2. 中石化河南油田分公司工程技术管理部
2. Engineering Technology Management Department of Sinopec Henan Oilfield Company
0 引言
河南油田安棚深层系和泌阳凹陷等区块，由于油层多，跨度大，一次实现对多层的笼统改造技术难度大，通过多次压裂改造则压裂车组及作业费用耗费大，不经济[1]。
目前在国内，长庆油田采用的一种多级扩张式封隔器压裂管柱可实现6层压裂，但多应用在气井，压后不起管柱即可生产。中原油田采用的一种多级压缩式封隔器压裂管柱可实现3层压裂，但该管柱解封困难，正常解封载荷达200 kN，若遇砂卡封隔器常需185 kN修井机起管柱[2-5]。非常规水平井采用的快钻桥塞逐级压裂技术亦可应用于直井，压裂层数不受限制，但桥塞工具成本及电缆作业费用高。上述工艺都不能满足河南油田多层油井1趟管柱实现分层改造的需求，因此有必要研究一种新型多层压裂工艺管柱。
1 多级压裂自助解封工艺管柱 1.1 管柱组成及原理通过对多封隔器滑套分段压裂工艺技术、压裂封隔器及耐磨滑套的研究，设计了一种由多个封隔器和多级滑套喷砂器组成的多级滑套分段压裂工艺管柱。该管柱可在直井实现5级以内的分段压裂，并保证管柱可安全起出。
管柱组成：安全接头+水力锚+YZ331封隔器+油管+安全接头+滑套喷砂器+K344封隔器+油管+安全接头+滑套喷砂器+K344封隔器+油管+安全接头+滑套喷砂器+K344封隔器+油管+安全接头+水力锚+喷砂器+K344封隔器+油管+底部喷砂器。
具体实施步骤为：首先直接压裂最下层，K344封隔器由油管内流体经底部喷砂器产生的节流压差实现坐封，压裂完成后，油套压平衡K344封隔器自动解封。随后从油管内投入合适尺寸的钢球，打掉最临近已压层以上的喷砂器的滑套，露出喷砂孔道，实施对上一层的压裂，K344封隔器坐封及解封原理同上。如此反复施工，实现从下到上逐层压裂。施工结束后，起出多级压裂管柱。
1.2 技术特点K344封隔器可多次重复坐封和解封，停压即解封，且胶筒在自助解封机构帮助下回收迅速，消除了砂埋封隔器风险。喷砂器紧靠封隔器胶筒，减少沉砂口袋，防止砂埋封隔器。配备安全接头，砂卡后可脱开，以冲砂和打捞的方式起出管柱。YZ331封隔器为自封式封隔器，施工时可实现对下级封隔器打平衡压，保护下级封隔器。喷砂器及滑套有较高的耐磨性，防止滑套密封不严及喷砂器断裂。水力锚的数量及位置设计合理，既保证了管柱抗拉和防蠕动，又不会增加过多解封载荷。
2 配套工具技术分析 2.1 K344自助解封压裂封隔器 2.1.1 结构及工作原理K344自助解封压裂封隔器结构如图 1所示。其工作原理为：压裂时，从油管升压，由于喷砂器的节流作用，使得油管压力大于套管压力，高压流体从中心管上的进液通道进入封隔器上的扩张式胶筒，使其扩张封隔油套环空。同时，该封隔器独有的自助解封机构此时被迫压缩，弹簧实现蓄力。当压裂施工完成，地面泵车泄压时，扩张式胶筒在自身钢带的回弹力和自助解封机构弹簧的回弹力的双重作用下，快速解封，实现油套管的连通，防止因地层出砂导致砂埋封隔器[6]。
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| 图 1 K344自助解封压裂封隔器结构示意图 Fig.1 The structural schematic of the K344 self-releasing fracturing packer 1—上接头；2—密封圏；3—中心管；4—扩张式胶筒；5—活塞；6—缸套；7—弹簧；8—销钉；9—下接头。 |
2.1.2 技术参数
工具总长1 030 mm，最大外径115 mm，耐温150 ℃，耐压70 MPa，坐封压差1 MPa，适用套管内径121~124 mm。
2.1.3 结构特点封隔器中心管设计为防砂进液管，解决了压裂砂进入胶筒腔体而造成停泵后胶筒无法回收的问题。设计了自助解封机构，提高了胶筒的回弹解封性能。密封机构采用超短胶筒，提高了解封可靠性。扩张式胶筒内加有钢带，增强了其耐高温高压性能。另外，还设计了限位机构，以减少封隔器坐封时胶筒的过度膨胀。
2.2 滑套喷砂节流器 2.2.1 结构及工作原理滑套喷砂节流器结构如图 2所示。
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| 图 2 滑套喷砂节流器结构图 Fig.2 The structural schematic of the sliding sleeve sand blasting throttle 1—上喷砂体；2—级差滑套；3—密封圈；4—限位销钉；5—下接头。 |
其工作原理为：初始状态下，级差滑套和密封圈将上喷砂体上的喷砂孔密封，保证了此级滑套喷砂节流器处油套管不连通，从而实现其他层的压裂。需要压裂该层时，从油管中投入与该层级差滑套相匹配的钢球，油管憋压剪断限位销钉，滑套下移，让出上喷砂体上的喷砂孔，实现该层的油套管连通，下移的滑套和钢球与该层下端K344下接头配合，将下部已压层封死，防止重复压裂已压层。同时通过喷砂孔产生的节流压差，实现了K344压裂封隔器的可靠坐封。
滑套级数越多，可实现的压裂层数越多，但级数越多，滑套内径尺寸级差也越小，在压裂下层时，上部的球座易因磨损而造成难以密封[7-10]。同时滑套内径过小则难以满足大排量压裂对过液能力的需求。综合这2点，设计了5级滑套喷砂节流器。
2.2.2 技术参数及特点滑套喷砂节流器耐温150 ℃，耐压70 MPa，其结构尺寸见表 1。
| 级数 | 级差滑套内通径 | 钢球直径 |
| PSQ-105Ⅴ | 47 | 52 |
| PSQ-105Ⅳ | 42 | 46 |
| PSQ-105Ⅲ | 37 | 41 |
| PSQ-105Ⅱ | 33 | 36 |
| PSQ-95Ⅰ | 32 | 常开式，不需投球 |
滑套喷砂器的核心部件级差滑套采用42CrMo材料，经热处理后硬度达到40~50 HRC，耐磨性能好，保证了多级压裂的可靠实施。
3 试验情况 3.1 室内试验采用自助解封多级压裂工艺管柱实施多层压裂，压裂各层时所有K344封隔器都会坐封解封1次。因此为了验证K344封隔器耐温耐压指标及多轮次使用能力，在高温油浸综合试验井系统中开展了耐温耐压指标试验和多轮次高温耐压试验。
试验条件：以0#柴油为试验介质，试验温度150 ℃。耐温耐压指标试验结果表明：在150 ℃条件下，最高试压至87 MPa，封隔器密封良好，见图 3a。多轮次使用能力试验结果表明：在150 ℃和50 MPa压差工作条件下，上、下各试压12轮次，封隔器密封性能良好，见图 3b。
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| 图 3 K344自助解封压裂封隔器密封性能曲线 Fig.3 The sealing performance curve of the K344 self-releasing fracturing packer |
3.2 现场试验
对K344自助解封压裂封隔器进行了5井次多段压裂现场试验，全部完成了施工，并顺利起出压裂管柱。试验情况见表 2。
| 井号 | 分层数 | 封隔器深度/m | 井温/℃ | 施工压力/MPa | 排量/(m3·min-1) | 液量/m3 | 平均砂比/% | 砂量/m3 |
| 赵安2117 | 3 | 3 161~3 390 | 135 | 40.0~75.0 | 4.5~5.4 | 1 060 | 24.0~27.0 | 155.0 |
| 赵安84(第1次) | 1 | 3 435 | 135 | 40.0~78.5 | 2.5~3.5 | 346 | 16.9 | 31.4 |
| 泌408 | 4 | 1 920~2 077 | 102 | 27.0~49.0 | 2.9~4.0 | 976 | 18.0~20.0 | 108.0 |
| 赵安84(第2次) | 3 | 3 250~3 319 | 135 | 34.0~82.0 | 3.4~5.0 | 594 | 8.3~19.8 | 41.8 |
| 赵安2123 | 2 | 2 950~2 982 | 119 | 29.0~56.0 | 3.0~3.5 | 329 | 17.7~18.8 | 33.0 |
从表 2可以看出，泌408井分层最多。该井压裂过程中，封隔器密封良好 (见图 4)，起管柱时，未通过任何措施直接起管柱，解封力300 kN，因管柱自重250 kN，解封时载荷仅增加50 kN。测量3个喷砂器滑套，内通径最大仅增加0.12 mm，完全满足耐磨要求。
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| 图 4 泌408井4段压裂曲线 Fig.4 Four-stage fracturing curve of Well Mi 408 |
4 结论
(1) 设计的具有自助解封机构的K344压裂封隔器具有耐温耐压性能好和回收快速可靠等特点。
(2) 设计的带耐磨级差滑套的滑套喷砂器，耐砂磨能力强，尺寸合理，能满足1趟管柱实现5级分层压裂的需求。
(3) 自助解封多级压裂工艺管柱经现场5口井的试验，工艺成功率100%，管柱解封安全可靠，满足了河南油田多层油井1趟管柱实现分层改造的需求，具有良好的推广应用前景。
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