水平井套管定位球座分段多簇壓裂技術(shù)

趙振峰 唐梅榮 杜現(xiàn)飛 安杰 馬兵 徐創(chuàng)朝

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院

1 技術(shù)原理

結(jié)合儲(chǔ)層地質(zhì)情況和壓裂方案改造段數(shù)要求，在儲(chǔ)層需要壓裂改造位置處的生產(chǎn)套管上預(yù)置多個(gè)工作筒固井完井，第1段采用定壓滑套光套管壓裂［7-8］，見圖1（a）。第2段壓裂時(shí)，采用電纜配合水力泵送方法，用“射孔+球座投放”聯(lián)作工具串上的磁儀器探測(cè)到預(yù)置工作筒，上提電纜使得投放工具下端位于工作筒之上2～3 m，地面點(diǎn)火將球座推出投放工具，此時(shí)球座位于工作筒上方，見圖1（b）。接著上提聯(lián)作工具串到達(dá)射孔位置，地面點(diǎn)火完成多簇射孔，見圖1（c）。射孔后起出聯(lián)作工具串，投入可溶球并泵送其入井，當(dāng)可溶球與球座相遇后，由于很大的節(jié)流作用會(huì)推動(dòng)可溶球與球座的組合體繼續(xù)向前運(yùn)移直至到達(dá)工作筒密封位置，此時(shí)球座、可溶球、工作筒三者形成可靠封隔，進(jìn)行壓裂，見圖1（d）。重復(fù)上述步驟依次完成多段壓裂改造，見圖1（e）。壓后可溶球完全溶解，井筒不需要任何處理就實(shí)現(xiàn)大通徑，見圖1（f），可快速投產(chǎn)，后期亦可進(jìn)行重復(fù)作業(yè)。

圖1 套管球座分段多簇壓裂技術(shù)原理Fig. 1 Technical principle of multi-cluster staged fracturing with casing ball seat

2 關(guān)鍵工具

2.1 套管預(yù)置工作筒

在?139.7 mm生產(chǎn)套管上預(yù)置工作筒，主要用來與球座配接，錨定球座，并與球座配合形成金屬密封替代傳統(tǒng)膠筒封隔。預(yù)置工作筒方法：采用常規(guī)套管固井完井方法，鉆完井下生產(chǎn)套管前，利用測(cè)錄井技術(shù)優(yōu)選出預(yù)壓裂的油層位置，然后開始下入套管，在該位置處的套管上連接工作筒，最后與套管一起固井完成工作筒的預(yù)置程序。工作筒外徑與套管接箍尺寸一致且長(zhǎng)度較短，對(duì)套管本身的下入和固井沒有影響。

優(yōu)化設(shè)計(jì)形成的預(yù)置工作筒呈微縮徑錐度結(jié)構(gòu)，見圖2，長(zhǎng)度420 mm，最大外徑153.7 mm，最小內(nèi)徑117.5 mm，120 ℃承壓70 MPa，設(shè)計(jì)成錐度結(jié)構(gòu)是為了將壓裂時(shí)的正壓力轉(zhuǎn)化為球座閉合力，滿足錨定與密封承壓要求，室內(nèi)模擬測(cè)試錨定力可達(dá)65 t。

圖2 預(yù)置工作筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structural sketch of preset working barrel

2.2 彈性球座

彈性球座見圖3，呈“C型”薄壁圓筒，壁厚4.5 mm，長(zhǎng)70 mm，內(nèi)徑112.5 mm，主要依靠彈性材料變形形成球座。球座底部矩形切槽是“彈性爪”設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步增強(qiáng)球座前端誘導(dǎo)入座功能。

作業(yè)時(shí)，采用電纜泵送方式將彈性球座送達(dá)預(yù)置工作筒位置，電纜點(diǎn)火啟動(dòng)坐封工具使球座丟手，多簇射孔后投可溶球，球落座后推動(dòng)球座往錐體工作筒縮徑處下行，此時(shí)球座依靠自身彈性能量迫使外徑擴(kuò)張變大，形成尺寸約束替代卡瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨定，同時(shí)彈性球座與預(yù)置工作筒形成類似“缸體活塞”的“金屬密封”替代傳統(tǒng)膠筒封隔。

圖3 自由狀態(tài)下彈性球座結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of elastic ball seat in the free state

卷曲回彈測(cè)試試驗(yàn)表明，該彈性球座在承壓70 MPa情況下，重復(fù)坐封次數(shù)達(dá)3次以上，完全滿足施工需求，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1，多次卷曲回彈試驗(yàn)的卷曲時(shí)長(zhǎng)為24 h。

表1 卷曲回彈測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Curl springback test data

2.3 球座投放工具

彈性球座投放工具具備2個(gè)功能：在泵送過程中約束球座外徑，使其順利通過多級(jí)工作筒；到預(yù)定位置后地面點(diǎn)火，投放工具火藥腔爆燃產(chǎn)生推力將球座投出，解除其約束力，彈性球座自由擴(kuò)張到預(yù)定尺寸緊貼在井筒預(yù)置工作筒內(nèi)壁上。

球座投放工具主要由電纜連接頭、火藥腔、外筒、芯桿、下接頭、投放短接等組成，見圖4，主要技術(shù)指標(biāo)見表2?？雇鈹D、有效推力、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、有效行程等評(píng)價(jià)測(cè)試表明，其抗外擠達(dá)到50 MPa，有效推力為15 t，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，有效行程達(dá)160 mm。

圖4 球座投放工具Fig. 4 Ball seat releasing tool

表2 球座投放工具主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of ball seat releasing tool

2.4 可溶球

可溶球主要用來封堵彈性球座中心通道，在壓裂時(shí)起封隔下層作用，壓后可完全溶解，能實(shí)現(xiàn)井筒大通徑，不需要重新處理井筒。可溶球直徑116 mm，承壓達(dá)70 MPa，溶解試驗(yàn)表明，50 ℃條件下在EM30與胍膠返排液中20 h即達(dá)到溶解尺寸要求，80 h后徹底溶解，見圖5。

小學(xué)道德與法治課堂教學(xué)進(jìn)行教法升級(jí)符合新課改倡導(dǎo)的基本精神。小學(xué)身心成長(zhǎng)有自身規(guī)律，教師要巧妙借助教材中的插圖，點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)熱情；善于運(yùn)用生活中的故事，拓展學(xué)生思維認(rèn)知；組織趣味游戲，內(nèi)化學(xué)生道德情感；探析典型案例，升級(jí)學(xué)生法制意識(shí)。通過這些方式，課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，學(xué)生良好品德自然生成。

圖5 可溶球溶解曲線Fig. 5 Solution curve of soluble ball

3 大型地面物模試驗(yàn)

為檢驗(yàn)工具系統(tǒng)綜合性能，開展了工作筒、球座、投放工具等工具的地面聯(lián)調(diào)測(cè)試和固井膠塞通過性測(cè)試的大型地面物模試驗(yàn)，見圖6。物模試驗(yàn)就是在地面建立一套水平井模擬系統(tǒng)，用壓裂車泵送的方式，輸送球座與射孔聯(lián)作工具串在水平井段前行，觀測(cè)工具串在水平井中泵送是否順暢，測(cè)試在水平井中工具串的泵送性能，探索最佳泵送參數(shù)及固井膠塞的通過性等。

圖6 大型地面物模試驗(yàn)流程及臺(tái)架構(gòu)成示意圖Fig. 6 Flow chart of large ground physical simulation test and schematic diagram of bench constitution

試驗(yàn)結(jié)果表明，套管球座及相關(guān)配套工具達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，在70 MPa下坐封可靠，承壓穩(wěn)定，固井膠塞通過性良好。試驗(yàn)形成了集泵注排量、電纜張力、下入速度、井斜角為一體的泵送參數(shù)圖版，見圖7，直井段依靠自重下放，至井斜30°開泵泵送，初始排量0.4 m3/min，最高排量2.5 m3/min，下行速度不超過3000 m/h，這些泵送參數(shù)可用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖7 套管球座泵送參數(shù)圖版Fig. 7 Pumping parameter chart of casing ball seat

4 施工參數(shù)

該技術(shù)主要用于致密儲(chǔ)層水平井大排量、大液量體積壓裂工藝上。與國(guó)外致密油相比，受陸相沉積環(huán)境的影響，鄂爾多斯盆地致密油儲(chǔ)集層致密、物性差，相對(duì)高孔、高滲帶不發(fā)育，儲(chǔ)集層主體帶平均孔隙度為 8.9%，氣測(cè)滲透率為 0.17 mD。根據(jù)儲(chǔ)層情況和水平井套管球座壓裂工藝特點(diǎn)，對(duì)施工排量、液量、簇間距工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1 施工排量

盆地致密油水平井生產(chǎn)套管采用外徑127 mm，內(nèi)徑124.26 mmP110鋼級(jí)套管，施工設(shè)計(jì)套管限壓55 MPa，結(jié)合前期致密油體積壓裂礦場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)［9］，預(yù)測(cè)出限壓55 MPa時(shí)最高排量可達(dá)15 m3/min。大量井下微地震監(jiān)測(cè)裂縫形態(tài)結(jié)果顯示，排量大于10 m3/min后裂縫帶寬增加不明顯，排量在6～10 m3/min時(shí)可形成最優(yōu)的裂縫帶寬。

4.2 單級(jí)液量

國(guó)內(nèi)外非常規(guī)儲(chǔ)層改造的目標(biāo)主要是增大改造體積，實(shí)現(xiàn)裂縫全覆蓋［10］。結(jié)合盆地致密油儲(chǔ)層特征參數(shù)，應(yīng)用Stim Plan模擬縫網(wǎng)壓裂不同入地液量對(duì)縫網(wǎng)形態(tài)的影響，以增大改造體積為目的優(yōu)化入地液量，模擬結(jié)果顯示，單級(jí)入地液量在1000～1500 m3時(shí)可獲得最經(jīng)濟(jì)有效的改造體積。

4.3 簇間距

利用多簇射孔簇間應(yīng)力干擾提高裂縫復(fù)雜程度，擴(kuò)大縫控面積［11］。統(tǒng)計(jì)前期井下微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，裂縫帶寬90～150 m、單段射孔3～5簇條件下壓裂可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的全覆蓋，推薦設(shè)計(jì)簇間距20～30 m。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2016年長(zhǎng)慶油田開展了6口水平井套管球座分段多簇壓裂礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)，見表3，成功率100%。

表3 水平井套管球座分段多簇壓裂施工參數(shù)及效果Table 3 Construction parameters and effect of multi-cluster staged fracturing of horizontal well with casing ball seat

試驗(yàn)井中固平X2井水平段長(zhǎng)度達(dá)1525 m，壓裂11段，入地液量15307 m3，砂量1823 m3；木平X1井壓裂改造6段，下入5級(jí)預(yù)置工作筒，投放5個(gè)彈性球座，成功率100%，壓裂坐封起壓明顯，球、球座、工作筒密封配合良好，每段作業(yè)之間除備水等因素以外幾乎沒有間隔，球座泵送投放及壓裂施工累計(jì)用時(shí)4 d，該井微地震監(jiān)測(cè)顯示段間裂縫充分覆蓋，分段壓裂有效率100%。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：第一，增產(chǎn)效果明顯，單井產(chǎn)量較鄰井提高20%以上；第二，施工效率高，與速鉆橋塞分段壓裂技術(shù)相比，減少了壓后鉆磨橋塞時(shí)間，試油周期縮短30%；第三，作業(yè)成本低，相比速鉆橋塞壓裂技術(shù)成本降低了10%。

6 結(jié)論

（1）研發(fā)的套管預(yù)置工作筒、彈性球座、可溶球等關(guān)鍵工具，坐封、承壓、封隔穩(wěn)定，可滿足無限級(jí)多簇射孔、大排量壓裂要求，壓后可溶球完全溶解，可實(shí)現(xiàn)井筒免鉆，快速投產(chǎn)。

（2）通過大型地面物模試驗(yàn)和工藝參數(shù)優(yōu)化，驗(yàn)證了工具的可靠性和工藝的可行性，建立了泵送參數(shù)圖版，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該技術(shù)提效降本效果明顯，能滿足致密儲(chǔ)層長(zhǎng)水平段體積壓裂技術(shù)需求，且優(yōu)勢(shì)明顯，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。