随着勘探技术的进步, 低渗透油藏是今后勘探开发的主要方向之一, 我国低渗透油田储量丰富, 但现阶段仍存在采油速度低、采收率低、储量动用率低, 能量补充困难等难题, 而分段压裂技术因其具有压裂层段针对性强, 压裂过程连续, 压裂后增大了泄油面积、提高驱油效率, 返排及时, 能有效保护储层等技术优势, 是实现低渗透、薄互油藏有效动用的重要手段之一。近年来, 随着分段压裂技术在胜利油田的大规模应用, 在低渗透油藏压裂改造技术方面取得了重大突破, 目前形成了以管内分层压裂技术、裸眼封隔器分段压裂完井技术、泵送桥塞多级分段压裂完井技术、连续油管拖动封隔器水力喷砂射孔分段压裂技术等一系列的水平井多级分段压裂工艺技术。
在页岩气井测试过程中, 需要进行分层测试, 分层进行增产措施, 生产井进行多层完井和暂时性分层等都需要使用桥塞等分层工具。目前常用的金属桥塞普遍存在易卡钻、钻铣困难等缺点。用复合材料制成的桥塞易钻铣, 钻后碎屑比重低, 较易冲出井筒, 可防止卡钻, 特别适用于斜井、水平井的分层压裂、酸化及封堵水等作业[1,2]。因此, 利用复合材料制造的易钻桥塞迅速的发展, 其中桥塞的卡瓦在管柱坐封时起到支撑桥塞、锁定胶筒的作用, 其性能好坏直接影响油气井的生产安全和产量, 对其结构的优化就显得非常重要。
1 复合材料可钻桥塞卡瓦的结构
整体式卡瓦具有载荷均布性好、坐封力大和防止下管柱中途误坐的优点, 所以SCY-FYQSF型复合材料可钻桥塞 (下文简称为SCY型桥塞) 卡瓦采用了整体式的卡瓦结构。该桥塞卡瓦采用10个应力槽均布的形式, 适用于Φ139.7mm套管内分段压裂。桥塞工作过程为:由油管加压, 产生轴向坐封力, 推动锥体锥面挤压整体式卡瓦内锥面, 使整体式卡瓦沿预制应力槽发生开裂, 开裂后的卡瓦卡入套管壁一定深度, 锚定在套管上[3], 支撑桥塞, 锁定胶筒。SCY型桥塞的整体式卡瓦初始结构三维实体模型如图1所示。
2 未优化的SCY型桥塞卡瓦性能试验
2.1 卡瓦材质
卡瓦材质选用球墨铸铁, 便于后期钻除, 卡瓦牙表面进行淬火处理, 硬度达到62HRC。
2.2 卡瓦性能试验
2.2.1锚定、坐封试验
将组装好的SCY型桥塞放入专用试验装置中并置于拉压试验机上, 用拉压试验机模拟油田现场施工时丢手、坐封的压力。当拉压试验机加压至83KN时, 听到第一次声响, 继续加压至151KN时, 工具丢手, 期间有多次声响。将试验装置从拉压试验机中取下, 投入配套压裂密封球后, 接试压接头, 利用试压泵试验胶桶环空密封性能。向试验装置打压, 无明显渗漏, 继续加压, 起压至10MPa左右, 听到声响, 试验装置下端开始漏失, 压力降为0, 继续打压, 不再起压, 停止打压, 将试验装置拆开, 将桥塞从中拉出观察, 卡瓦不均匀分为3瓣 (如图2所示) , 并未按设计均匀分为10瓣。
3 优化的SCY型桥塞卡瓦试验
3.1 优化后卡瓦结构
通过实验分析, 应力槽均布形式的整体卡瓦, 由于材质、加工等多方面的原因, 在实际的现场操作中, 当加压至工具丢手的拉力时, 整体卡瓦并不一定能按预先计算的那样均匀分瓣, 而整体式卡瓦裂开不均匀, 将会影响桥塞的坐封力和锚定效果。为此, 我们将整体式卡瓦的结构进行了优化, 优化卡瓦的三维实体模型如图3所示。卡瓦本体的应力槽为10个, 槽型分为深槽及浅槽, 均匀相间排布, 卡瓦材质选用球墨铸铁, 表面进行淬火处理, 硬度达到62HRC。
3.2 优化后卡瓦的锚定、坐封试验
将优化后的SCY型桥塞组装好, 放入实验套管中, 置于拉压试验机上。使用拉压试验机加压, 当加压至10KN左右时, 出现第一次声响, 持续加压至150KN左右时停止, 期间多次出现断裂的响声。停止加压后, 将试验装置从拉压试验机中取下, 与试压泵的试压接头连接, 进行密封性能试验。启动试压泵, 打压至30MPa, 稳压10min后, 实验装置无渗漏现象, 压力不降, 此后以5MPa为一个台阶继续打压, 每次稳压10min, 加压至60MPa, 观察实验装置无明显渗漏现象, 压力基本不降, 该步骤重复打压5次, 无明显渗漏, 说明胶筒的密封性及卡瓦的坐封性能良好。
实验结束后将实验套管割开, 观察卡瓦均匀分为5瓣 (如图4所示) , 套管壁有明显的咬合痕迹。
4 结论
整体式卡瓦的结构设计不合理会影响桥塞的坐封力和锚定效果, 试验结果表明, 对SCY型桥塞封隔器的卡瓦结构进行优化, 在温度120℃工况下, 密封压力可达60MPa, 整体卡瓦在深槽处裂开, 均匀分为5瓣, 咬合在套管内壁上, 锚定力达到690KN, 满足油田的现场施工要求。
摘要：桥塞的卡瓦在管柱坐封时起到支撑桥塞、锁定胶筒的作用, 卡瓦结构设计合理与否影响着桥塞坐封力和锚定效果的好坏, 常规的整体式卡瓦在实际现场应用中常不能均匀裂开, 从而影响了桥塞的坐封和锚定效果, 以适用于Φ139.7mm套管的整体式卡瓦为例进行研究, 通过对其结构的优化, 将常规卡瓦应力槽均布的方式, 优化为应力槽深浅相间的分布方式。试验结果表明, 在温度120℃工况下, 密封压力可达60MPa, 整体卡瓦均匀裂开, 锚定力690KN, 满足油田的现场施工要求。
关键词：可钻桥塞,整体式卡瓦,应力槽,试验研究,结构优化
参考文献
[1] 汪于博, 陈远林, 李明, 等.可钻式复合桥塞多层段压裂技术的现场应用[J].钻采工艺, 2013, 36 (3) :45-48.
[2] 孙海成, 汤达祯, 罗勇, 等.压裂改造技术在页岩气储层中的应用[J].石油钻采工艺, 2011, 33 (4) :75-80.
[3] 张俊亮, 刘汝福, 李丽云, 等.整体式卡瓦牙型结构优化及试验研究[J].石油机械, 2012, 40 (6) :83-86.
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