第二段压裂作业结束后，再次使用电缆泵送桥塞和射孔枪至设计深度、坐封桥塞、脱手桥塞、上提射孔、起甩电缆，进行第三段压裂作业，依次类推，实现多层压裂[8-10]。

电缆桥塞分层压裂管柱结构简单，直接使用套管进行压裂，可满足更大排量的压裂。桥塞可以选择可钻式复合桥塞，在压裂作业结束后，需要连续油管下入磨鞋，钻铣桥塞，将复合桥塞形成的碎屑循环出井，这样导致作业工期增加。桥塞可以选择可溶桥塞，可溶球及可溶桥塞需要优选与海上基压裂液相匹配的材质。但即使是可溶桥塞也并非能完全溶解，可溶桥塞的卡瓦牙片一般为陶瓷材质，为非溶解材质，如果压裂层数较多，入井桥塞数量也多，这样会导致不能溶解的部分在井底出现堆积，堵塞井眼，影响排液，影响测试数据的求取。

3 结束语

1）单层压裂测试管柱测试工具完备，地质资料获取齐全，但压裂规模受限，不能对薄互层地层进行精细改造。

2）分层压裂测试管柱可实现各层精细改造，提高改造规模和效果。但是分层压裂管柱结构复杂，工具繁多，压裂施工风险高。