连续油管压裂技术.ppt

连续油管作业装置 根据ICoTA 于2005年 统计: 全世界大约有 1,182 台（套）连续油管作业装置。 中东 : 128 欧洲/非洲: 143 南美洲 : 107 远东: 236 美国: 257 加拿大: 311 连续油管作业收益 连续油管用途 井筒注氮排水 清除井筒中的砂、蜡、垢和其它沉积物洗井 酸化增产 磨铣 打捞 安置、回收各种工具 测井（实时和储存） 射孔 切割油管 完井 挤水泥 过油管作业 钻井 压裂 海底作业 深井作业 输液管线 l连续油管起初作为经济有效的井筒清理工具而 在市场上赢得了立足之地。传统的修井和完井 作业的经济收入占连续油管作业总收入的四分 之三以上。 l连续油管设备在油气田上的应用范围持续扩大 ，连续管钻井技术和连续管压裂技术成为二十 世纪九十年代以来发展最快的两项技术。 连续油管压裂是一种新的安全、经济、高效的油田服务技术， 从九十年代后期开始在油、气田上得到应用，截止2001年，连续 油管压裂井数超过5000口。 连续油管压裂作业的压裂层位的最大深度约10000英尺。连续油 管压裂技术特别适合于具有多个薄油、气层的井进行逐层压裂作 业。 连续油管压裂作业已经在加拿大应用多年。实际上，前面所述 的连续油管压裂井的大多数属于加拿大的气井。在2002年，加拿 大连续油管压裂800多口井，平均每口井压裂4个层段。 美国的几个地区，主要是科罗拉多（Colorado）、德克萨斯（ Texas）、亚拉巴马（Alabama）和弗吉尼亚（Virginia），也已 进行连续油管压裂作业。在英国的英格兰（England）和爱尔兰 （Ireland）也已经实施了连续油管压裂作业。 起下压裂管柱快，移动封隔器总成位置快，从而 大大缩短作业时间。 能在欠平衡条件下作业，不需要压死井，从而减 轻或避免油气层伤害。 能使每个小层都得到合理的压裂改造，从而使整 口井的压裂增产效果更好。 一次下管柱逐层压裂的层数多，可以多达十几个 小层 经济效益好。 用于压裂作业的连续油管装置与通常的连续油 管装置基本相同，只是有些设备的技术规格有 差别。 连续油管在滚筒上和注入头导管架上来回运移 时，要经历严重的塑性变形而使连续油管产生 疲劳，影响连续油管的寿命。用于压裂作业的 连续油管装置需要配备芯轴直径较大的工作滚 筒以及半径较大的注入头导管架。 推荐的芯轴直径和鹅颈架半径 连续管外径 （英寸） 滚筒芯轴直径 （英寸） 鹅颈架半径 （英寸） 3/44848 14060 48 54 1-1/45072 48 72 1-1/26080 48 72 1-3/47096 72 96 28096 72 96 2-3/896108 90120 2-7/8105116 90120 3-1/2130140 90120 有些连续油管装置带有井架，用于支撑注入 头和防喷管系统。 井架或支架的高度取决于需要在注入头下面 操作多高的防喷管。 有些连续油管装置带有注入头支架,用以增加 注入头在井口的稳固性。 带井架的连续油管装置 连续油管压裂作业还采用三种常规压裂设备 压裂液配置设备； 混砂设备； 压裂泵。为降低作业成本以及减少地面设备数 量，通常采用一台压裂泵。 一般采用四闸板防喷器在连续油管压裂过程中控制井 筒压力。 为了在不压井条件下起、下井下压裂工具串，需要配 备防喷管。 大部分情况下，防喷管的高度将压裂工具串的长度限 制到大约25英尺（7.6米）。典型的连续油管压裂小 层的厚度为520英尺（1.56.1米）。 压裂用的连续油管的限制因素主要是油管尺寸和强度。为了达 到压开油层所需的足够大的压裂液流量，需要采用较大直径的 连续油管。由于大直径连续油管的疲劳寿命比小直径连续油管 短些，作业公司只得持续不断地研究连续油管的适用性，寻找 优化连续油管参数的方法，用以延长压裂管柱的工作寿命。 选择的管子直径要能允许压裂液的流量达到2m3/min的排量。 管子尺寸也要基于压裂液的摩阻压降以及流速加以选择。摩阻 会影响地面设备压力，流速会影响磨蚀造成的管壁损失。压裂 液在管子中的流速一般限制在30m/s。综合考虑这些因素，合适 的管子直径为2-3/8或2-7/8。这种尺寸的管子，一是可以使地 面压力限制在3540MPa之间；二是能达到期望的流速而不会 造成显著的管壁损失。 管壁的厚度要以携砂流体的磨蚀效应造成的管子金属 的损失为基础来加以选择。在管子工作寿命的后期， 管子应当仍然有足够的壁厚，以便在综合负荷条件下 能承受工作压力。除了管子内部的压裂作业压力外， 井下工具总成所需要的压缩力也归于综合负荷。 连续油管壁厚增加，可延长其高压下使用寿命。 屈服强度高于80 000psi的标准连续油管材料，在 高压应用中呈现较长的疲劳寿命，在低压应用中 呈现较短的疲劳寿命。 当管子的横断面的几何形状相同时，用较高屈服 强度的材料制成的管子，比用较低屈服强度的材 料制成的管子具有更大的承受应力的能力。换言 之，较高等级的管子在管壁明显变薄后，仍能承 受预期的最大工作压力。 由于焊缝能降低金属的展延性，管子的疲劳寿 命在焊缝部位会缩短，这样就会影响整个管柱 的工作寿命。 井下工具一般由跨式双封隔器组成，具有反 复可靠坐封的能力。 封隔器总成的各元件的设计对于封隔器的成 功操作是十分关键的。必须要求跨隔式双封 隔器在一次下入一个井筒中后，能多次在各 射孔层段的上、下部位可靠坐封，确保逐层 压裂成功。封隔器的橡胶密封件要在压裂过 程中能承受大的压差。 井筒准备 根据井筒状况，必要时在下入封隔器前下入套管清刮器清理套管。 井筒准备工作的重点是射孔。确定所有的潜力含气层位后，射开这 些层段。可利用通常的限流法压裂工艺的射孔方法在连续油管压裂 井中射孔。 压裂参数优选 - 压裂液 选择传统压裂工艺的压裂液作为连续油管压裂工艺的压裂液，即硼 酸盐或钛酸盐交联的水基低浓度聚合物压裂液。 - 气体助剂 压裂液中使用氮和二氧化碳。氮与硼酸盐交联聚合物压裂液配合使 用，而二氧化碳则与钛酸盐交联聚合物压裂液配合使用。 - 支撑剂 选用20/40目砂子作为支撑剂，通常用石英砂。 - 泵排量 由于作业需要将压裂流体通过小的金属管（2-3/8连续油管）泵 入井内，泵排量要尽量低，不要使地表压力超过允许的最高工作 压力。连续油管中压裂液排量为1.52.0 m3/min。 - 混砂浓度 压裂流体中混砂浓度大约1500kg/m3。在加支撑剂的最后阶段， 混砂液的最高混砂浓度约为1800kg/m3。 - 地表压力 压裂过程中地表压力在3540MPa。 - 砂量 逐层压裂时每一个小层的砂量较少，但一口井的总砂量与传统压 裂相近，为5.030吨。 地面压裂设备连接示意图 连续油管压裂有两种基本工艺: 单封隔器与砂塞压裂 封隔器封堵上部层位,砂塞封堵下部层位。要求准确 控制砂塞的砂量。 该工艺的特点： n卡住封隔器的风险较小； n压裂层段的间隔不受井口防喷管长度的限制； n压裂完后需冲砂。 跨式双封隔器压裂 在连续油管压裂作业过程中，跨隔双封隔器底部的压缩变形 构件和顶部的两个皮碗将一段射孔层段卡开。压裂工具串下 至第一个待压裂的小层位置，底部卡瓦将固定在套管壁上， 下部封隔器将会封闭井筒。此时，开始连续管压裂。完成压 裂后，利用连续油管上提而将双封隔器解封，再移至第二个 小层，对该小层进行压裂。重复操作直至完成所有小层的压 裂。 n 跨式双封隔器的种类： p 单皮碗式 p 双皮碗式 p 封隔器密封元件式 p 双皮碗和封隔器密封元件组合式 n 工艺特点： 连续作业，不需要坐桥塞或填砂； 跨式双封隔器串的长度受到井口防喷管长度的限制。 一个作业者完成了约200口井的压裂作业。两口各 具有8个小层的井可以在13小时内完成逐层压裂作 业，比利用修井机进行的逐层压裂作业快得多。 老的井筒对于应用这种压裂工艺没有造成任何困 难，作业成功率高。 在所有的欲压层段中，85%的层段成功地进行了 压裂，没有形成选压层段与其它层段之间的勾通 。 生产结果表明，连续油管压裂作业井的早期产量 要比通常的限流法压裂作业井平均高60%。 将常规压裂、连续油管、可收回工具技术结合起来 ，作业者能采用无修井机的工艺技术在老井进行多 个产气层段的改造。 利用连续油管对多个浅的含气层段进行选择性压裂 比利用常规压裂工艺更为经济有效。 需要具有独特性能的专用可收回式跨隔双封隔器同 连续油管配套使用以便获得高的压裂成功率。 腐蚀 泵送混合了CO2的压裂液可能会引起内部腐蚀，但是碳酸 的浓度低，并且压裂液后面总是用清洁液体冲洗。因此， 这种腐蚀损伤大体上可以忽略。空气湿度低造成的损伤有 限。 机械损伤 产生在管子外部的机械损伤，例如明显的凹陷、凿槽以及 注入头夹块的压痕，都会严重影响连续油管的寿命。某些 情况下，管子寿命缩短50%以上。对于大直径管子，此问 题尤其严重。 为了使表面损伤引起的疲劳破坏降至最小程度，操作者在 每次作业后都应仔细观察连续油管，消除表面损伤处的疲 劳潜能。 管壁减薄 管子的弯曲会产生一种反转旋流，由此推测，最大的管壁 磨损速率会发生在盘绕在滚筒上的那部分管子里。 实验数据显示，泵送100吨砂子造成管壁厚度减少大约 0.004英寸。管壁减薄出现在缠绕在滚筒上的那部分连续油 管内，管壁减薄最显著的部位是滚筒与鹅颈架之间管子拉 直之前绕在滚筒上的那几层连续油管。当流体进入井筒中 的垂直部位后，湍流及其造成的管壁磨损便减少了，这部 分管子的壁厚逐渐接近稳定水平。 每次作业都应当采用超声波厚度仪就地测量油管的壁厚， 而且尽可能测量滚筒最内12层油管的壁厚。 当油管的寿命达到5070%时，该油管便不再用于压裂作 业。 采用CERBERUS工程软件能计算出连续油管剩余工作寿命 。 连续油管壁厚沿油管长度的分布 连续油管压裂作业包括在高压下泵送携砂液。意外的高压条件可能在任 何时间出现，尤其在地层破裂或脱砂条件下更是如此。作用于连续油管 上的综合应力必须处于油管材料的屈服强度极限范围内。然而，具有高 的积累疲劳的那一段管子，可能会开始产生裂缝，增加了灾难性破坏的 危险。管子疲劳会危害操作人员及作业的安全。 一种在通常作业中采用的连续油管管理程序可以用于跟踪监测压裂连续 油管的适用性。该程序包括对管柱疲劳潜能的初次评估以及定期监测管 柱的疲劳状况。每次作业后，都要处理疲劳数据，将更新过的疲劳状况 提交给油田人员和用户。 人们普遍采用先进的疲劳模型软件和数据采集系统跟踪连续油管柱的工 作历史，监督、评价、预测连续油管柱的疲劳寿命。已经证明利用这些 算法预测的寿命与实际记录的寿命之间关系的相关系数为0.94。 加强连续油管疲劳和磨损管理能延长连续油管压裂服务 寿命。 连续油管应当设计得使疲劳寿命与管壁磨损减薄之间达 到平衡。当管子退出使用时，两个参数都应当已经达到 预定的允许限度。人们对几种能提供尽可能长的服务寿 命的连续油管压裂管柱的设计方法做过调查研究。 一种方法是将管子头、尾颠倒缠绕在工作滚筒上，使累 积疲劳最大、管壁最薄的那一部分管子缠绕在滚筒的外 面几层。这样在压裂作业时，就把较薄弱的那一段管子 换到了井下。这种方法还没有获得广泛应用，因为在现 场缠绕管子可能不切实际。 另一种方法是采用内径逐渐变细的连续油管。作业时， 将管壁较厚的那部分连续油管留在滚筒上，而较薄的那 部分连续油管下入井筒中。该方法使整个管柱保持足够 的疲劳寿命，允许通过管柱泵送更多的砂子。应用该方 法的复杂情况是在作业之前估计整个管柱的合适长度以 及厚管段和薄管段各自的长度不太容易。此外，该方法 也会增加制造和装运的成本费用。 第三种方法是日常切除法，即在连续油管的整个寿命期 限内，分几次切除油管，每次从管柱的自由端切去一段 管子。在射孔层段深度接近，并且射孔层段不很厚的油 井进行作业，采用该方法最合适。切除的那一段管子的 长度应当等于油井射孔层段的厚度。该方法可以使管子 的累积疲劳以及管壁的减薄沿着管柱较均匀地分布。应 用该方法，需要在滚筒上有多余的管子。该方法的局限 性是需要连续油管接头，以便在切除管子后安装到保留 的管子上。 管柱号作业井数泵送砂量（吨） 9584D-112600 9584D-25300 9586A11650 9586B8651 9585-211566 10088A390 12365C18866 12365B221528 12428A10611 12428C261187 12518A251268 12428B18881 1251816899 12430A16452 12469A-1131103 12469A191143 12469B-118833 12428191221 12469B181186 12468A201229 12468141206 12842A241394 1243016702 准确的油管深度标定对于将封隔器精确地置于预定位置 很关键。 大多数连续油管设备利用滚轮计深器和光学计深器，或 者把二者结合起来计量下入井筒的油管长度。 即使连续油管设备的计深器工作良好，测得了下入井筒 中的连续油管的确切长度，连续油管工具串的深度与测 井深度数据之间仍然会有偏差。 滚轮测量系统在最佳工作状态下,测得的深度的准确度为 +/-30英尺/10000英尺。 改进测量系统与使用管子模型相结合，可使测