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    封隔器滑套分段壓裂關(guān)鍵工具研制及應用

    2015-08-04 09:02:22薛建軍魏松波沈澤俊王新忠
    石油礦場機械 2015年11期
    關(guān)鍵詞:施工

    薛建軍,童 征,魏松波,沈澤俊,劉 佳,魏 然,王新忠,李 濤,黃 鵬

    (1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;2.中國石油吉林油田分公司,吉林松原138000)

    封隔器滑套分段壓裂關(guān)鍵工具研制及應用

    薛建軍1,童征1,魏松波1,沈澤俊1,劉佳2,魏然1,王新忠1,李濤1,黃鵬1

    (1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;2.中國石油吉林油田分公司,吉林松原138000)

    根據(jù)低滲透油氣藏體積改造工藝提出的大排量、高液量、高砂量、形成復雜縫網(wǎng)的技術(shù)要求,開展了裸眼封隔器滑套分段壓裂技術(shù)配套關(guān)鍵工具的研制與試驗工作。開發(fā)了耐高壓復合式封隔器和新型可分解壓裂球2種關(guān)鍵工具。復合式封隔器整體結(jié)構(gòu)更緊湊,通徑更大,裸眼適應性更好。與傳統(tǒng)復合材料球相比,新型可分解球具有承壓指標高、可自行分解無需回收等優(yōu)點。與吉林油田合作在莫里青致密油藏開展壓裂工具的現(xiàn)場試驗工作。試驗中完井管柱下入順利,封隔器坐封動作正常,可分解球入座、起壓、承壓正常,壓裂施工參數(shù)達到設(shè)計要求,壓裂液返排時無殘留物?,F(xiàn)場試驗結(jié)果表明,壓裂工具完全滿足非常規(guī)油氣藏體積改造工藝的技術(shù)要求。

    封隔器;分層壓力;工具;可分解球

    儲層改造工藝一直是經(jīng)濟有效地開發(fā)非常規(guī)油氣資源的重要技術(shù)手段[1-4]。美國“頁巖氣革命”的成功正是依靠水平井鉆井、分段改造技術(shù)結(jié)合“工廠化”作業(yè)模式的規(guī)模應用[5-6]。通過多年的發(fā)展,在儲層改造領(lǐng)域已經(jīng)形成裸眼封隔器滑套改造工藝、連續(xù)油管分段改造工藝、套管固井滑套分段改造工藝等主體技術(shù)[7]。其中,裸眼封隔器滑套改造工藝(OHPS)以其大排量、免水泥固井、完井壓裂一體化等顯著優(yōu)點而得到廣泛應用。在國外,美國Halli-burton公司的Delta Stim技術(shù)、Schlumberger公司的StageFRAC技術(shù)和Baker Hughes公司的Frac Point技術(shù)是其中的典型代表,在現(xiàn)場獲得了廣泛應用。國內(nèi)相關(guān)單位通過攻關(guān),形成了國產(chǎn)化的裸眼封隔器滑套改造工藝技術(shù)及配套工具系列。

    目前,裸眼封隔器滑套改造工具還存在封隔器裸眼內(nèi)長期密封性差、施工工藝復雜、投球回收困難等不足[8]。針對上述問題,中國石油勘探開發(fā)研究院結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢,重點開展管外封隔器和壓裂球的設(shè)計與改進工作,取得重要突破,并在吉林致密油藏開發(fā)中得到驗證。

    1 裸眼封隔器滑套分段改造技術(shù)

    1.1現(xiàn)場施工工藝

    油氣井完鉆后,進行通井與刮管施工,然后按下列工序進行:

    1) 組裝完井-壓裂管柱并下入(如圖1)。完井管串底部為浮鞋,隨后依次是浮箍、所需數(shù)量的管外封隔器和壓裂滑套,滑套的位置位于封隔器之間。

    2) 各工具坐封和坐掛。管柱下入到位后替漿,投入座封球,坐封所有封隔器和懸掛器。

    3) 工具丟手和管柱回接。工具丟手,起出送入工具,下入油管并回接至井口,保證插管和密封筒鎖定,并進行驗封。

    4) 壓裂施工。管內(nèi)憋壓,打開壓差滑套,開始第1段壓裂作業(yè),第1段施工結(jié)束后形成流動通道,投球至第一只投球滑套,將其打開并與第一段隔離,開始第2段壓裂作業(yè),重復上述工藝直至完成所有層段的施工,每次所投球均比上一級增大相應尺寸(3.175 mm或6.350 mm),以確保能被對應的滑套球座所捕捉。

    5) 返排與生產(chǎn)。壓裂液返排,回收各壓裂球,進行試油試氣作業(yè)并轉(zhuǎn)入生產(chǎn)。

    圖1 裸眼封隔器滑套分段改造工藝管柱

    1.2主要配套工具

    1.2.1耐高壓管外封隔器

    管外封隔器的主要作用是對井段實施有效層段間隔離。按照工作原理的不同,管外封隔器分為壓縮式、擴張式和自膨脹式3種。壓縮式與擴張式封隔器都是靠液壓原理壓縮或擴張膠筒,使其徑向膨脹貼緊井壁,從而實現(xiàn)隔離環(huán)形空間、建立密封壓差。特點是承壓指標高、結(jié)構(gòu)較復雜、不適應裸眼井壁。自膨脹式封隔器的膠筒采用吸油或吸水自膨脹橡膠材料制成,膠筒在井下吸液膨脹并貼緊井壁,隔離環(huán)形空間。特點是不規(guī)則井壁的適應性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、膠筒長、材料性能易受外界因素影響。

    1.2.2投球可開關(guān)滑套

    投球可開關(guān)滑套是一種用于連通井筒和儲層的流動控制工具。其原理是,當相應尺寸的壓裂球下井并落座于滑套中的球座時,形成密封。地面壓裂泵升壓,當壓力達到設(shè)定值時銷釘被剪斷,與球座連接的中心筒被推動,露出流動端口,井筒和儲層連通。當生產(chǎn)期間需要關(guān)閉某層段,可單獨下入配套工具關(guān)閉該層段對應的滑套流動端口。

    1.2.3壓裂球

    壓裂球的作用是打開對應尺寸的滑套,并使待改造層段與已改造層段相隔離。傳統(tǒng)的壓裂球采用復合材料制造,施工時采用一組不同直徑的壓裂球,分別落座于不同尺寸的滑套球座。球與球座的尺寸級差有6.350、3.175和1.588 mm,級差越小,對壓裂球和球座的密封性能要求越高。傳統(tǒng)的壓裂球在施工后需要回收,以避免堵塞油氣井生產(chǎn)通道。

    2 工具設(shè)計與地面試驗

    2.1復合式裸眼封隔器

    2.1.1主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標

    復合式裸眼封隔器是在原有壓縮式封隔器基礎(chǔ)上開發(fā)的層間隔離工具(如圖2所示)。該工具加長了內(nèi)部中心管,在壓縮式普通膠筒的兩側(cè)或一側(cè)串聯(lián)自膨脹膠筒。工作原理與壓縮式封隔器基本相同:通過地面投送坐封球,管內(nèi)憋壓,封隔器油缸的安全銷釘被剪斷,油缸動作并帶動自膨脹膠筒一起壓縮普通膠筒,形成坐封。油氣井完成壓裂并轉(zhuǎn)入生產(chǎn)后,封隔器上的自膨脹膠筒會緩慢吸液膨脹,起到輔助密封的作用。114.3 mm(4英寸)復合式封隔器的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

    圖2 復合式裸眼封隔器

    該工具兼顧了壓縮式和自膨脹式2種封隔器的優(yōu)點:

    1) 坐封迅速。下井后可立即加壓坐封,不必等待自膨脹橡膠膠筒坐封。

    2) 整體結(jié)構(gòu)緊湊。有利于管柱下入和壓裂級數(shù)的增加。

    3) 通徑大。滿足大型壓裂的要求。

    4) 投產(chǎn)后封隔效果長期穩(wěn)定。自膨脹膠筒有利于提高封隔器在裸眼井段內(nèi)的適應性。

    表1 復合式封隔器技術(shù)參數(shù)

    2.1.2地面加壓試驗

    地面加壓試驗根據(jù)GB/T 20970—2007標準進行。試驗用耐高壓臺架內(nèi)徑170 mm,模擬擴徑后的152.4 mm(6英寸)水平井眼(臺架如圖3所示)。試驗臺架進行清水試壓,壓力為60.2 MPa,穩(wěn)壓20 min,臺架各連接處無滲漏。

    圖3 耐高壓試驗臺架

    封隔器加壓試驗采用模擬完井液作為試驗介質(zhì),試驗溫度為100℃。經(jīng)測量和現(xiàn)場加壓檢驗,封隔器中心管壓力上升至22 MPa時,銷釘被剪斷,膠筒被壓縮并坐封。環(huán)空加壓時,膠筒承壓73 MPa,30 min無泄漏。

    封隔器被繼續(xù)浸泡于試驗臺架內(nèi),使自膨脹膠筒充分吸收液體,期間不斷向臺架內(nèi)部補充液體。兩周后進行第2次加壓,試驗指標為85 MPa,封隔器承壓性能有進一步的提高。

    通過封隔器地面試驗,對新型復合式裸眼封隔器的承壓性能進行了驗證。結(jié)果表明,復合式封隔器動作正常,壓縮式膠筒工作可靠,自膨脹膠筒膨脹、座封正常,可以與前者配合,形成穩(wěn)定有效的密封。復合式封隔器完全可以滿足現(xiàn)場壓裂工藝要求。

    2.2可分解壓裂球

    2.2.1技術(shù)原理與特點

    可分解壓裂球是近年來一項很有發(fā)展前景的技術(shù),該壓裂球采用了在電解質(zhì)溶液中發(fā)生電化學反應而逐漸分解的特殊合金材料制成。可分解球的應用與傳統(tǒng)壓裂球完全一樣,不影響現(xiàn)有施工工藝,但是消除了回收作業(yè)。其特點是:

    1) 施工風險低。在壓裂施工完成后球體可自行分解,無需回收作業(yè)。

    2) 密封性好。密封形式為“金屬-金屬”,相對于復合材料球有優(yōu)勢。

    3) 材料分解速率可控。材料在壓裂液中分解速率遠低于在鹽水中的分解速率,而且分解速率可根據(jù)實際需要調(diào)整。

    4) 承壓性能高??煞纸獠牧蠟榻饘俸辖鸹模瑝毫亚虺袎嚎蛇_70 MPa??煞纸馇蚣夹g(shù)指標如表2所示,表中分解速率1和2的試驗介質(zhì)分別為質(zhì)量分數(shù)0.5%氯化鉀鹽水和胍膠壓裂液。

    表2 可分解球技術(shù)指標

    2.2.2可分解球承壓性能試驗

    通過地面試驗對三種常用尺寸的壓裂球在常溫(20℃)下的承壓性能進行檢驗。3種尺寸分別是38.1 mm,44.45 mm和57.15 mm,采用6.350 mm級差球面密封球座測試。試驗結(jié)果表明,壓裂球密封效果良好,3種規(guī)格的球均能承受70 MPa壓力,反排壓力低于2 MPa。從試驗結(jié)果看,可分解壓裂球表現(xiàn)出較好的抗變形能力,與6.350 mm級差球座配合可滿足常溫下承壓70 MPa要求。

    開展了可分解壓裂球在高溫條件下的承壓性能試驗。試驗用壓裂球尺寸為63.5 mm,試驗溫度為90℃,采用恒溫水浴加壓測試工裝,滑套球座為6.350 mm級差球面密封球座。試驗過程中,63.5 mm的壓裂球在90℃下能夠承壓70 MPa,穩(wěn)壓4 h不泄露,密封效果良好,返排壓力小于5 MPa。試驗結(jié)果表明,可分解球在90℃條件下能夠與6.350 mm級差的球座有效配合,滿足穩(wěn)定承壓70 MPa的要求。

    3 現(xiàn)場試驗

    3.1吉林莫里青油田概況

    吉林油田伊通盆地的莫里青油田剩余資源量1.57億t,具備較大開發(fā)潛力,但油藏特征復雜,經(jīng)濟有效開發(fā)難度大。該油田具有埋藏深(>3 000 m),儲層物性差(孔隙度<12%,滲透率<1 m D),油層厚度大,流體性質(zhì)復雜,存在凝析氣,儲層敏感性強等特點。

    莫里青作為伊通地區(qū)的產(chǎn)能建設(shè)重點區(qū)塊,整體規(guī)劃開發(fā)井52口,預建產(chǎn)能3.42萬t,主要任務包括已動用區(qū)塊完善井網(wǎng)系統(tǒng),細分層系開發(fā),對未動用區(qū)開發(fā)試驗、外圍潛力區(qū)控制井部署。其中,在未動用的伊45-2試驗區(qū)塊部署伊45-3井作為主力控制井,評估單井產(chǎn)能和伊45-2試驗區(qū)塊開發(fā)潛力。伊45-2區(qū)開發(fā)目的層為雙二段四砂組,未動用儲量570×104t,有效厚度大于25 m,部署井位5口,平均井深3 050 m,伊45-3井為控制井,區(qū)塊設(shè)計日產(chǎn)4.0 t/d,預建產(chǎn)能0.48×104t。

    3.2完井設(shè)計與配套工具

    3.2.1井身結(jié)構(gòu)

    該井采用三開直井井身結(jié)構(gòu)(如表3所示),完井工藝為裸眼管外封隔器結(jié)合可開關(guān)滑套,在152. 4 mm(6英寸)裸眼內(nèi)下入114.3 mm(4英寸)尾管串。2013年10月28日該井開鉆,同年12月底完鉆。該井裸眼電測解釋曲線如圖4所示。

    表3 套管基本數(shù)據(jù)

    由測井曲線中電性、放射性和聲波的檢測結(jié)果表明,施工段主要關(guān)注的井徑變化無明顯異?,F(xiàn)象,滿足本次施工作業(yè)要求。

    圖4 伊45-3井測井解釋曲線

    3.2.2完井工具

    根據(jù)長春采油廠開發(fā)規(guī)劃,在伊45-3井開展直井裸眼封隔器滑套結(jié)合裂縫控制壓裂工藝技術(shù)的應用,增大儲層改造體積,實現(xiàn)伊45-2區(qū)塊雙二段致密油藏的產(chǎn)能突破。該井初始設(shè)計改造4段,完鉆后根據(jù)油氣層解釋結(jié)果改為壓裂2段。完井工具規(guī)格和下入位置如表4所示,組成如圖5。

    表4 完井管柱主要工具規(guī)格

    圖5 完井壓裂管柱工具組成

    現(xiàn)場用復合式封隔器采用單自膨脹膠筒的設(shè)計方案??煞纸馇蚺c配套滑套球座的直徑級差定為6.35 mm,根據(jù)壓裂設(shè)計的要求,準備了53.98、60.33 mm 2種規(guī)格的可分解球,各準備2套,使用一套,另一套備用。根據(jù)鄰井資料,儲層溫度約90℃,在該溫度下,可分解球能夠滿足技術(shù)要求。

    3.3完井管柱下入與封隔器坐封

    2014-01-05,在完成單鉆頭通井、套管刮削、單銑柱模擬通井和雙銑柱模擬通井程序后,開始完井管柱的下入作業(yè)。完井管柱結(jié)構(gòu)如下:引鞋+篩管+浮箍+114.3 mm(4in)套管5根+坐封球座+壓差滑套+114.3 mm(4in)套管3根+調(diào)整短節(jié)2根+復合式封隔器+114.3 mm(4in)套管1根+投球滑套+114.3 mm(4in)套管30根+114.3 mm(4in)套管2根+尾管懸掛器+114.3 mm (4in)套管1根+懸掛封隔器+114.3 mm(4in)套管1根+多功能丟手。

    管柱下入過程順利,全部工具到達預定位置,深度數(shù)據(jù)如表4所示。管柱下完后,用質(zhì)量分數(shù)2% 的KCL溶液進行替漿。根據(jù)甲方要求,現(xiàn)場不回接管柱,在替漿后直接進行封隔器和懸掛器座封施工?,F(xiàn)場采用700型水泥車進行正加壓,逐級加壓10、15、22 MPa,各穩(wěn)壓2 min。繼續(xù)加壓至26 MPa,穩(wěn)壓10 min,加壓至29.8 MPa,穩(wěn)壓10 min。緩慢泄壓至0 MPa,再次逐級加壓至11、16、22 MPa,各穩(wěn)壓2 min。繼續(xù)加壓至28 MPa,穩(wěn)壓20 min,為保證坐封可靠,加壓力打至32 MPa,穩(wěn)壓5 min。坐封施工完畢后,相繼進行尾管懸掛器驗封、驗掛和尾管丟手作業(yè),均順利完成。

    3.4壓裂施工

    3.4.1壓裂設(shè)計方案概要

    2014-04-16,正式開展伊45-3井壓裂施工作業(yè)。該井壓裂設(shè)計方案要點如下:

    1) 本井應用裂縫控制壓裂技術(shù),以大排量、大液量、大砂量、深穿透形成復雜縫網(wǎng),以提高單井產(chǎn)能。

    2) 本井為直井,采用套外封隔器結(jié)合滑套的完井方式,壓裂管柱177.8 mm(7 in)+114.3 mm (4in)套管壓裂,分兩級施工,設(shè)計排量分別為6.0~8.0 m3/min和8.0~10.0 m3/min。根據(jù)小型測試壓裂的分析結(jié)果進行壓裂施工方案的調(diào)整,方案調(diào)整以造長縫、滿足最低裂縫導流要求、確??p口高導流能力、降低儲層傷害為原則。

    3) 為了實現(xiàn)不同裂縫形態(tài)的有效支撐,增加泄油面積,中間投暫堵劑迫使裂縫轉(zhuǎn)向形成縫網(wǎng),加砂方式采用段塞加砂和組合支撐方式。

    4) 壓裂液采用滑溜水結(jié)合0.5%羥丙基胍膠的壓裂液體系,設(shè)計總用液量2 755.6 m3,準備壓裂液3 323 m3。

    5) 兩段設(shè)計加砂量分別為80 m3和60 m3,共140 m3,其中20~40目69 MPa陶粒70 m3,30~50目69 MPa陶粒57 m3,40~70目86 MPa陶粒13 m3。

    6) 本井預測最高施工壓力為46.2 MPa,最大水功率為7 722 k W。

    在第1段的滑套作業(yè)中,壓差滑套在經(jīng)過3次“升壓-降壓-升壓”循環(huán)后被打開。在正式施工前,進行了小型測試壓裂,目的是評估地層吸液能力和計算濾失系數(shù),防止出現(xiàn)壓裂液脫砂和裂縫砂堵的情況。測試壓裂通過記錄井口壓力回落的時間來評估地層吸液能力。整個過程一共加入38.5 m3測試壓裂液,伊453井順利通過測試壓裂。

    測試壓裂通過后,開展第1段壓裂施工,一共入地液量1 221 m3,支撐劑56 m3,復合式封隔器工作正常。在第2段施工中,通過井口投入60.33 mm可分解壓裂球。同時,泵注車組以1.2 m3/min的排量泵送壓裂球,壓裂球入坐和起壓均正常。壓力升至約40 MPa時球座動作,滑套被順利打開,開始壓裂第2層。第2段施工中,入地液量一共1 297 m3,支撐劑60 m3。整個過程壓力、排量穩(wěn)定,無壓力波動、下降和漏失的情況,表明復合式封隔器層間隔離穩(wěn)定性好,可分解壓裂球與滑套球座的配合效果滿足要求,兩種工具分別在管外與管內(nèi)形成有效的封堵。兩層實際施工參數(shù)如表5和圖6所示。

    表5 主要壓裂參數(shù)

    第1段施工中,如圖6a所示,試壓壓力65 MPa,開啟壓差滑套3次,開啟壓力在63~55 MPa,信號反應明顯,易變識,破裂壓力43 MPa,進入壓裂施工。第2段施工中,如圖6b所示,開啟壓差滑套1次,開啟壓力40 MPa,信號明顯易變識,破裂壓力36 MPa,進入壓裂施工。

    3.5試油投產(chǎn)

    壓裂施工完成后停泵,關(guān)閉井口閥門,拆掉施工管線,倒好閥門,開始進行放噴,根據(jù)甲方設(shè)計方案及時進行返液。從2014-04-19開始至2014-05-24,一共返液1 321 m3。

    2014-05-25伊45-3井正式投產(chǎn),2014-06-09下泵。目前,該井日產(chǎn)液24.7 m3,含油約15.2 m3,含水率38.5%。產(chǎn)出液中不含壓裂球碎片,說明壓裂球已經(jīng)完全分解。通過伊45-3井壓裂和生產(chǎn)效果看,復合式封隔器和可分解球性能達到預期設(shè)計要求。

    圖6 各段壓裂施工曲線

    4 結(jié)論

    1) 通過對管外封隔器和壓裂球的結(jié)構(gòu)與材料改進,開發(fā)出滿足大排量體積改造工藝要求的裸眼封隔器滑套壓裂技術(shù)及配套關(guān)鍵工具。復合式封隔器整體結(jié)構(gòu)更緊湊,通徑更大,裸眼井段適應性更好。新型金屬合金基材可分解球具有承壓指標高、密封性好,可自行分解、無需回收等優(yōu)點。

    2) 油田現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,復合式裸眼封隔器能夠更好地適應復雜裸眼井徑、提高密封性,保證了裸眼井段的封隔效果??煞纸鈮毫亚蚩商娲鷤鹘y(tǒng)壓裂球,降低了現(xiàn)場作業(yè)風險,簡化施工工藝,能勝任高級數(shù)、多層段的改造任務。為非常規(guī)油氣藏體積改造提供了強有力的保證。為了進一步擴大該技術(shù)的應用范圍,應繼續(xù)改進封隔器結(jié)構(gòu),降低整體尺寸,提高封隔能力,提高新型可分解壓裂球本體強度,保證其在低級差球座中的承壓性能。

    [1]吳奇.水平井體積壓裂改造技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2013.

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    R&D of Key Tools for OHPS and Application of Oilfield

    XUE Jianjun1,TONG Zheng1,WEI Songbo1,SHEN Zejun1,LIU Jia2,WEI Ran1,WANG Xinzhong1,LI Tao,H UANG Peng1
    (1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Beijing 100083,China;2.Jilin Oilfield Compny,PetroChina,Songyuan 138000,China)

    The key tools for open-hole packer-sleeve multistage fracture are develop ed and testedfor recovering low-permeable reservoir in terms of technical requirement on SRV,which is in-volved in high flow rate,mass proppants and complicated fracture network etc.The development of hybrid-structure packer for HP condition and new dissolvable ball was carried out.Hybrid-structure packer has been designed,produced and subjected to several workbench tests to function with the compact structure,large drift diameter and better zonal isolation in open-hole wellbore. Compared with the traditional Composite ball,new operation ball based on the dissolvable alloy material is developed with the advantages of high pressure resistance,self-dissolving and low op-eration risk of retrievement over the composite ball.The field test in Moliqing tight oil reservoir of Jinlin Oilfield has been performed with successful deployment of completion and setting of new packer.During fracture operation,the dissolvable ball is dropped,set in sleeve seat with pressure build-up successfully.Any residual of the dropped ball was not found during the back-flow of fracturing fluid.It is proved that new downhole tools shown above meet fully demand on SRV for developing unconventional reservoir.

    packer;separate layer fracturing;tool;dissolvable ball

    TE934.203

    B

    10.3969/j.issn.1001-3482.2015.11.011

    1001-3482(2015)11-0044-06

    2015-05-19

    中國石油勘探生產(chǎn)分公司重大現(xiàn)場攻關(guān)試驗子課題“體積改造設(shè)計、實施及評估技術(shù)研究與應用”(2013FCGYLGZ001)

    薛建軍(1977),男,河南人,工程師,碩士,2007年畢業(yè)于中國石油大學(北京),現(xiàn)從事采油采氣裝備技術(shù)研究工作,Email:jjxue@petrochina.com.cn。

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