0 引言

镇泾地区位于鄂尔多斯盆地南部的镇原、泾川境内，是中国石化华北分公司“南油北气”开发项目的重点目标探区。该地区油田以致密砂岩油藏为主，同时存在泥岩层，具备典型的低压、低渗和低产特性，必须采用水平井多级分段压裂的方式对储层进行改造，以提高该油田的规模化商业性开采。由于地层中存在泥岩层，在钻井过程中极易出现井径扩大率大和井眼不规则等情况。根据调研，ø152 mm裸眼井眼扩大率可达15%，井径长短轴差高达26%，井眼极不规则，这对裸眼封隔器的环空封隔可靠性提出了很大挑战。为了确保储层改造顺利进行，需要采用自膨胀封隔器进行封隔^[1-2]。

针对镇泾地区井眼情况，结合该地区裸眼水平井分段压裂施工工艺，优选自膨胀封隔器结构参数，在多级滑套分段压裂施工中，管串下入之后，压裂施工中泵注携砂液，砂粒会堵塞环空间隙保证层间间隔，需要针对该情况进行自膨胀封隔器封压测试，同时计量该情况下液体漏失量，防止分层失效，验证自膨胀封隔器的封压性能。在镇泾地区对自膨胀封隔器进行了多井次的现场应用，应用结果均满足现场封压要求^[3]。

1 技术分析

根据调研，镇泾地区压裂施工中，在压裂管串下入后的完井阶段多采用质量分数为2%~3%的KCl溶液作为完井液^[1]，宜采用自膨胀封隔器进行环空分段封隔。自膨胀封隔器是基于遇水膨胀橡胶遇井内液体产生体积膨胀来进行环空封隔的新型裸眼封隔器，与传统的压缩式或水力胀封式裸眼封隔器相比，无需进行地面操作即可实现封隔器胀封，可大大提高工具使用中的可靠性，节省施工时间^[4]。

1.1 结构

自膨胀封隔器主要包括基管、胶筒和端部防突保护机构，其结构如图 1所示。胶筒直接硫化于基管上，基管可根据现场要求采用任何符合API标准的套管，端部防突保护机构采用紧定螺钉固定在胶筒的两端，用于防止封压过程中胶筒的轴向移动，防止胶筒密封失效及承压过程中胶筒端部的损坏。

1.2 工作原理

自膨胀封隔器的原理是基于橡胶吸收井内水或完井液等液体发生体积膨胀，尤其适用于不规则井眼的密封，且根据不同井下液体环境选择合适的吸水膨胀橡胶作为胶筒材料，可以实现对较大环空间隙的有效封隔，对扩大率较大的井眼尤其适用。同时，自膨胀封隔器具有较长的胶筒结构，长封隔段可防止压裂过程中通过地层产生的窜层，以保证压裂封隔质量^[5-9]。

1.3 主要技术参数

封隔器最大外径146 mm，胶筒长度1 500 mm，总长2 000 mm，封压20 MPa，耐温70 ℃。

2 镇泾地区分段压裂水平井井况

三叠系延长组长8含油砂岩是镇泾地区主力产油层之一，其沉积体系为一套辫状河三角洲前缘亚相的砂、泥岩沉积。储层岩性主要为细粒砂岩，含少量中粒砂岩，由于红河油田长8油藏属于低孔、超低渗储层，虽然局部裂缝发育，水平井提高了裂缝钻遇率，但总体而言自然投产水平井无自然产能或自然产能低，且产量下降快，长8储层没有明显的边底水，因此采用水平井裸眼分段压裂技术完井。

2.1 井径条件

长8地区井身结构通常为三开结构，二开使用壁厚8.05 mm的ø177.8 mm套管固井，三开为ø152.4 mm钻头裸眼完钻，之后采用ø114.3 mm分段压裂完井。

由于镇泾地区砂岩地质条件和钻头破岩原理等原因，井眼呈不规则形状。镇泾地区普遍采用双井径曲线测井，根据双井径曲线的结果可大致计算出井眼椭圆度的情况。镇泾地区井眼不规则情况统计如图 2所示。

2.2 工具下入性分析

镇泾地区多为水平井裸眼完井，存在较大狗腿度，对工具的长度有较大的要求。自膨胀封隔器为满足压裂施工中所要求的层间封隔要求，其胶筒也需要达到要求长度，因此需要进行工具下入性校核，以对遇水自膨胀封隔器胶筒长度提出限制，满足下入性要求，保证封隔器下入的安全性。镇泾地区井眼曲率半径及狗腿度统计如表 1所示。

下入过程中为保护封隔器胶筒，封隔器在经过大曲率井段时，要求胶筒外壁不得接触井壁，避免井壁损伤胶筒，造成后期封压失效。不考虑封隔器的挠性变形，将封隔器视作刚性工具，在极限条件下进行分析。在实际下入过程中，封隔器的通过能力与两端连接管柱挠曲变形密切相关，不同胶筒长度的遇水自膨胀封隔器所能通过的最小曲率半径及最大狗腿度如表 2所示。

由表 2可知，胶筒长度为7 m的遇水自膨胀封隔器可通过的最小曲率半径为146.3 m，每30 m最大狗腿度为11.8°，在镇泾地区下入的安全系数为1.22，胶筒长度为4 m的遇水自膨胀封隔器下入安全系数为1.72，满足安全下入条件。

2.3 对封隔器封压性能的要求

在压裂施工过程中，最高封压出现在地层开始破裂时，因此需要计算出地层的破裂压力，从而选择合适的自膨胀封隔器提供层间封隔。根据镇泾地区地层破裂压力当量密度，可计算出该地区地层破裂压力，由于镇泾地区完井施工过程中井筒内为质量分数2%的KCl完井液，自膨胀封隔器在封压过程中承受地层破裂压力，同时承受环空液柱产生的平衡压力。经计算，结果如表 3所示。

2.4 镇泾地区对遇水自膨胀封隔器性能要求

镇泾地区裸眼水平井分段压裂井况及施工工艺对遇水自膨胀封隔器提出的具体要求如表 4所示。

3 压裂施工地面冲蚀模拟试验

针对上述镇泾地区对自膨胀封隔器的性能要求进行地面针对性试验。由于封隔器的封压环境为大排量冲蚀情况下的封压，在现场压裂施工过程中，会泵注大量携砂液，而携砂液需要携带支撑剂，支撑剂为直径很小的球状颗粒，虽具有导流能力，但导流能力大大下降。携砂液在加压过程中，若封隔器封压不足，则液体会沿封隔器与井筒之间的间隙流通至下一层段。自膨胀封隔器胶筒较长，胶筒与井筒接触面积较大，携砂液中的砂粒会将间隙堵塞，从而进一步提高封隔器的封压性能，因此需要验证大排量情况下封隔器的封压性能，从而为现场封隔器使用提供依据。

3.1 试验过程

设计的压裂施工冲蚀模拟试验装置如图 3所示。模拟井眼采用椭圆形套管，模拟长轴165 mm、短轴155 mm的不规则椭圆形井眼，膨胀介质采用质量分数2%的KCl溶液。在左侧封头钻开节流压差孔，孔眼直径分别为9、9和10 mm，模拟现场压裂施工过程中的节流压差对封隔器封压性能的影响。

选择封隔器胶筒长度为1.5m，静压情况下封隔器封压最高为15 MPa，采用大排量冲蚀试验，试验结果如图 4所示。

3.2 试验结果分析

在排量2.2 m³/min及以下排量冲蚀下，返出口有少量液体。达到3.2 m³/min排量下，返出口有大量液体，此时封隔器已失效。拆卸自膨胀封隔器，封隔器表面完好，无大量破碎胶皮出现。因此，自膨胀封隔器胶筒长度1.5 m，压裂现场最高可用于封隔22 MPa的压力，满足现场使用要求。

4 现场应用

遇水自膨胀封隔器在华北分公司镇泾地区多级滑套分段压裂中进行了多井次的现场应用。通过对后期压裂情况的分析可知，在所有的压裂层段，遇水自膨胀封隔器均实现了良好的封压，地层打开和压裂压力明显，各层段均没有发生窜层，封隔成功率达到100%。下面以HH36P24井为例进行介绍^[10-11]。

HH36P24井完钻井深3 439 m，根据地质分段设计，对该井水平段分10段进行压裂施工。根据测井曲线显示，在第9段和第10段封隔器处井径较大，且井眼不规则，因此下入遇水自膨胀封隔器进行封隔。2套遇水自膨胀封隔器下入深度分别为2 541和2 479 m, 坐封处井径分别为160~170 mm、160~165 mm。

该井一次性下入自膨胀封隔器2套，分别封隔第9段和第10段井径较大处。现场压裂过程中无窜层现象，施工最高压力为64 MPa，实现了良好的层间封隔。

5 结束语

针对镇泾地区的井况特点及完井工艺进行分析，优选自膨胀封隔器的结构参数。针对压裂施工过程中自膨胀封隔器的封压环境，验证了遇水自膨胀封隔器的封压性能，在多次地面试验的基础上，成功实现了自膨胀封隔器在多井次的应用。在后续研究中，将进一步提高封隔器的可靠性，完善现场施工工艺，优化管柱结构，以实现自膨胀封隔器的更多现场应用。