0 引言

胜利油田低渗透油藏储量十分丰富^[1]，截止到2016年底探明地质储量达到11.55亿t，是上产和增产的主要阵地。随着油田的不断开发，现已经进入开发中后期，工程人员对低渗透及特低渗透油藏等难动用储量的认识越来越深，开采力度也越来越大。分段压裂技术作为低渗透和薄互层油藏有效动用的重要手段之一^[2-4], 因其具有压裂层段针对性强、压裂过程连续、压裂后泄油面积大和驱油效率高、返排及时、能有效保护储层等技术优势应用规模正在逐步扩大。2015年，胜利油田实施了96口直井及定向井的分层压裂改造，实施范围涵盖了滩坝砂、浊积岩及砂砾岩3大低渗透储层类型^[5]。其中机械分层压裂改造80井次，取得了显著的应用效果，使油田的采收率得到较大提升，经济效益显著。

1 问题的提出

目前，胜利油田实施的套管内封隔器分段压裂管柱组合主要有3种：压缩式封隔器与其他配套工具组成的管柱、压缩式封隔器加扩张式封隔器与其他配套工具组成的管柱、扩张式封隔器与其他配套工具组成的管柱。

机械分层压裂工艺^[6]现场实施过程中共有12井次出现了问题，大致可归纳为5类问题。其中主要问题有2类：管柱刺断和卡管柱。管柱刺断的主要原因是：现有管柱喷砂器喷砂口由于要产生封隔器坐封所需要的节流压差，所以过流面积小于管柱内孔，压裂液流速非常高，对套管和工具的冲蚀严重，造成喷砂口的过流面积增大，节流压差作用减小或消失，导致封隔器失效，甚至导致整个管柱强度降低，在上提管柱过程中断裂；另外，现有压裂工具的材质不能更好地满足大量压裂施工的需求。卡管柱的主要原因是：封隔器长时间置于井筒温度及介质环境，致使密封胶筒强度性能降低，解封失效，胶筒无法回收，有的甚至导致水力锚锚爪与缸体之间的缝隙进入胶筒碎屑或者砂粒无法收回而使管柱遇卡；洗井液不清洁和地层出砂是砂卡的根本原因。放喷过程中有一段时间压裂液未破胶，出砂较多造成下部工具砂埋。

如何对现有直井及定向井机械分层压裂管柱进行优化和改进，研发一种可逐级解封的管内分段压裂管柱，以解决现场实施过程中存在的问题，提高管柱的安全性能，成为目前亟待解决的问题。

2 可逐级解封的管内分段压裂管柱 2.1 管柱整体方案

可逐级解封的管内分段压裂管柱结构如图 1所示，自上而下包括安全接头、水力锚、Y341封隔器、自控解封式滑套封隔器及坐封球座等^[7]。

通过坐封球座统一坐封封隔器，在打开滑套进行压裂的同时采用液压的方式自行启动该层封隔器的解封机构，解决了目前管柱起出困难或者容易被刺断，造成施工事故等问题，提高了套管内分段压裂工艺的安全可靠性。

2.2 工艺原理

将管柱按照图 1所示配接好下入到设计位置，投入坐封球，坐封所有封隔器，继续升高压力，打掉底部的坐封球座，进行第1段压裂施工。待第1段压裂施工完成后，降低排量，送入与第1级自控解封式滑套封隔器配套的压裂球，打开该封隔器上的喷砂口进行第2段压裂施工。按照此操作步骤依次压裂其他层段，压裂完成后直接上提并起出管柱。

2.3 技术特点

(1) 滑套与封隔器采用一体式结构设计，打开滑套的同时启动封隔器的解封机构，压裂完成后可直接上提管柱，无需克服解封机构的启动力，上提力小。

(2) 采用压缩式封隔器结构和耐高温胶筒，提高了管柱整体耐高温性能。

(3) 采用挡砂机构，降低了管柱砂卡的风险。

(4)ø139.7 mm (5 in) 套管内采用ø73.0 mm (2 in) 的油管连接工具进行压裂施工，压裂级数可达9段，球座与压裂球对应的尺寸关系如表 1所示。

3 主要配套工具设计

可逐级解封的管内分段压裂管柱的配套工具有水力锚、坐封球座及安全接头等。其核心配套工具为自控解封式滑套封隔器，封隔器设计要求为：①压裂过程中能够实现有效分段。②封隔器能够自行启动解封机构。③启动解封机构的情况下，封隔器能够实现有效封隔，保证施工成功率。④压裂过程中能实现对工具管串和套管的有效保护。⑤有效减少砂卡，提高工具的安全性能。

3.1 结构

自控解封式滑套封隔器结构^[8]如图 2所示。该封隔器从上而下主要由上接头、喷砂体、滑套、挡砂皮碗、上压帽、组合胶筒、下压帽、防松销钉、解封剪钉、压裂剪钉、解封活塞、锁环、卡环座、卡环、锁套、上活塞、密封圈、下中心管、下活塞、坐封剪钉及下接头等组成。

3.2 工作原理

自控解封式滑套封隔器在坐封时，液体通过坐封机构进液孔进入 (坐封进液孔采用滤砂网包裹，防止工具内部进砂)，作用在下活塞上，剪断坐封剪钉坐封密封总成，完成胶筒的坐封；同时，卡环与锁套锁紧机构完成锁紧，投入压裂球，剪断压裂剪钉，滑套下行，泵入压裂携砂液进行压裂，压力通过滑套与喷砂体的环空进入喷砂体上的传压孔，推动解封活塞剪断解封剪钉并克服锁环的锁紧力下行，完成丢手机构的启动。压裂过程中压力作用在活塞面上产生向下的作用力，并通过滑套外面的台阶作用在喷砂体上，因此封隔器仍处于坐封状态。压裂完成后，压裂球密封作用失效，封隔器上、下端连通，平衡活塞失效，则密封机构在胶筒自身压缩反弹力的作用下缓慢回弹，解封，上提管柱时无需再克服解封剪钉的剪断力，可快速完成解封，起出管柱。

挡砂皮碗的主要作用是压裂以及放喷过程中阻挡压裂砂进入挡砂皮碗下部，挡砂皮碗只挡砂，无密封压力的作用。挡砂皮碗外径与套管内径相当，且比常规的皮碗薄很多。上提管柱时，挡砂皮碗与套管壁摩擦，挡砂皮碗被破坏，压裂砂从挡砂皮碗上部空间松动，散落到胶筒上部的整个环形空间，可起到防止管柱被砂埋的作用，使上提力变小，管柱更易被起出。

喷砂机构与现有的喷砂器^[9]相比，主要进行了结构改进和材料耐冲蚀处理，使其能够对工具管串和套管起到保护作用。

现有的滑套喷砂器由于要产生节流压差坐封封隔器，喷砂口的过流面积相比于中心管内截面积小，所以喷射速度大，对管柱冲蚀严重，且容易对套管造成破坏，反溅的高速砂子也容易对工具表面进行破坏，甚至使管柱断裂造成施工事故。而该封隔器由于通过坐封球座密封坐封，坐封后有锁紧机构锁紧，无需依靠节流压差坐封，喷砂口的数量由原来的4个增加为6个，同时在保证喷砂体抗拉强度的前提下，增大每个喷砂口的尺寸^[10]，使其过流面积增大为中心管内截面的2倍，通过增大喷砂口的过流面积，消除了喷口处产生的节流压差，从而大幅降低了携砂液的喷出速度^[11]，减轻了对套管和喷口的冲蚀破坏以及对工具的反溅破坏。

喷砂机构的喷砂口堆焊高强度硬质合金^[12]，能够有效降低流体对喷砂体流道的冲蚀破坏。

3.3 主要技术参数

整体耐压：70 MPa；

坐封启动压力：10~11 MPa (可调)；

滑套开启压力：12~13 MPa (可调)；

解封启动压力：15~16 MPa (可调)；

环空密封压差：60 MPa；

分段数量：9。

3.4 技术特点

(1) 滑套打开前封隔器无法解封，打开后可自行启动解封机构，提高了管柱提取的成功率。

(2) 封隔器在启动解封机构后，在活塞力的作用下仍处于完全坐封状态，确保了施工的可靠性。

(3) 胶筒具有双向密封能力，分段可靠，且采用压缩式胶筒，提高了工具的耐温性能，最高耐温206 ℃。

(4) 滑套与封隔器一体设计，且在滑套下端设计挡砂机构，喷口与挡砂机构距离短 (喷口距离挡砂皮碗的距离为60 mm)，防止大量积砂，降低了砂卡风险。

(5) 工具消除了喷砂口产生的节流压差，对管柱自身和套管起到了有效保护。

4 现场应用

可逐级解封的管内分段压裂管柱在牛6-斜10井成功应用。该井分3段压裂，平均施工排量5 m³/min，第1段过液量1 273 m³，过砂量60 m³；第2段过液量1 151 m³，过砂量50 m³；第3段过液量1 151 m³，过砂量50 m³，压裂完成后管柱顺利起出，起出后封隔器无损坏，胶筒回收顺利，整体工艺满足现场施工要求。

5 结论

(1) 通过对自控解封式滑套封隔器的设计，形成了ø139.7 mm套管内分9段压裂的可回收式机械分层压裂管柱，管柱整体耐压70 MPa，耐温达到150 ℃，封隔器密封压差达到60 MPa。

(2) 自控解封式滑套封隔器设计的重点为安全性能，通过对挡砂机构、管柱、套管和可自行启动解封机构等方面的设计，提高了工具及整体管柱的安全性能。