橋塞與分簇射孔聯作工藝及其在川渝頁巖氣區的應用

王海東, 唐凱, 陳鋒, 郭廷亮, 任國輝, 代傳剛, 趙欣迪

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司測井公司, 重慶 400021)

0 引 言

目前,中國各大油田和相關技術服務企業均進行了橋塞與分簇射孔聯作的技術研發,并在頁巖氣、致密油氣等非常規油氣的水平井中取得了良好的應用效果。本文基于目前川慶鉆探公司的橋塞與分簇射孔聯作工藝及在川渝頁巖氣區的應用,重點闡述并分析了該工藝的五大核心技術,包括橋塞技術、分簇射孔器(新型的定向分簇射孔器、定面分簇射孔器)、多級點火控制、泵送作業控制及電纜井口防噴技術。另外,針對劉祖林、張駿、張利國等[1-3]討論、分析泵送作業管串易掉井且普遍存在的工程復雜情況,介紹了川慶鉆探公司為提高泵送作業安全性而開發的1套泵送可視化輔助軟件及其基本功能。通過實際應用表明該可視化輔助軟件可有效地降低泵送管串掉井的風險。

1 聯作工藝配套技術

頁巖氣藏頁巖基質孔隙度很低,最高僅為4%～5%,滲透率小于1×10-3μm2[4],因此,分簇射孔與分段壓裂技術成為了頁巖氣水平井開發的關鍵技術,該技術通過在水平井內逐段、分段壓裂達到體積壓裂目的,從而提高頁巖氣產量。其中,橋塞與分簇射孔聯作是實現井筒內分段(見圖1)并為分段壓裂提供有效射孔孔道的一項重要工藝,該工藝分段壓裂級數不受限,可大排量壓裂,儲層改造強度和力度大,適用于低滲透儲層,同時還能夠配合進行工廠化壓裂(包括交叉式或稱拉鏈式壓裂和同步壓裂[5]),可大幅提高作業時效。

1.1 封堵橋塞

1.1.1 坐封工具

橋塞坐封時必須采用坐封工具進行,常用的坐封工具為貝克工具包括10號和20號,相關技術參數見表1?；驹頌樵谶M行橋塞坐封時,位于電纜坐封工具上端的點火器通電后,引燃位于點火器下端的藥柱,藥柱燃燒所產生的高壓氣體用來驅動坐封工具運行。橋塞藥柱持續燃燒推力不斷增大,當其達到下接工具釋放力時,坐封工具與下接工具脫離[6],實現橋塞丟手與坐封。

表1 坐封工具相關技術參數

1.1.2 復合橋塞

復合橋塞是指以硬質復合材料為主而開發的低密度、高強度、完全可鉆的非金屬材料橋塞[7],以magnum橋塞為例,包括單向式、投球式和全封堵式復合橋塞,可應用于4～7 in*非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同的各型套管內坐封,最高耐溫150 ℃,耐壓差70 MPa。該類橋塞密封性好,坐封可靠,可采用連續油管進行快速鉆除,與普通橋塞相比復合橋塞更易于磨銑,不會在井筒中留下大塊碎屑而導致卡鉆,小鉆壓下即可完成鉆塞作業[8-9],單個橋塞鉆磨時間一般在30～60 min。

1.1.3 大通徑橋塞

大通徑免鉆橋塞是指采用了大通徑結構技術與配套可溶球暫時封堵技術的一類橋塞[10],以lodestar大通徑橋塞為例。橋塞坐封后儲層壓裂改造時需投入配套可溶球進行暫時封堵橋塞內通道,壓裂完成后可溶球逐步自動完全溶解。該類橋塞具有大通徑、可過流的特點[11],通徑一般在55～75 mm,可滿足直接完井投產的要求,同時也能滿足生產測井的要求,免除了連續油管鉆塞的作業成本和風險,縮短了作業周期,單井節約總成本約15%～20%,可應用于4～7 in的各型套管內坐封,耐溫150 ℃,耐壓差70 MPa[10]。

1.1.4 可溶橋塞

可溶橋塞采用高強度可溶解、降解性材料制作而成,可在井內坐封,通過投入配套可溶壓裂球進行壓裂暫時封堵,隨著溫度、井液作用及時間變化而逐漸自動溶解的一類橋塞。該類橋塞最高耐溫150 ℃,耐壓差70 MPa,適用于各類井型及常用的4～5in套管,具有可自動溶解、無需后期連油鉆塞且可保持井筒全通徑、經濟時效性高等技術優勢。2015—2016年可溶橋塞已在川渝地區頁巖氣井中使用超過50個,總體應用效果良好。

1.2 分簇射孔器

常用的分簇射孔器主要包括3類,分別為常規分簇射孔器、定向分簇射孔器和定面分簇射孔器。單簇射孔器有效射孔長度一般采用1.0～1.5 m,耐溫150 ℃,耐壓105 MPa,適用于4～7 in的套管井分簇射孔作業[12]。

(1) 常規分簇射孔器。采用常用的螺旋式布彈方式,目前川渝地區頁巖氣井常用的包括73型和89型,相關技術參數見表2。

表2 常用的分簇射孔器技術參數

(2) 定向分簇射孔器。整合了傳統的定向射孔技術(見圖2)并結合分簇射孔技術,解決了動態定向與靜態分簇選發射孔的技術問題[13],形成了一類用于分簇射孔的定向射孔器。該射孔器用于解決井眼軌跡偏移、穿行于儲層上方或下方時分簇與定向的射孔難題。

圖2 定向射孔原理圖

圖3 定面射孔原理圖

(3) 定面分簇射孔器。采用特殊的布彈方式,實現了在套管同一橫截面上形成多個射孔孔眼的一類射孔器(見圖3)。其特點是可在套管同一扇形平面上的多個射孔孔眼造成應力集中帶,在一定的壓力下,很容易造成巖石破裂和失效,為后期儲層壓裂及深度改造創造良好的條件[14]。

1.3 多級點火控制技術

多級點火控制技術是分簇射孔工藝中一項核心技術,采用了數字編碼、井下尋址及全過程監控技術,能在選發軟件的控制下實時檢測及智能發射,由多級點火控制器和分簇射孔選發軟件組成。多級點火控制器用于控制每簇射孔器,是具有選擇性和對應性的檢測和起爆控制裝置。分簇射孔選發軟件對每級控制器進行編譯,實現了射孔器的數字編碼、井下尋址、智能選發及全過程監控[15]。多級點火控制器耐溫150 ℃,可實現電纜一次下井最多20級供電選發射孔作業。

1.4 泵送作業與控制

泵送作業是指在建立井筒與地層通道的前提下,通過向井內泵入流體推動井下工具串向目的層前進的過程[4]。泵送管串作業需要重點掌握2個關鍵因素即泵入排量的推力既能夠保證管串的正常運行,同時又能夠控制排量大小防止管串泵送掉井,為此泵入排量的大小就成為了泵送作業的一個非常關鍵的參數。

基于上述問題開發了泵送程序設計軟件,該軟件是針對井內管串結構、長度設計、受力情況、井筒曲率、泵送液參數、摩阻系數等相關影響因素研發的[15],通過控制注入流體排量大小控制射孔管串在井內的受力與運行。該設計軟件作業指導性強,目前已在川渝地區頁巖氣井中廣泛應用。

1.5 其他技術

1.5.1 井口電纜防噴技術

分簇射孔作業時井口全程帶壓即在井筒壓力低于地層壓力的情況下實現帶壓(負壓)射孔作業[16],為此需要采用配套的防噴系統以控制井內的壓力。井口電纜防噴系統是由電纜、封井器、捕集器、防噴管、抓卡器、電纜防噴控制頭以及注脂液控裝置等部分組成的一種密封防噴系統,可實現電纜運行過程中井口壓力的動態密封。

電纜防噴系統內通徑大,通徑范圍76～160 mm;耐壓級別高,最高耐壓為105 MPa。川渝地區頁巖氣開發中應用最多的是140-105型防噴裝置,其內徑140 mm,耐壓105 MPa,整個防噴裝置的連接長度能夠滿足最長18.0 m的分簇射孔與橋塞聯作管串進行作業。

1.5.2 泵送可視化輔助軟件

泵送管串作業過程是一個不易控制的過程,因井筒客觀情況及操作人員等原因,極易導致管串掉井等情況的發生,需要通過信息技術手段反映井下管串運行狀態,為此開發了一款基于Microsoft.net框架的應用程序即泵送可視化輔助軟件。該軟件具有自動計算并顯示作業基礎數據(射孔深度、射厚、零長等),自動定位、跟蹤,電纜張力、速度等參數自動顯示以及語音提示和作業數據報表輸出等基本功能。主要技術優勢:①射孔作業所有的數據數字化,作業信息能夠持久性存儲;②施工參數與施工狀態在主屏幕實時顯示;③語音提示系統及時播報重要施工節點信息;④可輸出施工作業基礎數據報表和技術參數報表。

泵送可視化輔助軟件是根據實際分簇射孔作業情況開發的國內首套泵送作業可視化軟件,作業針對性極強,不僅能夠簡化分簇射孔作業中施工參數與數量種類繁多的問題,同時能夠準確地反應井下管串的運行情況,技術人員據此可及時調整泵入排量、速度等參數,以保證泵送作業的安全。

2 現場應用

目前,僅川慶鉆探公司采用的橋塞與分簇射孔聯作工藝就已在川渝地區長寧威遠、涪陵焦石壩、昭通這3個國家級頁巖氣示范區以及川渝地方政府與企業合建的頁巖氣開發區塊應用近200井次,作業成功率100%,有效降低了作業成本達30%以上,大大地提高了作業時效。另外,也創下了川渝地區頁巖氣井分簇射孔作業的多項記錄,例如水平段最長2 099 m,單井坐封橋塞最多26個,單井射孔簇數最多為80簇,泵送作業井口最高壓力為80 MPa,配合并完成了中國首次平臺井工廠化壓裂開發,部分典型井應用統計見表3。

表3 川渝地區部分頁巖氣井應用統計表

2.1 H2井組

H2井組位于四川長寧背斜構造,該井組由H21井、H2-2井、H2-3井和H2-4井共4口井組成,平均井深約3 710 m,水平段長度范圍為967～1 360 m。根據壓裂設計對該井組施工并采用每2口井配對的工廠化壓裂開發模式(見圖4)[2],即2口井射孔作業的同時,另2口井實施壓裂,2組井交替不間斷進行射孔和壓裂作業。該井組通過連續10 d的不間斷作業,共計完成 44層141簇的射孔作業,坐封橋塞47個[15],在中國首次實現了分簇射孔配合同步工廠化壓裂作業。

圖4 同步工廠化壓裂示意圖

2.2 201井

201井位于重慶市川東高陡構造的1口頁巖氣水平井,該井井深3 728.0 m,水平段長1 653.0 m,設計射孔與壓裂段共為27段,其中第12、13、19和26段采用定向分簇射孔技術。該井通過13 d連續作業,完成全部分簇射孔作業,其中坐封復合橋塞26個,射孔簇數80簇,創造目前川慶公司在川渝地區單井射孔簇數與橋塞坐封數量的記錄,同時采用的定向分簇射孔器解決了該水平井既定向射孔又分簇射孔的難題。

3 結論與建議

(1) 橋塞與分簇射孔聯作工藝是頁巖氣等非常規油氣開發中一項重要的技術,包括配套的橋塞技術、分簇射孔器、多級點火技術、泵送作業控制以及井口防噴等技術等,近年來該工藝在川渝地區頁巖氣井中已規?；瘧?總體效果良好。

(2) 建議實際作業前應根據井基本地質、井筒以及現場情況等因素,綜合考慮并優選封堵橋塞以及分簇射孔器類型,以獲得更好的改造效果和產能,實現最大化的開發效益。

(3) 在目前技術基礎上,加強分簇射孔技術優化研究,提高該工藝的耐溫、抗壓以及安全可靠性等,以滿足深井(斜深>6 000 m)、超長水平段(>2 500 m)的泵送分簇射孔作業。

(4) 泵送可視化輔助軟件成功開發與應用可有效保證泵送作業管串的安全,同時為進入“互聯網+射孔”時代積累了實踐經驗,據此,應將分簇射孔技術向信息化、數字化、智能化、可視化的方向進一步發展。

(5) 針對存在客觀井筒問題、管串泵送作業困難等難點的作業段,建議開發并應用連續油管輸送進行分簇射孔的配套工藝技術。

參考文獻:

[1] 劉祖林, 楊保軍, 曾雨辰. 頁巖氣水平井泵送橋塞射孔聯作常見問題及對策 [J]. 石油鉆采工藝, 2014, 36(3): 75-78.

[2] 張駿, 宋杰. 多級分簇射孔橋塞聯作技術在新疆油田應用與異常處理方法 [J]. 鉆采工藝, 2016, 39(4): 57-59, 69.

[3] 劉利國. 頁巖氣試氣施工常見事故處理及預防 [J]. 江漢石油職工大學學報, 2016, 29(3): 48-50.

[4] 江懷友, 宋新民, 安曉璇, 等. 世界頁巖氣資源與勘探開發技術綜述 [J]. 天然氣技術, 2008, 2(6): 26-30.

[5] 任勇, 錢斌, 張劍, 等. 長寧地區龍馬溪組頁巖氣工廠化壓裂實踐與認識 [J]. 石油鉆采工藝, 2015, 37(4): 96-99.

[6] 鄒剛, 李一村, 潘南林, 等. 基于復合材料橋塞的水平井套管分段壓裂技術 [J]. 石油機械, 2013, 41(3): 44-47.

[7] 王遷偉, 王德安, 張永春. 泵送可鉆橋塞分段壓裂工藝在紅河油田的應用 [J]. 重慶科技學院學報(自然科學版), 2014, 16(6): 82-84.

[8] 白田增, 吳德, 康如坤, 等. 泵送式復合橋塞鉆磨工藝研究與應用 [J]. 石油鉆采工藝, 2014, 36(1): 123-125.

[9] 趙榮華, 李斌, 萬愛娥. 復合橋塞在水平井分段壓裂中的應用 [J]. 江漢石油職工大學學報, 2012, 25(5): 53-55.

[10] 王海東, 唐凱, 歐躍強, 等. 大通徑橋塞與可溶球技術在頁巖氣×井的應用 [J]. 石油礦場機械, 2016, 45(4): 78-81.

[11] 陳海力, 鄧素芬, 王琳, 等. 免鉆磨大通徑橋塞技術在頁巖氣水平井分段改造中的應用 [J]. 鉆采工藝, 2016, 39(2): 123-125.

[12] 王海東, 陳鋒, 歐躍強, 等. 頁巖氣水平井分簇射孔配套技術分析及應用 [J]. 長江大學學報(自然科學版), 2016, 13(8): 40-45.

[13] 陳華彬, 唐凱, 陳鋒, 等. 水平井定向分簇射孔技術及其應用 [J]. 天然氣工業, 2016, 36(7): 33-39.

[14] 唐凱, 陳建波, 陳華彬, 等. 定面射孔技術在四川盆地致密氣井中的應用 [J]. 測井技術, 2014, 38(4): 495-498.

[15] 任國輝, 唐凱, 李妍僖, 等. CQ-MCP分段多級分簇射孔工具 [J]. 石油科技論壇, 2015(B10): 15-17.

[16] 陳鋒, 姜德義, 唐凱, 等. 欠平衡鉆井條件配套的射孔工藝技術 [J]. 測井技術, 2006, 30(1): 22-24.