壓裂管柱防管內溢流工具的研制與應用

劉照鈺 劉立新 馮靜 劉春雨

（1.大慶油田有限責任公司第四采油廠；2.大慶油田有限責任公司第三采油廠；3.大慶油田有限責任公司井下作業分公司）

1 問題分析

目前，水力壓裂仍然是油氣田增產增注的主要措施，其中不動管柱多層壓裂已經成為直井壓裂的主要手段。針對壓裂過程中產生管內溢流，返排液易污染地面的問題，設計滑套式密封器堵塞最上級噴砂器出砂口，以及設計防溢流噴砂器[1-3]，使其具有封堵其各壓裂層，實現了壓裂施工的全過程防管內溢流功能。壓裂施工開始時，直接向油管內注液，進行第一層壓裂[4]。第一層施工完畢后投球打套，將第二級噴砂器內滑套打掉，落入第一層噴砂器內，重復以上動作，完成各層施工。為明確溢流原因，隨機查看149 個施工后的噴砂器，發現77.2%噴砂器滑套沒有到位，導致出砂口未堵住，使油管外液體進入油管內，無法密封下級噴砂器的出砂口，產生井口油管內溢流。除此之外，壓裂施工后最上級噴砂器無滑套密封其出砂口，也產生油管內溢流[5-6]。

2 新型壓裂管柱防溢流的設計

針對以上問題研制一種防溢流噴砂器，使其具有多層壓裂、壓后防油管內溢流功能[7]。設計一種防溢噴砂器，以彈簧凡爾噴砂器為基本結構，從增大滑套到位壓力，減小滑套到位阻力，能夠隨壓隨關的噴砂器；設計一種滑套式密封器,堵塞最上級噴砂器出砂口。保證其剪斷滑套足夠的壓力，防止壓裂最后一層過程中將該滑套意外打掉，影響施工。

2.1 工作原理

該工具根據滑套內徑大小分為A、B、C、D 四種型號，組配管柱[8]時從上到下分配的噴砂器滑套內徑逐漸減小，最下級噴砂器為不帶套的A 型，往上滑套內徑分別是?33 mm、?36 mm、?39 mm，工作時最下層為不帶套噴砂器，可以直接注液進行壓裂，壓后投?35 mm 鋼球，將B 型噴砂器滑套打掉，滑套落入A 型噴砂器中心管內，油管內壓力小于或等于4 MPa 時，凡爾剪釘未剪斷，凡爾不開啟，直到滑套堵住A 型噴砂器中心管出砂口，且導向頭鎖定面通過彈簧爪，鎖定后，油管內繼續加壓，反爾剪釘剪斷，反爾開啟，可以進行下一層的壓裂。重復以上動作可實現坐壓4 層。當該井施工結束后，投球打掉密封滑套，鋼球帶動滑套下行封堵最上層噴砂器的出砂口，從而所有的出砂口均封堵住，可實現起壓裂管柱油管內防溢流。

2.2 結構設計

1）考慮噴砂器需配合擴張封隔器完成分層壓裂，采用彈簧凡爾節流裝置，逐級縮徑滑套實現多層壓裂，滑套鎖定采用彈簧爪下端面與導向頭鎖定面配合進行鎖定，來增大滑套下行推力，增大凡爾開啟壓力。彈性鎖套噴砂器結構見圖1。

圖1 彈性鎖套噴砂器結構Fig.1 Structure of sandblaster with elastic lock sleeve

2）滑套式密封器為防溢多層坐壓管柱配套工具，其內部有密封滑套，用剪釘固定在密封器內。為了不讓密封滑套在壓裂過程中被沖掉，剪斷密封滑套的剪釘壓力在16～19 MPa，密封滑套通過承接套固定在上接頭上，為了方便搬運、連接工具等，設計了套筒和下接頭?；资矫芊馄鹘Y構見圖2。

圖2 滑套式密封器結構Fig.2 Structure of sliding sleeve sealer

2.3 關鍵部件設計

彈性鎖套噴砂器的核心部件是彈簧爪。它的設計直接影響到滑套能否順利到位、鎖定。導向頭需通過彈簧爪的活動端，彈簧爪可通過單個爪的活動端張開產生變徑，導向頭通過后，彈簧爪回收，鎖定導向頭，彈簧爪工作示意圖見圖3。

圖3 彈簧爪工作示意圖Fig.3 Working diagram of elastic claw

1）彈性鎖定裝置的設計。為了完成彈簧爪的功能，擬定了以下3 套方案，彈性鎖定裝置擬定方案見圖4。方案a：采用扭簧爪鎖定，通過扭簧轉動棘爪，使導向頭能夠下落并鎖定到鎖定面。該方案鎖定阻力小，通過扭簧爪容易，但鎖定點只有三點，鎖定可靠性低，結構有空間存砂，會影響扭轉動作，且結構復雜，加工困難，不適合推廣使用。方案b：在滑套下端連接彈簧爪，彈簧爪可向內收，通過一個縮頸臺階后可鎖定滑套，但該方案彈簧爪回收的范圍較大，鎖定可靠性較低，且彈性爪之間需要有間隙容納向內收縮的爪體，這就造成過壓裂砂磨蝕現象，容易鎖定失效。方案c：滑套通過性較好，既能鎖定，又防止磨蝕現象，且擴張方式是向外擴張，方便加工[9-10]。最終確定，采用固定式彈簧爪，采用線切割的薄壁圓筒加工。

圖4 彈性鎖定裝置擬定方案Fig.4 Draft scheme of elastic locking device

2）撓度校核。彈簧爪在整個壓裂施工過程中有很大的變形量，所以要對其撓度進行校核。懸臂梁撓度計算簡圖見圖5，彈簧爪活動端有撓度變形過程可抽象成n個懸臂梁，每個爪產生的撓度y能夠使導向頭通過，故根據懸臂梁的位移與剛度撓度計算公式，可得單個爪的撓度計算公式：

圖5 懸臂梁撓度計算簡圖Fig.5 Deflection calculation diagram of cantilever beam

式中：y為撓度，mm；P為集中載荷，N；E為拉壓彈性模量，材料是鋼，一般取2.1×105MPa；I為截面對中性軸的慣性矩，mm4；l1和l2為懸臂梁上作用力分別與自由端和固定端的距離，mm。

若x=0，其撓度取最大值：

在該模型中，單個彈簧爪的慣性矩與其截面形狀有關，其截面為扇圓環形，其慣性矩為：

式中：R為圓環外徑，mm；r為圓環內徑，mm；α為扇形半張角，（°）。結構參數R=31 mm，r=29 mm，α=36°代入公 式（3）可 得，扇 圓環形的慣性矩為26.273 2×10-8mm4。根據其工作原理，需讓外徑為?53 mm 的導向頭通過彈簧爪彈性端內徑?49 mm 的內孔，彈簧爪彈性端內徑需向外擴張4 mm，也就是半徑向外擴張2 mm，即撓度y≥2 mm 就能滿足通過要求，暫定載荷F=1 000 N，由公式（1）得撓度y為5.85 mm，滿足條件。

2.4 關鍵部件優化

從彈性鎖套噴砂器的結構上看，滑套到位時，彈簧爪長度直接影響了滑套的導向頭長度，彈簧爪加工時，只需線切割進行加工，但加工分瓣數，直接影響到滑套到位阻力大小，故需要進一步優化處理。試驗方案：選中心管、下接頭、滑套、導向頭各一件，選各種規格彈簧爪，組合成試驗裝置。將中心管下端連到下接頭，并安置一個彈簧爪，將導向頭連到滑套，仿照彈簧噴砂器滑套被打掉后落入中心管的動作，檢驗滑套是否能封堵中心管出砂口，以及滑套是否能通過彈簧爪并鎖定。更換不同規格的彈簧爪，其爪數、長度均可優化。彈簧爪實驗數據統計見表1。

表1 彈簧爪實驗數據統計Tab.1 Experimental data statistics of elastic claw

實驗過程：以彈簧爪長度60 mm，分瓣數10 瓣為例。將彈簧爪安裝入下接頭內，本彈簧爪10 瓣圓周均勻分布，每個爪36°，彈簧爪長度60 mm，彈簧爪壁厚2 mm，滑套下端連接加長導向頭，在中心管上端0.8 m 處投放，讓滑套自由下落入中心管內。試驗進行了10 次，滑套到位10 次，成功率100%。且將此到位裝置旋轉180°放置地上，滑套未脫離到位位置，說明滑套鎖定。

通過室內實驗，以線切割形式分成10 瓣，彈簧爪長度60 mm 為合適。

3 現場試驗

該防管內溢流管柱共試驗23 口井，現場試驗統計分析見表2，其中最多一趟管柱坐壓7 層，壓后套壓最高13.0 MPa，都實現了滑套到位、鎖定，油管內無溢流的目的。證明了該防管內溢流管柱對各種不同工況的作業井都具有很好的適用性，工具可靠、耐用。以L 井為例。該井為一口坐壓多層防溢流試驗井。

表2 現場試驗統計分析Tab.2 Statistical analysis of field test

1）試驗目的：試驗彈性鎖套噴砂器的滑套到位、鎖定情況；試驗滑套式密封器對油管防溢流控制的作用。

2）基本情況：該井為不動管柱壓裂3 層，設計施工排量為3 m3/min，加砂18 m3，壓裂管柱結構：工作筒（?50 mm）、滑套式密封器（?42 mm）、3 個封隔器（K344-115）彈性鎖套噴砂器C（?39 mm）、彈性鎖套噴砂器B（?36 mm）、彈性鎖套噴砂器A（不帶套）、絲堵等組成。

3）試驗過程：壓裂第一層施工排量2.0 m3/min，壓力18～24 MPa，停泵10 min 后套壓9.5 MPa，；投?41 mm 球，以0.4 m3/min 排量追球，最高剪套壓力為21.0 MPa；壓裂第二層施工排量2.0 m3/min，壓力17～22 MPa。壓后停泵20 min 后，投?42 mm球，剪密封滑套，剪斷壓力為22.0 MPa，活動開管柱后套壓11.0 MPa，打開油管觀察未見溢流。某井壓后油管內溢流情況見圖7。

4）起出工具后，觀察滑套到位。出砂口被滑套堵住，且滑套鎖定。達到試驗目的，有效的控制了油管內防溢流。

現場共試驗22 口井都實現了防管內溢流的功能。預計該批壓裂井年返排液量1.2×104m3，處理價格為116.2 元/m3。通過應用本壓裂管柱可以實現返排液量的零排放，故能節省費用139.4 萬元?，F場試驗井節省返排液數據統計見表3。

表3 現場試驗井節省返排液數據統計Tab.3 Statistics of saving drainback data of field test well

4 結論

1）設計組配彈簧凡爾噴砂器+滑套式密封器堵塞的防溢流壓裂管柱。噴砂器以彈簧凡爾為基本結構，從增大滑套到位壓力，減小滑套到位阻力，能夠隨壓隨關；滑套式密封器堵塞最上級噴砂器出砂口。保證其剪斷滑套足夠的壓力，防止壓裂最后一層過程中將該滑套意外打掉，影響施工。組配的壓裂管柱具有多層壓裂、壓后防油管內溢流功能。

2）設計彈簧反爾噴砂器的結構為固定式彈簧爪，通過對彈性鎖套噴砂器的核心部件彈簧爪的優化設計，并進行了室內實驗，最終確定10 瓣，彈簧爪長度為60 mm，再通過23 口井的現場試驗，實現了最多一趟管柱坐壓7層，壓后套壓最高13.0 MPa，滑套到位、鎖定，油管內無溢流的目的。

3）從室內實驗和現場試驗可以看出，該防管內溢流管柱設計的固定式彈簧爪結構對各種不同工況的作業井都具有很好的適用性，工具可靠、耐用。坐壓多層管柱油管內防溢流技術可行，性能可靠，即不影響多層壓裂施工，又能實現起壓裂油管內防溢流，減少壓后污染物排放量。尤其是帶壓作業時，油管內不出液便可進行井口裝置的拆裝，省去了帶壓投堵過程。