水平井体积压裂工具

2539测井相关

1 研发背景

中国致密油总资源量100×108t左右,主要分布在鄂尔多斯、四川、松辽、渤海湾、准噶尔、柴达木等盆地,而鄂尔多斯盆地致密油资源储量丰富,开发潜力巨大,是下一步开发的重点,也是长庆油田稳产的基础。

致密油作为一种非常规资源,经济有效开采难度非常大。在国外,美国经过近10年的探索、试验、推广的过程,首先在页岩气开发上取得了突破,呈现跨越式发展,2000年美国页岩气年产量仅为122×108m3,2009年页岩气产量878×108m3,2010年达到1378×108m3。

同时,Bakken(巴肯)和EagleFord(鹰滩)等致密油藏的开发借鉴页岩气藏体积改造的理念,增产势头也很强劲,美国致密油年产量2012年迅速上升至9500×104t。在压裂改造技术上,水平井钻井及体积压裂成为致密油改造的主体技术,单井产量得以大幅提高。以典型的Bakken致密油为例,水平井占总井数90%,通过水平井体积压裂技术单井产量达到30t/d左右,是直井的5倍以上。

水平井体积压裂的主要特征是大排量、大砂量、大液量、低砂比、低伤害,射孔方式采用多簇射孔。在国外,致密油水平井体积压裂主体技术是快钻桥塞分段压裂技术。而在国内,常规水平井开发技术基本成熟,但致密油水平井开发起步较晚,处于探索阶段。2011年,长庆油田利用水力喷射分段多簇体积压裂技术率先开展了致密油试验,结果表明水平井体积压裂增产效果明显,试油产量是相邻直井的10倍左右,表明体积压裂技术在长庆油田具有很好的应用前景。

体积压裂工具性能决定着体积压裂工艺的实用性和效果。本文主要介绍了长庆油田自2011年以来在致密油水平井压裂工具的攻关、应用情况以及形成的工具系列,重点介绍了水力喷射分段多簇体积压裂工具、大通径快钻桥塞体积压裂工具的应用情况。

2 水力喷射分段多簇体积压裂工具

长庆油田自2005年底以来,围绕水力喷射压裂技术封隔有效性和施工效率,在管柱结构以及工具上开展了大量研究,并创新研发了水力喷射与小直径封隔器联作的管柱结构(下图)及新型喷射器、小直径封隔器等工具。从2006年到2010年,水力喷射分段压裂管柱累计应用油田水平井123口,加砂方式以油管加砂为主,施工排量0.8~3m3/min,与邻井相比,增产达到3倍以上,效果显著。

随着致密油开发的不断深入,水平井体积压裂技术要求更大的施工排量(4~16m3/min)和规模,对压裂工具提出了更高的要求。

通过对比国内油田形成的三大水平井主体压裂工具:双封单卡分段压裂工具、套内封隔器不动管柱分层压裂工具以及水力喷射分段压裂工具,发现前两种工具在注入方式上只能依靠油管注入,排量高时,施工压力高,工具磨损伤害大,风险高;而水力喷射分段压裂工具则油管和环空可同时泵注,在施工排量提升空间上有较大潜力。

因此,结合大排量工艺的要求,对环空加砂可行性进行了论证,主要对油管和环空排量优化、井口强度分析、环空加砂下油管冲蚀伤害进行了模拟分析,结果表明以环空加砂为主、油管注入为辅的水平井水力喷射分段多簇压裂作业方式施工风险低、排量大,可实现多簇射孔作业,满足了油田水平井体积压裂作业的要求(下图)。

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由下表可以看出,与前期水力喷射分段压裂工具相比,水力喷射分段多簇体积压裂工具施工总排量、施工能力上都提升了1倍以上。

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2.1 工作原理

水力喷射分段多簇体积压裂管柱工作原理为:

(1)油管大排量正循环注入,封隔器坐封,两个或三个喷射器同时工作实现分段多簇射孔;

(2)关闭环空闸门,压开地层,段间采用机械封隔,簇间通过射流增压实现各簇裂缝产生;

(3)通过环空大排量注入为主、油管注入为辅实现大排量作业,产生复杂裂缝;

(4)停泵,放喷,反循环洗井,拖动管柱到下一段,重复前面步骤。

2.2 关键工具

2.2.1 高强度喷射器

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喷射器(上图)主要是产生高速混砂液射流,射开套管和地层,形成压裂通道,并在主压裂期间产生射流增压,使各簇喷点压开裂缝并延伸。高强度喷射器性能参数如下表所示,具有如下性能:

(1)喷嘴尺寸、个数可调,可满足不同作业排量要求;

(2)喷射器喷嘴分布方式、射孔相位角可调,可实现多簇射孔功能;

(3)寿命长,最高可实现15次射孔作业。

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2.2.2 长效封隔器

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封隔器主要是在主压裂期间封隔油套环空,确保段间封隔可靠。致密油藏水平井地层致密,施工压力高,单段作业排量大、规模大,作业时间长,对封隔器的密封可靠性、有效性要求高。通过对前期应用封隔器的研究,采用可适应于油田水平井多次重复坐封、长效封隔的封隔器(上图),性能参数如下表所示,其特点如下:

(1)钢带叠片连接,承压高,室内最高承压达84MPa;

(2)外径110mm,回弹性能高,作业风险低;

(3)密封面长,可实现管柱锚定,无需水力锚、卡瓦等锚定工具,施工风险低;

(4)密封可靠,寿命长,性能高,重复坐封次数可达30次。

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2.3 应用情况

从2012年7月到2014年12月,累计应用油田水平井505口井,使用水力喷射分段多簇体积压裂工具1000余套,施工成功率98%,作业排量达到8m3/min,单趟工具实现了12段24簇的施工,喷射次数以及封隔器重复坐封次数达到12次,有效封隔时间2160min,起出工具伤害较小,且仍然具备施工能力,压后平均试油产量是相邻直井的5~10倍,增产效果显著。

3 大通径快钻桥塞体积压裂工具

国外水平井体积压裂技术主要以快钻桥塞压裂工具为主,因其施工排量大、作业效率高,可实现多簇射孔、无限级压裂和钻后井筒完整等。

2012年,长庆油田引进国外快钻桥塞压裂工具并进行了现场试验,取得了较好的效果。但同时发现,引进工具无生产通道或通道很小,需要连续油管钻磨后才能投产,存在试油周期较长、连续油管钻磨作业成本较高、长水平段(超过1500m)连续油管钻磨困难等问题。另外,由于长庆油田特殊的黄土地貌、油区道路路况复杂等原因,连续油管作业适应性较弱,未能得到推广应用。

针对前期试验存在的问题及长庆油田实际情况,围绕如何实现免钻和快速投产,成功研发出了一种新型快钻桥塞,与前期引进桥塞不同的是:该桥塞设计了返排、生产通道,并通过投球实现暂时桥塞封堵,压后可溶球溶解,建立井下流体通道,可直接放喷、排液,投产;同时后期修井作业时可将桥塞快速钻除。

3.1 工作原理

利用专用桥塞坐封工具,使桥塞中心杆和上零部件发生相对移动,挤压卡瓦,锚定套管内壁;同时,胶筒受到压缩,实现油套环空密封;然后投入可溶球封堵中心管,实现已施工层和目的层之间的封堵。

3.2 施工步骤

(1)第一段采用油管传输火力射孔或水力喷射射孔,光套管压裂。

(2)自第二段开始将大通径快钻桥塞和多簇射孔工具泵送到位,坐封桥塞,拖动多簇射孔后,起出工具串。

(3)投入可溶球封堵桥塞,光套管压裂。

(4)重复步骤(2)和(3),依次完成后续井段储层改造。

(5)所有段改造施工结束后,可溶球溶解,直接试油(气)、投产。

3.3 关键工具

3.3.1 大通径快钻桥塞

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大通径快钻桥塞如上图所示,其性能参数如下表所示,它具有以下特点:

(1)结构简单、易下井、电缆坐封或液压坐封;

(2)可坐封在不同级别套管上;

(3)密封可靠,采用3段不同硬度的胶筒组成可靠的密封系统,整体式卡瓦具有防中途坐封功能;

(4)主体采用复合材料,容易钻除。

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3.3.2 可溶球

可溶球主要功能是在主压裂过程中实现桥塞中心管暂时性的封堵,施工结束后,逐步与周围介质发生反应并逐步溶解,实现上下层连通,形成生产通道。它以金属铝、功能合金、强化合金、低温合金、活化合金等为原料。其溶解方程式为:

2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2

可溶球关键性能参数为承压能力、承压时间、溶解时间。通过承压实验发现:在40℃清水中,承压70MPa,稳压4h以上,可溶球基本不溶解,表明可溶球能够满足压裂耐压要求(下图)。

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通过室内溶解实验发现:在常压下,介质为清水,温度分别为50℃、70℃和90℃时,直径55mm的可溶球完全溶解需要的时间分别是55h、32h和17h,即温度越高,可溶球溶解速度越快,直径和质量降低速度也越快,如下图所示。

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3.4 应用情况

截至2014年年底,大通径快钻桥塞压裂工具现场应用油田水平井42口井,施工排量8~15m3/min,单井最多18段66簇,累计358段1328簇,压裂施工效率较常规压裂工艺提高50%,平均单井产量是相邻直井的6~8倍。

4 可开关套管滑套压裂工具

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工作原理:可开关套管滑套压裂工具(上图)随套管或者裸眼(遇液膨胀)封隔器连接并入井;作业时用连续油管带专用开关工具下推打开滑套,实施主压裂;施工完该段后,拖动到下一段继续施工,后期可下入专用工具关闭或者打开滑套以实现分层测试、找水、堵水等功能。

该工具具有以下优点:

(1)压裂过程不需投球,可实现无限级压裂;

(2)套管内径最小通径统一,无需钻磨或者打捞即可实现压后全通径,为后期作业奠定基础;

(3)滑套具备可开关功能,可实现分层测试、找水、堵水功能;

(4)可逐步打开滑套,利于后期重复改造;

(5)可同时打开数个滑套实现多簇压裂或者按照任意压裂顺序进行作业;

(6)一旦滑套开关出现异常,可利用水力喷射压裂技术或者快钻桥塞等成熟技术作为应急措施。目前,该技术已在国外进行成熟应用,但国内还处于探索阶段。由于该工具考虑到了后期找水、堵水以及重复改造,且有成熟技术可作为补充,将来具有非常良好的应用前景。

5 3种工具适应性分析

结合长庆油田前期应用效果及3种工具适应性和经济指标对比来看(下表),在139.7mm套管固井完井条件下,水力喷射分段多簇体积压裂工具应用效果最好,是目前长庆油田水平井主体压裂工具,因其可以与常规油管作业配合,现场操作简单,工具成本低,适用于施工排量中等、地层压力系数低、井深低于4000m(斜深)的水平井,投入产出比可达1:15。

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大通径快钻桥塞压裂工具实现了压后免钻,直接排液生产,节约了时间和钻磨费用,适合施工排量高、地层压力系数高的施工井,投入产出比约1:14。

可开关套管滑套压裂工具考虑了从钻井、固井、压裂及后期找堵水、重复改造二次作业要求,该工具需要连续油管配合作业,作业费用相对较高,适合地层物性相对较好、施工规模中等、地层容易出水及后期需要二次作业频繁的施工井。由于该工具评价周期长,且技术被国外垄断,目前国内仅处于前期引进试验阶段,单段工具作业成本在25~35万元之间,预计成本还将大幅降低,具有很好的应用前景。

6 结论

(1)水力喷射分段多簇体积压裂工具与常规油管配合,可实现段内1~3簇、施工排量4~8m3/min的体积压裂改造,具有操作简单、成本低等优点,在长庆油田最高实现了单趟工具施工12段24簇,是长庆油田水平井主体压裂工具。

(2)大通径快钻桥塞通过投送可溶球,实现了压后无需钻磨,直接放喷投产,大大节约了试油时间和钻磨费用,适合施工规模大、地层压力系数高的施工井,在长庆油田部分区块得到了规模应用。

(3)可开关套管滑套压裂工具通过控制套管滑套的打开和关闭,不仅可以满足压裂作业的需要,还可以满足后期找水、堵水、重复改造的需要,且在开关滑套失效的情况下,前期成熟技术仍然可以作为应急措施,是国内体积压裂工具的发展方向。(原载《中国石油勘探》)