无限级固井滑套分压工具研制与现场试验

刘海龙, 赵文龙, 孙 新, 孟剑波, 王 磊, 田志华, 韩光耀

(1.新疆油田公司 工程技术研究院, 新疆 克拉玛依834000; 2.新疆油田公司 新疆昆仑工程咨询公司, 新疆 克拉玛依834000; 3.新疆油田公司 开发公司, 新疆 克拉玛依834000)

非常规油气由于具有储层致密、物性差和丰度低等特点,采用常规开采技术无法达到有效开发的目的。分层压裂是实现非常规油气藏均匀充分改造、提高油气井产量的主要措施之一[1-5]。随着油田勘探开发的深入,储层物性逐渐变差,对精细分层改造需求越来越高,分压层数、施工排量和加砂量不断增大,传统的油管封隔器+投球滑套分压管柱工艺逐渐暴露出处理层数不足、管柱工具冲蚀严重、压后管柱断脱、封隔器砂卡风险大等问题[6-7]。

近年来,国内外先后开展了无限级固井滑套分压工艺研究。赵铭[8]等对比了桥塞射孔联作和无限级固井滑套2种分压工艺的优缺点,固井滑套工艺在水马力需求、作业效率、产量等方面具有优势;李梅、杨文波、王汤等[9-11]阐述了固井滑套工艺原理、在国内油气田的应用情况及现场异常工况应对措施;朱和明[12]研制了1种可开关固井滑套,并开展了球座高压密封及耐冲蚀技术、反复过孔高压密封技术、滑套锁紧限位技术、开关工具定压节流启动技术、开关显示技术等关键技术研究;罗建伟等[13]设计了1种可实现液压开启和机械关闭的固井滑套以及配套的关闭工具,在室内测试成功。新疆油田于2017年引进了无限级固井滑套分压技术,在水平井中开展现场先导试验,取得了较好的应用效果[14]。但是,进口工具的费用高昂,不利于在直井、定向井中推广。为此,新疆油田公司开展了无限级固井滑套分压工具的研制及试验,以降低工具成本,实现低渗致密油气藏直井、定向井的充分改造和效益开发。

1 管柱结构及工艺

油层套管下入前,根据电测结果分析确定各级固井滑套下入位置,然后将固井滑套与油层套管一起下入,并固井、完井,如图1所示。压裂作业时,通过连续油管下入如图2所示的滑套开启工具串,自下而上依次开启各级滑套,进行分层压裂。压裂结束后,提出连续油管和滑套开启工具串,即可放喷投产。

1-油层套管;2-固井滑套;3-浮鞋(浮箍)。

1) 导向头。端部为球面或楔形结构,周向设置扶正块,实现导向功能,便于工具串下入。

2) 泄流短节。孔眼处装有破裂盘。开启第1级滑套时,破裂盘爆破,为液体提供泄压通道,利于封隔器下行。

3) 滑套定位器。采用机械定位方式。本体上设置定位块,并沿轴向开槽,使其具有弹性。滑套定位器经过滑套内部变径处时,定位块张并开嵌入。脱离时需要增加一定拉力,使定位块收缩,此时可通过地面连续油管悬重变化判断滑套位置。

4) 封隔器。通过上提、下放连续油管,进行坐封、解封。坐封在滑套内筒后,在上部加压产生活塞效应,封隔器卡瓦卡住,推动内筒下行并开启滑套。同时,该封隔器封隔下部层段,避免段间干扰。

5) 平衡阀。通过上提打开,下压关闭。封隔器坐封时关闭,隔离下部地层压力;封隔器解封时,连续油管上提,打开平衡阀(因开关机构截面积较小,开启所需克服液注压力的上拉力较小),平衡胶筒上下压差,便于封隔器解封。

6) 喷枪。由高硬度本体和耐磨喷嘴组成。液体在喷嘴的截流下形成高速射流流体,在固井滑套无法开启时可进行喷砂射孔,免丢段。同时,在压裂过程中用于连续油管补液,避免环空压裂砂进入连续油管。

7) 扶正器。与引鞋、定位器弹性定位块配合,使工具串保持相对居中,防止下入过程中发生磨损。

8) 安全接头。工具串因沉沙、套管变形等影响而无法顺利提出时,可通过增大连续油管上拉力,剪断安全接头上的销钉,实现分离。提出连续油管及上部工具后,再进行落鱼打捞。

9) 连续油管连接器。用于连接连续油管和下部工具串,按结构可分为外卡瓦式、内卡瓦式、螺钉式等。

2 配套工具研制

2.1 无限级固井滑套

无限级固井滑套结构如图3所示,主要由上接头、内滑套、连接筒、下接头等组成。上接头设计6道条形通孔,作为压裂端口。压裂时,滑套开启工具带动内滑套下行,露出孔道,可进行环空加砂压裂。压裂端口总过流面积与油层套管内截面积相近,压裂过程中不会产生孔眼节流压差而导致施工压力增大。滑套开启前,内滑套下部与下接头连接形成的台阶作为滑套定位槽。滑套定位器经过时,通过拉力变化确定滑套位置。无限级固井滑套设计参数如表1所示。

2.2 滑套开启工具

无限级固井滑套开启工具串结构如图4所示。因连续油管连接器和安全接头是连续油管作业的必备工具,施工队伍均已成熟配备。因此,本文主要研制了扶正器、喷枪、平衡阀、封隔器、滑套定位器、泄流短节和导向头共7种滑套开启关键配套工具。设计参数如表2所示。

1-扶正器;2-喷枪;3-平衡阀;4-封隔器;5-滑套定位器;6-泄流短节;7-导向头。

图5 无限级固井滑套室内承压试验曲线

1) 扶正器。由两端扶正块和中间短节通过螺纹连接组成,便于扶正块加工,同时当扶正块发生磨损时可单独更换,降低工具维护成本。

2) 喷枪。包含4个喷嘴。本体外部装有硬质合金保护套,在滑套无法正常开启并进行喷砂射孔时,可以保护喷枪不受返溅冲蚀损伤。

3) 平衡阀。内部阀杆设计排砂槽,压裂后可通过循环液体将沉降在阀内的砂子冲出,避免开关困难及密封失效。

4) 封隔器。通过上、提下放管柱,实现坐封、解封。设计坐封力约为20～30 kN,当井斜或狗腿度较大时,连续油管仍可施加足够的坐封压力。

5) 滑套定位器。最大外径大于套管内径,下入过程中与套管壁紧贴,可收缩至与开启工具串其他工具最大外径一致,不影响正常下入,定位挂卡力约5 kN±2 kN ,可在地面明显观察到连续油管悬重变化。

6) 泄流短节。安全2个破裂盘,破裂压力10 MPa±0.5 MPa,低于固井滑套开启压力。

7) 导向头。端部为球面结构,周向设置6个扶正块,最大外径与扶正器一致。

3 室内试验

3.1 滑套承压试验

将无限级固井滑套一端用堵头封堵,另一端连接打压接头。加压至70 MPa,稳压30 min无渗漏,如5所示,表明滑套承压性能达到设计要求。

3.2 滑套开启试验

设计了无限级固井滑套开启试验工装(如图6所示),可以实现开启工具串在滑套内移动、封隔器坐封和环空打压功能。将固井滑套、开启工具、试验工装连接好,置于卧式拉压试验装置中(如图7所示),上提滑套开启工具,重复2次,经过滑套定位槽时拉力变化分别为4 kN 和6 kN ;下放到施加压力20 kN,滑套开启工具无位移,表明封隔器已坐封。连接加压管线,加压至11.73 MPa时压力突降,如图8所示,同时滑套压裂端口出水,表明开启工具定位,坐封及滑套开启性能达到设计指标。

图7 无限级固井滑套室内开启试验装置

图8 无限级固井滑套室内开启试验曲线

4 现场试验

4.1 试验过程

研制的无限级固井滑套分压工具现场试验2口井,分8个层位压裂,滑套全部成功开启,压裂施工成功率100%。以5DXX37井为例,该井完钻井深1 903 m,设计分6层压裂改造,平均层间距21.08 m,施工排量3.5～5.0 m3/min,总加砂量70 m3。固井滑套顺利入井并完成固井作业,各级滑套平均开启压差13.7 MPa,平均转层时间(上一层压裂施工结束至下一层压裂施工开始时间)13.4 min,1 d内完成全井6层压裂施工,并按设计完成加砂量。提出开启工具检查,定位器、封隔器均未见明显损伤,具备重复使用条件。5DXX37井试验数据如表3所示。

表3 5DXX37井无限级固井滑套现场试验数据

4.2 生产效果分析

5DXX37井压后自喷生产平均日产油4.5 t,51 d累计产油231 t,平均含水率37%。与同区块邻井采用暂堵分压和封隔器+投球滑套分压工艺相比,平均日产油量提高2.2～2.7倍,平均含水率降低27%～35%,如表4所示。生产效果对比表明,无限级固井滑套分压工艺各层均得到充分改造;无限级固井滑套分压工艺采用定点压裂方式,改造位置精准,可以避免裂缝规模失控导致沟通水层。

表4 不同分压工艺压后生产效果对比

5 结论

1) 研制了适用于139.7 mm(5.5 in)套管的无限级固井滑套及配套开启工具。试验证明,滑套密封及开启性能达到设计指标,可以满足现场使用需求。

2) 现场试验及压后效果表明,无限级固井滑套具有施工排量大、作业效率高、压后井筒全通径、储层改造精准充分等优势,是致密油气藏高效开发的有效技术。

3) 研制的无限级固井滑套工具的成本相比引进工具大幅降低(70%以上),但连续油管设备动迁及施工费用较高。该技术适宜在分压层数较多的直井、定向井中应用,以降低单层改造成本。