在油田水力喷砂压裂中, 封隔器主要是在主压裂期间封隔油套环空, 起到上下层隔绝的效果, 长庆油田水平井作业施工排量在2.8-4m3/min, 封隔器需在高压条件下长时间、多次重复坐封、长效封隔作业。
1压缩式封隔器结构与应用原理
长庆油田范围内所使用压缩式封隔器型号为FKY-118-70型, 属Y211封隔器大类, 主要结构主要由反循环总成、平衡阀总成、密封胶筒总成、坐封支撑 (锚定) 总成构成。
压缩式封隔器工作原理为:
1.1封隔器锚定机构内部共有2组长短轨道, 当上提管柱带动封隔器中心管上移, 中心管上销钉相对行程大于0.4m, 摩擦块带动坐封支撑 (锚定) 总成完成换轨, 其轨道平面展开图如下:
换轨过程:上提管柱, 上提相对距离为时, 销钉位置由①经②至③, 下放管柱经④滑至⑤完成由长轨道换至短轨道, 当上提相对距离小于0.4m, 即销钉位置在②③之间, 下放管柱销钉回滑至①, 导致换轨失败, 由短轨道换至长轨道原理同上。
1.2坐封:当销钉滑至长轨道端, 下放管柱重量, 上下循环阀关闭, 管柱重量压缩胶筒, 压重100-120KN, 胶筒径向膨胀完成密封, 上中心管压缩抗蠕动弹簧后与上胶筒座刚性接触进而推动卡瓦椎体下移动, 撑开卡瓦, 紧贴套管壁, 起到锚定效果。
2封隔器失效、遇阻遇卡因素
在水平井压裂作业中, 封隔器失效已逐渐成为制约压裂钻具施工效率最主要因素, 导致无法压开地层;在调整钻具过程中, 封隔器遇阻遇卡, 增大井控风险, 增加水平井开发成本和周期, 严重制约着水平井开发。鉴于此, 笔者在工作中对长庆油田2014-2015年度封隔器失效及遇阻遇卡因素进行分类总结。
2.1管柱蠕动造成封隔器受损
管柱在弹性极限范围内, 由于受到自重力和其它外力作用, 管柱伸长量计算如下:
式中△L—管柱拉伸或压缩的变形量, m;
F—管柱收到作用力, N;
L—管柱长度, m;
A—管柱横截面积, ㎡;
E—管柱弹性模量, Pa, 钢材取值2.059*1011Pa。
2.2施工人员操作因素
在压裂施工中, 不规范施工对封隔器性能有较大影响, 笔者在长期的跟踪现场施工过程中发现, 部分施工人员不按设计要求操作, 如压裂后关井时间低于设计要求, 未控制放喷或放喷速度大于设计要求, 反洗井排量低于设计要求等。其导致结果是反循环洗井反洗液对封隔器胶筒产生冲蚀伤害, 同时上提钻具时胶筒与沉砂产生摩擦作用 (一般现场施工规定上提拉力不得超过35KN) , 进而导致封隔器胶筒脱落失效。
综上, 对2014-2015年度内长庆油田陕北区块钻具遇阻遇卡情况进行统计共计35例, 其中管柱蠕动类5例, 封隔器抗压性差18例, 施工人员操作不当类12例。
3压缩式封隔器与扩张式封隔器性能对比
针对封隔器在水力喷砂压裂中出现的失效、遇阻遇卡问题, 在此对压缩式封隔器与扩张式封隔器在抗性上进行对比分析。
3.1抗管柱蠕动性
压缩式封隔器利用在长短轨道间切断来实现胶筒和下端液压锚定的扩张与收缩, 其胶筒+锚定组合效果大大减少了管柱在施工过程中的蠕动量, 可以提高射孔质量, 避免放喷阶段地层吐砂对封隔器本体的伤害, 在长庆油田采油五厂塬平12-19井实现一趟工具8段完井, 起出封隔器仍有施工能力;扩张式封隔器依靠将胶筒做长以弥补管柱蠕动的缺陷, 但无法从根本上解决该问题。
3.2抗压性
压缩式封隔器坐封原理是利用胶筒上下压差及管柱自重对胶筒产生挤压, 进而胶筒坐封, 其特点保证封隔器一旦坐封, 当胶筒上下存在作用力差值, 不会自行解封, 保证了在压裂施工高压作用环境下, 胶筒坐封性能的稳定性, 大大降低井控风险。胶筒坐封应力计算公式如下:
式中P上—胶筒上端作用压强, MPa;
P下—胶筒下端作用压强, MPa, ;
A—环空横截面积, ㎡;
G—管柱重力, N
F拉—通井机上提挂钩拉力, N
f—胶筒与套管壁华东摩擦力, N
扩张式封隔器坐封原理是胶筒内外压差大于2MPa时, 依靠压差产生作用力使胶筒坐封, 其传压通道位于中心管上, 在压裂施工中, 传压机构直接与高压液体接触, 使封隔器抗压性降低。
4结语
在长庆油田水平井水力喷射压裂中, K344扩张式封隔器以其操作简单、成本低廉等优点, 占领较大市场份额, 但随着水平井开发转向追求大排量、高砂比的裂缝改造趋势, 压缩式封隔器采用胶筒密封加卡瓦锚定方式坐封, 为减少钻具遇阻遇卡, 提高水平施工效率方面提供可行性, 有较好的推广前景。
摘要：在油田水平井水力喷砂压裂过程中, 封隔器性能对压裂施工起到至关重要作用, 封隔器遇阻卡钻不仅会延长施工周期, 增大井控风险, 严重导致油井报废。目前, 在长庆油田范围内, K344-108型钢带式封隔器已得到大面积推广使用, 但存在施工效率低、易卡钻问题, 通过引入压缩式封隔器, 掌握压缩式封隔器在水力喷砂压裂施工及上提管柱参数, 以达到提高施工效率、降低卡钻风险的效果。
关键词：压裂,封隔器,压缩式,失效,上提
参考文献
[1] 吴奇.水平井水力喷砂分段压裂技术.石油工业出版社, 2013 (04) .
[2] 朱果文.压裂施工技术能手.石油工业出版社, 2010 (6) .
[3] 王治国, 樊红旗.封隔器卡钻原因分析.石油矿场机械, 2007 (11) .