水平井体积压裂工艺

水平井体积压裂工具国产化攻关进展及下步规模应用工作安排大庆油田采油工程研究院二〇一六年二月汇报内容一、连续油管水力喷射环空加砂压裂工艺二、水力喷射油管加砂压裂工艺三、复合桥塞压裂工艺四、套管固井压力平衡滑套分段压裂工艺近年来，大庆油田应用水平井体积压裂工艺，取得了致密油气领域的突破，但国外工具及技术服务费用高，制约了应用规模和效益，为打破技术垄断，实现降本增效、规模应用目标，开展了压裂工具国产化研究，目前已初步完成并定型了4项水平井体积压裂工艺安全接头扶正器喷枪单流阀平衡阀Y211封隔器定位器导向头第二代水力喷射环空加砂压裂工艺管柱一、连续油管水力喷射环空加砂压裂工艺国外从1998年开展研究水力喷射压裂技术，2004年由长庆油田引入国内，2006年国内由长庆为主组织攻关第一代水力喷射压裂技术，不设置底部封隔器，利用“伯努利”效应引起负压差进行分段压裂，大庆井下同期引入大庆油田2009年第二代技术开始设置底部封隔器，大庆油田2011年直接参与二代技术的攻关第一代水力喷砂压裂工艺管柱安全接头水力喷枪筛管单流阀导向头扶正器一、连续油管水力喷射环空加砂压裂工艺前期开展加底部封隔器的油管喷砂压裂工艺研究，受当时国内连续油管应用少，常规井口动密封装置不配套限制，底部封隔器采用扩张式液压封隔器，逐层上提油管实现多段压裂。现场应用6口井，最高施工压力60MPa，排量3.6m3/min，加砂量168m3，单趟管柱压裂9段安全接头水力喷枪水力锚扶正器K344封隔器扩张式底封（液压坐封）喷砂压裂工艺管柱通过对现场试验情况总结分析，且结合国内应用经验，已经形成一套适应大庆油田的优化设计、现场控制、风险预案等配套的规范关键技术1：耐温120℃、承压70MPa小直径扩张式封隔器优化胶料配方及制作工艺，提高抗拉强度和延伸率，增强了抗疲劳性胶筒采用尼龙+钢丝帘线结构，设计肩部保护机构和可移动钢碗，提高承压性能，降低残余变形扩张式底封水力喷射压裂工艺关键技术关键技术2：内嵌整体式喷枪设计整体式结构喷嘴，内嵌至本体中，提高耐返溅磨蚀性能喷嘴采用合金材质，喷枪本体喷涂耐磨涂层，提高耐磨性能设计最大加砂量300m3，现场成功验证指标168m3，余地较大关键技术3：喷砂压裂优化、控制方法、操作规程及风险预案优化排量、磨料浓度等六项施工参数，实现有效射孔优化射速、环空压力等施工参数，实现储层有效改造序号井号深度（m）物性（mD）温度（℃）施工段数液量（m3）加砂（m3）油管压力(MPa)套管压力(MPa)胶筒残余变形率（%）1肇66-平4014008-10609410023542264.52肇72-平2494000306503253肇56-平29井612058050204.64肇37-平23井5180011555354平均7.252776.218449.328.34.55古龙南-平818002.1907296014556407.26古龙南-平281241802556052107古龙南-平231120702805546108古龙南-平24113425299555010平均10.253158.7244.7556.5479.3施工参数对比（倍）1.280.21.51.41.131.331.141.662.07现场试验表明，扩张式底封环空压裂工艺在埋藏深度浅、储层物性较好、施工压力较低（30MPa以内）的肇州、敖南葡萄花水平井适应性强；对于古龙南等高压力储层（大于40MPa）的水平井不适应“十二五”随着连续油管规模应用，在八厂、九厂开展了扩张式底封环空加砂压裂探索试验，评价工艺适用性扩张式底封环空加砂压裂现场试验井数统计压缩式底封环空加砂压裂工艺关键技术1：机械式封隔器重复坐封、解封、锚定技术利用有限元软件模拟分析了低坐封力胶筒密封承压机理，设计了复合式密封胶筒优化胶料配方，设计端部保护机构，提高胶筒重复密封、承压性能目前连续油管可以实现高压动密封，机械位移动作可以实现，底部封隔技术升级后，可实现与国际技术同步（1）连续油管下压负荷仅为普通油管20%-30%，为保证封隔器密封承压性能，研发了低坐封力、承高压压缩式胶筒复合密封胶筒模拟分析图室内耐温、坐封、承压、疲劳试验选取3批次6只胶筒进行了油浸试验，达到了20kN坐封力下承压70MPa，耐温120℃指标，胶筒最大残余变形4.6%，满足现场施工需要承压试验曲线胶筒试验后胶筒室内耐温、承压、疲劳试验数据表序号胶筒批次油浸温度（℃）油浸时间（h）坐封力（KN）承压×疲劳次数（MPa×次）残余变形率（%）1112022070×104.32234.532234.14254.453254.66204.5优选高强度合金钢，采用渗碳、激光处理等特殊工艺，提高锚定、承压性能（2）研制了承高压、高强度，可多次重复锚定卡瓦通过软件模拟，结合室内试验优化卡瓦结构，改善受力状态，减少应力集中，提高卡瓦回收性能常规卡瓦材质和合金钢材质性能对比卡瓦受力模拟分析图卡瓦性能试验数据表序号卡瓦批次锚定力（KN）疲劳时间（min）承压×疲劳次数（MPa×次）磨损量（mm）第一牙第二牙第三牙118501070×100.320.20.0520.290.160.03320.270.15040.290.170.02530.30.170.0460.280.160.03卡瓦试验后选取3批次6套卡瓦进行了室内试验，承压70MPa，锚定力850KN，疲劳10次，卡瓦牙最大磨损量0.32mm，满足现场施工需要古693-108-平102压裂8段后卡瓦室内锚定、承压、疲劳试验携砂液注入试验套管试验后封隔器室内防砂试验：将30%砂比的压裂液注入试验套管中，反复3次，封隔器坐封、解封顺利，承压时无渗漏，无位移工具核心部件设计排砂通道，防止沉砂堆积，降低砂卡风险（3）设计防砂结构，提高坐封、解封可靠性坐封承压试验防油砂极限试验：将原油与石英砂混合后灌入封隔器内部，反复5次换向无遇阻现象，坐封、解封顺利灌满油砂后的Y211封隔器换向后的Y211封隔器及中心管台40-平12老井试验中，暴露出膏状油砂混合物卡死换向机构，导致封隔器不坐封问题，通过进一步优化结构，排砂面积达到4500mm2，是原结构4倍，提高了防砂性能排砂孔中心管防砂槽优化后工具结构关键技术2:机械式换轨技术，实现封隔器坐封、解封轨道换向换轨机构由换向轨道、换向环和轨道销钉组成，通过换向环在长短轨道间的移动，改变坐封、解封状态换向环和轨道销钉换向轨道室内试验，反复换向60次，成功率100%，轨道销钉磨损0.02mm，满足现场需要坐封轨道解封轨道试验后中心管轨道和换向环封隔器换轨机构压裂管柱整体室内模拟井稳定性能检验随机抽取2批次加工的新型Y211封隔器、平衡阀等工具，组成2趟管柱，在试验井进行压裂管柱整体性试验，锚定、坐封、解封成功率100%1#井试验照片4#井试验照片试验井号管柱序号承压（MPa）坐封解封次数卡瓦磨损胶筒残余变形率（%）备注1#12010无1.1管柱累计下入200m22010无1.24#13030无1.7管柱累计下入4000m23030无1.8试验井模拟试验数据表应用压缩式底封环空加砂压裂工艺现场试验6口井，单趟管柱压裂8段，最大排量6m3/min，最高压力50MPa，最大加砂规模195m3，一天最多压裂5段现场试验情况及工艺性能初步评价序号井号施工段数液量（m3）加砂（m3）油管排量（m3/min）套管排量（m3/min）设计坐封力（kN）现场施工坐封力（kN）油管施工压力（MPa）套管施工压力（MPa）1南249-平3447262021015-620-403140-6028-502翻220-平1445118010515-620-402240-6028-503翻232-平1646174012015-620-402240-6028-504古693-108-平102831111951.25-620-403540-6028-505古693-92-平10851220801.25-620-403540-6025-506台40-平12815301201.25-620-402825-5015-40连续油管水力喷射环空加砂压裂施工参数统计现场试验情况通过对4口试验井压裂后工具拆解分析评价，封隔器、平衡阀等工具换向灵活，喷枪仅本体有磨蚀，室内又进行了坐封、承压、锚定、解封检验，性能指标仍满足继续施工需要压前新型Y211封隔器压后新型Y211封隔器压前平衡阀压后平衡阀压前喷枪压后喷枪压后工具检验及性能测试核心工具零件检验及测试统计4口井24片卡瓦，压后第一卡瓦牙平均磨损0.45mm，其余卡瓦牙无磨损4口井封隔器胶筒压后无破损，胶筒下端部变形最大，最大残余变形率4.51%古693-108-平102压裂8段卡瓦古693-108-平102压裂8段胶筒序号井号卡瓦磨蚀量（mm）胶筒残余形变（%）换向机构动作喷枪平均磨蚀率（%）备注1翻220-平144仅第一卡瓦牙磨蚀0.402.95无卡阻0.25新井2翻232-平164仅第一卡瓦牙磨蚀0.353.03无卡阻0.21新井3古693-108-平102仅第一卡瓦牙磨蚀0.554.51无卡阻0.28新井4古693-92-平108仅第一卡瓦牙磨蚀0.503.96无卡阻0.20新井压裂施工后核心部件拆解检验情况封隔器排砂结构可有效排砂，轨道中仅有少量存砂，封隔器换向灵活，无卡阻内嵌式喷枪本体有磨蚀，喷孔平均扩径率0.24%，仍满足喷砂射孔需要古693-92-平108压后中心管古693-92-平108压后喷枪室内试验表明，性能指标仍满足继续施工需要设计指标：耐温120℃、承压70MPa指标，施工排量设计8m3/min，单趟管柱压裂10段现场成功验证指标：最高耐温90℃、最高承压50MPa，最大排量6m3/min，单趟管柱压裂8段，单个工作日（8小时）完成5段（主要受其它协同工作条件限制），完成设计指标余地较大工艺管柱性能初步评价新型Y211封隔器内嵌式喷枪平衡阀导流扶正器弹性扶正器目前，新型Y211底封水力喷射环空加砂压裂工艺已基本定型安全接头导向头扶正器喷枪单流阀平衡阀Y211封隔器定位器弹性扶正器同国内外技术对标与国外公司工艺管柱结构、产品性能指标相同，成本降低67%（5段计算），但现场试验井数少安全接头扶正器喷枪球座平衡阀Y211封隔器定位器导向头扶正器安全接头喷枪平衡阀Y211封隔器定位器引鞋球座NCS公司工艺管柱杰瑞公司工艺管柱大庆油田自主研发工艺管柱同国内外技术对标国内外水力喷射环空加砂工艺技术水平对比温度（℃）承压（MPa）排量（m3/min）单趟压裂段数（段）5段价格（万元）应用情况系列化程度国外120705-74333规模应用已系列化川庆120705-8610科研阶段5〞/124套管大庆120705-6810科研阶段5〞/124套管与国内产品相比，完全实现国产化，拥有自主知识产权，川庆等公司产品核心部件仍需进口采油院（10万元/趟）川庆（本体国产，胶筒进口，2万元/只）4、下步规模应用工作安排（1）继续开展试验，认真总结分析试验数据，不断改进完善工具，固化工艺工具设计技术指标还未得到充分验证，需进一步试验，标定出工具串额定指标（耐温120℃、承压70MPa指标，排量8m3/min，单趟管柱压裂10段）对压后工具继续进行检验和测试，收集数据，优化完善工具结构，保证稳定性根据施工规模、段数和时间，结合工具测试分析数据，固化不同施工阶段安全施工参数（包括拉力、坐封力和射孔排量等）序号工序施工规范1管柱起下控制速度，同时掌控油管低排量补液冲砂时机，避免下入时砂卡封隔器2坐封根据不同深度管柱确定不同的下压载荷，避免封隔器失封或损坏3射孔根据油层状况调整射孔排量、砂量、压力等参数，同时根据不同系列喷枪、不同层段停泵压力，优选不同回压控制喷嘴孔径，避免封隔器上顶失封，造成连续油管损毁，为后续压裂地层裂缝顺利开启提供重要基础，避免多次重复射孔或压裂时反复憋放易损坏封隔器4压裂时刻监控压力曲线变化