無限級(jí)套管滑套多層壓裂技術(shù)研究

張光生，王 筱，張紅麗

（1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅慶陽 745000；2.中國石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第八采油廠，陜西西安 710021；3.中國石油川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司第二工程項(xiàng)目部，甘肅慶陽 745100）

1 研究背景

1.1 壓裂改造難點(diǎn)

作為中國陸上目前最大的綜合性天然氣田，蘇里格氣田是長(zhǎng)慶油田實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)5 000×104t產(chǎn)量的重要組成部分，其巖性以巖屑砂巖和巖屑質(zhì)石英砂巖為主、石英砂巖次之，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)較高，儲(chǔ)集空間以孔隙為主，具有孔喉半徑小、排驅(qū)壓力大、分選程度差的特征，平均孔隙度為6.23%，平均滲透率0.4 mD，屬于典型的“低孔、低壓、低滲”三低氣田，目前壓裂改造的難點(diǎn)如下[1-4]：

（1）由于儲(chǔ)層致密，黏土礦物含量較高，儲(chǔ)層物性差，需要在壓裂過程中形成較長(zhǎng)的人工裂縫，并且能與井網(wǎng)系統(tǒng)相匹配，以抵抗外來流體對(duì)地層的傷害。

（2）儲(chǔ)層孔喉半徑小、排驅(qū)壓力大，儲(chǔ)層易受壓裂液傷害，大多數(shù)井經(jīng)分層壓裂后，無法適應(yīng)統(tǒng)一返排的施工方式，地層能量有限，壓力系數(shù)低，壓裂液返排難度大，在地層內(nèi)滯留時(shí)間不同。

1.2 壓裂現(xiàn)狀分析

目前，我國油氣田完井壓裂主要采用投球壓裂滑套技術(shù)，其工作原理為：在井口進(jìn)行投球，鋼球壓裂滑套內(nèi)芯子向下移動(dòng)，同時(shí)擴(kuò)張封隔器膠筒實(shí)現(xiàn)座封，然后對(duì)油管進(jìn)行打壓，膠筒在壓力作用下發(fā)生蠕變，打開鎖定壓裂滑套，實(shí)現(xiàn)封隔地層，目前投球壓裂滑套技術(shù)存在以下問題[5-12]：

（1）投球壓裂分段的針對(duì)性相對(duì)較差，封隔器、橋塞逐段壓裂只能用在套管完井，施工周期長(zhǎng)，成本相對(duì)較高，錨瓦類工具在施工過程中易出現(xiàn)卡封、串層等事故，射孔過程復(fù)雜，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到一定程度時(shí)，打開程度不完善，難以控制需要重點(diǎn)改造的層位。

（2）分段壓裂完井工藝采用投球壓裂滑套技術(shù)，由于受投球直徑的限制，最大壓裂段數(shù)有限，地層出砂易造成管柱被砂體埋沒，甚至出現(xiàn)砂卡，井下工具進(jìn)入井筒受到一定限制，隨著水平段的級(jí)數(shù)增多，壓裂施工完成后排液過程中壓裂座封球無法全部返出井筒。

為了滿足多層動(dòng)用和單層大排量壓裂，實(shí)現(xiàn)鉆完井壓裂一體化，引進(jìn)了無限級(jí)套管滑套多層壓裂技術(shù)。

2 無限級(jí)套管滑套多層壓裂技術(shù)

2.1 方案設(shè)計(jì)思路

（1）對(duì)外筒內(nèi)壁上下端分別連接導(dǎo)向套，并設(shè)計(jì)由銷釘固定的活塞。在施工過程中，通過套管內(nèi)壓的變化推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)套管滑套的反復(fù)開啟與閉合，從而實(shí)現(xiàn)套管井不限段數(shù)的分段壓裂和選擇性開采。

（2）設(shè)計(jì)一種能夠在起管柱負(fù)荷過大時(shí)使多級(jí)管柱逐級(jí)斷脫、逐級(jí)打撈的起出方法，滑套可根據(jù)具體情況選擇性的配接在管柱上，并且與套管一起固井，保證滑套內(nèi)徑與套管相同，減小下入阻力，實(shí)現(xiàn)全通徑。

（3）對(duì)封隔器進(jìn)一步優(yōu)化，使其能在滑套內(nèi)部建立壓差，保證密封性能良好，同時(shí)，封隔器設(shè)計(jì)反循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生砂埋砂卡導(dǎo)致管柱負(fù)荷過大時(shí)，可以第一時(shí)間建立循環(huán)解除砂堵。

2.2 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)示意圖 無限級(jí)套管滑套多層壓裂技術(shù)將無限級(jí)滑套與完井套管一起下入井內(nèi)，滑套下到預(yù)定位置后，下入專用井下工具組合，用可重復(fù)座封封隔器進(jìn)行封隔，將其座封在滑套的壓裂孔和排氣閥之間，然后對(duì)連續(xù)管與套管之間的環(huán)空加壓，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定開啟值時(shí)，銷釘剪斷，連續(xù)油管帶動(dòng)專用工具組合打開各個(gè)滑套，閥門自動(dòng)打開，實(shí)現(xiàn)一次無限級(jí)壓裂改造，其結(jié)構(gòu)示意圖（見圖1）。

2.2.2 可重復(fù)座封封隔器 封隔器是專門用于連續(xù)油管噴射壓裂的高壓可重復(fù)座封封隔器（見圖2），其作用為：將壓裂層位與下部井眼隔離，整體壓力平衡閥可以有效地釋放座封封隔器，無需提供扭矩，采用上部加載荷座封，在噴砂射孔作業(yè)時(shí)將隔離裝置組合錨定，自動(dòng)的J型槽裝置上提時(shí)直接解封，下放時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽鉅顟B(tài)，可以使連續(xù)油管重復(fù)進(jìn)行座封、解封，實(shí)現(xiàn)不斷循環(huán)，與機(jī)械封隔器分層壓裂工藝相比，該工藝特別適用于連續(xù)油管下井，可以滿足大排量混合壓裂設(shè)計(jì)需求，完井井筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期作業(yè)難度小。

圖1 無限級(jí)套管滑套外部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 封隔器工作示意圖

2.2.3 噴砂射孔器 水力噴射壓裂克服了射孔彈的壓實(shí)作用，可以在不起油管的前提下在套管表面進(jìn)行射孔，用1個(gè)封隔器就能逐級(jí)封隔多個(gè)氣層，并且不限次數(shù)進(jìn)行多級(jí)壓裂，可有效解除近井地帶的封堵效應(yīng)，減少了對(duì)油氣藏的污染和傷害，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模儲(chǔ)層改造。

2.2.4 滑套定位器 滑套定位器安裝在封隔器以下，可以匹配壓裂滑套底部的凹槽，并且在滑套定位器以下安裝了無限級(jí)壓裂減壓接頭，當(dāng)可重復(fù)座封封隔器向下移動(dòng)時(shí)，隨著壓裂-隔離系統(tǒng)從壓裂滑套中拔出，定位器的機(jī)械爪將會(huì)彈出，并迅速進(jìn)入壓裂滑套的底部凹槽。當(dāng)套管或者尾管開始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層壓力時(shí)，尾部壓裂滑套將會(huì)打開，連續(xù)油管的質(zhì)量增加表明壓裂-隔離系統(tǒng)精確定位在壓裂滑套內(nèi)部。

2.3 方案實(shí)施步驟

（1）用連續(xù)油管下管柱至設(shè)計(jì)位置；

（2）套管接箍定位器定位、校深，保證位置準(zhǔn)確無誤；

（3）正循環(huán)替基液，下放連續(xù)油管座封封隔器；

（4）連續(xù)油管打壓驗(yàn)封，打開滑套；

（5）按設(shè)計(jì)進(jìn)行環(huán)空加砂壓裂施工；

（6）解封封隔器，上提連續(xù)油管至下一個(gè)施工井段；

（7）重復(fù)步驟（3）～（6），完成設(shè)計(jì)井段施工；

（8）施工結(jié)束后起出連續(xù)油管，套管放噴排液，按排液制度要求控制排液速度。

3 試驗(yàn)分析

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1.1 強(qiáng)度試驗(yàn) 為了驗(yàn)證工具各項(xiàng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)是否滿足要求，對(duì)套管滑套工具進(jìn)行承內(nèi)壓、滑套開啟壓力、解封壓力及鎖環(huán)解鎖力等在室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見表1）。

表1 套管滑套設(shè)計(jì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果來看，套管滑套多層壓裂工具總成技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 起裂物模擬試驗(yàn) 為了驗(yàn)證固井水泥環(huán)對(duì)不同面積壓裂端口起裂的影響程度，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

表2 端口面積與起裂壓力關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果看，端口面積越大，起裂壓力越低，因此，在滿足工具性能的前提下，應(yīng)盡可能增加端口面積。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)--以蘇76-5-2H井為例

3.2.1 基本情況 蘇76-5-2H井是鄂爾多斯盆地伊陜斜坡蘇76區(qū)塊的一口開發(fā)井，完鉆井深4 432.00 m，垂深3 229.77 m，最大井斜91.14°，水平段長(zhǎng)881.00 m，井底水平位移1 341.01 m，水平井段錄井氣測(cè)全烴含量最高56.68%，錄井解釋氣層8層568 m，單層最大厚度165 m，水平井段全長(zhǎng)881 m。

3.2.2 施工設(shè)計(jì) 蘇76-5-2H采用井采用139.7 mm套管和無限級(jí)滑套一起固井，連續(xù)管和套管環(huán)空加砂注入進(jìn)行壓裂。設(shè)計(jì)思路如下：

（1）根據(jù)地質(zhì)和測(cè)井資料，分10段進(jìn)行壓裂施工，設(shè)計(jì)使用了10個(gè)無限級(jí)滑套，完井管柱示意圖（見圖3）。

（2）由于此地區(qū)底層溫度梯度為3.06℃/100m，折算地層溫度為98℃，為了實(shí)現(xiàn)快速排液，施工現(xiàn)場(chǎng)從第一至第五段全程伴注液氮，其余各段加砂前期及前置液時(shí)伴注液氮，根據(jù)返排情況，設(shè)計(jì)液氮伴注量約為150 L/min。

（3）由于該地區(qū)閉合應(yīng)力約47.1 MPa，為了保證施工成功率，在前置液加注階段加入中密度、高強(qiáng)度的陶粒作為支撐劑，其性能需滿足SY/75108-2006規(guī)定的要求。

（4）為了降低壓裂液對(duì)地層的二次傷害，考慮采用應(yīng)用成熟的羥丙基胍膠壓裂液體系，以較大排量施工，減少液體濾失，提高液體的造縫效率，有效降低了裂縫彎曲摩阻，壓裂時(shí)采用KL180-70型井口，采氣改用KQS705型采氣樹。

（5）施工管柱自上而下依次為：30.8 mm連續(xù)管+連續(xù)油管連接器+丟手工具+噴射短節(jié)+封隔器+座封工具+套管接箍定+機(jī)械定位器。

3.2.3 施工參數(shù) 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工數(shù)據(jù)表（見表 3）。

圖3 蘇76-5-2H井完井管柱示意圖

表3 壓裂施工數(shù)據(jù)表

3.2.4 施工效果

（1）固井后壓裂滑套剖面圖（見圖4）。

圖4 固井后壓裂滑套剖面圖

（2）各層段的基本參數(shù)（見表4）。

表4 蘇76-5-2H井各層段基本參數(shù)

套管限壓60 MPa下，根據(jù)不同施工排量下井口施工壓力，各層設(shè)計(jì)施工排量為4.0 m3/min～5.5 m3/min，實(shí)際施工排量為4.5 m3/min～4.6 m3/min，壓裂加砂階段施工壓力為 23 MPa～30 MPa，設(shè)計(jì)加砂量 285 m3，實(shí)際加砂量285.3 m3，平均砂比為22.3%，入地凈液量為230.5 m3，平均每層施工時(shí)間約15 h，每層約注入240 m3的液體，28 t支撐劑，結(jié)合錄井資料綜合分析本井砂體鉆遇率為78%，有效儲(chǔ)層鉆遇率為55.4%，除第二、九段發(fā)現(xiàn)砂堵加砂未完成外，其余各段均壓裂正常。

4 結(jié)論與建議

通過試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得出無限級(jí)套管滑套多層壓裂技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）施工快捷高效：該工藝實(shí)現(xiàn)一次管柱作業(yè)，后一級(jí)的措施液被用作前一級(jí)的頂替液，完成無限級(jí)壓裂改造完井，閥門由連續(xù)油管下入的專用井下工具組合開啟，替代了投球方式，針對(duì)性強(qiáng)、施工快捷，綜合成本低，能同時(shí)大幅度提高單井產(chǎn)量和油氣田的采收率。

（2）可實(shí)現(xiàn)全通徑完井：滑套和套管內(nèi)徑相同，實(shí)現(xiàn)了全通徑，將全通徑無限級(jí)固井滑套按照常規(guī)固井滑套的方式下入到壓裂預(yù)定位置，然后再進(jìn)行固井作業(yè)。井下工具可以不受限制地進(jìn)入井筒，通過座封封隔器逐個(gè)打開無限級(jí)滑套，簡(jiǎn)化了完井工藝，優(yōu)化壓裂滑套的間隔，降低了完井成本。

（3）壓裂施工更加安全可靠：井下工具配備了噴砂射孔器，配合固完井分段壓裂一體化管柱，可臨時(shí)增加措施級(jí)數(shù)向連續(xù)油管泵送砂漿，砂漿從噴嘴噴出后可以形成射孔，利用連續(xù)油管壓力來監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)井底壓力，一旦出現(xiàn)砂卡情況，可通過連續(xù)油管第一時(shí)間洗出多余的支撐劑進(jìn)行循環(huán)解卡，如果滑套因固井等原因無法開啟時(shí)，可以用連續(xù)油管噴砂射孔補(bǔ)孔后進(jìn)行壓裂，使整個(gè)壓裂施工更加安全可靠。

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