薄互层低渗透油藏分层压裂管柱研究与应用

吕 玮

(中国石化胜利油田分公司，山东 东营 257000)



薄互层低渗透油藏分层压裂管柱研究与应用

吕 玮

(中国石化胜利油田分公司，山东 东营 257000)

针对胜利油田套管内封隔器机械分层压裂工艺存在的压裂后砂埋砂卡管柱、工具刺坏等问题，研制了以YQK344-113型滑套封隔器为核心的精细分层压裂工艺管柱。该管柱具有密封压差高、滑套喷口耐冲蚀、可全井段反洗井等特点，可实现2～4层分层压裂施工，满足了薄互层低渗透油藏细分层、高排量、大规模压裂施工的要求。现场成功应用15井次，有效提高了分层压裂的工艺可靠性和经济效益。

低渗透；分层压裂；YQK344-113滑套封隔器；YFS-113型压裂防砂卡水力锚；反洗井

0 引 言

胜利油田薄互层低渗透油藏储层具有埋藏深、物性差、泥砂交互、层多、层薄、非均质性严重等特点[1-3]，为了提高动用程度和开发效益，前期采取了分层投球限流压裂和管内封隔器机械分层压裂等工艺措施，在现场实施中相继暴露出了分层效果差、砂卡砂埋管柱、刺坏工具和油管等问题[4-7]，为此开展了薄互层低渗透油藏分层压裂工艺管柱的研究，优化了管柱结构，研制了喷砂投球一体化的YQK344-113滑套封隔器，可实现全井段反洗井，一次管柱可连续完成2～4层的分层压裂施工[8-10]；同时对出砂口进行材质优选和结构优化，大幅度提高了耐冲蚀能力，满足了薄互层低渗透油藏精细分层、大规模压裂改造、管柱安全可靠等技术要求。

1 工艺管柱

1.1 管柱结构

薄互层低渗透油藏分层压裂管柱主要由安全接头、YFS-113型压裂防砂卡水力锚、YLK344-113压裂封隔器、YQK344-113滑套封隔器、单流阀等工具组成(图1)。

图1 薄互层低渗透油藏分层压裂工艺管柱

1.2 工艺原理

根据压裂井的地质、测井、钻完井资料和分层改造要求设计和配接分层压裂工艺管柱，YQK344-113滑套封隔器应尽量控制在距射孔位置2～5 m处，封隔器和水力锚均应避开套管接箍位置，最下一

级滑套封隔器的喷砂口处于打开状态。管柱下入井内设计位置后，从油管内小排量替前置液至油层位置，然后加大排量，利用喷砂器的节流压差坐封全部YQK344-113滑套封隔器及YLK344-113封隔器，按设计实施第1层压裂。之后投入对应规格的低密度球至第2级YQK344-113滑套封隔器的滑套球座位置，打压剪断滑套销钉，滑套下行打开喷砂口，实施第2层压裂。依次投入相应规格的低密度球打开各级滑套，实施分层压裂。压裂完成后，泄压解封各级封隔器，放喷求产。当需要起出井内压裂管柱时，进行全井段反洗井，保证环空无沉砂，安全起出压裂管柱。

1.3 技术参数

一次管柱最多分层(段)数为4层；工作温度为150℃；工作压差为70 MPa；适用Ø139.7 mm套管。

2 关键技术

2.1 YQK344-113滑套封隔器

2.1.1 结构及工作原理

YQK344-113滑套封隔器主要由上接头、弹簧、喷砂体、喷砂口保护机构、滑套、密封胶筒、坐封机构、下接头等组成(图2)。

工作原理：将喷砂体和封隔器优化整合，喷砂体上的喷砂口隐藏于喷砂口保护机构内。压裂时，坐封机构控制扩张式胶筒膨胀坐封，实现分层封隔；投低密度球到达球座处，加压打开滑套，此时喷砂口保护机构在压差作用下完全开启，保证压裂过程中喷砂口无障碍出砂；压裂完后泄压，密封胶筒回收，封隔器解封，此时喷砂口保护机构关闭，可以实现全井段反洗井，冲洗出环空内压裂砂，保证工具及压裂管柱的顺利起出。

图2 YQK344-113型滑套封隔器结构

2.1.2 技术特点与优势

(1) 研制了新型高温橡胶密封材料，优化设计了带有加强筋的扩张式密封胶筒结构，实现了重复坐封条件下的耐高压、耐高温要求。

(2) 设计了喷砂口保护机构，在压裂过程中靠压差完全打开，保证喷砂口无障碍出砂，避免压裂砂刺坏喷砂口保护机构及喷砂口，对工具和套管提供有效保护。压裂后封隔器解封，喷砂口保护机构自动关闭喷砂口，可以实现全井段反洗井，保证压裂管柱一次从井内起出，避免了砂卡风险，降低了作业成本。

(3) 设计了耐磨合金材质球座，增加了分层级数，满足在施工排量为5 m3/min、单层加砂50 m3等条件下，一次管柱分4层压裂的需要。

2.1.3 性能参数

启动压差不大于1.5 MPa；工作温度为150℃；工作压差为70 MPa；滑套开启压差为10 MPa；球座级差为4 mm。

2.2 喷砂口优化设计

2.2.1 喷砂口形状的优化

选择椭圆形、圆形、长方形3种喷砂口形状，进行了流场速度矢量、流道压力云图和颗粒运动轨迹等对比(图3)。由图3可知：在相同截面积以及施工条件下，在喷砂口处以及附近区域冲蚀磨损最为严重的结构是长方形结构，其次是圆形结构，冲蚀最轻的是椭圆形结构。因此，工具的喷砂口选为椭圆形结构。

2.2.2 喷砂口数目的优化

在保证喷砂口总面积不变的情况下，建立了4种模型：喷砂口为2个(圆周相位角180°分布)、4个(圆周相位角90°分布)、6个(圆周相位角60°分布)和8个(圆周相位角45°分布)，见图4。

通过对流场速度矢量、流道压力云图和颗粒运动轨迹等对比表明：孔数增加，喷砂工具的耐冲蚀磨损性能得到提升，但综合考虑喷砂口磨损情况以及冲坏时间，在保证喷砂口面积以及抗拉强度的情况下，六孔模型具有最好的耐冲蚀磨损性能。

图3 不同喷砂口形状速度矢量

图4 喷砂口结构示意图

2.2.3 喷砂口材质的优选

喷砂口材质对其耐磨性有很大影响，通过对各种耐磨材料冲蚀磨损率的实验分析对比(表1)，最终优选了内嵌式结构的超高强度合金材料，该材料强度高，耐高压，可提高喷口的耐冲蚀能力。

表1 喷砂口材质性能参数

2.3 YFS-113型压裂防砂卡水力锚

2.3.1 结构及工作原理

针对常规水力锚在压裂施工时锚爪内腔容易进砂和存砂造成锚爪复位困难的问题，研制了YFS-113型压裂防砂卡水力锚。主要由本体、锚定机构、防砂机构、下接头等组成。其中防砂机构由多层金属滤砂网、带孔芯管、中心衬管以及橡胶密封等组成(图5)。

工作原理：压裂时，液体由防砂网经中心衬管与本体环空进入各个锚爪锚定机构，在压差作用下使锚爪伸出，锚定在套管内壁上。压裂完后，随着工具内外压差的消失，在弹簧作用下锚爪复位，解除锚定。

2.3.2 技术特点与优势

(1) 设计了防砂机构，使得进出锚爪内腔的液体通过挡砂滤网过滤，可有效防止压裂砂等杂质进入锚爪内腔而导致锚爪卡死等事故的发生。

(2) 在水力锚本体上设计了凹槽结构，增加了环空过流面积，减少了管柱起下、洗井等措施的环空摩阻。

(3) 与原有常规水力锚相比，增加了锚爪数量，提高了锚定力，减轻了对套管的局部损坏。

图5 YFS型防砂卡压裂水力锚结构

2.3.3 技术参数

启动压差为1.5 MPa；密封压差为70 MPa；工作温度为150℃；挡砂精度为60～100 μm。

3 现场应用

自2014年12月以来，薄互层低渗透油藏分层压裂管柱在胜利油田试验15口井，施工成功率为100%。压裂过程中封隔器密封良好，分层可靠，滑套打开正常，压裂后能实现全井段反洗井，管柱能够顺利起出，起出后观察工具无明显的刺坏等损坏现象。压裂后平均单井日产油为9.8 t/d，是同区块常规压裂井的1.5倍，增产效果明显，较好地满足了薄互层低渗透油藏分层压裂的工艺需要。

典型井例：B435-A井，目的层为低孔、特低渗透储层，主力含油砂体为沙四上，孔隙度为10.2%，渗透率为1.8×10-3μm2，地层温度为140～150℃，压力系数为1.2，完钻井深为3 580 m，采用Ø139.7 mm套管固井完井。该井测井解释储层非均质性强、物性差，层间跨度大，需分层压裂改造以提高产能。第1层设计加砂30 m3；第2层设计加砂40 m3；第3层设计加砂50 m3。该井分层压裂施工顺利，封隔器密封良好，投球打开滑套显示正常，3段共累计加砂120 m3，最高排量为4.7 m3/min，最高砂比为50%，最高施工压力为69.5 MPa。该井压裂后平均日产油为12.9 t/d，含水为22%，已累计产油4 500 t，增产效果显著。

4 结 论

(1) YQK344-113滑套封隔器，在压裂过程中喷砂口保护机构能完全开启，减缓喷口冲蚀，压裂后自动关闭，实现全井段反洗井，有效解决了原有压裂滑套冲蚀损坏、砂埋等问题。

(2) YFS-113型防砂卡压裂水力锚具有锚定可靠、防砂卡、环空过流面积大的优势，防止了管柱蠕动，提高了分层密封可靠性和管柱安全性。

(3) 薄互层低渗透油藏分层压裂工艺技术具有密封压差高、滑套喷口耐冲蚀、可全井段反洗井等特点。现场试验应用15口井表明，可有效提高分层压裂的工艺可靠性，满足了薄互层低渗透油藏精细分层、大规模压裂施工和安全高效的要求，已成为胜利油田下步重点推广应用技术。

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编辑 孟凡勤

20150226；改回日期：20150516

国家重大专项“胜利油田薄互层低渗透油田开发示范工程”(2011ZX05051)

吕玮(1977-)，女，工程师，2006年毕业于中国石油大学(华东)石油工程专业，现从事采油工艺、压裂完井工艺的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.04.037

TE934

A

1006-6535(2015)04-0140-04