封隔器滑套分段压裂关键工具研制及应用.pdf

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2015年第44卷石油矿场机械第1I期第44页0ILFIELDEQUIPMENT文章编号：1001—3482(2015)11-0044—06封隔器滑套分段压裂关键工具研制及应用薛建军，童征，魏松波，沈泽俊，刘佳，魏然，王新忠，李涛，黄鹏(1．中国石油勘探开发研究院，北京100083；2．中国石油吉林油田分公司，吉林松原138000)摘要：根据低渗透油气藏体积改造工艺提出的大排量、高液量、高砂量、形成复杂缝网的技术要求，开展了裸眼封隔器滑套分段压裂技术配套关键工具的研制与试验工作。开发了耐高压复合式封隔器和新型可分解压裂球2种关键工具。复合式封隔器整体结构更紧凑，通径更大，裸眼适应性更好。与传统复合材料球相比，新型可分解球具有承压指标高、可自行分解无需回收等优点。与吉林油田合作在莫里青致密油藏开展压裂工具的现场试验工作。试验中完井管柱下入顺利，封隔器坐封动作正常，可分解球入座、起压、承压正常，压裂施工参数达到设计要求，压裂液返排时无残留物。现场试验结果表明，压裂工具完全满足非常规油气藏体积改造工艺的技术要求。关键词：封隔器；分层压力；工具；可分解球中图分类号：TE934．203文献标识码：Bdoi：10．3969／j．issn．1001—3482．2015．11．01lR&DofKeyToolsforOHPSandApplicationofOilfieldXUEJianjun，TONGZheng，WEISongbo，SHENZejun，LIUJia，WEIRan，WANGXinzhong，LITao，HUANGPeng(1．ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development，PetroChina，Beijing100083，China；2．JilinOilfieldCompny，PetroChina，Songyuan138000，China)Abstract：Thekeytoolsforopen—holepacker—sleevemultistagefracturearedevelopedandtested运行平稳，安全可靠。5结论1)研制了LG450／50型连续管作业机，车辆参考文献：底盘的越野能力强，动力大，适用于偏远地区重载运[1]贺会群．连续油管技术与装备发展综述EJ]．石油机械，2006，34(1)：1-6．输条件。滚筒的容量大，适用于深井作业。r-B]王峻乔．连续油管技术分析与研究[J]．石油矿场机械，2)整机的操作系统集中控制，模块化程度高。2005，34(5)：3436．自主研发的数据采集系统运行平稳，灵敏度高。[3]贺会群，熊革，李梅，等．LZ580—73T连续管钻机的研制3)橇体的作业安装方式符合连续管作业操作[J]．石油机械，2012，40(11)：1-5．规范和操作习惯。[4]孙晓明，张保弟，李德清，等．LGC230型连续油管作业4)注入头低速稳定性好，下入速度可控制在车研制EJ]．石油矿场机械，2010，39(8)：23—27．0．1m／min以内，满足钻磨等工艺要求。滚筒与注E5]肖建秋，张燕萍，马青芳，等．连续管测井机滚筒总成结入头采用随动控制设计，作业安全性能优越。整机构设计[J]．石油矿场机械，2009，38(9)：55—58．收稿日期：2015—05—19基金项目：中国石油勘探生产分公司重大现场攻关试验子课题“体积改造设计、实施及评估技术研究与应用”(2013FCGYIGZO01)作者简介：薛建军(1977一)，男，河南人，工程师，硕士，2007年毕业于中国石油大学(北京)，现从事采油采气装备技术研究工作，Email：jjxue@petrochina．com．cn。 第44卷第11期薛建军，等：封隔器滑套分段压裂关键工具研制及应用·45·forrecoveringlow—permeablereservoirintermsoftechnicalrequirementonSRV，whichisin—volvedinhighflowrate，massproppantsandcomplicatedfracturenetworketc．Thedevelopmentofhybrid—structurepackerforHPconditionandnewdissolvableballwascarriedout．Hybrid—structurepackerhasbeendesigned，producedandsubjectedtoseveralworkbenchteststofunctionwiththecompactstructure，largedriftdiameterandbetterzonalisolationinopen—holewellbore．ComparedwiththetraditionalCompositeball，newoperationballbasedonthedissolvablealloymateriaIisdevelopedwiththeadvantagesofhighpressureresistance，self—dissolvingandlowop—erationriskofretrievementoverthecompositebal1．ThefieldtestinMoliqingtightoilreservoirofJinlinOilfieldhasbeenperformedwithsuccessfuldeploymentofcompletionandsettingofnewpacker．Duringfractureoperation，thedissolvableballisdropped，setinsleeveseatwithpressurebuild—upsuccessfully．Anyresidualofthedroppedballwasnotfoundduringtheback—flowoffracturingfluid．ItisprovedthatnewdownholetoolsshownabovemeetfullydemandonSRVfordevelopingunconventionalreservoir．Keywords：packer；separatelayerfracturing；tool；dissolvableball储层改造工艺一直是经济有效地开发非常规油外封隔器和压裂滑套，滑套的位置位于封隔器之间。气资源的重要技术手段口]。美国“页岩气革命”的2)各工具坐封和坐挂。管柱下入到位后替成功正是依靠水平井钻井、分段改造技术结合“工厂浆，投入座封球，坐封所有封隔器和悬挂器。化”作业模式的规模应用]。通过多年的发展，在3)工具丢手和管柱回接。工具丢手，起出送储层改造领域已经形成裸眼封隔器滑套改造工艺、人工具，下入油管并回接至井口，保证插管和密封筒连续油管分段改造工艺、套管固井滑套分段改造工锁定，并进行验封。艺等主体技术¨7]。其中，裸眼封隔器滑套改造工艺4)压裂施工。管内憋压，打开压差滑套，开始(OHPs)以其大排量、免水泥固井、完井压裂一体化第1段压裂作业，第1段施工结束后形成流动通道，等显著优点而得到广泛应用。在国外，美国Halli—投球至第一只投球滑套，将其打开并与第一段隔离，burton公司的DeltaStim技术、Schlumberger公司开始第2段压裂作业，重复上述工艺直至完成所有的StageFRAC技术和BakerHughes公司的层段的施工，每次所投球均比上一级增大相应尺寸FracPoint技术是其中的典型代表，在现场获得了广(3．175mm或6．350mm)，以确保能被对应的滑套泛应用。国内相关单位通过攻关，形成了国产化的球座所捕捉。裸眼封隔器滑套改造工艺技术及配套工具系列。5)返排与生产。压裂液返排，回收各压裂球，目前，裸眼封隔器滑套改造工具还存在封隔器进行试油试气作业并转人生产。裸眼内长期密封性差、施工工艺复杂、投球回收困难等不足]。针对上述问题，中国石油勘探开发研究院结合技术发展趋势，重点开展管外封隔器和压裂球的设计与改进工作，取得重要突破，并在吉林致密油藏开发中得到验证。1一悬挂器；2一管外封隔器；3一压裂滑套。1裸眼封隔器滑套分段改造技术图1裸眼封隔器滑套分段改造工艺管柱1．1现场施工工艺1．2主要配套工具油气井完钻后，进行通井与刮管施工，然后按下1．2．1耐高压管外封隔器列工序进行：管外封隔器的主要作用是对井段实施有效层段1)组装完井一压裂管柱并下入(如图1)。完间隔离。按照工作原理的不同，管外封隔器分为压井管串底部为浮鞋，随后依次是浮箍、所需数量的管缩式、扩张式和自膨胀式3种。压缩式与扩张式封 石油矿场机械2O15年11月隔器都是靠液压原理压缩或扩张胶筒，使其径向膨该工具兼顾了压缩式和自膨胀式2种封隔器的胀贴紧井壁，从而实现隔离环形空问、建立密封压优点：差。特点是承压指标高、结构较复杂、不适应裸眼井1)坐封迅速。下井后可立即加压坐封，不必壁。自膨胀式封隔器的胶筒采用吸油或吸水自膨胀等待白膨胀橡胶胶筒坐封。橡胶材料制成，胶筒在井下吸液膨胀并贴紧井壁，隔2)整体结构紧凑。有利于管柱下入和压裂级离环形空问。特点是不规则井壁的适应性好、结构数的增加。简单、成本低、胶筒长、材料性能易受外界因素影响。3)通径大。满足大型压裂的要求。l_2．2投球可开关滑套4)投产后封隔效果长期稳定。自膨胀胶筒有投球可开关滑套是一种用于连通井筒和储层的利于提高封隔器在裸眼井段内的适应性。流动控制工具。其原理是，当相应尺寸的压裂球下表1复合式封隔器技术参数井并落座于滑套中的球座时，形成密封。地面压裂泵升压，当压力达到设定值时销钉被剪断，与球座连接的中心筒被推动，露出流动端口，井筒和储层连通。当生产期间需要关闭某层段，可单独下人配套工具关闭该层段对应的滑套流动端口。1．2．3压裂球压裂球的作用是打开对应尺寸的滑套，并使待改造层段与已改造层段相隔离。传统的压裂球采用复合材料制造，施工时采用一组不同直径的压裂球，2．1．2地面加压试验分别落座于不同尺寸的滑套球座。球与球座的尺寸地面加压试验根据GB／T209702007标准进级差有6．350、3．175和1．588mm，级差越小，对压行。试验用耐高压台架内径170mm，模拟扩径后裂球和球座的密封性能要求越高。传统的压裂球在的152．4mm(6英寸)水平井眼(台架如图3所示)。施工后需要回收，以避免堵塞油气井生产通道。试验台架进行清水试压，压力为60．2MPa，稳压2O2工具设计与地面试验min，台架各连接处无渗漏。2．1复合式裸眼封隔器2．1．1主要结构和技术指标复合式裸眼封隔器是在原有压缩式封隔器基础上开发的层间隔离工具(如图2所示)。该工具加长了内部中心管，在压缩式普通胶筒的两侧或～侧串图3耐高压试验台架联自膨胀胶筒。工作原理与压缩式封隔器基本相同：通过地面投送坐封球，管内憋压，封隔器油缸的封隔器加压试验采用模拟完井液作为试验介安全销钉被剪断，油缸动作并带动白膨胀胶筒一起质，试验温度为100C。经测量和现场加压检验，封压缩普通胶筒，形成坐封。油气井完成压裂并转入隔器中心管压力上升至22MPa时，销钉被剪断，胶生产后，封隔器上的自膨胀胶简会缓慢吸液膨胀，起筒被压缩并坐封。环空加压时，胶筒承压73MPa，到辅助密封的作用。114．3mm(4英寸)复合式封30min无泄漏。隔器的技术参数如表1所示。封隔器被继续浸泡于试验台架内，使自膨胀胶筒充分吸收液体，期间不断向台架内部补充液体。两周后进行第2次加压，试验指标为85MPa，封隔器承压性能有进一步的提高。1一自膨胀胶筒；2压缩式胶筒；3液压坐封油缸。通过封隔器地面试验，对新型复合式裸眼封隔图2复合式裸眼封隔器器的承压性能进行了验证。结果表明，复合式封隔 第44卷第11期薛建军，等：封隔器滑套分段压裂关键工具研制及应用器动作正常，压缩式胶筒工作可靠，自膨胀胶筒膨6．350mm级差球面密封球座。试验过程中，063．5胀、座封正常，可以与前者配合，形成稳定有效的密mm的压裂球在9O℃下能够承压70MPa，稳压4h封。复合式封隔器完全可以满足现场压裂工艺不泄露，密封效果良好，返排压力小于5MPa。试验要求。结果表明，可分解球在90℃条件下能够与6．3502．2可分解压裂球mm级差的球座有效配合，满足稳定承压70MPa2．2．1技术原理与特点的要求。可分解压裂球是近年来一项很有发展前景的技3现场试验术，该压裂球采用了在电解质溶液中发生电化学反应而逐渐分解的特殊合金材料制成。可分解球的应3．1吉林莫里青油田概况用与传统压裂球完全一样，不影响现有施工工艺，但吉林油田伊通盆地的莫里青油田剩余资源量是消除了回收作业。其特点是：1．57亿t，具备较大开发潜力，但油藏特征复杂，经1)施工风险低。在压裂施工完成后球体可自济有效开发难度大。该油田具有埋藏深(>3000行分解，无需回收作业。m)，储层物性差(孔隙度<12，渗透率<1roD)，2)密封性好。密封形式为“金属一金属”，相对油层厚度大，流体性质复杂，存在凝析气，储层敏感于复合材料球有优势。性强等特点。3)材料分解速率可控。材料在压裂液中分解莫里青作为伊通地区的产能建设重点区块，整速率远低于在盐水中的分解速率，而且分解速率可体规划开发井52口，预建产能3．42万t，主要任务根据实际需要调整。包括已动用区块完善井网系统，细分层系开发，对未4)承压性能高。可分解材料为金属合金基动用区开发试验、外围潜力区控制井部署。其中，在材，压裂球承压可达70MPa。可分解球技术指标如未动用的伊45—2试验区块部署伊45—3井作为主力表2所示，表中分解速率1和2的试验介质分别为控制井，评估单井产能和伊45—2试验区块开发潜质量分数0．5氯化钾盐水和胍胶压裂液。力。伊45—2区开发目的层为双二段四砂组，未动用储量570×10t，有效厚度大于25m，部署井位5表2可分解球技术指标口，平均井深3050121，伊45—3井为控制井，区块设计日产4．0t／d，预建产能0．48×10t。3．2完井设计与配套工具3．2．1井身结构该井采用三开直井井身结构(如表3所示)，完井工艺为裸眼管外封隔器结合可开关滑套，在152．2．2．2可分解球承压性能试验4ram(6英寸)裸眼内下入114．3mm(4英寸)尾通过地面试验对三种常用尺寸的压裂球在常温管串。2013年10月28日该井开钻，同年12月底(20℃)下的承压性能进行检验。3种尺寸分别是完钻。该井裸眼电测解释曲线如图4所示。038．1mm，044．45mm和057．15mm，采用6．350mm级差球面密封球座测试。试验结果表明，压裂表3套管基本数据球密封效果良好，3种规格的球均能承受70MPa压力，反排压力低于2MPa。从试验结果看，可分解压裂球表现出较好的抗变形能力，与6．350mm级差球座配合可满足常温下承压70MPa要求。一开表层套管0．0~300．2273．0s]H4O7．09开展了可分解压裂球在高温条件下的承压性能二开技术套管0．O～281o．o177．8LTCPll09．19试验。试验用压裂球尺寸为063．5mm，试验温度三开尾管2705．O～3230．0114．3LTCPll07．37为90℃，采用恒温水浴加压测试工装，滑套球座为 第44卷第11期薛建军，等：封隔器滑套分段压裂关键工具研制及应用铣柱模拟通井和双铣柱模拟通井程序后，开始完井6)本井预测最高施工压力为46．2MPa，最大管柱的下人作业。完井管柱结构如下：引鞋+筛管水功率为7722kW。+浮箍+l14．3mm(4in)套管5根+坐封球座+在第1段的滑套作业中，压差滑套在经过3次压差滑套+1l4．3mm(4in)套管3根+调整短节“升压一降压一升压”循环后被打开。在正式施工前，2根+复合式封隔器+114．3mm(4in)套管1根进行了小型测试压裂，目的是评估地层吸液能力和+投球滑套+114．3mm(4in)套管3o根+114．3计算滤失系数，防止出现压裂液脱砂和裂缝砂堵的mm(4in)套管2根+尾管悬挂器+114．3mm情况。测试压裂通过记录井口压力回落的时间来评(4in)套管1根+悬挂封隔器+114．3mm(4in)估地层吸液能力。整个过程一共加入38．5m。测试套管1根+多功能丢手。压裂液，伊45—3井顺利通过测试压裂。管柱下入过程顺利，全部工具到达预定位置，深测试压裂通过后，开展第1段压裂施工，一共入度数据如表4所示。管柱下完后，用质量分数2地液量1221m。，支撑剂56ITI。，复合式封隔器工作的KCL溶液进行替浆。根据甲方要求，现场不回接正常。在第2段施工中，通过井口投入060．33mm管柱，在替浆后直接进行封隔器和悬挂器座封施工。可分解压裂球。同时，泵注车组以1．2rn。／min的现场采用700型水泥车进行正加压，逐级加压1O、排量泵送压裂球，压裂球入坐和起压均正常。压力15、22MPa，各稳压2min。继续加压至26MPa，稳升至约40MPa时球座动作，滑套被顺利打开，开始压10rain，加压至29．8MPa，稳压10min。缓慢泄压裂第2层。第2段施工中，入地液量一共压至0MPa，再次逐级加压至11、16、22MPa，各稳1297m3，支撑剂6Om。。整个过程压力、排量稳定，压2rain。继续加压至28MPa，稳压2Orain，为保无压力波动、下降和漏失的情况，表明复合式封隔器证坐封可靠，加压力打至32MPa，稳压5min。坐层间隔离稳定性好，可分解压裂球与滑套球座的配合封施工完毕后，相继进行尾管悬挂器验封、验挂和尾效果满足要求，两种工具分别在管外与管内形成有效管丢手作业，均顺利完成。的封堵。两层实际施工参数如表5和图6所示。3．4压裂施工表5主要压裂参数3．4．1压裂设计方案概要2014—04—16，正式开展伊45—3井压裂施工作业。该井压裂设计方案要点如下：1)本井应用裂缝控制压裂技术，以大排量、大液量、大砂量、深穿透形成复杂缝网，以提高单井产能。2)本井为直井，采用套外封隔器结合滑套的第1段施工中，如图6a所示，试压压力65完井方式，压裂管柱177．8mm(7in)+ll4．3mmMPa，开启压差滑套3次，开启压力在63～55MPa，(4in)套管压裂，分两级施工，设计排量分别为信号反应明显，易变识。破裂压力43MPa，进入压裂6．0～8．0m。／min和8．0h10．0m。／min。根据小型施工。第2段施工中，如图6b所示，开启压差滑套测试压裂的分析结果进行压裂施工方案的调整，方1次，开启压力40MPa，信号明显易变识，破裂压力案调整以造长缝、满足最低裂缝导流要求、确保缝口36MPa，进入压裂施工。高导流能力、降低储层伤害为原则。3．5试油投产3)为了实现不同裂缝形态的有效支撑，增加压裂施工完成后停泵，关闭井口阀门，拆掉施工泄油面积，中间投暂堵剂迫使裂缝转向形成缝网，加管线，倒好阀门，开始进行放喷，根据甲方设计方案砂方式采用段塞加砂和组合支撑方式。及时进行返液。从2014—04—19开始至20t4—05—24，4)压裂液采用滑溜水结合0．5羟丙基胍胶一共返液1321rn。。的压裂液体系，设计总用液量2755．6m。，准备压裂2014～05—25伊45—3井正式投产，2014-06—09下液3323m。。泵。目前，该井日产液24．7m3，含油约15．2，含5)两段设计加砂量分别为80m3和6Orn3，共水率38．5。产出液中不含压裂球碎片，说明压裂球140m3，其中20~40目69MPa陶粒70m3，30~50目已经完全分解。通过伊45-3井压裂和生产效果看，69MPa陶粒57m3，40~70目86MPa陶粒13。复合式封隔器和可分解球性能达到预期设计要求。 石油矿场机械2015年11月15一‘i2f．量●基曼加840●9三醚鞋I血】{翌避季6抖廷廷20a第1段施工参数～．量暑]]皇．曼旦昌咖●暑擐丑删*鞴媛针*廷赠一．-1】＼挂艇会一薯．，一＼蛹避垛攥§赠“86486420b第2段施工参数图6各段压裂施工曲线出版社，2013．4结论吴奇，胥云，王晓泉，等．非常规油气藏体积改造技术：1)通过对管外封隔器和压裂球的结构与材料内涵、优化设计与实现EJ]．石油勘探与开发，2012，39(3)：352-358．改进，开发出满足大排量体积改造工艺要求的裸眼JianleiSun，KyleHu，JoeWong，eta1．Investigatingthe封隔器滑套压裂技术及配套关键工具。复合式封隔EffectofImprovedFractureConductivityonProduc—器整体结构更紧凑，通径更大，裸眼井段适应性更tionPerformanceofHydraulicFracturedWeUs好。新型金属合金基材可分解球具有承压指标高、throughFieldCaseStudiesandNumericalSimulations密封性好，可自行分解、无需回收等优点。ER]．SPE169866，2014．2)油田现场试验结果表明，复合式裸眼封隔McDanielBW，KeithRispler．HorizontalWel】swithMultistageFracsProvetobeBestEconomicComple—器能够更好地适应复杂裸眼井径、提高密封性，保证tionforManyLow—PermeabilityReservoirsrR]．了裸眼井段的封隔效果。可分解压裂球可替代传统SPE125903。2009．压裂球，降低了现场作业风险，简化施工工艺，能胜吴奇，胥云，刘玉章，等．美国页岩气体积改造技术现状任高级数、多层段的改造任务。为非常规油气藏体及对我国的启示[J]．石油钻采工艺，2011，33(2)：1—7．积改造提供了强有力的保证。为了进一步扩大该技SierraL，MayerhoferIVLEvaluatingtheBenefitsofZipper术的应用范围，应继续改进封隔器结构，降低整体尺FracsinUnconventionalReservoirs[-R]．SPE168977，2014．寸，提高封隔能力，提高新型可分解压裂球本体强王永辉，卢拥军，李永平，等．非常规储层压裂改造技术度，保证其在低级差球座中的承压性能。进展及应用[J]．石油学报，2012，33(增1)：149—158．张国文，卢沈泽俊，童征，等．遇油＼遇水自膨胀封隔器在水平井完井中的应用[J]．石油矿场机械，2012，41参考文献：(2)：41-44．Eli吴奇．水平井体积压裂改造技术EM]．北京：石油工业