不动管柱多层压裂及排液一体化工艺技术研究与应用

【摘要】为满足探井试油需要，研究了不动管柱多层压裂及排液一体化工艺技术。该技术包括3种形式：压裂两层及排液一体化管柱、选择压裂一层及排液一体化管柱及选择压裂两层及排液一体化管柱。该技术利用一趟管柱，对一个或两个层实施压裂，并在不动管柱的前提下，实现压后排液求产；同时通过管柱的结构设计与井下工具的合理设计，实现井下压力监测与压后井温测试，形成了集压裂、排液、求产、测压、测井温等于一体的完整配套的工艺技术。该技术使试油工序衔接得更加紧密，既可减少压裂液对储集层的浸泡时间，降低储集层的损害程度，又可降低作业成本，改善作业环境，实现绿色施工，具有广泛的推广应用前景。

【关键词】不动管柱压裂 多层压裂 排液 井温测试

目前大庆油田探井储集层多为低渗透油层，单层厚度小、层数多，通常一口井中含有两个或两个以上需要压裂的油层。开发井可以采用投球打套的方法一套管柱压裂多层；而探井需要测试压裂前后的井温、排液求产，不能采用开发井的压裂方法，因此需要研究一种新型工艺，满足探井试油需求。现有的多层压裂工艺是：压完第一层后，上提管柱逐层进行压裂，然后起出压裂管柱，再下入排液求产管柱，不仅劳动强度大、施工周期长，而且上提管柱过程中，油管内喷出的压裂液污染地面，不利于地面环保和人身健康，同时也会影响压裂液反排量的准确计量。

本文针对上述问题，研究出不动管柱多层压裂及排液一体化工艺技术。该技术可实现不动管柱多层压裂、压后排液求产以及压后井温测量，使试油工序衔接得更加紧密，进而缩短压裂液对储集层的浸泡时间，降低储集层的损害程度，缩短施工周期（单井缩短压裂时间4h、起压裂管柱和下排液管柱作业时间10h），减少作业费用，减轻工人的劳动强度，实现绿色施工，具有广泛的推广应用前景。

1 工艺原理

不动管柱多层压裂及排液技术包括压裂两层及排液一体化管柱、选择压裂一层及排液一体化管柱、选择压裂两层及排液一体化管柱3种形式，其工艺原理分别陈述如下。

1.1 压裂两层及排液一体化管柱

该技术是利用一趟管柱完成两个层的压裂，并在不动管柱的前提下，实现压后排液求产；同时通过管柱的结构设计与井下工具的合理设计，实现井下压力监测与压后井温测试，形成了集压裂、排液、求产、测压、测井温等于一体的完整配套的工艺技术。

其工艺原理为：管柱下至预定位置后，地面投球打压，使水力锚锚定、封隔器逐层坐封到位，然后，剪断销钉，使滑套快速下行，打开喷砂口，此时地面打入压裂液，实现对下部油层的压裂。对第一层实施压裂后，地面投杆，打开控制开关，同时封堵下层，实现对上一层的压裂。当压裂结束后，地面放喷，此时井下开关在地层压力的作用下反向打开，实现两层不动管柱的压后排液。如果出现砂堵，可通过反打压使封隔器上的反循环阀打开，进行反循环洗井解除砂堵。排液后期，若地层压力较低，不能自动打开控制开关，此时用打捞投杆的方式实现合排求产。

1.2 选择压裂一层及排液一体化管柱

该技术是利用一趟管柱，在井下已有多个射开层的条件下，选择一层压裂，并在不动管柱的前提下，实现压后排液求产；同时通过管柱的结构设计与井下工具的合理设计，实现井下压力监测与压后井温测试，形成了集压裂、排液、求产、测压、测井温等于一体的完整配套的工艺技术。其工艺原理为：管柱下至预定位置后，地面打压，使水力锚锚定、封隔器逐层坐封到位，然后，地面投杆，打开控制开关，捞杆，实现对上层的压裂。1.3 选择压裂两层及排液一体化管柱

该技术是利用一趟管柱，在井下已有多个射开层的条件下，选择压裂两层，并在不动管柱的前提下，实现压后排液求产；同时通过管柱的结构设计与井下工具的合理设计，实现井下压力监测与压后井温测试，形成了集压裂、排液、求产、测压、测井温等于一体的完整配套的工艺技术。

其工艺原理为：管柱下至预定位置后，旋转座封下部封隔器，地面投球打压，使水力锚锚定、封隔器逐层坐封到位，然后，剪断销钉，使滑套快速下行，打开喷砂口，此时地面打入压裂液，实现对下部油层的压裂。对第一层实施压裂后，地面投杆，打开控制开关，同时封堵下层，实现对上一层的压裂。

1.4 主要工具的技术参数

封隔器是主要的井下工具，其最大外径为115mm，通径为44 mm，耐压差为50MPa，耐温120℃。

2 理论计算

2.1 试油管柱静力分析的多向接触摩擦间隙元理论方法

根据井眼轴线形态和管柱组合结构，先用一般有限元法把管柱沿轴线离散为若干个空间直梁单元，然后在管柱的每个直梁单元的节点处设置一个间隙元。

在各种载荷作用下，管柱在井眼内将发生拉伸、压缩、弯扭组合变形。同时，管柱将与井壁发生多向随机接触，其接触状况将通过管柱上的空间静力多向接触摩擦间隙元来描述。

在管柱静力分析模型中，采用了以下基本假设：①井眼内壁是刚性的，井眼及管柱横截面是圆形和圆环形的。井眼直径随井深可以分段任意变化，但每一段井眼直径是不变的。②管柱是弹性变形体，变形前管柱轴线与井眼轴线重合，管柱外表面与井壁之间有一定的初始间隙，变形后管柱与井壁之间可能在圆周0～360b的某一方向上发生接触。其接触变形属于弹性变

形范围，接触位置随机分布，接触处有接触反力和摩擦阻力作用。③井眼轴线为一条任意曲率的空间螺旋线，其形状由井深、井斜角和方位角数据确定。④管柱的结构和尺寸可以任意变化，但每一段管柱必须是等截面的。⑤忽略所有动态因素的影响。

2.2 关键工具的性能指标

控制开关是整个管柱的关键工具，其外径为95mm，内径为48mm，材料为45#钢，抗拉强度（R）为650MPa，安全系数取1.3，则许用应力[R]=500MPa，对应的许用拉（压）力F=[R]S=2419kN（S为控制开关的截面积），许用抗外挤压为61.2MPa，许用抗内压为65.3MPa。

2.3 管柱内力计算与分析

采用修正的Newton-Raphson迭代法，交替修正间隙元刚度和节点力，这种迭代法适用于解决管柱这类有初始间隙的接触非线性问题，能大大提高收敛速度，节省迭代运算时间。按照理论计算编制软件，对大庆长垣A366-63井的管柱数据进行了计算，结果见表1。同时对管柱（尤其封隔器上端应力最集中部位）的受力情况及抗压强度作了分析和校核。可知，井下工具各项指标在预定深度所处的压力都在许用范围内，因此认为该管柱的结构设计满足强度要求，不会发生变形及损坏，可以进行现场试验。

3 结论

不动管柱多层压裂及排液一体化工艺技术是集压裂、排液、求产、测压、测井温等于一体的完整配套的工艺技术。经过理论计算、室内实验和现场试验认为其设计科学合理，工艺切实可行，解决了困扰试油工作多年的压裂多层上提管柱及排液一体化的难题，使试油工序衔接得更加紧密，可缩短施工周期，减少作业费用，改善工人的作业环境，减轻工人的劳动强度，实现绿色施工。该技术满足了生产需求，具有明显的社会效益、经济效益和广泛的推广应用前景，有助于生产力的提高，有力地推进了勘探压裂工艺技术的发展和进步。