韓 峰,王建全,3,薛占峰,戴文潮,朱和明
(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100101;3.德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司,山東 德州 253034)
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致密油氣藏水平井全通徑壓裂技術(shù)
韓 峰1,2,王建全1,2,3,薛占峰1,2,戴文潮1,2,朱和明1,2
(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100101;3.德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司,山東 德州 253034)
為滿足水平井分段壓裂技術(shù)逐步向管柱全通徑方向發(fā)展的需求,對致密油氣藏幾種全通徑壓裂工藝的主要特點和適用條件進行分析,研究配套壓裂工具的結(jié)構(gòu)形式,介紹滑套、橋塞和水力噴砂射孔3種壓裂工具管柱全通徑的工作原理和實現(xiàn)方式,總結(jié)幾種全通徑壓裂工藝的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合我國重慶涪陵、華北鄂爾多斯等不同區(qū)域的地層特點、井深結(jié)構(gòu)和自然條件,提出適合其自身特點的壓裂工藝和配套工具,進一步預(yù)測我國深層頁巖氣開發(fā)對壓裂工具的現(xiàn)場需求和發(fā)展趨勢。為新型壓裂工具的研究提供參考。
致密油氣藏;水平井;分段壓裂;全通徑;壓裂工具
低滲透油氣藏在世界上分布廣泛且儲量豐富,北美的墨西哥灣、俄羅斯的西伯利亞地區(qū)、我國的鄂爾多斯盆地和重慶涪陵地區(qū)等都屬于典型的低滲透油氣田,這些油氣藏都具有巖性致密、低孔滲等特點,無自然產(chǎn)能或產(chǎn)能低,在開發(fā)過程中均需進行儲層改造作業(yè)。1947年,水力壓裂技術(shù)[1]首次在美國堪薩斯州進行了試驗,現(xiàn)已逐漸發(fā)展為致密低滲油氣藏儲層改造的重要手段和頁巖氣勘探開發(fā)的主要方法。應(yīng)用水力壓裂技術(shù)可大幅度提高致密低滲油氣藏和非常規(guī)天然氣產(chǎn)量,其中,多級滑套分段壓裂技術(shù)、泵送橋塞射孔分段壓裂技術(shù)和連續(xù)油管底封拖動壓裂技術(shù)等新型的壓裂技術(shù)得到了較快的發(fā)展,投球式滑套、可打撈滑套、可反復(fù)開關(guān)滑套、液壓平衡滑套、易鉆橋塞、大通徑橋塞和可溶解橋塞等一大批壓裂工具逐漸在國內(nèi)各大油氣田進行了先導(dǎo)試驗和工業(yè)化推廣。2010年之前,國內(nèi)外的壓裂技術(shù)服務(wù)及配套工具主要由Baker Hughes,Halliburton,Weatherford和NCS等著名石油工程服務(wù)承包商壟斷。近幾年,中國石油工程技術(shù)研究院、勝利油田鉆井研究院、江漢油田和中石化石油機械股份有限公司等先后研制了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的壓裂裝備及工具,開始逐漸在國內(nèi)各大油氣田推廣,極大推動了我國壓裂工具的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進程。
隨著鉆井朝著深井超深井、長水平段等方向發(fā)展,對壓裂技術(shù)和配套工具也提出了更高的要求:如壓裂級數(shù)不受限制、管柱全通徑、利于產(chǎn)液返排和后期改造、縮短施工周期及降低作業(yè)成本等。因此,壓裂工藝的制定和實施需要根據(jù)油氣井的地層特點和井深結(jié)構(gòu)等綜合特征確定合適的完井形式。本文通過分析多級滑套、泵送橋塞和連續(xù)油管噴砂射孔等分段壓裂技術(shù)的適用性,介紹不同壓裂工具的工作原理、結(jié)構(gòu)形式以及實現(xiàn)管柱全通徑的方式,結(jié)合我國國內(nèi)不同區(qū)域的實際情況,優(yōu)選出最佳管柱結(jié)構(gòu),保證施工周期和壓裂效果,最終達到降本增效的目的。
1.1 連續(xù)油管/油管底封拖動壓裂技術(shù)流程
連續(xù)油管/油管底封拖動壓裂技術(shù)也稱為連續(xù)油管帶底部封隔器環(huán)空加砂壓裂技術(shù),其管柱由重復(fù)坐封封隔器(Y 211封隔器)、平衡閥、噴砂器、定位器、扶正接頭和應(yīng)急丟手工具等組成[2],如圖1所示。施工流程為:通過連續(xù)油管將管柱下入到設(shè)計位置,采用定位器校核深度,上提管柱實現(xiàn)封隔器內(nèi)部軌道的轉(zhuǎn)換、下放管柱2~3 t坐封封隔器。壓裂前,通過管內(nèi)注入砂比7%的射孔液射開套管,與地層建立過液通道,然后從環(huán)空內(nèi)進行加砂壓裂[3]。壓裂完成后,上提解封封隔器,重復(fù)上述操作進行下一層位的壓裂施工,最后統(tǒng)一進行放噴求產(chǎn)。
圖1 NCS Energy Services公司貓鼬底封拖動壓裂工具的管柱
連續(xù)油管底封拖動壓裂工藝施工周期較短,一趟工具可以完成射孔、封隔、壓裂等所有任務(wù),壓裂規(guī)??蛇_4~6 m3/min,工具起出井筒即可具備生產(chǎn)條件,管柱保持全通徑,便于后期修井作業(yè)[4]。目前,連續(xù)油管底封拖動壓裂技術(shù)一趟管柱最高的壓裂段數(shù)可達幾十段,極大提高了施工效率。
1.2 連續(xù)油管/油管拖動重復(fù)壓裂工藝
隨著老油田的逐漸開采,無產(chǎn)能或低產(chǎn)能的比例逐年提高,具體表現(xiàn)為壓裂層段含油量低、裂縫閉合、導(dǎo)流能力變差等。對于壓裂層段跨距較大的油氣井,采取二次壓裂方式可以盤活低效井的開發(fā)效益。連續(xù)油管/油管拖動重復(fù)壓裂工藝就是一種二次壓裂工藝,采用的是管內(nèi)加砂壓裂,壓裂規(guī)模一般不高于2 m3/min。圖2為NCS Energy Services公司設(shè)計的重復(fù)壓裂工具,該工具主要由水力擴張式封隔器(上封隔器)、底部壓縮式封隔器(下封隔器)、壓裂循環(huán)短節(jié)、噴砂器、定位器和水力錨等組成。管串入井后,通過定位器找到目的地層,上提下放管柱坐封下封隔器,進行噴砂射孔,接著打開循環(huán)孔泵入壓裂液,當(dāng)排量達到設(shè)計值時,水力擴張封隔器在節(jié)流壓差作用下實現(xiàn)漲封,壓裂液隨之進入目的地層。
圖2 NCS Energy Services公司重復(fù)壓裂工具
滑套是一種預(yù)置在完井管柱上的 “短節(jié)”,通過投入憋壓球或者下入開關(guān)工具等方式開啟壓裂孔,建立地層與套管的通道?;走m用于裸眼封隔器完井和套管完井,靠壓縮式裸眼封隔器或固井水泥環(huán)進行層間封隔。按照工作原理、結(jié)構(gòu)形式和主要功能分類,多級滑套可分為投球打開式、機械開關(guān)式、打撈球座式和液壓平衡式等幾種類型。
2.1 投球式多級滑套分段壓裂工具
常規(guī)投球式多級滑套分段壓裂技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外低滲油氣藏儲層改造的重要手段,如圖3所示。壓裂時依次投入不同尺寸的憋壓球,從下往上逐級打開滑套進行較大規(guī)模的壓裂。目前,常規(guī)投球式滑套一般壓裂級數(shù)可在12~20級,可適用于裸眼封隔器完井和套管完井2種方式。隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展,常規(guī)滑套憋壓球的高分子材料逐步被可溶材料替代,球座也逐步向速鉆、可溶材料方向發(fā)展。
圖3 常規(guī)投球式滑套
目前,一種新型的投球式大通徑滑套也已經(jīng)在國內(nèi)進行了先導(dǎo)應(yīng)用,該滑套采用計數(shù)原理,設(shè)計了軸向或環(huán)向步進計數(shù)機構(gòu),可實現(xiàn)投入相同尺寸的憋壓球打開各級預(yù)定滑套的功能。大通徑滑套最主要的特點是無須磨銑作業(yè)即可實現(xiàn)管柱大通徑,縮短施工周期,降低生產(chǎn)成本。
2.2 機械開關(guān)式滑套
機械開關(guān)式滑套分段壓裂工藝是一種可以實現(xiàn)儲層二次改造的新型技術(shù),可以對某些出水(出砂)層位進行選擇性關(guān)閉。該項技術(shù)可根據(jù)地層地質(zhì)狀況與儲層開發(fā)的需要,采用封隔器將水平井分隔成若干段,通過連續(xù)油管帶動專門的機械開關(guān)工具,上提或下放開關(guān)工具打開或關(guān)閉滑套[5]。該工藝對各級滑套的打開順序沒有要求,可以有針對性地對某一地層進行測試或壓裂改造,適用范圍廣。壓裂或測試時,采用開關(guān)工具打開目的滑套,壓裂完后關(guān)閉滑套。壓裂或測試結(jié)束,用開關(guān)工具將所有滑套打開,管柱保持全通徑。
2.3 液壓平衡式滑套
2007年,NCS Energy Services公司在北美各大油氣田進行連續(xù)油管底部封隔拖動壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用[6]。NCS Energy Services在常規(guī)連續(xù)油管底部封隔拖動壓裂的基礎(chǔ)上增加了預(yù)置滑套(液壓平衡滑套),將套管射孔改為打開滑套,射孔僅僅作為應(yīng)急方案,降低了射孔時沖蝕對管柱結(jié)構(gòu)的影響,增加了管柱在井下的工作壽命,提高了工作效率。圖4為NCS Energy Services公司貓鼬式滑套無限級壓裂工具,其具體操作流程為:鉆井后,根據(jù)油氣顯示確定壓裂層段,將液壓平衡滑套采用預(yù)置管柱的方式下入到設(shè)計深度,然后進行固井施工,依靠水泥環(huán)封隔層段,通過連續(xù)油管將滑套打開工具(底封工具)下入至滑套附近,滑套定位器實現(xiàn)封隔器與滑套的精確定位,然后將封隔器坐封在滑套內(nèi)套上,環(huán)空加壓將滑套打開進行環(huán)空加砂壓裂[7]。
圖4 NCS Energy Services公司貓鼬式滑套無限級壓裂工具
目前,泵送橋塞射孔聯(lián)做加砂壓裂技術(shù)已成為北美地區(qū)和重慶涪陵頁巖氣壓裂的主流技術(shù),廣泛應(yīng)用于套管井,其主要特點是分簇射孔從而在同一段形成多條裂縫,壓裂規(guī)模大,可達6~10 m3/min,壓裂后形成的縫網(wǎng)較復(fù)雜,儲層改造體積較大,增產(chǎn)效果較好。泵送橋塞射孔聯(lián)作壓裂技術(shù)如圖5所示。橋塞可以通過電纜泵送或者連續(xù)油管下入到設(shè)計位置坐封,最后進行射孔和壓裂,壓裂后采用連續(xù)油管進行鉆磨,最后進行測試和生產(chǎn)。單趟完成多級射孔槍與坐封壓裂橋塞,泵入速度穩(wěn)定,節(jié)省鉆時,費用較低,不需要夾層槍,施工程序較為靈活。
圖5 泵送橋塞射孔聯(lián)作壓裂
3.1 易鉆橋塞
易鉆橋塞由非金屬材質(zhì)組成,具有良好的可鉆磨性能。壓裂時每一個橋塞對每一層進行封隔,實現(xiàn)水平井的多級分段壓裂。隨著新材料和加工技術(shù)的提高,易鉆橋塞已經(jīng)逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。
目前,易鉆橋塞已經(jīng)在我國西南、華北、東北等油氣田區(qū)域廣泛應(yīng)用,尤其成為我國涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)的主要壓裂工具。但隨著深層頁巖氣和長水平段的開發(fā),橋塞后期的鉆壓施加困難、周期長、費用高等問題日益嚴(yán)重,將影響深層頁巖氣的開發(fā)。
3.2 大通徑橋塞
常規(guī)橋塞在施工時面臨很多問題,比如橋塞內(nèi)通徑小、磨銑時間長、鉆屑不容易返出、施工費用高等,大通徑壓裂橋塞可以有效地解決這些問題,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)選及熱處理工藝研究,大通徑橋塞內(nèi)徑相比常規(guī)橋塞要大得多,無須鉆除即可滿足后期排采的要求,消除了連續(xù)油管的作業(yè)風(fēng)險,縮短了作業(yè)周期[8]。在壓裂環(huán)節(jié),采用大通徑橋塞單井節(jié)約總成本約15%~20%。
3.3 可溶橋塞
近幾年,國外出現(xiàn)了可完全降解的橋塞射孔聯(lián)作系統(tǒng),在實施增產(chǎn)改造作業(yè)時使用可完全降解的壓裂球和橋塞(或球座)代替常規(guī)易鉆橋塞進行層位封隔,壓裂后橋塞在地層水中即可實現(xiàn)溶解,無需磨銑作業(yè),極大地提高了作業(yè)效率,降低了作業(yè)成本[9]??扇軜蛉鐖D6所示。
圖6 可溶橋塞
目前,可溶解橡膠材料是制約可溶膠筒大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵,可溶膠膠筒的材料配方合成和硫化工藝還沒到達工業(yè)化生產(chǎn)的程度,膠筒的溶解速率在井下還不能按照設(shè)計進行控制,施工成功率相對較低。
我國低滲透油氣藏含油氣層系多,涵蓋古生界、中生界和新生界,包括砂巖、碳酸鹽巖和火山巖,分布區(qū)域較廣,東部區(qū)域包括松遼、渤海灣、二連和海拉爾等,中部包括鄂爾多斯、四川盆地砂巖和海相碳酸鹽巖,西部有塔里木、柴達木等砂礫巖油氣藏、火山巖油氣藏和海相碳酸鹽巖油氣藏。同時,隨著重慶涪陵、四川彭水等頁巖氣的開發(fā),深層頁巖氣也將是我國未來的開發(fā)重點。本文以重慶涪陵和鄂爾多斯盆地為例,結(jié)合其自身特點對其壓裂工藝進行研究。
4.1 涪陵頁巖氣的壓裂工藝
涪陵頁巖氣田是我國第一口實現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)?;a(chǎn)的大型頁巖氣田。涪陵頁巖氣田儲層為海相深水陸棚優(yōu)質(zhì)泥頁巖,厚度大、豐度高、分布穩(wěn)定、埋深適中,中間無夾層,具有典型的頁巖氣特征,與北美典型海相頁巖各項指標(biāo)相當(dāng)。
涪陵水資源豐富、埋藏深、儲層厚、地層破裂壓力高、水平段長,比較適合用于壓裂規(guī)模較大的泵送橋塞射孔聯(lián)作技術(shù)。采用水平井套管完井方式,包括水平井簇射孔、可鉆式橋塞分段、電纜泵送橋塞和連續(xù)油管鉆塞等配套工藝技術(shù),這種工藝對儲層改造規(guī)模大、產(chǎn)量高。
4.2 鄂爾多斯盆地致密砂巖氣田的壓裂工藝
鄂爾多斯盆地[10]厚度相對小、豐度不高,水資源緊缺,埋藏淺且地層破裂壓力低,易采用多級滑套、噴砂射孔等定點壓裂工藝。同時,為了利于后期地層出水、砂堵等儲層改造的需要,逐漸向水平井大通徑/全通徑完井的工藝發(fā)展,目前主要有3種壓裂工藝:(1) 裸眼封隔器完井的大通徑/全通徑滑套分段壓裂工藝,管串結(jié)構(gòu)主要有“裸眼封隔器+投球計數(shù)打開滑套”和“裸眼封隔器+球座可溶滑套”等形式。(2) 套管完井的泵送橋塞分段壓裂工藝,主要包括復(fù)合易鉆橋塞、可溶橋塞等。(3) 連續(xù)油管噴砂射孔拖動壓裂工藝。此種工藝采用尾管懸掛器進行固井,然后回接不固井,采用連續(xù)油管底封工具進行水力射孔壓裂施工;也可以采用裸眼封隔器完井,采用連續(xù)油管射孔分壓。
由于多級滑套與連續(xù)油管噴砂射孔壓裂規(guī)模較小,對水資源要求較低,比較適合鄂爾多斯盆地的現(xiàn)狀,并且滑套還具有開關(guān)功能,有利于后期出水層位封堵和二次壓裂等儲層后期改造,有著較好的應(yīng)用前景。
本文研究了幾種全通徑壓裂工藝的主要特點和適用條件,分析了配套壓裂工具的管串結(jié)構(gòu)形式,結(jié)合我國鄂爾多斯盆地和重慶涪陵等地區(qū)的實際情況,提出壓裂工具的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向。
(1) 隨著水平井的不斷加長,壓裂技術(shù)逐步向全通徑方向發(fā)展,可溶球座式滑套、計數(shù)滑套、可溶橋塞等工具由于施工工序簡單、周期短、成本低,更能適應(yīng)當(dāng)前低油價時期的需求,將會逐步取代現(xiàn)有的壓裂工具。
(2) 滑套、橋塞和水力噴砂射孔等3種壓裂工具都可以實現(xiàn)管柱全通徑,國內(nèi)各大油氣田可以根據(jù)自身特點選擇合適的壓裂工藝和配套工具。重慶涪陵等水資源豐富、儲層厚的地區(qū)更適用于泵送橋塞大規(guī)模壓裂工藝;華北等地區(qū)可以推廣滑套、連續(xù)油管噴砂射孔等工藝,生產(chǎn)成本低。
(3) 新材料將成為未來新型壓裂工具的關(guān)鍵,耐高溫橡膠材料、可溶解材料等新材料將會在壓裂工藝中起到越來越重要的作用,可極大的縮短施工周期、降低生產(chǎn)成本。
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Multi-Stage Full-Bore Fracturing Technology for Horizontal Well
in Tight Reservoirs
HAN Feng1,2,WANG Jianquan1,2,3,XUE Zhanfeng1,2, DAI Wenchao1,2,ZHU Heming1,2
(1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineeringy,Beijing 100101,China; 2.State Key Laboratory of Shale Oil/Gas Enrichment Mechanism and Effective Development, Beijing 100101,China; 3.Shelfoil Petroleum Equipment & Services Co.,Ltd.,Dezhou 253034,Shandong,China)
In order to meet the developmental demands of horizontal well multistage technology developing in the full-bore direction,the primary characteristics and applicable conditions of downhole fracturing tools are analyzed,structure of the sliding sleeve,bridge plug and sand-jet perforating technology are investigated,and the implementation method and way to realize full-bore are introduced.Key technology is concluded in fracturing process.Based on the stratigraphic distribution characteristics,well structure and environmental condition of Fuling and Erdos,suitable fracturing technology and tools are suggested.According to the development of deep shale gas reservoir,the construction requirement development trend of fraturing tools are predicted.
tight reservoir; horizontal well; multistage fracturing; full-bore; fracturing tool
2017-02-21
國家科技重大專項資助項目“深層頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵裝備與工具研制”(2016ZX05038-005)
韓 峰(1984-),男,工程師
1001-4500(2017)03-0012-06
TE256
A