连续油管压裂技术.ppt

连续油管压裂技术 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 传统的应用 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 增长的应用 钻井 压裂 海底作业 深井作业 输液管线 连续油管设备在油气田上的应用 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 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 连续油管压裂作业 连续油管压裂 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 连续油管压裂的优点 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 连续油管作业装置 压裂设备 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 连续油管塑性变形点 各种分析模型表明 采用半径较大的滚筒和鹅颈架 能显著增加连续油管的寿命 例如 芯轴直径为104 的滚筒和半径为96 的鹅颈架 比芯轴直径为80 的滚筒和半径为72 的导管架 可使每个连续油管柱的使用次数增加一倍 推荐的芯轴直径和鹅颈架半径 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 吊车或井架 带井架的连续油管装置 连续油管装置带井架 井口支架 常规压裂设备 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 井口压力控制设备 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5 20英尺 1 5 6 1米 连续油管压裂管柱的选择 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35 40MPa之间 二是能达到期望的流速而不会造成显著的管壁损失 连续油管管壁厚度 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 管材屈服强度 屈服强度高于80000psi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 焊缝 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 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 连续油管压裂封隔器 压裂工艺设计 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 5 2 0m3 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35 40MPa 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 0 30吨 地面压裂设备连接示意图 逐层压裂工艺 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 卡住封隔器的风险较小 压裂层段的间隔不受井口防喷管长度的限制 压裂完后需冲砂 逐层压裂 逐层压裂工艺 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 跨式双封隔器的种类 单皮碗式双皮碗式封隔器密封元件式双皮碗和封隔器密封元件组合式工艺特点 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 膨胀式封隔器压裂 压裂作业效果 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 现场应用的结论 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 影响连续油管寿命的因素 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1 2层油管的壁厚 当油管的寿命达到50 70 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 连续油管疲劳寿命的估价和监测 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 管子使用寿命管理 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 1999年使用过的连续油管压裂管柱统计 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 可使测量精度达到 11英尺 10000英尺 连续油管下井深度控制 测量深度误差来源 深度参考物套管深度钻井深度测井深度深度测量和控制方法零米位置选择标记深度深度计算地面测量方法测量滚轮打滑测量滚轮磨损测量滚轮与油管对正连续油管井下变形弹性变形塑性变形压力作用受热伸长螺旋弯曲 为了克服现有的连续油管计深器的缺点 有人在近几年研制了无线套管接箍定位器 这种工具用电池作动力 通过工具在井筒中移动过程中向地面传送压力脉冲信号 可以指出套管接箍 油管接箍的位置 不需要利用电缆提供电力或传输数据 无线套管接箍定位器的线圈和磁铁装置 与有线套管定位器相似 检测与接箍金属相关的物理量的变化 当定位器通过一个接箍时 线圈和磁铁装置产生一个小的电压脉冲 工具中的电路板对该电压脉冲进行分析 如果脉冲足够大 超过工具下入井筒之前