0 引言
双封单卡压裂技术在水平井老井重复压裂改造过程中具有入井工具少、封隔可靠、施工排量大以及一趟管柱压裂多层等优点，在吐哈以及国内各大油田得到广泛应用[1-3]。然而在压裂改造过程中，老井生产层随着开发时间的延长，储层逐渐采空，压力不断降低，而其重复压裂层能量足、压力高，造成的层间压差矛盾导致双封单卡压裂管柱底封K344封隔器胶筒无法顺利回收解封，在多段拖动压裂过程中，会损坏胶筒，影响封隔器的密封性能，严重时会造成管柱卡钻事故[4]。为此，笔者开展了平衡式双封单卡压裂技术研究，以期解决老井压裂后起管困难的问题，降低作业成本，促进油田经济高效开发。
1 问题分析吐哈油田双封单卡压裂技术最早是引进国内其他油田技术，采用2级K344扩张式封隔器为核心的压裂管柱结构[5-7]，但是在对油田开发多年的老井改造过程中，发现管柱存在着解封载荷大甚至不解封的情况。以吐哈油田牛东平6井为例，该井垂深1 400 m，水平段长800 m，于2013年射孔1~8号层，压裂投产1~5号层，经过3 a衰竭式开采后，地层严重亏空，而新压裂层6~8号层不断注入新能量，致使在压裂施工结束后，新压裂层压力远远高于老生产层压力，最终经喷砂滑套喷砂口，作用在底封K344扩张式封隔器胶筒内壁上，导致封隔器胶筒无法顺利回收，造成管柱解封失败。
假设井口无压力且井筒液面满，在顶封K344正常解封，底封K344不解封的情况下，对该井压裂6号层进行管柱受力分析，如图 1所示。
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| 图 1 管柱受力分析图 Fig.1 Force analysis of the string |
管柱理论解封力为：
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(1) |
式中：F4为管柱自身重力，F3为封隔器胶筒与套管间的摩擦力，F2为静液柱对封隔器上胶筒的上压力，F1为1~5号层对封隔器及管柱的上顶力。图中：p为6号层压裂后压力，p1为1~5号层综合地层压力，p2为静液柱压力。
经过计算，理论解封力F为530 kN。若再考虑沉砂与油套管摩擦等因素，解封力势必更大，现场实际修井车上提载荷达到了600 kN，仍然不解封，最后出于安全考虑，避免管柱出现拔脱或拔断情况，选择从油套环空注液氮降压的方式才得以解封，造成人力物力浪费，严重影响施工效果。
2 研究思路由分析可知，由层间压差大而引起的底封封隔器不解封为整体管柱解封难的主要原因，因此，尽可能地降低层间压差为主要解决办法。目前，有3种研究思路可供选择：一是降低封隔器上端压力，这也是吐哈油田目前常采用的方法，主要方式有长时间的放喷、注气或者注液氮，通过降低封隔器上端压力，达到降低层间压差的目的，但这些辅助措施大大增加了投产时间和作业成本，甚至对地层造成污染，严重影响经济效益，不能作为根本解决办法。二是增大封隔器下端压力，因为封隔器下端压力与地层压力有关，而增加地层压力意味着为地层补充新能量，这种路线实施起来也比较困难。三是从平衡封隔器上、下端压力出发，考虑如何设计一个带平衡通道的封隔器，在封隔器解封前能够实现上、下层的有效沟通，平衡地层压力，最终达到降低解封载荷的目的。笔者采用第3种思路。
3 带平衡通道的Y211封隔器研制Y211封隔器作为一种常规的机械式封隔器，广泛应用于油田压裂、酸化及完井等领域。它具有坐封、解封简单可靠，承压能力高，可多次重复坐封等优点[8-11]。经过多次研究与改进，笔者最终设计出一种带平衡通道的Y211封隔器，结构如图 2所示。封隔器中心管上轨道平面展开图如图 3所示。
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| 图 2 Y211封隔器结构示意图 Fig.2 Structural schematic of the Y211 packer 1—上接头；2—上端盖；3—上套筒；4—旁通阀；5—单流阀；6—阀座；7—盲堵；8—中心管；9—胶筒；10—锥体；11—卡瓦；12—轨道钉；13—下外套；14—尾管保护套；15—密封环；16—并帽。 |
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| 图 3 中心管轨道平面展开图 Fig.3 Plane development drawing of central pipe |
3.1 工作原理 3.1.1 坐封
封隔器入井前，将卡瓦及轨道销钉置于中心管短轨道下死点A，入井时，卡瓦牙紧贴套管壁，通过摩擦力使轨道钉运动到短轨道上死点B，轨道钉不再相对中心管向上运动，继续下放管柱时，通过中心管带动轨道销钉向下不断运动，直到封隔器设计位置。待封隔器下至设计位置以后，上提管柱，轨道钉又从短轨道上死点B运动到长轨道下死点C，此时再将管柱下放，轨道销钉不断向长轨道上死点D运动，锥体不断下行，与卡瓦接触后逐渐撑开卡瓦，卡瓦径向张开，咬合套管壁，同时，封隔器胶筒不断被压缩，密封套管，完成坐封。
3.1.2 解封上提管柱，上接头带动旁通阀向上运动，旁通阀与阀座分离，不再密封。此时，上层压力由上套筒平衡通道孔进入到封隔器内，经中心管传递到封隔器下端，平衡地层压力；同时，中心管向上运动，轨道钉脱离长轨道上死点，卡瓦牙径向回收，锥体失去支撑，胶筒靠自身弹力回收，最终解封封隔器。
3.2 技术特点(1) 采用平衡压差式结构设计，解封前可有效沟通上、下层，降低解封载荷。
(2) 采用整体式胶筒设计，可大幅度降低坐封载荷，保证密封可靠性。
(3) 采用尾管保护套设计，可有效防止中心管轨道槽沉砂，降低管柱砂卡风险。
3.3 技术参数总长：1 652 mm；
外径：115 mm；
通径：48 mm；
适用套管内径：121.36~124.26 mm；
极限压缩行程：135 mm；
最小坐封载荷：20 kN；
工作压差：≤70 MPa；
工作温度：≤120 ℃。
4 平衡式双封单卡压裂管柱研制以带平衡通道的Y211封隔器为核心，研制了平衡式双封单卡压裂管柱，其结构主要由水力锚、K344封隔器、喷砂滑套、Y211封隔器和喇叭口组成，如图 4所示。
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| 图 4 平衡式双封单卡压裂管柱示意图 Fig.4 Balanced duel-packer single-layer fracturing string 1—水力锚；2—K344封隔器；3—喷砂滑套；4—Y211封隔器。 |
4.1 技术特点
(1) 管柱操作简单，底封Y211封隔器只需要通过上提、下放管柱即可完成坐封，顶封K344封隔器在压裂时通过喷砂滑套节流产生压差即可自动坐封。
(2) 整体管柱入井工具少，降低了管柱起下钻遇卡概率。
(3) 底封采用带平衡通道Y211封隔器，解封前平衡通道打开，可缓解压差矛盾，降低解封载荷。
(4) 喷砂滑套与Y211封隔器直接相连，可最大程度减小沉砂口袋距离，降低管柱砂卡风险。
(5) 喷砂滑套不再需要为底封提供导压通道，设计小直径喷砂滑套，减轻压裂液对滑套的反溅冲蚀，同时也能与油田目前正在开展的投球暂堵转向压裂工艺相适应，降低堵塞概率。
4.2 管柱其他核心工具研制 4.2.1 K344封隔器(1) 结构。K344封隔器结构示意图如图 5所示。
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| 图 5 K344封隔器结构示意图 Fig.5 Structural schematic of the K344 packer 1—上接头；2—中心管；3—紧钉螺钉；4—上胶筒座；5—挡环；6—胶筒；7—下胶筒座；8—下接头。 |
(2) 技术特点。①封隔器胶筒肩部增加强度高、随胶筒同步可靠伸缩的弹性叠片挡环，可提高胶筒抗流变性能；②优选强度高、收缩可靠的钢丝帘线膨胀式胶筒[12]；③胶筒无外露骨架，提高了胶筒回收可靠性。
(3) 主要技术参数。总长820 mm，外径114 mm，通径57 mm，工作压差≤70 MPa，工作温度≤120 ℃。
4.2.2 喷砂滑套(1) 结构。喷砂滑套结构示意图如图 6所示。
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| 图 6 喷砂滑套结构示意图 Fig.6 Structural schematic of sand jetting sliding sleeve |
(2) 技术特点。①采用一体化设计，可提高喷砂滑套整体承压性能。②节流通道增大，降低了流体从节流孔流出的速度，减小了对滑套的冲蚀。③采用多级导流设计，可提高液体过流能力，降低高速流体对单一喷砂口的冲蚀[13]。
(3) 主要技术参数。滑套总长900 mm，外径100 mm。
5 现场应用2017年7月，平衡式双封单卡压裂管柱首次在马56-15H井投入现场试验。马56-15H井是部署在马中致密油区块的一口开发水平井。该井于2014年7月压裂改造投产，经过3 a的生产，产量递减严重，需要对该井实施补层重复压裂以改善生产现状，提高采收率。该井压裂面临着几个重要问题：
(1) 该井为老井，无法采用经济效益较高且比较成熟的速钻桥塞技术；
(2) 该井需要完成体积压裂改造，需要能够适应大砂量和大排量的压裂管柱；
(3) 该井生产多年，层间压力差异矛盾现象突出，面临着解封困难的风险；
(4) 该井压裂层射孔长度和上下层段间距均很小，分别只有12和9 m，导致封隔器卡距只有不到20 m，易采用可实现任意层段精准压裂的管柱。
综合以上因素，最终确定了平衡式双封单卡压裂管柱，入井液量752.4 m3，入井陶粒26.0 m3，最高压力67.5 MPa，施工排量5.7 m3。解封时，管柱载荷相对于原载荷仅增加80 kN，管柱顺利起出，日产量较施工前增加了2倍，达到了工艺成功和安全起出的目的，取得了较好的经济效益。
6 结论及展望(1) 平衡式双封单卡压裂管柱入井工具少，施工过程简单，后期解封安全可靠，能够满足水平井体积压裂改造大排量和大砂量的需求。
(2) 随着吐哈油田致密油水平井体积压裂规模不断扩大，后期重复压裂改造增产需求越来越迫切，该技术的成功应用，为水平井老井重复压裂改造提供了有力的保障。
(3) 下一步将开展平衡式双封单卡压裂管柱多段拖动压裂现场试验，将其与简易带压井口装置结合，在多段压裂改造过程中实现带压拖动，以提高施工作业效率。
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