井下多级压裂工具组设计方案及应用技术研究

井下多级压裂工具组设计方案及应用技术研究前言目前，储层品质由相对优质化向劣质化转变已经不是一个区域、一个油田的问题，而是中国乃至全球油气田开发共同面临的难题。低渗透、超低渗透油气储量正成为我国各主力油田的上产主体。同时，世界在页岩气、致密油气等非常规油气储量上寻求突破的迫切需求，也使压裂技术的地位与日俱增，作用日益凸显，越来越受到作业者的欢迎。通过对本课题的深入研究，形成了多种压裂方式的技术报告和技术对比，确定了多级压裂工具组的研究方向。一、课题概况1、国外非常规油气技术迅猛发展近年来，国外以美国页岩油气为代表的非常规油气勘探开发飞速发展，并逐步形成了非常规油气水平井勘探、钻井、完井、压裂、裂缝监测等系列配套技术，建立了较为完善的勘探开发理念。在技术不断配套完善的同时，也形成了甜点勘探、优快钻井、压裂完井一体化、体积压裂、“井工厂”管理模式等成熟的勘探开发理念。美国已钻页岩油气水平井数量达50000多口，水平井多级分段压裂完井技术已日趋成熟，2011年美国共完钻非常规油气水平井8500多口，水平井占非常规油气产量的90%以上，80%以上为“井工厂”模式。页岩气产量为1800亿立方米，占美国天然气总产量的34%。国外非常规油气水平井多级分段压裂完井技术主要形成了水平井裸眼封隔器分段压裂完井和泵送桥塞射孔分段压裂联作两大主导技术，以两大主导技术的突破为核心，配套形成了优化设计、裂缝监测、设备配套等技术系列，提供了有力支撑。创下分段最多90级，水平段段长最长4900m，单段最大加砂量450m3，单段最大液2550m3，80%以上的井为“井工厂”模式。2、国内非常规油气勘探开发迈出实质性步伐我国非常规油气资源储量丰富。根据美国能源信息署在2013年公布的《页岩油和页岩气技术可采资源量》数据，中国页岩气的技术可采储量为31.6万亿立方米，居全球第一位，是全球最有潜力的页岩气生产国；页岩油的技术可采资源量为43.7亿吨，占全球总量的9%。此外，我国埋深2000米的煤层气资源量约为35万亿立方米；油砂资源量约1000亿吨，可采资源量可达100亿吨。从政策规划角度来看，我国高度重视非常规油气开发。目前，我国制定了诸多扶持政策：《全国矿产资源规划（2008—2015年）》指出，要积极推进油砂、油页岩等非常规能源矿产的勘查开发利用；《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》指出，重点开发复杂环境与岩性地层类油气资源勘探技术；《“十二五”规划纲要》明确，要推进煤层气、页岩气等非常规油气资源开发利用；国家发改委《关于保障天然气稳定供应长效机制的意见》表明，中国将加大对天然气尤其是页岩气等非常规油气资源的政策扶持力度。除此之外，《煤层气开发利用“十二五”规划》《“十二五”页岩气勘探开发规划》等政策都在整体规划上对非常规油气开发给予了有力支持。3、多级压裂对非常规油气开发意义当前提高油气采收率的策略包括大斜度井、大位移井、多层和采及二次完井，应用这些技术的目的在于开发原先不具有经济性或难以开采的油气层。利用地质导向技术方面的新进展，作业人员可以在防止井轨迹偏离产层上下边界的同时将大斜度井钻得更长，从而大大的扩大井筒与地层的接触面积。扩大井筒与地层的接触面积是许多此类长分支井能否获得成功的关键，这是因为大多数容易开采的油气层都是在多年前就已经被发现并得到开发。因此，今天的作业公司更需要从储层质量可能较差的页岩或老油气田外围的非常规或低渗透油气层中开采石油和天然气。大位移井在提高井筒与储层的接触面积方面具有十分重要的作用，而利用多级压裂技术还可以进一步扩大其与地层的接触面积。如图1图1多级压裂可以大大增加接触面积在直井中应用压裂技术可以将井筒与储层的接触面积扩大到数百倍，而在水平井中，井筒与储层的接触面积会呈指数增长。尽管在大斜度、大位移井中应用压裂技术的成果令人鼓舞，但许多此类措施却常常达不到预期的经济或产量目标，而问题的结症在于其前期的完井技术。为了最大限度的提高井筒与地层的接触面积，这些油井通常是裸眼完井，或是产层段利用割缝衬管或预射孔衬管完井。在裸眼井完井井段，利用常规的挤入压井法几乎不可能有效地对水平井段进行增产处理，因为这样的情况下，想要在地层中精确地布置压裂液和酸液难度太大。利用标准技术通常只能处理井筒上部或底部，流体几乎没有任何机会流入中部或下部层段。如图2图2常规压裂只能压开水平井上部或底部如果作业公司选择胶结衬管方式对水平井进行完井，就可以方便地隔离和处理单个产层。但是，与其他多层处理措施一样，在各产层多次起下管柱非常耗时，而作业成本常常令这一增产措施得不偿失。尽管存在这些障碍，但是由于水力压裂作业确实能够提高产量，因此，在各种类型的油气井中实施这一技术的需求在不断增长。为了在成本和产量方面都能获得更好的效益，服务公司正在开发一些能够在固井完井、裸眼完井、大位移井和直井完井中通过单次作业便实现对多个产层的增产处理和隔离的压裂系统。二、取得的主要阶段成果1、多级压裂服务商及代表工具调研封隔器投球滑套多级压裂技术一般采用可膨胀封隔器或者裸眼封隔器分段封隔。根据页岩气储层开发的需要，使用封隔器将水平井段分隔成若干段，水力压裂施工时水平段最趾端滑套为压力开启式滑套，其它滑套通过投球打开，从水平段趾端第二级开始逐级投球，进行有针对性的压裂施工。水平裸眼井多级压裂目前已经是北美页岩气压裂开采主要技术手段，并越来越受到作业者的欢迎。水平井多级压裂技术关键在于封隔器（压裂封隔器和可膨胀封隔器）和滑套可靠性和安全性能，尤其是管外封压裂管柱的可膨胀封隔器和开启滑套的高强度低密度球材料决定技术的成功与否。目前国外油田服务公司都有自己成熟的工具，高强度低密度球级差达到1/16in，封隔器耐压差达到70MPa，TAM公司耐高温自膨胀封隔器最高可达302℃。QuickFRAC和StackFRACHDPackersPlus公司是开放完井多阶段压裂系统的先驱，并在设计和制造各种解决方案的革新方面是行业的领导者。自2000年公司开始运营以来，PackersPlus已经完成了超过7750个系统，并负责了超过8万级压裂。目前已经研发了两套最先进的裸眼多级压裂系统：QuickFRAC系统和StackFRACHD系统。QuickFRAC系统原理是一次投入一个封堵球开启多个滑套的多级压裂批处理系统，已实现15次投球进行开启60级滑套的多级压裂的施工，每级之间由RockSEALII封隔器封隔，滑套为QuickPORT滑套。另一套目前最先进的是StackFRACHD（HighDensity）高密度多级压裂系统，该系统可以多次投入同一尺寸封堵球开启多级滑套RepeaterPORT，有效增加压裂级数，每级之间用RockSEALII封隔器封隔。2011年12月，PackersPlus能源服务公司已成功安装一个60级的裸眼完井系统，将124套工具串入井。结合StackFRAC和QuickFRAC系统，可以更好地满足客户多级压裂的需求。FracPointTM系统：贝克休斯的FracPointTM多级投球打滑套压裂系统实现快速、连续的水力压裂。每两级滑套之间可以选用液压座封裸眼封隔器或自膨胀封隔器。压裂完成一级后投球泵送打开下级滑套，如此逐级进行压裂。整体压裂完毕，密封球被从井内返排出地面。FracPointTM分段压裂系统主要部件有：大扭矩悬挂器系统、液压座封裸眼封隔器或自膨胀封隔器、抗高速冲蚀的投球打开滑套、压力打开滑套、耐高温高压封堵球，井筒隔绝阀。贝克休斯利用其FracPoint升级系统FracPointEX多段压裂系统在威廉森页岩盆地成功进行了一次24段完井作业，这也是单一井眼中滑套压裂与封隔器完井系统目前达到的最高级别。滑套用封堵球材料为优质复合材料，耐压58MPa，耐温120°，球尺寸极差为0.25in（6.35mm）,目前正在研发的产品耐压可达70MPa，尺寸级差可达0.125in（3.2mm）。该系统新设计了滑套球座系统，结构如图2所示，球座中增加了支撑环结构，增加了压裂过程中球座的耐压能力。DeltaStimPlus20和RapidFrac系统：哈里伯顿DeltaStimPlus20完井技术服务。服务涉及三种成熟的可靠工具：DeltaStim滑套，DeltaStim压力开启滑套和Swellpacker隔离系统。DeltaStim完井可与VersaFlex尾管悬挂器一起下入井中。根据地层条件可使用Swellpacker隔离系统或WizardⅢ封隔器实现裸眼完井的隔离，Swellpacker封隔器膨胀胶筒可膨胀至200%，可密封不规则裸眼井和套管井，也可以采用注水泥固井完井隔离。DeltaStimPlus20完井技术服务系统在4.5in套管中可以分21级，5.5in套管中可以分26级，7in套管可以多达30级，开启球级差达到1/8in。机械开关滑套可现实多次开关，并可实现无限级数压裂。哈里伯顿另外一套RapidFrac快速压裂完井系统，提供了一种新的水平井多级完井方法，可以更加准确地布置裂缝。RapidFrac系统可以一次投球打开两个可膨胀封隔器之间层段的多个滑套。为了确保增产的油藏体积最大化，在任何一个水平井完井中都可以同时使用多达90个滑套。与RapidFrac系统配套的是三种成熟工具：DeltaStimLite滑套，DeltaStim压力开启滑套和Swellpacker隔离系统。Brigham勘探公司和William生产公司率先采用该技术，最初应用在巴肯页岩，目前已经在全球的页岩开发中推广。Brigham在巴肯页岩应用RapidFrac取得了成功。Williams为了证明该技术的真实效果，钻出了两口井进行对比，一口井使用传统的“堵塞+射孔”的压裂系统，另外一口井使用RapidFrac系统。结果表明，新的RapidFrac完井系统明显优势，完井时间比传统技术缩短了一半以上，早期生产动态非常好，认为该技术是提高完井效率的一项重大进步。NCS能源服务公司是一个专注于多级压裂完井技术和服务的公司。2006年NCS能源服务公司（加拿大）研发出针对煤层气的连续油管拖动压裂工具。2007年研发出非常规/常规油气市场的连续油管拖动无限级压裂完井工艺。2007年在加拿大推出全新的连续油管拖动无限级压裂完井工艺—“猫鼬”式完井工艺，该工艺将喷砂射孔与公司专利技术和可收放压裂封隔工具相结合，实现了无需泵送桥塞或投球滑套的多级压裂技术。NCS能源服务公司的服务面已覆盖世界多数低渗透油气田。至2012年底使用该成熟技术射孔压裂完井总数：4200口总压裂级数：85796级成功加砂超过1000万吨无级限：单趟最多压裂级数：44级高效：10小时完成20级压裂作业67天成功压裂作业66口井，共压裂1650级降低作业风险：成功解决1172次砂堵已施工最大斜深5539m已施工最大垂深3800m。在中国四川的德阳、合川、邛崃；新疆的塔里木；胜利油田的滨州；川庆苏里格等区块已成功施工40余口井2、泵送桥塞式多级压裂技术研究泵送桥塞射孔分段压裂技术采用可钻桥塞+射孔联作工艺实施多级分段进行套管压裂，压后直接投产或钻掉所有桥塞恢复井筒通径后投产。2.1技术特点（1）特别适合大排量、大液量特点的页岩气压裂。通过簇式射孔实现定点、多点起裂，裂缝位置精准。（2）桥塞与射孔联作，带压作业，施工快捷，井筒隔离可靠性高。（3）井筒完善程度高。桥塞由复合材料制成，密度较小，钻磨后的桥塞碎屑可随气液流排出井外，为后续作业和生产留下全通径井筒。（4）受井眼稳定性影响相对较小。采用套管固井完井，井眼失稳段对桥塞坐封可靠性无影响，优于裸眼封隔器分段压裂工艺。（5）分层压裂段数不受限制。通过逐级泵入桥塞进行封隔，与多级滑套投球工艺相比，分段数不受限制，理论上可实现无限级分段压裂。（6）下钻风险小，施工砂堵易处理。与裸眼封隔器相比，管柱下入风险较小，施工砂堵发生后，压裂段上部保持通径，可直接进行连续管冲砂作业。2.2工艺管柱泵送桥塞射孔分段压裂工艺管柱为电缆下入桥塞+射孔联作管串，自井底向上结构依次为:复合可钻