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机械式封隔器分层压裂工艺
机械式封隔器分层压裂工艺试验及效果评价
摘要长庆气田属低压、低渗透气田，上古气藏含有不同层系，如果要多层开采，须进行分层压裂改造才能投产。
本文通过对Y241封隔器机械式分层压裂工具在苏36-11井、苏38-16-2井；Y341封隔器机械式分层压裂工具在榆42-17井、G52-18井、大开27井进行的压裂改造试验的分析，认为该工艺具有施工操作简单、不压井、不动管柱、作业时间短、施工对气层几乎无伤害、节约成本等优点。
主题词：
机械式封隔器分层压裂试验效果评价
一、概述
长庆气田含有多套产气层系，一般下古生界主要包括马五1、马五2、马五4；上古生界主要有太原组、山西组、石盒子组，上古砂岩气藏主要分布在靖边、榆林、乌审旗、苏里格气田，探明的地质储量占长庆气田的74%；砂岩气藏储层致密，表现为低丰度、低渗、低压、低产等特征，非均质性强，投产前须进行压裂改造；主要含气层系为上古石盒子组和山西组，气层段较多，2-4层的情况较为普遍。
例如，苏里格气田统计的67口气井中，多气层段同存的气井达58口，占总井数的86.56%。
为了高效开发气田，需要上下古分层压裂酸化改造后，合层生产；或者上古不同气层分层压裂后，合层生产。
目前应用的分层压裂方式主要有：
投尼龙球选择性压裂、填砂打液体胶塞分层压裂、永久性桥塞封隔压裂、可捞式桥塞封隔压裂、机械式封隔器分层压裂。
长庆气田上古气层水锁性强，地层压力系数低，压井、冲砂等作业对储层的浸泡伤害较大，因此筛选出施工工序简单、对地层浸泡伤害小、成本低廉、施工周期短、封隔可靠等要求的分层压裂工艺，无疑具有重要意义。
二、开展机械分层压裂工具研制和试验的必要性
表1是对几种分层压裂工艺优缺点的列表比较，从中可以看出：
采用机械式分隔器分层压裂改造，现场操作简单、施工作业时间短，具有不压井、不动管柱、劳动强度小等特点，对气层几乎无伤害，能满足气井分层压裂改造工艺要求，是目前最理想的分层压裂改造工艺。
表1：
气井几种分层压裂工艺优缺点对比
压裂方式
优点
缺点
发展
前景
投尼龙球
选择性压裂
作业时间2天；不压井；不动管柱；现场施工方便。
封堵效率差，不能有效对设计层位进行最佳改造；不能直接进行分层试气求产。
一般
填砂
打液体胶塞分层压裂
可进行分层试气求产；现场施工较方便。
作业时间长达12天；由于砂子具有渗透性，上下气层封隔相对较差，直接进行分层试气存在一定的层间干扰；冲砂作业时间长，作业液体对上下气层伤害较严重，影响气井单井产能。
一般
永久性桥塞封隔压裂
可实现分层彻底改造；可进行分层试气求产；现场施工较方便。
上层压裂后需要磨铣桥塞，作业时间长，共达15天；作业液体对上下气层伤害较严重，影响气井单井产能；磨铣作业不慎，很有可能对生产套管产生伤害。
较好
可捞式桥塞封隔压裂
可实现气层的分层彻底改造；可进行分层试气求产；现场施工较方便。
作业时间长达12天；打捞桥塞之前冲砂作业虽然较短，但压井、冲砂液体对上下气层还是存在一定伤害；工具选择不当可能引起上部压裂施工失败或者底部气层不能被开发。
好
机械式
封隔器
分层压裂
作业时间3天；不压井；不动管柱；对目的层改造彻底；现场施工方便。
不能进行分层试气求产；对上下层间距有一定的要求；工具选择不当可能引起压裂不成功，因此对工具的选择非常重要。
好
三、Y241封隔器分层压裂工具
（一）井下管串结构
井下管串自上而下主要由油管、管柱伸缩补偿器、油管、压井洗井开关、安全接头、Y241封隔器、调整短节、喷砂滑套、Y241封隔器（带水力锚）、调整短节、球座等组成。
（二）主要部件的工作原理和技术性能参数
1、管柱伸缩补偿器
（1）用途：
用于井下管柱因温度效应和压力效应等产生的管柱伸缩变形和位移的有效补偿，消除管柱的应力断裂，防止封隔器位移，达到提高井下管柱工作可靠性和延长工作时间的目的。
（2）工作原理：
在施工中由液压推动活塞上行剪断简钉，解除弹性连接限位，管柱伸缩补偿器在管柱张力作用下内外管发生相对运动而工作，从而达到自动补偿作用。
主要技术指标如表2所示。
表2：
管柱伸缩补偿器的主要技术指标
1
2
3
4
5
6
7
8
总长
外径
内径
工作
压力
打开
压力
工作
温度
补偿
距离
连接
螺纹
2710
mm
110
mm
62/56
mm
80MPa
21~24MPa
150℃
1500
mm
2-7/8
外加厚
2、压井洗井开关
工作原理：
投球或球杆，从油管内加液压煎断销钉，打开芯管，使封隔器之上油套连通并与下层连通，这样既可实现正反循环压井洗井，又可以在起管柱时使油管内残液泄入井里。
主要技术指标如表3所示。
表3：
压井洗井开关的主要技术指标
1
2
3
4
5
6
7
总长
外径
内径
工作压力
打开压力
工作温度
连接螺纹
370mm
93mm
52mm
80MPa
8~10MPa
150℃
2-7/8外加厚
3、Y241封隔器
工作原理：
主要由封隔密封部分、坐封锁紧部分、卡瓦锚定部分、水力锚部分、坐封动力部分及连接部分组成。
封隔器采用液压坐封、上提管柱解封的工作方式，并且有重复坐封功能。
在油管内液体压力的作用下，水力锚锚爪向外伸出并与套管咬合，封隔器坐封活塞上行打开限位机构，推动卡瓦锚定部分上行并压缩胶筒，实现坐封和锚定，同时锁紧机构进入锁紧状态。
在油管内液体压力消失后，水力锚锚爪在弹簧作用下收回，上提管柱，封隔器中心管与外层各部分发生错动解除锁紧状态，其它各部分在摩擦力和弹性力作用下恢复原位，实现封隔器的解封。
主要技术指标如表4所示。
表4：
Y241封隔器的主要技术指标
总
长
外径
内
径
坐封
压力
工作
压力
工作
温度
卡瓦张开外径
解封
力
连接
螺纹
1706
mm
114
mm
50
mm
15~20
MPa
80
MPa
150
℃
130
mm
15~20
KN
2-7/8
外加厚
整体管柱主要技术性能指标1
适用井深（m）
工作压差（MPa）
工作温度（℃）
管柱最大外径（mm）
管柱最小通径（mm）
反洗井最大排量（m3/h）
≤4000
60
150
φ115
φ40
30
整体管柱主要技术性能指标2
项目
工具名称
外径（mm）
内径（mm）
长度（mm）
工作压差（MPa）
KZL-110管柱伸缩补偿器
110
62
2710
60
KHD-93压井洗井开关
93
52
370
60
KDB—114×55水力锚
114
55
600
60
Y241—115×54-B可洗井封隔器
115
50
1427
60
PSQ115×40FW喷砂滑套
100
40
450
60
KQF—100坐封球座
100
30
450
30
三）分层压裂管柱的操作步骤
1、分层压裂管柱的下入
（1）工具运到井场后，将工具做全面检查，各个工具应保持完好，压井洗井开关应处在关闭位置。
（2）按分层压裂管柱设计组合连接好井下工具，每根油管必须用Φ59mm通径规通径，油管上扣力矩必须达到丝扣规定的上扣力矩，否则，工具不得入井。
（3）封隔器及水力锚卡点位置必须避开套管接箍，油管螺纹必须涂抹密封脂，丝扣密封脂一律涂抹在公扣上。
（4）严禁井下落物，下分层压裂管柱时，要求匀速下钻，操作平稳，严禁猛顿猛放。
2、封隔器座封：
工具下入设计位置时观察指重表，并记录管柱自由悬重。
正循环洗井替液，进出液体水质相同后，从油管内投放Φ35mm钢球，待球到达座封位置后，油管内缓慢加压5-10-15-25MPa，每升高5MPa稳压5min,座封封隔器，当达到30MPa后，剪切座封球座，同时打开下喷砂滑套。
3、下层压裂：
下层压裂完成注入顶替液后，即可按压裂施工设计通过油管对下部气层进行压裂。
4、打开上喷砂滑套：
下层压裂后，从油管内投放Φ38mm钢球，待钢球坐入上喷砂滑套后，油管打压15MPa左右打开上喷砂滑套，打开上层压裂通道，同时钢球下落关闭下喷砂滑套，封堵下层。
5、上层压裂：
按压裂施工设计要求，压裂上部气层。
6、排液测试求产：
根据压裂施工设计要求进行合排、合求，并打捞钢球，气井投入生产。
7、注意事项：
压裂完上层后，应倒管线反洗干净；上提管柱解封封隔器时，若解封困难，可继续进行冲砂解卡，但上提负荷不得超过50吨。
四）现场应用情况
2003年在苏36-11井、苏38-16-2井分别进行了Y241封隔器分层压裂工具分层压裂工艺试验。
1、苏36-11井试验情况
苏36-11井为分层压裂工具的第一口试验井，套管内径121.36m。
射孔段自下而上为山1：
3369.0—3373.0m；盒8：
3329.0—3335.0m。
2003年9月17日分层压裂钻具下入，9月18日16：
35封隔器座封，17：
36按照设计对下层山1压完停泵。
紧接着从油管内投放Φ38mm钢球一个。
17：
44再次开泵，油压上升至40.3Mpa时（17：
47）开始压裂上层盒8，18：
53施工结束，两层的分层压裂施工按设计顺利完成。
9月18日—21日该井共油放排液4次，井内液体排完。
两层的详细施工数据如表5所示，施工曲线如图1所示。
表5：
苏36-11井机械分层压裂施工数据表
层位
破压（Mpa）
工作压力（Mpa）
排量m3/min
加砂量（m3）
入地总液量（m3）
停泵压力
（Mpa）
砂比
（%）
液氮
（m3）
山1
56.0
53.32
2.8
20.34
155.6
28.7
24.9
7.5
盒8
56.9
48.88
2.8
23.34
175.0
27.4
27.7
10.0
图1：
苏36-11井机械分层压裂施工曲线图
2、苏38-16-2井试验情况
该井自下而上射孔段为山1：
3357.0—3359.0m、3375.0—3380.0m；盒8：
3330.0—3338.0m。
2003年10月20日下分层压裂钻具。
10月21日，封隔器座封并压裂山1。
按设计前置液中加粉陶600㎏，加陶粒32.6m3后，顶替中途压力突升停泵，反冲出陶粒3.6m3。
之后油放排出液体60m3。
10月22日从油管内投放φ38mm钢球一个，待钢球坐入上喷砂滑套后，油管打压15MPa左右打开上喷砂滑套，打开上层压裂通道，同时钢球下落关闭下喷砂滑套，封堵下层。
待油升至43.94Mpa开始压裂上层盒8，前置液中粉陶600㎏，由于混砂车出现故障加陶粒5.6m3后停泵。
油放排液两天，出液172.2m3，火焰长度3-4m。
10月24日，对盒8重新压裂，施工顺利完成。
10月24日—31日，该井共油放排液7次，中间用连续油管冲砂1次，井内液体排完。
详细的施工参数如表6所示，施工曲线如图2所示。
图2：
苏38-16-2井机械分层压裂施工曲线图
表6：
苏38-16-2井机械分层压裂施工数据表
层位
破压Mpa
工作压力Mpa
排量m3/min
加砂量m3
入地总液量m3
停泵压力Mpa
砂比
%
液氮m3
山1
57.1
45.0
2.4-2.8
32.6
343.76
25.32
24.7
15.8
盒8
1
47.4
41.2
2.4-2.8
5.6
174.3
18.0
20.1
14.0
2
49.2
43.3
2.8
25.2
193.95
24.6
30.0
5.2
四、Y341封隔器分层压裂工具
一）主要技术参数：
型号Y341—114Y341—148
最大外径（mm）φ114φ148
内通径（mm）φ50φ62
总长（mm）12501250
工作压差（MPa）8080
工作温度（℃）150150
坐封压力（MPa）1515
反洗排量（m3/h）3030
解封力（kN）1515
两端连接螺纹27/8UPTBG27/8UPTBG
二）结构原理：
1、结构：
该封隔器主要由坐封部分、密封部分、锁紧部分、反洗井部分、解封部分、防撞部分等六部分组成。
2、工作原理：
当流体从油管进入封隔器传压孔后，推动双级活塞上行剪断坐封销钉，双级活塞继续上行压缩胶筒密封油套环空，此时锁紧机构锁紧使得胶筒不能回收。
需要反洗井时，套管内泵入洗井液推开洗井活塞经过内外中心管环空到达封隔器的下部完成反洗井。
解封时，直接上提管柱解封封隔器。
三）使用方法：
1、下压裂管柱前用通井管柱通井至于封隔器卡点以下20m；
2、下井油管用蒸汽刺净，并用油管规逐根通过；
3、按设计要求配好管柱，下至设计深度；
4、连接管线，装好井口，循环泵（该管柱正反循环均可）。
5、投球（ф35mm）至坐封球座处，油管内蹩压15Mpa坐封封隔器，然后加压替前置液，按照压裂设计要求进行压裂施工。
6、如果是分层压裂，再投球杆（ф45mm）至滑套喷砂器处，油管内蹩压10-15Mpa坐封封隔器并将滑套喷砂器的芯子和球打到底部球座处，然后加压替前置液，按照压裂设计要求进行压裂施工。
7、如果是任意层压裂，第5步只进行投球坐封施工，不得进行压裂施工。
然后进行第6步施工。
8、压裂施工完成以后，如果需要反洗井，可由套管泵入洗井液进行反洗井。
9、解封时，直接上提管柱解封封隔器，起出压裂管柱。
四）现场试验情况
2004年在榆42-17井、G52-18井、大开27井分别进行了Y341封隔器分层压裂工具分层压裂工艺试验。
1）榆42-17井
7月5日榆42-17井采用机械分层压裂钻具压裂上古，钻具结构自下而上：
割缝喷砂器+球座+油管+滑套开关+下封隔器+水力锚+中封隔器+滑套喷砂器+油管+上封隔器+水力锚+油管至井口。
先投球座封隔器压裂山2，加陶粒18.34m3（其中前置液段塞0.34m3），破裂压力56MPa，工作压力39.6MPa，排量2400L/min，砂浓度435.9Kg/m3，砂比25%，入地总液量132.2m3/d；投入球杆打滑套，泵压67Mpa未打掉，油放5分钟，关井憋压打掉滑套后压裂盒6，加陶粒20.0m3，破裂压力38.0MPa，工作压力35.8-38.3MPa，排量2400L/min，砂浓度496.0Kg/m3，砂比29%，入地总液量124.4m3。
压后关井1h30min，油压19.5Mpa，套压13.9-17.8Mpa。
同时用Φ58mm打捞筒捞球杆，由于井口钻杆短节外径为55mm，未下去，后用4mm油嘴控制放喷，油压突然由12.0Mpa降为0，同时不出液（油管正在吐砂），为防止钻具卡，放掉套压后，活动钻具，上提钻具悬重无明显变化，上提3根后，由于套管出液增大，安装下悬挂井口的悬挂器和油管旋塞，然后活动钻具，发现钻具卡，上下活动，最后提至67KN解卡，起钻后发现滑套和球杆上移，堵至滑套喷砂器处，其上沉砂67.34m，另发现上水力锚锚爪未收缩，封隔器胶皮筒破损严重，对封隔器进行解剖后发现是由于沉砂造成的上述异常。
换钻具后正常排液，测试求产，日产气约450m3。
2）G52-18井
9月2日G52-18井在山1层进行了Y341机械分层压裂工具试验。
压前打压座封封隔器，然后压裂山1下，加陶粒20.0m3，破裂压力55.2MPa，工作压力47.5MPa，排量2200L/min，含砂浓度492.8kg/m3，入地总液量118.4m3。
投球杆，打开滑套喷砂器，压裂山1上，加陶粒25.0m3，破裂压力44.4MPa，工作压力38.1MPa，排量2200L/min，含砂浓度485.3kg/m3，入地总液量161.7m3，压裂过程较顺利，投球杆打滑套一次成功。
压后放喷过程中球杆被压裂液带至井口小四通处，后下φ58mm打捞筒捞出球杆（不动管柱）。
压后排液正常，测试求产，日产气约1300m3。
然后压井起出该套压裂钻具，解封正常，起初有轻微遇阻，起出后发现胶筒有一些变形。
3）大开27井
9月30日，对中石化鄂北大牛地气田一口开发井－大开27井进行了机械分层压裂现场试验。
（1）盒2气层（下层）：
11:
05投φ35mm钢球；
11:
30-11:
47低替原胶液8.2m3，排量0.46-0.5m3/min；
11:
47座封，座封排量1.89（m3/min），破裂压力27.0MPa；
11:
47-12:
15注前置液，排量2.5-2.6m3/in，压力58.2-37.9MPa，液氮排量180l/min；
12:
15-13:
13注携砂液,排量2.5-2.7m3/min,压力47.3-39.2MPa，液氮排量180l/min，加砂30.06m3；
13:
13-13:
18注顶替液10.1m3，排量2.5-1.8m3/min，压力42.7-58.2MPa；
13:
18停泵，停泵压力21.7MPa。
（2）盒3气层（上层）：
13:
25投φ45mm球杆；
14:
04打落球杆到割缝喷砂器处，打开盒3层压裂通道。
破裂压力31.5MPa；
14:
04-14:
26注前置液，排量2.5-2.6m3/in，压力37.61-58.52MPa，液氮排量180l/min；
14:
26-15:
24注携砂液,排量2.6-2.7m3/min,压力34.09-41.42MPa，液氮排量180l/min，加砂33.42m3；
15:
24-15:
28注顶替液10.0m3，排量2.4-2.5m3/min，压力34.74-36.66MPa；
15:
28停泵，停泵压力20.6MPa。
15:
28-15:
50测压降。
结束后用5mm油咀放喷。
（具体见土哈压裂施工数据及施工曲线）
总体来看，两层压裂施工中，压力整体平稳，与常规压裂井施工压力相当。
压裂施工结束，测压降22min。
基本上按照方案设计要求成功地完成了机械分层压裂施工。
附图1Y341封隔器封上下压中间压裂管柱示意图
保护层
DG0351安全接头
水力锚
Y341封隔器
第二层
滑套喷砂器
Y341-110Y341封隔器
水力锚
座封球座
割缝喷砂器
第一层
附图2Y341封隔器分压两层压裂管柱示意图
保护层
DG0351安全接头
水力锚
Y341封隔器
第二层
滑套喷砂器
Y341-110Y341封隔器
水力锚
Y341封隔器
座封球座
割缝喷砂器
第一层
DK27井盒2、盒3分层压裂施工管柱结构示意图
安全接头
五、机械分层压裂工具可靠性分析
从表5、表6、表7及图1中可以看出：
试验的5口井压裂时，每层的破裂压力非常明显，而且破裂压力和施工压力的差值较大。
以苏36—11井为例，山1和盒8的破裂压力分别为56.0Mpa和56.9Mpa；施工压力分别为53.32Mpa和48.88Mpa；破裂压力和施工压力的差值分别为2.68Mpa和8.02Mpa。
说明造出了新缝，也说明机械封隔器的封隔性能比较可靠。
而且3口井全部压裂后自己喷通，排液周期都比较短，分别为4天、8天、6天，说明该工具有利于气井排液。
六、经济效益和社会效益分析
1、经济效益分析（以25m3+25m3、井距50Km为例）
①机械分层压裂费用：
539090元
50000（机械分层工具费）+8700×2（试油队下管柱及配合压裂费用）+50×360（压裂水的购置及运费）+2000（配液劳务费）+12×280（700型配液费）+360×300（化工料费用）+6×15×0.60×50（陶粒运费）+2280×85.5（陶粒购置费）+142690（压裂施工费）=539090元
②填砂打液体胶塞分层压裂费用：
663048元
[50×180（压裂水的购置及运费）+8700×2（试油队下管柱及配合压裂费用）+5224（单上封压裂钻具费）+2000（配液劳务费）+6×280（700型配液费）+180×300（化工料费用）+3×15×0.60×50（陶粒运费）+2280×43.0（陶粒购置费）+74170（压裂施工费）]×2+8700×2（第一层压后试油队排液费）+[150×50（压井水的购置及运费）+4230（压井费）]×2+8700×5（试油队起换下管柱费用）+[150×50（填砂水的购置及运费）+6230（填砂车辆费）]×2+240×2（石英砂购置费）+5×0.60×50（石英砂运费）+24870（抽汲抽通3天）=663048元
可以看出：
机械分层压裂同填砂打液体胶塞分层压裂比较，可以节约663048－539090=123958元/井的费用。
2、社会效益分析
（1）施工工期可节约18天
①机械分层压裂的工期：
下钻和配液1天+压裂1天=2天
②填砂打液体胶塞分层压裂的工期：
下段（下钻和配液1天+压裂1天+排液2天+压井观察1天+起钻1天+下光油管1天+填砂沉砂1天+打胶塞起钻1天）+上段（射孔、配液和下压裂钻1天+压裂1天+排液2天+压井观察1天+起钻1天+下光油管1天+冲砂1天）+抽汲抽通3天=20天
（2）配属车辆节约：
机械分层压裂与填砂打液体胶塞分层压裂比较，可节约压井的700型和300型2次；填砂和冲砂的700型和300型2次；拉水的水罐车5次，共计30车次。
针对我处配属车辆相对紧缺的状况，其社会意义非常明显。
通过上面的工序时间对比可以看出：
对油田公司而言，在施工规模不变、施工质量不变的情况下，可以减少作业时间18天，从而可以极大地降低入井液体对气层的浸泡伤害；又可节约压井填砂冲砂等特作的费用约10万元左右。
对于井下处而言，可以用下一次管柱完成原先需起下7次管柱完成的工作量，节约了石英砂、胶塞的购置及运输费用；节约了压井冲砂所需水约400立方米的购置运输费用；节约了700型、300型、压裂机组的作业费用；更为可贵的是可以腾出试气机组、水罐车、700型、300型、压裂机组，去承揽更多的工作量。
亦可增加技术实力，为参与市场竞争打下良好的基础。
不动井口、不压井，增加了井控的安全性；不动管柱作业，减轻了工人劳动强度。
综上所述，无论经济效益，还是社会效益，均非常明显。
七、结论与建议
1、通过将机械式封隔器分层压裂与投尼龙球选择性压裂、填砂打液体胶塞分层压裂、永久性桥塞封隔压裂、可捞式桥塞封隔压裂列表比较，可以看出前者在降低井控风险、地层伤害保护等方面，具有明显优势。
2、通过5口井的试验，说明机械封隔器的封隔性能比较可靠，可对各层段进行彻底改造。
3、由于密封了油套环空，有利于气井的压后排液。
4、经济效益和社会效益非常明显。
5、下步工作安排
①气井机械分层压裂管柱优化设计
通过与相关方进行了交流，对井下作业各工序过程中的工况进行了系统分析。
完成管柱优化设计软件的编制，准备安装、调试，进而达到压裂施工工艺的优化设计的目的；
②继续完善Y344膨胀式封隔器和机械式封隔器分层压裂管柱结构设计，2005年进行部分现场试验；
③对于球杆打捞工艺，我们已提出方案，正在加工中，预计
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