趙戰(zhàn)江 張承武 許廣強(qiáng) 李小凡 李舜水 石偉杰 遲宏佳

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)公司；2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院； 3.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司）

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，低孔低滲砂巖油氣藏正在成為世界油氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)和能源接替的一支新生力量，在油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程中已呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)。目前我國(guó)陸地油田已經(jīng)形成了一套成熟的壓裂改造技術(shù)體系，而海洋油氣田受完井方式、作業(yè)成本、安全要求等因素制約，壓裂改造技術(shù)正處在探索階段。同常規(guī)完井測(cè)試管柱相比，壓裂管柱具有系統(tǒng)壓力高、溫度效應(yīng)大、砂液沖蝕磨損快、工具砂卡風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，因此，針對(duì)西湖凹陷低孔低滲儲(chǔ)層壓裂作業(yè)特點(diǎn)，開(kāi)展了低孔低滲油氣藏壓裂管柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以期實(shí)現(xiàn)降低壓裂作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)、減少儲(chǔ)層污染、提高完井時(shí)效、提升開(kāi)發(fā)效果的目的。

1 利用現(xiàn)有管柱實(shí)施壓裂作業(yè)存在的主要問(wèn)題

目前，東海A油氣田和B油氣田部分氣井利用原井生產(chǎn)管柱實(shí)施壓裂作業(yè)可以降低施工成本，這是一種比較經(jīng)濟(jì)的模式。但是，由于原井生產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初沒(méi)考慮后期壓裂的需要，因而不能完全滿足壓裂施工的要求。利用原井管柱實(shí)施壓裂作業(yè)存在的主要問(wèn)題包括：

（1）井口設(shè)備、油管鋼級(jí)、井下工具等耐壓等級(jí)不夠。

（2）多級(jí)封隔器的下部封隔器驗(yàn)封困難。

（3）安全閥、生產(chǎn)滑套等井下工具易受砂液影響，可靠性難以驗(yàn)證。

（4）若不帶氣舉閥，壓裂后不具備自噴排液能力，這時(shí)需要連續(xù)油管氮?dú)庵牛黾恿耸┕こ杀尽?/p>

2 海上低孔低滲油氣藏壓裂管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

鑒于壓裂作業(yè)的復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性，在壓裂管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循以下主要原則［1］：

（1）管柱的設(shè)計(jì)既要滿足施工要求，又要使工序簡(jiǎn)化，達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)層與提高時(shí)效的目的。

（2）優(yōu)化管串工具配置，達(dá)到工具配套齊全、工具性能可靠、準(zhǔn)備周期快捷等要求。

（3）要對(duì)管柱進(jìn)行受力分析，保證管串工具的強(qiáng)度要求和變形控制。

井下管柱受到內(nèi)外壓力、軸向力、屈曲等綜合作用，應(yīng)根據(jù)三向應(yīng)力計(jì)算等效應(yīng)力來(lái)校核管柱強(qiáng)度。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，等效應(yīng)力σe為

式（1）中：σr為徑向應(yīng)力；σθ為周向應(yīng)力；σz為軸向應(yīng)力。

管柱安全校核條件為

式（2）中：σs為管材的屈服強(qiáng)度；s為安全系數(shù)；［s］為許用安全系數(shù)。

（4）應(yīng)考慮砂液沖蝕、砂卡、后續(xù)出砂對(duì)氣舉閥、安全閥等井下工具的影響，制定壓裂失敗、砂堵等事故的應(yīng)急程序及處理手段。

2.2 開(kāi)發(fā)井壓裂管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 壓采一體化管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)要求［2］

①配置滿足生產(chǎn)需要的井下安全閥、氣舉閥、藥劑注入閥、井下壓力計(jì)和永久式生產(chǎn)封隔器。

②生產(chǎn)管柱為防腐、氣密封扣油管。

③配置滿足壓裂需要的高強(qiáng)度油管、高性能封隔器等井下工具。

④避免壓井作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層的污染。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

用鉆桿送入帶2個(gè)FB-1永久封隔器的下部管柱，隔開(kāi)上部高產(chǎn)儲(chǔ)層和下部目標(biāo)層，回插帶安全閥、氣舉閥等工具的上部管柱，利用該管柱壓裂施工后直接排液投產(chǎn)。海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采一體化管柱示意圖見(jiàn)圖1，一體化管柱采用HUNTINGφ73.03 mm×6.5 mm氣密扣13Cr防腐油管，管串工具能滿足壓裂的高等級(jí)需要。考慮溫度、膨脹、屈曲和活塞效應(yīng)的影響，按照設(shè)備壓力等級(jí)（65 MPa）和最高排量4 m3／min進(jìn)行強(qiáng)度校核，其結(jié)果為：上部管柱收縮變形很大（長(zhǎng)度3 600 m的管柱縮短約14.5 m），直徑73.03 mm的油管下壓噸位較小，可增加水力錨進(jìn)行下端約束，同時(shí)施加平衡套壓來(lái)緩解油管膨脹效應(yīng)。2個(gè)封隔器之間的油管由于溫度效應(yīng)和膨脹效應(yīng)都很大，且無(wú)法施加平衡套壓，超出了油管的屈服強(qiáng)度。因此，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案安全系數(shù)較低，需要提高油管鋼級(jí)。

上述海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采一體化管柱特點(diǎn)為：①壓裂生產(chǎn)集中到一趟管柱，簡(jiǎn)化了施工程序，提高了作業(yè)效率；不更換管柱，沒(méi)有壓井對(duì)儲(chǔ)層的污染。②管柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂液沖蝕影響上部油管和工具的可靠性和使用壽命；為滿足壓裂，需要配置高強(qiáng)度油管和安全閥、氣舉閥等，增加了工具成本。

2.2.2 壓采復(fù)合型管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

壓采復(fù)合型管柱由壓裂管柱和生產(chǎn)管柱組成，兩者配合完成壓裂作業(yè)。用鉆桿送入帶FB-1永久封隔器和坐落接頭的下部壓裂管柱，直接用鉆桿壓裂下部目標(biāo)層，放噴后投放堵塞器封堵已壓開(kāi)的目標(biāo)層，起出鉆桿，回插帶安全閥、氣舉閥等工具的上部生產(chǎn)管柱，撈出堵塞器后排液投產(chǎn)。海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采復(fù)合型管柱示意圖見(jiàn)圖2，作業(yè)管柱選擇壓裂用鉆桿，上部生產(chǎn)管柱用直徑73.03 mm的13Cr防腐油管，下部壓裂管柱用直徑73.03 mm的NK3SB油管，管串工具的上部回插管柱壓力等級(jí)能滿足生產(chǎn)需要。

圖1 海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采一體化管柱示意圖

按照最大施工排量5.0 m3／min和井口泵壓55.56 MPa（環(huán)空有高產(chǎn)裸露儲(chǔ)層，不能施加平衡套壓）進(jìn)行強(qiáng)度校核，其結(jié)果為：管柱長(zhǎng)度按3 930 m計(jì)算，插入密封總成后下放鉆具10 t，管柱縮短1.087 m；插入密封總成后不下壓鉆具，管柱縮短1.712 m；在密封管加長(zhǎng)的情況下，也能滿足壓裂要求；在壓裂過(guò)程中，下部管柱內(nèi)外壓力一致，管柱安全性較高。

上述海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采復(fù)合型管柱特點(diǎn)為：①壓裂管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工安全性較高；②兩趟管柱雖然增加了作業(yè)程序，但鉆桿壓裂與低成本油管生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性較好。

圖2 海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采復(fù)合型管柱示意圖

2.2.3 壓采管柱優(yōu)選

海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采一體化管柱和復(fù)合型管柱對(duì)比見(jiàn)表1，可以看出，壓采復(fù)合型管柱經(jīng)濟(jì)性較好，安全性更高，因此優(yōu)選壓裂生產(chǎn)復(fù)合型管柱作為開(kāi)發(fā)井的壓裂完井管柱。

表1 海上低孔低滲油氣藏開(kāi)發(fā)井壓采一體化管柱和復(fù)合型管柱對(duì)比

2.3 探井壓裂管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于海上低孔低滲油氣藏，探井傳統(tǒng)完井工藝為：①下入射孔管柱射開(kāi)油氣儲(chǔ)層；②下入測(cè)試管柱求取自然產(chǎn)能；③下入壓裂管柱評(píng)估改造效果。傳統(tǒng)完井工藝中射孔、測(cè)試、壓裂均采取獨(dú)立作業(yè)管柱，工序復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，作業(yè)成本大。射孔測(cè)試求取自然產(chǎn)能后，若需增產(chǎn)改造，則要壓井換管柱，儲(chǔ)層易被傷害，從而影響改造效果。

為了提高探井完井效率，減小儲(chǔ)層傷害，對(duì)探井壓裂管柱進(jìn)行了優(yōu)化，首次設(shè)計(jì)并實(shí)施了探井一體化管柱，一趟管柱實(shí)現(xiàn)了射孔、壓裂、測(cè)試多項(xiàng)功能［3］，無(wú)需更換管柱壓井作業(yè)，節(jié)約了作業(yè)費(fèi)用。

2.3.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）LRP-N測(cè)試閥、泄壓閥、旁通閥易受砂粒影響而操作失靈。

（2）當(dāng)環(huán)空壓力超過(guò)RD循環(huán)閥的破裂盤(pán)耐壓值時(shí)，破裂盤(pán)被擊碎而發(fā)生油套管連通，從而影響壓裂時(shí)施加平衡套壓。

2.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

中海油首次設(shè)計(jì)的海上低孔低滲油氣藏探井射孔-測(cè)試-壓裂一體化管柱見(jiàn)圖3，具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）首次在測(cè)試中采用射孔槍自動(dòng)丟槍裝置。

（2）配置高溫高壓測(cè)試工具，首次使用13.4 MPa加強(qiáng)型封隔器。

（3）采用外置式壓力計(jì)托筒，不受砂液的影響。

（4）拉開(kāi)井下工具的環(huán)空壓力操作級(jí)別，滿足環(huán)空打備壓的要求。

（5）兩級(jí)RD循環(huán)閥設(shè)計(jì)（上級(jí)無(wú)球，下級(jí)有球），操作壓力約為20 MPa。

（6）由于溫度效應(yīng)和膨脹效應(yīng)，壓裂時(shí)預(yù)計(jì)管柱收縮3 m，下入4支伸縮接頭（倒置下入）可消除溫度和膨脹效應(yīng)變形。

圖3 海上低孔低滲油氣藏探井射孔-測(cè)試-壓裂一體化管柱示意圖

3 應(yīng)用效果

開(kāi)發(fā)井壓采一體化壓裂管柱在渤海渤中25-1油田和東海B油氣田等部分低滲透油氣井進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好效果，既滿足了儲(chǔ)層保護(hù)的要求，還提高了作業(yè)時(shí)效。開(kāi)發(fā)井壓采復(fù)合型管柱在東海天外天油氣田A6井取得了非常成功的應(yīng)用，單井節(jié)省作業(yè)時(shí)間2 d，降低作業(yè)費(fèi)用近160萬(wàn)元，收到了滿意的開(kāi)發(fā)效果。

探井射孔-測(cè)試-壓裂一體化管柱首次在東海C井進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好效果。該井井深達(dá)到4 186 m，溫度158.6℃，全程施工非常順利；壓裂后產(chǎn)氣量2.9×104m3／d，起到了認(rèn)識(shí)低滲儲(chǔ)層的目的，獲得了儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的技術(shù)參數(shù)。目前探井射孔-測(cè)試-壓裂一體化管柱在東海地區(qū)累計(jì)應(yīng)用8井次，成功率100%，累計(jì)節(jié)約作業(yè)成本達(dá)到6 400萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)海上油氣井壓裂管柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了較為成熟的海上低孔低滲油氣藏完井管柱方案，對(duì)完善具有海洋特色的壓裂技術(shù)體系起到了重要作用。壓裂作業(yè)施工風(fēng)險(xiǎn)高，壓裂管柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)在保證施工安全的前提下向一體化多功能方向發(fā)展，只有積極引進(jìn)國(guó)內(nèi)外專業(yè)公司的新工具、新技術(shù)，并不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，才能滿足海上低孔低滲油氣田高效開(kāi)發(fā)的需要。

［1］張鈞，陳璧，等.海上油氣田完井手冊(cè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［2］萬(wàn)仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)［M］.第九分冊(cè).北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［3］陳琛，戚斌，雷煒.適用于氣井射孔—壓裂聯(lián)作的射孔工藝技術(shù)研究［J］.天然氣勘探與開(kāi)發(fā)，2007，30（4）：60-63.