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        壓裂投產(chǎn)不壓井作業(yè)一體化管柱

        2020-10-28 12:56:40周小林
        鉆采工藝 2020年4期
        關(guān)鍵詞:作業(yè)

        周小林

        (1中國(guó)石化東北油氣分公司 2有效儲(chǔ)層改造技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì))

        東北油氣分公司所轄區(qū)塊屬于特低孔、特低滲透儲(chǔ)層,水平井開(kāi)發(fā)主要是以套管分段壓裂為主,按照傳統(tǒng)做法,通常是采用放噴排液的方式將井筒壓力降低,用一定密度壓井液壓井成功后再進(jìn)入作業(yè)程序。壓井作業(yè)時(shí)不僅存在壓井液漏失嚴(yán)重問(wèn)題,而且由于氣侵,時(shí)常發(fā)生井涌。為了保證井控安全,不得不加大壓井液密度和用量,經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì),東北油氣分公司水平井平均單井壓井液用量達(dá)到150 m3,致使儲(chǔ)層傷害風(fēng)險(xiǎn)增加,特別對(duì)于水平井和天然氣井的產(chǎn)量影響尤為嚴(yán)重,給后續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)不可估量的損失[1]。地面帶壓作業(yè)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)真正意義上的油氣層保護(hù)提供了可能[2-3]。在國(guó)外,由于研究起步較早,90%的高壓油氣井實(shí)施帶壓作業(yè),創(chuàng)造的綜合效益比帶壓作業(yè)成本高出3~5倍。而國(guó)內(nèi)地面帶壓作業(yè)研究在2000年以后才開(kāi)始發(fā)展,受技術(shù)限制,目前主要是以低壓油水井應(yīng)用為主,對(duì)于高壓油氣井帶壓作業(yè),井控風(fēng)險(xiǎn)較大,如國(guó)外設(shè)備成本很高。同時(shí),地面帶壓作業(yè)設(shè)備較為龐大臃腫,搬遷安裝耗時(shí)費(fèi)力,存在交叉作業(yè)環(huán)節(jié),施工效率相對(duì)較低,極大影響了投產(chǎn)作業(yè)時(shí)間[4-7]。鑒于以上問(wèn)題,按照井控安全、經(jīng)濟(jì)高效、儲(chǔ)層無(wú)傷害發(fā)展方向的客觀需求,充分結(jié)合油田自身實(shí)際情況,摒棄了傳統(tǒng)地面帶壓作業(yè)模式,開(kāi)展了以井下控制為主的不壓井投產(chǎn)工藝技術(shù)研究,成功解決了不壓井換裝井口、起下生產(chǎn)管柱等技術(shù)難題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)11口井試驗(yàn)效果評(píng)價(jià),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

        一、技術(shù)路線

        在技術(shù)調(diào)研和大通徑免鉆橋塞分段壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了采取“井口零壓力、作業(yè)機(jī)起下鉆、井下控制為主、井口控制為輔”的不壓井、不帶壓作業(yè)技術(shù)路線(見(jiàn)圖1),充分利用“井下、井口、地面”三級(jí)控制原理,實(shí)現(xiàn)快速高效不壓井、不帶壓換裝井口和起下生產(chǎn)管柱目的。目前,分公司所有不壓井投產(chǎn)作業(yè)均采用相同的大通徑免鉆橋塞泵送壓裂井口和地面防噴控制系統(tǒng),根據(jù)不同井況和采氣工藝需求,形成了系列不壓井完井投產(chǎn)技術(shù)方案。

        圖1 井下不壓井、不帶壓作業(yè)技術(shù)路線圖

        二、不壓井完井投產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)及工作原理

        1.結(jié)構(gòu)

        井下可控不壓井裝置主要由封隔器、井下爆破裝置和工作筒三部分組成,封隔器上部與坐封工具相連接,封隔器下部連接工作筒,工作筒下部依次連接爆破裝置和引鞋,組成井下封堵裝置,并由電纜輸送方式完成,具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

        圖2 壓裂投產(chǎn)不壓井作業(yè)一體化管柱結(jié)構(gòu)示意圖

        2.工作原理

        壓裂改造完成后井口帶有余壓,在地面防噴控制系統(tǒng)下,由電纜輸送井下封堵裝置至產(chǎn)層上部(如水平段位置需泵送),通過(guò)地面控制裝置完成封隔器坐封、丟手,有效封隔底部高壓產(chǎn)層,裝置上部空間與井口連通,實(shí)現(xiàn)井口不帶壓,并利用常規(guī)修井作業(yè)設(shè)備完成投產(chǎn)管柱的起下,當(dāng)?shù)孛婢邆浞艊娡懂a(chǎn)條件,通過(guò)泵車油管打壓完成井下爆破,爆破裝置開(kāi)啟建立生產(chǎn)通道,即可恢復(fù)正常生產(chǎn)(如圖2)。當(dāng)井口發(fā)生異常情況時(shí),可通過(guò)工作筒投撈堵塞器或擠注法壓井的方式控制井口壓力,完全可以保證井控安全。

        三、關(guān)鍵技術(shù)

        1.井口控制系統(tǒng)

        1.1 結(jié)構(gòu)組成

        井口控制系統(tǒng)是不壓井作業(yè)進(jìn)行的安全保障,為滿足電纜帶壓安全地進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè),采用水力泵送橋塞壓裂技術(shù)的電纜防噴控制系統(tǒng),主要包括閘板閥注脂密封頭、防噴管、防噴接頭、快速試壓接頭、液壓三閘板防噴器、液控球閥、轉(zhuǎn)換法蘭、注脂及液壓控制系統(tǒng)[8]。

        1.2 指標(biāo)確定

        壓力等級(jí):按照壓裂施工壓力限壓原則,壓力等級(jí)確定為70 MPa。

        通徑確定:井下工具直徑為115 mm以內(nèi),故確定井口裝置主通徑≥130 mm。

        2.井下控制系統(tǒng)

        結(jié)構(gòu)組成:電纜+坐封工具+封隔器+工作筒+爆破裝置+引鞋。

        工藝原理:井下控制系統(tǒng)主要依靠預(yù)埋在井下的封隔器和爆破裝置達(dá)到井下臨時(shí)封堵目的?,F(xiàn)場(chǎng)通常采用電纜輸送方式進(jìn)行投送,通過(guò)磁定位送達(dá)預(yù)定位置后通電,引爆投送工具內(nèi)炸藥產(chǎn)生高壓氣體,進(jìn)而推動(dòng)活塞移動(dòng)拉伸連桿給封隔器提供坐封力,實(shí)現(xiàn)坐封丟手,在封隔器和爆破裝置的雙重作用下,有效封隔底部高壓產(chǎn)層,為后續(xù)不壓井、不帶壓拆裝井口和起下生產(chǎn)管柱提供便利條件。

        關(guān)鍵工具:封隔器主要由座封機(jī)構(gòu)、錨定機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)等部分組成,可直接與貝克20#電纜坐封工具適配實(shí)現(xiàn)坐封,具有雙向承壓功能,卡瓦卡緊牢靠,并集成回插密封、打撈回收一體功能,其工具性能參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 REPEATA-B封隔器性能參數(shù)表

        解封:下專用打撈工具,撈住解封套,解封套上行將剪釘剪斷,使上絲杠下端的鎖定機(jī)構(gòu)失效,解封套依次帶動(dòng)上鎖套、上錐體上行,上、下鎖套分離,由卡瓦彈簧使卡瓦回收解除錨定,解封套同時(shí)帶動(dòng)密封套上行,當(dāng)密封套過(guò)密封膠圈時(shí),封隔器上、下壓力平衡。

        3.井下爆破技術(shù)

        結(jié)構(gòu)組成:井下爆破裝置主要由上接頭、止退套、密閉件和下接頭構(gòu)成(見(jiàn)圖3)。

        圖3 井下爆破裝置結(jié)構(gòu)示意圖

        工藝原理:井下爆破裝置為液壓驅(qū)動(dòng)打開(kāi),采用地面油管內(nèi)加壓,壓力傳遞至爆破裝置,當(dāng)井筒上部液柱壓力高于橋塞下部壓力7 MPa時(shí),爆破裝置完全破碎,上下貫通形成生產(chǎn)通道。

        關(guān)鍵工具:密閉件由碗狀陶瓷材料制作而成,正壓差大于7 MPa即可破碎,通道打開(kāi)后實(shí)現(xiàn)全通徑,其工具參數(shù)如表2所示。

        表2 井下爆破裝置性能參數(shù)表

        4.配套工藝技術(shù)

        主要包括水力泵送技術(shù)、堵塞器投撈技術(shù)、油管密封回插技術(shù)、后期二次不壓井起下油管作業(yè)技術(shù)、封隔器回收打撈技術(shù)、不壓井不帶壓作業(yè)安全操作規(guī)程等,同時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)選出多種結(jié)構(gòu)及功能的配套工具根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活性選擇,為進(jìn)一步拓展不壓井井下作業(yè)的施工范圍提供技術(shù)支撐。

        四、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

        1.室內(nèi)試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

        根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?,設(shè)計(jì)了專用試驗(yàn)裝置,包括?139.7 mm套管(5米)1根,鋼級(jí)P110,壁厚9.17 mm、ZHY2-3慢燃火藥、CHYZ1-1傳火藥柱、EIG2-1點(diǎn)火器等點(diǎn)火系統(tǒng)2套、可撈式一體化橋塞1套、BAKE 20#坐封工具、橋塞連接短接、導(dǎo)電系統(tǒng)、點(diǎn)火器底座2套;張力計(jì)、直流點(diǎn)火控制系統(tǒng)、橋塞尾部密封系統(tǒng)1套、倒鏈、短油管、打撈裝置、鏈條等1套、超高溫高壓射孔效能實(shí)驗(yàn)裝置1套。

        1.2 地面試驗(yàn)內(nèi)容

        地面試驗(yàn)內(nèi)容包括: ①試驗(yàn)丟手封隔器的扶正塊在套管內(nèi)壁的摩擦力; ②試驗(yàn)丟手封隔器的錨定裝置在套管內(nèi)壁的錨定力和解卡力; ③試驗(yàn)丟手封隔器密封膠筒的密封性能和反向的承壓能力; ④試驗(yàn)丟手封隔器丟手和對(duì)接的靈活性; ⑤試驗(yàn)丟手封隔器卡瓦對(duì)套管內(nèi)壁的傷害程度。

        1.3 地面試驗(yàn)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

        (1)井下不壓井裝置與套管內(nèi)壁的摩擦力為 20 kN。

        (2)丟手封隔器的錨定力為 150 kN,解卡力為 30 kN。

        (3)坐封后膠筒反向承壓力 25 MPa,工具在套管內(nèi)沒(méi)有位移。

        (4)當(dāng)拉力達(dá)到 60 kN 時(shí),工具丟手,并且對(duì)接解封靈活可靠。

        (5)防噴丟手封隔器解卡后檢查套損情況,卡痕公差在0.01~0.02 mm之間,卡瓦對(duì)套管基本無(wú)傷害。

        橋塞丟手封隔器試壓50 MPa/50 min無(wú)滲漏,地面測(cè)試橋塞解封力2.5~3.0 t,整套工具的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。

        2.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

        東北油氣分公司從 2018 年至今已累計(jì)成功應(yīng)用11口井(見(jiàn)表3),順利完成了包括工具下放、橋塞坐封丟手、換裝井口、下投產(chǎn)管柱、井下爆破、放噴等一系列施工工序,一次作業(yè)成功率100%,均驗(yàn)證該工藝及配套關(guān)鍵工具的可行性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)價(jià),11口井壓后增產(chǎn)效果顯著,已累產(chǎn)氣量2 258×104m3,節(jié)省壓井液用量近1 650 m3,整個(gè)投產(chǎn)施工過(guò)程無(wú)論是地面還是地下都是非常綠色環(huán)保。

        表3 井下可控不壓井完井投產(chǎn)施工統(tǒng)計(jì)表

        3.經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

        與常規(guī)投產(chǎn)作業(yè)相比,該技術(shù)免除了壓井、氣舉等作業(yè)時(shí)間,完井投產(chǎn)作業(yè)周期縮短至2 d左右(見(jiàn)表4),施工完成后能迅速交井生產(chǎn),極大提高了生產(chǎn)作業(yè)時(shí)效。對(duì)比壓井下管柱投產(chǎn)、帶壓作業(yè)下管柱投產(chǎn)方式,投產(chǎn)費(fèi)用分別節(jié)約19.5%和56.2%,較大程度節(jié)約投資。

        五、結(jié)論與建議

        (1)井下可控不壓井完井投產(chǎn)技術(shù)改變了傳統(tǒng)投產(chǎn)作業(yè)模式,通過(guò)井下封堵裝置實(shí)現(xiàn)了不壓井換裝井口、起下生產(chǎn)管柱等多項(xiàng)作業(yè),可充分發(fā)揮壓裂投產(chǎn)一體化的優(yōu)勢(shì)。

        (2)該技術(shù)免除了傳統(tǒng)壓井、氣舉誘噴等施工環(huán)節(jié),規(guī)避了地面帶壓作業(yè)的施工風(fēng)險(xiǎn)和成本,達(dá)到了有效保護(hù)儲(chǔ)層、安全清潔、經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)天然氣井的目的。

        (3)該技術(shù)作為不壓井投產(chǎn)新工藝的成功應(yīng)用,不但為水平井氣井經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)提供了新的思路和選擇,同時(shí)也為油田實(shí)施低成本戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)綠色投產(chǎn)提供了技術(shù)支撐,應(yīng)用前景較為廣闊。

        (4)該技術(shù)對(duì)井下封堵工具性能要求很高,井下爆破裝置為陶瓷易碎件,施工過(guò)程中嚴(yán)防井下落物,建議作業(yè)前制訂行之有效的應(yīng)急預(yù)案,進(jìn)一步強(qiáng)化井控安全措施。

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