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        海上油田精細(xì)分段壓裂工藝及關(guān)鍵工具

        2019-05-30 08:28:10羅建偉劉傳剛魏愛栓嚴(yán)孟凱
        石油礦場機(jī)械 2019年3期
        關(guān)鍵詞:噴射器噴砂固井

        羅建偉,劉 鵬,左 凱,劉傳剛,魏愛栓,嚴(yán)孟凱

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司,天津 300452)

        隨著海上油田的開發(fā)生產(chǎn),致密油氣、頁巖氣、煤層氣等低滲透油氣藏的開發(fā)成為油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要來源。壓裂是低滲油氣藏常用的增產(chǎn)措施之一,較常用的是投球滑套分段壓裂工藝和泵送橋塞壓裂工藝。投球滑套分段壓裂工藝需要多次投球,球座尺寸依次遞減,施工層位一般不超過7層,后期某一段出水嚴(yán)重時壓裂滑套無法進(jìn)行關(guān)閉;泵送橋塞壓裂工藝需要多次下入橋塞,并進(jìn)行鉆銑,如果施工段數(shù)較多,施工成本較高,可溶橋塞雖然可以減少鉆銑,但可溶性材料的性能研究還不夠深入,不具備廣泛推廣應(yīng)用的條件[1-8]。

        針對上述問題,為了精細(xì)分段壓裂,設(shè)計了不動管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關(guān)固井滑套無限級分段壓裂工藝,前者可實現(xiàn)不低于12層的分段壓裂,后者可以實現(xiàn)無限級分段壓裂。

        1 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝

        1.1 管柱組成及工藝原理

        不動管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱組成如圖1所示。該管柱通過一趟管柱下入井內(nèi),施工層位從最下一層開始。最下一層是普通水力噴射器,可以直接進(jìn)行噴砂射孔。噴砂射孔過程中油管的壓力較高,可達(dá)到70 MPa。當(dāng)油、套管內(nèi)壓力有明顯下降時,表明套管已射開,即可進(jìn)行壓裂。該工藝采用向油管內(nèi)加壓裂液,向油套環(huán)空補(bǔ)液的方式進(jìn)行壓裂施工。當(dāng)達(dá)到設(shè)計加砂量時,停泵并記錄停泵壓力。本層壓裂施工結(jié)束,接著進(jìn)行上一層的施工。除了最下一層,上面各層對應(yīng)的水力噴射器是滑套式的,需要先增加液壓力,剪斷滑套式水力噴射器的剪釘,露出水力噴射器的噴砂孔,然后再進(jìn)行噴砂射孔和壓裂作業(yè)。流體射入孔道實現(xiàn)增壓的過程具有水力封隔作用,壓裂液定點注入只產(chǎn)生局部增壓,不會導(dǎo)致井筒其他部位形成高壓而壓開新裂縫,也不會導(dǎo)致已有裂縫重新張開。壓裂液經(jīng)作業(yè)管柱泵入,通過噴嘴射入孔道,很少進(jìn)入其他部位,孔道高速射流的抽吸作用可進(jìn)一步強(qiáng)化封隔效果[9]。

        圖1 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱示意

        水力噴射壓裂技術(shù)不使用機(jī)械密封或化學(xué)封隔,而是利用流體自身的動態(tài)運(yùn)動,將大部分流體轉(zhuǎn)移到地層中的某個特定點,這個概念主要基于簡明巖石力學(xué)和伯努利流體液壓原理[10]。

        1.2 技術(shù)參數(shù)

        不動管柱水力噴射分段壓裂工藝參數(shù)如表1所示。

        表1 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝參數(shù)

        1.3 關(guān)鍵工具

        1.3.1 滑套式噴射器

        滑套式噴射器是不動管柱水力噴射分段壓裂工藝的核心工具,該工具在下入過程以及施工其他段時,噴砂孔被滑套密封,無法進(jìn)行噴砂射孔;當(dāng)施工本層位時,通過投球剪斷剪釘,打開滑套,露出噴砂孔,進(jìn)行噴砂射孔及壓裂。

        通過調(diào)整滑套球座尺寸,將該工具分為多級,最下層為第1級,依次向上分別遞增。隨著級數(shù)的增加,內(nèi)通徑越來越大,以保證下一壓裂段的球可以通過上一壓裂段噴射器的球座。該工具在井中的使用數(shù)量取決于要施工的段數(shù),每級滑套式噴射器對應(yīng)一個施工層位。球的極差為1.6 mm(英寸)。為了保證球可以順利通過上層段噴射器的球座,最終設(shè)計了11級的滑套式噴射器,如圖2所示。

        除此之外,最下面一級噴射器可設(shè)計成常規(guī)噴射器,無須設(shè)置滑套結(jié)構(gòu),即無球無滑套結(jié)構(gòu),如圖3所示,加上這一級,一共12級,技術(shù)參數(shù)如表2,12級球及球座尺寸如表3。

        1—本體;2—可溶球;3—噴嘴;4—O型圈;5—滑套;6—O型圈;7—O型圈;8—剪釘;9—鎖環(huán);10—下接頭。

        1—本體;2—噴嘴;3—O型圈;4—O型圈;5—下接頭。

        外徑/mm球外徑/mm長度/mm開啟壓力/MPa噴嘴材質(zhì)噴嘴尺寸/mm98.5最上層:53最下層:2842012~15碳化鎢4.5/5.5/6.3

        表3 12級對應(yīng)的球和球座尺寸

        1.3.2 水力錨

        水力錨的作用是進(jìn)行噴砂射孔時錨定施工管柱,防止其振動的幅度過大。當(dāng)進(jìn)行噴砂射孔時,油管內(nèi)壓力遠(yuǎn)高于油套環(huán)空壓力,水力錨保持張開狀態(tài),卡在套管內(nèi)壁。水力錨的結(jié)構(gòu)如圖4,技術(shù)參數(shù)如表4。當(dāng)施工結(jié)束后泄壓,油管串內(nèi)壓力與油套環(huán)空壓力相近,錨爪在彈簧的回復(fù)力作用下收回,錨爪失去對套管的錨定作用。

        1—上接頭;2—錨爪;3—彈簧;4—壓板;5—螺釘;6—O型圈;7—篩管;8—下?lián)醐h(huán);9—下接頭。

        外徑/mm內(nèi)徑/mm可承受內(nèi)壓/MPa錨定力/kN長度/mm上下扣型11460704004212 EU BxP

        1.3.3 扶正器

        對于套管井,由于套管井內(nèi)徑較規(guī)則,因此扶正器采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于139.7 mm(5.5英寸)套管井,其內(nèi)徑為124.3 mm,扶正器外徑為117 mm,在剛性扶正器外側(cè)設(shè)有過流通道,便于噴射液返排,具體結(jié)構(gòu)如圖5,技術(shù)參數(shù)如表5。

        1—連接管;2—扶正套;3—接箍。

        外徑/mm內(nèi)徑/mm內(nèi)部耐壓/MPa長度/mm上下扣型11762704002 EU BxP

        1.3.4 單流閥

        單流閥的結(jié)構(gòu)如圖6所示。該工具由過流擋板、下接頭和閥芯三部分組成。閥芯分別由螺母、過流墊片、皮碗壓環(huán)、皮碗和中心桿組成。單流閥連接在管柱的最下端,該閥有3個作用:

        1) 使油管與油套環(huán)空溝通,保證油管串順利下入。

        2) 為第1段的壓裂提供密封,具有堵頭的作用。

        3) 可以在管柱下入后進(jìn)行反洗井作業(yè)。

        1—過流擋板;2—螺母;3—過流墊片;4—皮碗壓環(huán);5—皮碗;6—中心桿;7—下接頭。

        目前,常規(guī)單流閥一般采用球和球座單向密封的方式。但是對于大斜度井,球在重力作用下容易脫離球座。為了解決上述問題,將密封結(jié)構(gòu)改成具有扶正作用的中心桿密封組合,密封桿上有橡膠進(jìn)行輔助密封,通過金屬和橡膠共同密封,提高單流閥密封的可靠性。

        2 可開關(guān)固井滑套無限級分段壓裂工藝

        2.1 工藝管柱結(jié)構(gòu)及工藝原理

        工藝原理:將各層的固井滑套設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài),與套管連接一并下入井中,并進(jìn)行水泥固井。固井完成后,下入內(nèi)管柱,通過接箍定位器找到壓裂層位,上提下放管柱坐封Y211型封隔器,將壓裂層與其他層分隔。然后套管加液壓,打開壓裂層的固井滑套,進(jìn)行壓裂施工;如果未打開,則需要通過連續(xù)油管連接的水力噴射器進(jìn)行噴砂射孔,最后通過套管和連續(xù)油管環(huán)空進(jìn)行壓裂施工,第1層施工完畢后拖動連續(xù)油管重復(fù)上面層位的壓裂施工。該工藝施工完成提出內(nèi)管柱后,管柱內(nèi)部的通徑與油藏套管一致,可以進(jìn)行二次壓裂等增產(chǎn)措施。后期某一層出水嚴(yán)重時,可下入液壓開關(guān)工具關(guān)閉該層的壓裂滑套。

        圖7 無限級可選擇分段壓裂工藝管柱示意圖

        2.2 技術(shù)參數(shù)

        無限級可選擇分段壓裂工藝參數(shù)如表6所示。

        表6 無限級可選擇分段壓裂工藝參數(shù)

        2.3 關(guān)鍵工具

        Y211型封隔器和扶正器等工具屬于較成熟工具,不再贅述,僅對關(guān)鍵工具進(jìn)行介紹。

        2.3.1 可開關(guān)無限級固井滑套

        可開關(guān)無限級固井滑套與套管連接,工具結(jié)構(gòu)如圖8,下連接套內(nèi)部光滑,作為底部封隔器坐封用的密封筒,密封筒較長,可以保證封隔器順利坐封。待封隔器坐封后,通過套管與油管環(huán)空加壓,移動套受壓差作用向下移動,此時上連接套上的連通孔露出,形成壓裂液流通通道。上連接套內(nèi)部有凹槽與彈性爪相咬合,可防止管內(nèi)工具串上提下放時造成移動套的誤動作。

        1—上接頭;2、10—防松釘;3、5、7、9、12— O型圈;4—上連接套;6—剪釘;8—移動套;11—下連接套;13—下接頭。

        在上一層進(jìn)行壓裂作業(yè)時,下一層的壓力滑套處于關(guān)閉狀態(tài)。壓裂液通過下接頭端部的傳壓孔與下連接套上的細(xì)長孔連通,從而使關(guān)閉套處于壓力平衡,保持移動套處于靜止?fàn)顟B(tài)?;椎募夹g(shù)參數(shù)如表7。

        表7 滑套的技術(shù)參數(shù)

        2.3.2 液控開關(guān)工具

        液控開關(guān)工具是關(guān)閉固井滑套的專用工具,結(jié)構(gòu)如圖9所示,工具下入到目的層固井滑套位置,油管正循環(huán),保持循環(huán)壓力1~2 MPa即可使兩個壓縮套往開關(guān)工具兩端移動,開關(guān)塊在小彈簧的作用下向外張開,管柱緩慢上提直至開關(guān)塊卡住滑套的移動套,管柱懸重增加,繼續(xù)上提管柱,開關(guān)塊接觸到固井滑套上接頭內(nèi)部臺階,開關(guān)塊受到擠壓徑向收縮,開關(guān)塊與移動套脫開,管柱懸重減小??啥啻沃貜?fù)上述過程進(jìn)行驗證。

        在開關(guān)工具上提遇卡時,泄掉油管壓力,上提管柱;如無法解卡,增大上提力30~50 kN,開關(guān)塊向下壓剪切套,剪斷剪釘后也可實現(xiàn)解卡。

        1—上接頭;2、7、8、12—O型圈;3、15—防松剪釘;4—中心管;5—彈簧;6—壓縮套;9—開關(guān)塊;10—小彈簧;11—剪切套;13—剪釘;14—下接頭。圖9 液控開關(guān)工具結(jié)構(gòu)示意

        壓力等級/MPa溫度等級/℃開關(guān)塊張開最小壓差/MPa緊急脫手拉力/kN35120130(可調(diào))

        3 應(yīng)用前景

        隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期,低孔低滲油田的開采逐漸受到關(guān)注,不動管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關(guān)固井滑套無限級分段壓裂工藝可用于低孔低滲油氣藏開發(fā)中,在山西致密氣田有較好的應(yīng)用前景,海上的渤中25-1、歧口18-2和潿洲11-1等油田,對該技術(shù)也有較好的應(yīng)用需求。

        4 結(jié)論

        1) 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝可實現(xiàn)12段的精細(xì)分層壓裂,施工中不使用封隔器,可降低管柱遇卡風(fēng)險和減少壓裂施工成本。

        2) 可開關(guān)固井滑套無限級分段壓裂工藝可實現(xiàn)壓裂施工的段數(shù)不受限制,并可根據(jù)油藏需要精細(xì)化分壓裂段數(shù),且可關(guān)閉相應(yīng)層位的固井滑套,控制產(chǎn)液的采出。

        3) 不動管柱水力噴射分段壓裂工藝和可開關(guān)固井滑套無限級分段壓裂工藝施工后均能保證全通徑生產(chǎn),可進(jìn)行二次壓裂。

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