QC成果-提高不动管柱水力喷射压裂施工段数.ppt

长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 1、小组概况 2、背景介绍 3、课题选择 4、设定目标 5、可行性分析 6、原因分析 7、确定要因 8、制定对策 9、对策实施 10、效果检查 11、巩固措施 12、下一步计划 目 录 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 1 小组概况 小 组 人 员 情 况 姓 名小组中任职务性别年龄职称学历主要工作任务 桂 捷组长男44高级工程师本 科组织协调 王在强组员男34工程师研究生现场组织 蒙 鑫组员男28助理工程师研究生具体实施 赵粉霞组员女42高级工程师本 科方案设计 任 勇组员男30工程师研究生具体实施 胡相君组员男30工程师本 科具体实施 冯 飞组员男29助理工程师研究生具体实施 樊 晨组员男34助理工程师研究生具体实施 邵 媛组员女28助理工程师本 科具体实施 冯长青组员女28工程师研究生具体实施 小组单位 油气工艺研究院 工具研究室 课题名称 提高4套管不动管柱水力喷射 压裂施工段数 小组名称特殊作业QC小组成立时间2010.3 小组活动时间2010.3-12小组类型攻关型 制表：桂捷 时间：2010.3.5 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 1 小组概况 2006年：获陕西省一等奖、全国优秀质量管理小组 2007年：获石油工业QC成果一等奖、全国优秀质量管理 小组 2008年：获长庆油田分公司一等奖、中国质量协会石油协 会二等奖 2009年：获长庆油田分公司三等奖、陕西省优秀奖 获奖情况 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 2 背景介绍 水力喷射压裂的基本原理： 通过水力喷砂射孔在储层形成孔道后持续喷射，在高压水射流作用下孔 道形成增压的同时提升环空压力, 当孔内压力超过地层破裂压力时瞬间将地 层压开，实现水力喷射压裂。 水力喷射压裂工艺简介 主要特点： 射孔、压裂一体化 无需机械隔离 一趟管柱可以连续实施多段压裂 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 2 背景介绍 2008年，在苏10-30-38H井（一段）和苏平14-13-36井（ 两段）成功实施了气田水平井的拖动水力喷射压裂施工。 2009年，在靖平33-13等4口水平井开展了不动管柱水力喷 射分段酸压（压裂）三段的工艺试验，施工过程顺利，工具性 能可靠，显示出了较好的应用前景。 气田水平井水力喷射压裂发展现状 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 3 课题选择 随着气田开发的需要，水平段大于1000米的长水平段 水平井不断增加。 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 3 课题选择 苏里格气田水平井压裂段数与压后试气产量关系 前期井效果分析表明，增加水平段长度和改造段数对 提高水平井产量影响较大。 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 3 课题选择 上级部门提出了不动管柱水力喷射分段压裂五段及五段 以上的要求。 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 3 课题选择 2 2 前期井效果分析表明 增加水平段长度和改 造段数对提高水平井 产量影响较大。 3 3 1 1 水平段大于1000 米的长水平段水 平井不断增加。 上级部门提出了不 动管柱水力喷射分 段压裂五段及五段 以上的要求。 提高气田水平井4套管不动管柱 水力喷射压裂施工段数 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 4 目标设定 设定目标 通过改进工艺完善配套工具等措施，实现气田水平井 4套管不动管柱水力喷射压裂五段以上的目标 1段 2段 3段 5段 活动前目标 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 5 可行性分析 技术水平 成员素质 1、近几年攻关研究使我们对水力喷射压裂技术有了深刻认识。 2、小组大部分成员参加过滑套类相关工具的设计和现场施工， 经验丰富。 3、国外水平井多段改造工艺为我们的设计提供了参考。 团队成员有经验丰富的高级工程师且大部分成员具有较强 的理论、实践基础及小组QC活动经验，有较高的技术素养、管 理水平和团队协作能力。 提高气田水平井4套管不动管柱水力 喷射压裂施工段数目标是可以实现的 结 论 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 6 原因分析 不 动 管 柱 水 力 喷 射 压 裂 施 工 段 数 受 限 培训不够 设计经验不足 携砂液对工具的冲蚀 井筒未彻底清洗 油管接箍与套管内壁的间隙小 油管的强度不够 滑套进入滑套座不能密封 携砂液对滑套冲蚀过大 喷嘴流道结构不合理 喷嘴排列方式不合理 液体粘度高导致节流压差大 环 境 工 具 职业素养不够 施工液体 井筒 油管 滑套 密封球 喷嘴 密封球在高压下密封性能差 工具外壁与套管内壁的间隙小 人员 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 7 确定要因 序 号 末端因素确认方法标准负责人结论 1培训不够 上岗人员是否教育 充分 是否参加过相关培训桂 捷 非要因 2设计经验不足 组员是否参加过相 关工具的设计 至少参加过一次工具 设计 桂 捷 非要因 3携砂液对工具的冲蚀加砂是否适当 严格按施工设计执行 搅拌均匀 赵粉霞 非要因 4 液体粘度高导致节流 压差大 检测液体粘度交联比为100:0.5-0.8冯长青 非要因 5井筒未彻底清洗 对井筒进出口水质 进行对比分析 返出洗井液机械杂质 含量小于0.2% 樊 晨 非要因 6 工具外壁与套管内壁 的间隙小 进行工具入井的可 行性分析 工具外壁与套管内壁 间隙不小于5mm 冯 飞 非要因 7 油管接箍与套管内壁 的间隙小 对不同型号油管进 行对比分析 油套管环空/油管内 孔面积比大于90% 王在强 要因 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 7 确定要因 序 号 末端因素确认方法标准负责人结论 8油管的强度不够评价油管机械性能执行API标准邵 媛非要因 9滑套进入滑套座不能密封室内试验及理论分析 密封合格率率 不低于95% 胡相君非要因 10携砂液对滑套冲蚀过大室内试验及理论分析 内径磨损量小 于1.5mm 王治国要因 11密封球在高压下密封性能差室内试验及理论分析 承压能力大于 45MPa 任 勇要因 12喷嘴流道结构不合理室内试验及理论分析 流量系数不小于 0.95，扩散角不 大于15 蒙 鑫要因 13喷嘴排列方式不合理室内试验及理论分析满足施工要求 赵粉霞非要因 制表：王在强时间：2010.5.4 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 7 确定要因 影响射孔期间携砂液能顺利通过油套环空的主要因素是油管接箍与套管内壁 的间隙，增加段数就要将油管换成2油管，油管接箍与套管内壁间隙明显变小 ，2N80平式油管油套管环空/油管内孔面积比为62.9%，会增大节流压差，影 响携砂液循环。 要因一：油管接箍与套管内壁的间隙小 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 7 确定要因 要因二：携砂液对滑套冲蚀过大 密封球同上一级滑套保持一定间隙的同时必需于本级滑套 有一定的过盈量才能完成正常坐封，在施工过程中滑套被携砂 液冲蚀后会出现内径扩大的现象，在此情况下密封球的密封可 靠性是压裂施工的关键。 三段水力喷射压裂配套工具 级数 一级二级三级 球级滑套的过盈量 6.755.6 七段水力喷射压裂配套工具 级数 一级二级三级四级五级六级七级 球级滑套的过盈量3.5753.453.53.5753.54.5 制表：蒙鑫时间：2010.4.20 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 7 确定要因 要因三：密封球在高压下密封性能差 密封球在高压作用下可能发生严重变形或破 坏导致其不能正常工作。 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 7 确定要因 要因四：喷嘴流道结构不合理 水力喷砂射孔阶段主要依靠等速 核的水力冲蚀作用射穿套管、水泥环 打开储层岩石，要求：1、快速有效的 射孔；2、足够的射孔深度。 压裂阶段要求射流扩散角小，通 过射流能将更多的环空液体带入裂缝 ，实现自动封隔。 水力喷射压裂要求的射流特性：1、等速核长、流速快；2、扩散角小。 喷嘴是形成射流的主要元件，其流道结构直接决定了射流特性，因此喷嘴的 流道结构设计是实现水力喷射压裂的关键。 等速核 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 7 确定要因 为了增加水力喷射压裂施工段数，喷射器壁厚逐渐变薄，喷嘴不 断变短，严重影响了喷嘴的流道结构。 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 8 制定对策 序号主要原因对策目标措施实施人完成日期 1 油管接箍与套 管内壁间隙小 优选小接箍 油管 在保证强度的 条件下油套管 环空/油管内 孔面积比大于 90% 调研并优选 小接箍油管 王在强 胡相君 蒙 鑫 2010.6 2 携砂液对滑套 冲蚀过大 优选滑套的 材质 内径磨损量小 于1.5mm 对滑套进行 抗冲蚀实验 桂 捷 赵粉霞 邵 媛 2010.6 3 密封球在高压 下密封性能差 优选密封球 材质 承压能力大于 45MPa 进行密封球 密封性实验 任 勇 冯 飞 樊 晨 2010.7 4 喷嘴流道结构 不合理 优化喷嘴流 道结构 流量系数大于 0.95，扩散角 小于15 理论分析、 模拟实验 蒙 鑫 冯长青 任 勇 2010.7 制表：任勇时间：2010.5.10 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 9 对策实施 措施一：优选小接箍油管 油管结构 内屈服压力 (MPa) 接头连接强度 (吨) 挤毁强度 (MPa) 油套管环空 / 油管内 孔面积比 () API标准结构 73.02*5.51 N80平式油管 72.947.947762.9 山东墨龙 接箍外径为82.5，其余采用API标准 72.947.947791.5 奥钢联VAGT扣 接箍外径81.2 72.8846.97797 外径 mm 壁厚 mm 内径 mm 接箍外径 mm 重量 Kg/m 抗内压强 度MPa 抗外挤强 度MPa 抗拉强度 KN 73.02 奥钢联 5.5162.0081.29.2972.8877.0470 73.02 常规外加厚 5.5162.0093.29.6772.976.9645 小接箍油管与2N80平式油管机械性能相近，但环空间隙明显增大。按1.8 安全系数计算，小接箍2油管最大许可下入深度为2570m左右，可以满足 目前4套管井水力喷射压裂需要。 结论： 制表：胡相君时间：2010.5.13 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 9 对策实施 措施二：优选滑套材质 选取一口油井，将滑套连接在压裂管柱上，待施工结束后起出，采用测量的办法 来评价滑套磨损量。 牌号 力学性能 抗拉强度 (MPa) 0.2%屈服 强度 (MPa) 伸长率 () 断面收 缩率 ( ) 硬度HB 冲击功 Akv (J) 冲击韧性值 (J/cm2) 试样 尺寸 20 CrMo885(90)685(70)1250197HB7898(10)15mm 35 CrMo985(100)835(85)1245229HB6378(8)25mm 左侧为20 CrMo试件，右侧为35 CrMo试件 实验前 实 验 后 制表：冯飞 时间：2010.5.15 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 9 对策实施 名称 序号 测量垂深 （mm） 磨损前内径 （mm） 35CrMo材质内径 （mm） 20CrMo材质内径 （mm） 1031.1941.4240.90 2527.553837 38.52537.1636.24 4102536.1635.7 5152531.329.6 6202528.4626.4 7252525.625.2 1、20CrMo材质的滑套耐磨性能比35CrMo材质的滑套高； 2、两种材质滑套均存在不同程度磨损，但内壁光滑，密封性能可以满足 现场施工的要求。 结论： 制表：樊晨时间：2010.5.20 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 9 对策实施 措施三：优选密封球材质 44.45mm, 50.8mm, 57.15mm 三种规格空心钢球室内承压试验。 44.8mm, 40mm, 38mm, 30.1mm 四种规格树脂球室内承压试验 空心钢球打压前实物图 破坏后实物图 树脂球打压前实物图 破坏后实物图 结论：1、所有树脂球在45MPa下均发生较为严重的变形，形状由初期的圆形变为圆台型，不 能满足水力喷射压裂施工要求。 2、空心钢球在45MPa下均未发生变形且密封良好，可以满足水力喷射压裂施工要求。 压力为60MPa时，44.45mm发生破坏。在压力为50MPa时，57.15mm发生破坏。 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 9 对策实施 喷嘴几何结构： 圆弧+圆锥+圆柱 根据水力喷压裂施工的需要，经过对不同结构参数喷嘴的理论计算， 设计出了流量系数大于0.95、扩散角小于15、等速核长、与喷射器壁厚相 匹配的喷嘴。 措施四：喷嘴结构优化设计 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 9 对策实施 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 9 对策实施 实施了四项主要措施 水平段选用2小接箍（奥钢联）油管 应用20CrMo材质的滑套并对其表面进行热处理 优选承压性能可靠的密封球 设计了与喷射器壁厚相匹配的喷嘴 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 10 效果检查 目标实现 3段 2段 1段 5段 7段 活动前 活动后 目 标 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组 中国石油 10 效果检查 21.17水力喷射分段压裂9301541盒8桃2-4-7H 445水力喷射分段压裂625850盒8苏6-4-10H2 20.265水力喷射分段压裂3811000盒8桃2-6-12H 34.15水力喷射分段压裂625850盒8苏6-4-10H1 80.57水力喷射分段压裂5841301盒8苏6-2-10H1 113.47水力喷射分段压裂6291268盒8苏14-7-41H2 15.45水力喷射分段压裂2551026盒8苏14-18-38H 34.666水力喷射分段酸压597.51000马五13靖平23-24 101.17水力喷射分段酸压683.51000马五13靖平47-22 161.97水力喷射分段酸压1078.31506马五13靖平06-7 50.53水力喷射分段酸压25.71000马五13靖平33-1 10.133水力喷射分段酸压175.8817马五13靖平33-13 203水力喷射段压裂248382.5盒8苏36-15-11H 83.63水力喷射段压裂539.41103盒8苏平14-19-09 无阻流量 （104m3d ） 改造段数 改造方式 有效储层长度 （米） 水平段长度 （米） 目的层位井号 现场应用效果 制表：桂捷时间：2010.12.2