篩管內射孔壓裂一體化工藝研究與應用

張云馳，劉鵬，崔國亮，楊生文，季菊香，王丙剛

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

目前，渤海油田疏松砂巖油藏多采用篩管完井進行防砂，隨著包括綏中36-1油田、錦州9-3油田等化學驅油田的開發，化學驅開發后期見效井出現明顯近井地帶堵塞導致減產，自2018年起采用的過篩管壓裂增產措施油井增產效果顯著[1-5]，但目前過篩管壓裂采用填砂射孔壓裂一趟一層的工藝技術，即通過TCP射孔方式將篩管射開后，先將射孔管柱提出，再下入壓裂管柱進行壓裂，作業整體時效低，施工成本高[6-10]，海上已進行幾十口井的過篩管壓裂施工，施工層數一般不超過2層，如果后期進行3層以上的過篩管壓裂施工，按照現有的工藝一層進行一次射孔和壓裂，則3層壓裂施工需要6趟以上的管柱來完成，施工作業周期過長，且施工層數越多，過篩管壓裂工藝的性價比較低；另一方面為了保證疏松砂巖的壓裂效果和篩管孔眼封口的可靠性，防止后期出砂，需要在壓裂過程中保持較大排量和高砂比，最高砂比達到60%[10-13]，砂比過低則無法對中高滲地層形成有效裂縫，砂比過高則對壓裂工藝和壓裂工具提出新的挑戰，比如內徑過小的噴砂孔容易被高砂比壓裂液堵塞。

為降低射孔成本，減少壓裂施工趟數，研究了篩管內射孔壓裂一體化工藝，該工藝可以將管柱一趟下入，通過上提下放管柱完成射孔和壓裂，且砂埋管柱風險較低。

1 篩管內射孔壓裂一體化工藝

該工藝適用于篩管完井，管柱包含篩管外部分和篩管內部分（如圖1）。篩管外部分主要包含反洗閥和RTTS封隔器，反洗閥在環空壓力達到15 MPa時開啟，實現反洗井；RTTS封隔器用于井控需要，防止壓裂時K344失效導致壓裂液涌入井口。篩管內部分主要包含K344封隔器、投球滑套、水力噴槍和單流閥，K344坐封于分層封隔器的密封筒內，與分層封隔器配合實現篩管內分層，實現分段壓裂；水力噴槍用于射開篩管，由于水力噴槍的噴嘴內徑較小，為避免被高砂比壓裂液堵塞，因此水力噴槍僅用于射孔，不用于壓裂，壓裂靠噴砂滑套來完成，噴砂射孔時，投球滑套處于關閉狀態，射孔結束后，投球可打開投球滑套，露出噴砂口，同時球和球座封堵壓裂通道，防止壓裂液進入下面的噴砂射孔槍內。為保證壓裂后期對射開的篩管進行封口，壓裂后半程所用的支撐劑為覆膜砂，且需要通過大排量和高砂比實現端部脫砂，保證后期生產時不出砂。該工藝的施工步驟如下：1）下入壓裂管柱至最下層，調整管柱至設計噴孔位置，旋轉下壓坐封RTTS封隔器；2）井口投球至單流閥，進行噴砂射孔，射開篩管，可多次拖動射孔，滿足壓裂通道要求；3）上提解封RTTS封隔器，上提管柱，確保管柱未在射孔中被砂埋；4）將管柱下入原位，坐封RTTS封隔器；5）井口投球，正打壓打開投球滑套；6）進行最下層壓裂，正擠前置液、攜砂液和頂替液；7）上提管柱解封RTTS封隔器，靜置候凝滿24 h，確保覆膜砂可以完全凝固，期間需頻繁上提下放管柱，保證管柱未被砂埋；8）旋轉下壓坐封RTTS封隔器，環空打壓開啟反循環閥，進行反洗井；9）提出壓裂管柱到井口，重復上述步驟完成上一層的壓裂作業。

圖1 篩管內射孔壓裂一體化工藝圖

2 篩管內射孔壓裂一體化工藝特點

1）通過RTTS封隔器和井口防噴器配合實現井控安全，不需要按照壓裂井口；

2）通過多次拖動噴砂射孔代替常規TCP射孔，大幅降低施工成本；

3）通過噴砂射孔和噴砂滑套聯合使用，在減少一趟施工管柱的前提下滿足高砂比的施工要求；

4）在K344封隔器封隔情況下進行水力噴砂射孔，射孔產生的砂子最終也會被壓入地層。

3 關鍵工具

投球滑套結構如圖2所示，技術參數如表1所示，該工具由上接頭、防松釘、可溶球、球座、O形圈、剪釘、噴嘴和下接頭組成，上接頭與下接頭通過三角螺紋連接，通過O形圈實現密封，硬質合金材質的噴嘴位于上接頭和下接頭之間，噴嘴上的噴砂口與下接頭噴砂口配合，實現噴砂作業，可溶球與球座配合，投入可溶球以后，當壓力升至預設值，可溶球與球座有向右移動趨勢，剪斷剪釘，露出噴砂口。作業施工時，該工具與噴砂射孔槍連接，下井時該工具未投球，噴砂口處于關閉狀態，可以承受高壓，可以實現該噴砂射孔槍的噴砂射孔，射孔完成后，通過投入可溶球于球座上方，打壓液壓，當壓力達到13～15 MPa時，可溶球與球座將剪斷剪釘，向右移動，露出噴嘴的噴砂口，接著進行壓裂，壓裂液從噴嘴的噴砂孔噴入井底，進入地層，該工具的球座材質選擇合金鋼42CrMo，表面進行氮化處理使硬度達到50 HRC以上，防止噴砂射孔過程球座被沖蝕，具有較強耐磨性，噴嘴材料為YG8合金，可滿足60 m3以上的過砂量[14-15]。

表1 投球滑套技術參數

圖2 投球滑套結構原理圖

4 過篩管射孔試驗

為驗證施工中射孔槍可以同時射穿篩管基管和外層套管及水泥環，進行了過篩管水力射孔試驗，通過周期性地向負壓加砂裝置內加砂，壓裂車將砂液混合后打入噴槍內，油噴嘴射出，砂比控制在8%左右，排量控制在140～170 L/min，加砂量約為8～10 kg/min。靶件制作如下：取10根套管（每根0.6 m）和篩管（每根0.6 m），然后按照圖4做外面有水泥環、中間有扶正塊的完井樣段，具體尺寸如下：套管外徑為244.5 mm（9-5/8 in），內徑為220.5 mm，鋼級為N80，長度為600 mm；篩管基管外徑為139.7 mm，鋼級為N80，內徑為124 mm，長度為600 mm；套管和篩管之間加工一個扶正環，外徑為215 mm，內徑為161 mm，長度為20 mm；（內有塑料薄膜的）外層管內徑為285.75 mm（11.25 in），外徑不小于293 mm，長度為600 mm。水泥凝固后，將外層管取出。

試驗結果：當泵的排量為140～148 L/min時，泵轉速為1000 r/min，壓力為20～21 MPa，如圖5所示。當泵的排量為154～162 L/min時，泵轉速為1100 r/min，壓力為24～25 MPa。加砂量為8～10 kg/min。噴射2 min后，5.5 in內套管被射穿，4 min后水泥環被穿透，說明水力射孔可以短時間將篩管、套管及水泥環射開。

5 現場應用

渤海油田某井油藏套管外徑為244.5 mm，內部采用基管為139.7 mm的篩管完井，篩管之間通過分層封隔器分成上下兩層，該次施工僅對最下層進行壓裂，管柱構成從下到上：單流閥+過濾管+水力噴槍+接球器+投球滑套+外徑為112 mm的K344封隔器+外徑為210 mm的RTTS封隔器+反洗閥+外徑為88.9 mm油管，旋轉下壓坐封RTTS封隔器，倒正擠流程，測試地層吸液穩定后，井口投球（40.75 mm），小排量送球到位，進行噴砂射孔，射孔最大排量為2 m3/min，最大泵壓為35.3 MPa，砂比為6%～10%，期間環空壓力保持5 MPa；井口投球，小排量送球到位，正打壓打開投球滑套，然后進行壓裂，壓裂時井口最高脫砂壓力為29.35 MPa，砂比為15%～60%，期間環空壓力保持5 MPa，施工壓力曲線如圖3所示。

圖3 壓裂曲線

6 結論

1）篩管內射孔壓裂一體化工藝可通過RTTS封隔器和井口防噴器實現井控安全，無需安裝壓裂井口。

2）該工藝通過將水力噴槍和投球滑套配合使用，實現射孔管柱和壓裂管柱的集成，成功節省一趟管柱。

3）該工藝通過端部脫砂和化學防砂相結合的方式保證篩管被射開的孔可以被封堵，防止壓裂后出砂。

4）對于疏松砂巖，在封隔器封隔情況下水力射孔仍可順利實施，射孔產生的砂子可作為支撐劑被擠入地層。