水平井套内不动管柱滑套多段压裂工艺技术

水平井套内不动管柱滑套多段压裂工艺技术及现场应用,中国石油吉林油田公司 二一一年七月,交流材料,一、技术提出背景 二、水平井滑套分压工艺原理 三、主要配套工具及工作原理 四、工艺设计原则 五、施工工序及应急处理 六、现场应用及效果,交 流 提 纲,一、技术提出背景,针对当时国内外低渗透油田水平井压裂改造工艺复杂、工艺可靠性差的现状，研究开发了具有全过程液压动作的分层压裂工具总成、安全接头、解卡器和井口投塞器等配套工具，组合形成了水平井滑套分压工艺管柱和事故解卡打捞配套工艺管柱。该工艺管柱具有井下工具少，全过程液压动作、不卸压投球棒等特点，该工艺能够不动管柱一次性完成水平井25段的分段压裂，亦可实现水平井老井的选层压裂。经现场试验及应用，该工艺管柱性能可靠，满足了水平井分段压裂的需要，提高了施工作业效率，是一种先进、安全、可靠、高效的水平井分段改造工艺技术，为改善水平井开发低渗透油田效果提供了技术保证。,技术提出背景概况:,水平井的压裂改造工艺技术是当前国内外油田和石油服务公司研究的热点之一,1、国外水平井分段改造技术,水力喷射压裂技术于1998年发明并投入现场应用，2002年起应用规模、范围逐步扩大。 该工艺成功率较高，成本与单级压裂相当或稍高。 到2005年中期，水力喷射压裂技术应用超过130口井 该技术可应用于裸眼井、注水泥射孔完井、割缝衬管完井等各种完井方式，应用范围较广。,（1）水力喷射压裂技术,一、技术提出背景,水平井的压裂改造工艺技术是当前国内外油田和石油服务公司研究的热点之一,1、国外水平井分段改造技术,（2）StageFRACTM系统,StageFRACTM增产系统,Packers Plus Energy Services公司设计完成，可以实现一趟管柱压裂9个层段，是一套压裂完井系统。,一、技术提出背景,水平井的压裂改造工艺技术是当前国内外油田和石油服务公司研究的热点之一,1、国外水平井分段改造技术,（3） Frac-Point封隔器系统,Frac-Point封隔器系统,由Baker石油公司2006年设计完成，与StageFRAC系统类似，也可以实现一趟管柱压裂9个层段，是一套压裂完井系统。,一、技术提出背景,水平井的压裂改造工艺技术是当前国内外油田和石油服务公司研究的热点之一,2、国内水平井分段改造技术,（1）限流压裂技术：1991年-1995年大庆油田研究了水平井限流改造技术 （2）液体胶塞-填砂压裂技术：长庆油田塞平1等利用该技术分压成功 （3）机械桥塞分压技术：2004年长庆油田引进机械桥塞分隔工具并试验成功 （4）水力喷射压裂技术：2005年12月8日，长庆靖安油田靖平1井试验成功 （5）环空分射分压工艺技术：2004年吉林油田水平井环空分射分压工艺试 验成功,一、技术提出背景,水平井的压裂改造工艺技术是当前国内外油田和石油服务公司研究的热点之一,3、优缺点评价,国外目前比较先进的水平井分段压裂技术均具有高效率、一体化的特点，但由于其管柱结构复杂、施工成本高和技术服务条件苛刻等限制，规模引进应用还有很多困难。 国内当时常用的水平井压裂技术总体上还比较保守，虽然尝试了液体胶塞和机械分段等压裂技术，但作业效率有待提高、以及压裂过程中存在动管柱等条件，使其应用或多或少受到限制。,提出了水平井滑套分段压裂工艺,一、技术提出背景,一、技术提出背景 二、水平井滑套分压工艺原理 三、主要配套工具及工作原理 四、工艺设计原则 五、施工工序及应急处理 六、现场应用及效果,交 流 提 纲,二、水平井滑套分压工艺原理,水平井封隔器滑套分段压裂是一种适合低渗透油田油井开发，在套管内不动管柱一次性完成5段以内的机械分段压裂工艺技术。该工艺由滑套分段压裂工具总成、安全接头、解卡器和井口投塞器等配套工具构成。具有全过程液压动作、不卸压投球棒，对储层改造选择性大、针对性强的特点。 目前能够满足耐温150，耐压差70MPa，垂深2500m，51/2和7井眼水平井长短射孔井段新井投产分段压裂、老井重复压裂技术要求，提高了施工作业效率，是一种先进、安全、可靠、高效的水平井分段改造工艺技术。目前现场应用了 180井456段，工艺成功率达99%，投产水平井稳产水平为周边直井日产量的25倍，取得了较好的压裂效果。,二、水平井滑套分压工艺原理,1、滑套分压工艺原理,（1）滑套分压工艺原理（三段为例） 水平井套管水泥固井完井水平井采取从趾端到跟端顺序射孔、压裂的方式作业。首先，下入射孔枪，同时射开最趾端处的三个压裂井段，起出射孔枪； 按照设计连接管柱下入预定深度，油管加液压完成两级封隔器坐封，再提高压力等级打掉定压滑套，打开压裂下部层段通道，压裂下部层段； 投球棒封堵底部通道，打开压裂中间层段通道，压裂中间层；投球棒解封下部封隔器； 投球棒打开压裂上部通道，压裂上部层段；投球棒解封上封隔器，反洗井后起出压裂管柱；起管柱遇卡丢开下封，下入打捞工具捞出下封隔器。,2、滑套分压工艺管柱组成（三段分压）,管柱形式：油管 保护封隔器 油管上封隔器油管下封隔器,二、水平井滑套分压工艺原理,（1）可以不动管柱一次性压裂2-3个层段，节约作业时间，提高效率；,备注：起管柱时间与井斜深度有直接关系，以上时间构造都按测深1500m上井统计，对于浅层水平井时间可以大幅度缩短，6段压裂可以缩短到6天左右时间。,3、工艺特点,二、水平井滑套分压工艺原理,（2）水平井机械分段压裂工艺施工成本的降低,水平井单井压裂5段费用情况表,备注：利用一次性压裂三段工艺相比环空压裂单井节约这三项费用高达32万元左右。,（3）工艺管柱和封隔器不受卡距限制，可以对长、短射孔段针对性压裂改造； （4）工艺管柱和封隔器实现了全过程液压动作，井下工具少，潜在的事故点大大减少，施工更加安全可靠。,3、工艺特点,二、水平井滑套分压工艺原理,（5）封隔器设计了洗井通道，多层压裂下工具设计了遇卡丢开机构，能够有效的处理常规的砂卡事故。 （6）胶塞设计了打捞机构，简化和方便了后续的事故处理。 （7）配套了套管及井口保护封隔器，高施工压力过程中保证了套管及井口免承高压，保障了地面施工的安全。,3、工艺特点,二、水平井滑套分压工艺原理,4、技术指标及适用条件,（1）水平井不动管柱一次性压裂三段工艺技术指标和适用条件,耐压差等级70MPa，耐温120，满足浅、中、深井对压裂工艺的需求； 工作套管内径为5 ½“和 7“，满足多数套管井压裂要求。,二、水平井滑套分压工艺原理,在现场实施中实现的最高技术指标如下： 单井平均加砂57 m3，最大加砂量180m3(MP1井)； 单井平均压裂段数3.2段，最大压裂段数6段(XMP1井)； 单趟平均加砂量49.6m3，一趟管柱最大加砂量90m3(MP8井第2、3段)； 单段平均加砂量加砂量17.8m3，单段最大加砂量60m3(MP4井第1段)； 实施单井最高井温102（HP2井），最高施工压力67 MPa (HP2井) 。,4、技术指标及适用条件,二、水平井滑套分压工艺原理,4、技术指标及适用条件,二、水平井滑套分压工艺原理,水平井封隔器滑套分段压裂具有如下技术适应性： 水平井套管水泥固井，并且压裂井段固井质量合格； 油层套管回接到地面，尾管悬挂井只能应用此工艺管柱压裂下部层段； 压裂最上部层段时地层破裂压力低于套管抗内压强度和油管抗外挤强度； 压裂上部层段时井口承压等级高于最高施工压力。,一、技术提出背景 二、水平井滑套分压工艺原理 三、主要配套工具及工作原理 四、工艺设计原则 五、施工工序及应急处理 六、现场应用及效果,交 流 提 纲,三段压裂上封隔器技术指标 （1）型 号：Y444-114 （2）耐压差：70MPa （3）耐 温：120 （4）内通径：48mm（最小） 特点 （1）液压坐封、液压解封，动作可靠； （2）卡瓦坐封定位后胶筒坐封，卡封准确； （3）自带上喷砂滑套； （4）自带安全接头，缩短鱼顶长度； （5）坐封解封步进锁定设计，避免二次动作。,1、分层压裂封隔器,（1）三段压裂上封隔器Y444-114(148),三、主要配套工具及工作原理,三段压裂下封隔器技术指标 （1）型 号：Y444-114 （2）耐压差：70MPa （3）耐 温：120 （4）内通径：40mm（最小） 特点 （1）液压坐封、液压解封，动作可靠； （2）卡瓦坐封定位后胶筒坐封，卡封准确； （3）自带上喷砂滑套、下喷砂器； （4）自带脱开装置，起管遇阻可自动脱开； （5）坐封解封步进锁定设计，避免二次动作。,1、分层压裂封隔器,（1）三段压裂下封隔器Y444-114(148),三、主要配套工具及工作原理,2、安全接头,安全接头与工具一体化设计，减短了工具长度，使事故出现时余顶最短，起管柱遇阻时，可以从该处脱开以上管柱，为下一步处理留处余地。该安全接头是结合水平井的井身结构特点专门设计的，后投工具液压动作。安全接头退开液压力10MPa,三、主要配套工具及工作原理,3、封隔器动作球棒,封隔器动作球棒特点 （1）球棒自带打捞杆，可利用打捞器打捞； （2）动作端面置于密封断面和投送皮碗之后，保证工具动作的地面响应明显真实； （3）球棒前端进行倒角和扶正处理，保证接箍和缩径处的通过能力； （4）球棒金属部件采用空心充填塑料材质处理，减轻重量。,三、主要配套工具及工作原理,4、井口投塞器,水平井滑套分压工艺管柱在压裂施工过程中需投两次球棒，为避免投球棒时拆卸管线造成剧烈放喷导致地层吐砂，并节约施工时间，专门设计了井口专用投塞器。该投塞器耐压等级达到100MPa以上，满足绝大部分水平井施工要求。,三、主要配套工具及工作原理,伸缩机构：能够保证井下封隔器座封与解封过程中自由伸缩，避免封隔器上的双向卡瓦与套管锚定后影响工具座封与解封。 脱开机构：针对曾经出现事故的情况，设计了2-3吨力遇阻脱开机构，能够保证管柱上提过程中如果两工具之间存砂多，工具遇卡时在该处脱开，再下专用打捞管柱。,5、伸缩机构与遇卡脱开机构,三、主要配套工具及工作原理,6、套管保护封隔器ZY331-114,套管保护封隔器技术指标 （1）型 号：ZY331-114 （2）耐压差：70MPa （3）耐 温：120 （4）内通径：60mm 特点 （1）无坐封压差，实现自坐封； （2）无需节流，满足大排量施工要求； （3）内通径大，保证球棒投送； （4）皮碗保护套锁定装置，避免误动作。,三、主要配套工具及工作原理,一、技术提出背景 二、水平井滑套分压工艺原理 三、主要配套工具及工作原理 四、工艺设计原则 五、施工工序及应急处理 六、现场应用及效果,交 流 提 纲,四、工艺设计原则,1、封隔器滑套分段压裂工艺设计原则,工艺管柱计算与工具强度校核,1)水平井滑套多段压裂上封隔器,(1)缸筒抗内压计算,封隔器钢筒截面图,(2)中心管抗拉强度计算,封隔器中心管截面图,59000kg为封隔器在最大工作压力(70MPa)时中心管所受拉力。,1、封隔器滑套分段压裂工艺设计原则,工艺管柱计算与工具强度校核,1)水平井滑套多段压裂上封隔器,四、工艺设计原则,(3)喷砂口节流压力损失计算,喷砂口流通面积：s=nBL n：喷砂口数量； B：喷砂口宽度; L：喷砂口长度。 因此有s=nBL,=4×10×75=3000 mm2 2 1/2油管流通面积s=R 2 式中R ：2 1/2油管内径。 因此有s=R 2 =3017mm2,喷砂口流通面积与2 1/2油管流通面积相当，节流压力无损失。,喷砂口,1、封隔器滑套分段压裂工艺设计原则,四、工艺设计原则,(4)封隔器坐封启动压力的确定,封隔器坐封启动压力的确定原则为：以封隔器坐封启动之前压裂管柱所受轴向拉力最小为原则。考虑管柱下井过程中影响因素，取封隔器坐封启动压力为46MPa。在4 6MPa时压裂管柱所受轴向拉力为1.21.5t，压裂管柱在高压压裂时(油管内、外压差为70MPa)油管由于鼓胀效应所产生轴向拉力12.67t