水平井裸眼压裂技术在十屋地区的应用.doc

水平井裸眼压裂水平井裸眼压裂 在十屋地区的应用技术在十屋地区的应用技术 东北石油局 东北石油局 2011 届职工转正论文 届职工转正论文 姓姓 名 名 苏靖淞苏靖淞 工作单位 工作单位 党群工作处党群工作处 二零一二年七月九日二零一二年七月九日 1 目目 录录 摘要摘要 1 1 1 本文研究任务及主要技术路线本文研究任务及主要技术路线 1 1 1 研究目标 1 1 2 主要研究内容 2 1 3 主要技术路线 2 2 2 水力喷射压裂技术 水力喷射压裂技术 2 2 1 水力喷射压裂技术的原理 2 2 2 水力喷射射孔技术 2 2 3 水力喷射压裂技术 3 2 4 水力喷射压裂技术的优缺点 5 2 4 1 水力喷射压裂技术的优点 5 2 4 2 水力喷射压力技术的局限性 5 2 5 水力喷射压裂的工具 6 2 5 1 水力喷射工具 6 2 5 2 普通油管和连续油管 7 3 3 水平井裸眼多级压裂技术 水平井裸眼多级压裂技术 8 3 1 水平井裸眼多级压裂技术的原理 8 3 2 威德福公司 OPTI FRAC水平井压裂系统 9 3 2 1 压裂系统工艺流程 10 3 2 2 井下工具 11 3 3 水平井裸眼技术优缺点 12 3 3 1 水平井裸眼压裂技术优点 12 3 3 2 水平井裸眼压裂技术局限性 12 1 水平井裸眼压裂在十屋地区的应用技术水平井裸眼压裂在十屋地区的应用技术 摘要摘要 鉴于十屋采油厂七棵树区块的低孔低渗特征 采用水平井的压 裂工艺技术对储层进行改造 先后采用水力喷射压裂技术和多级压 裂技术 水力喷射压裂技术是集水力喷射射孔和水力压裂为一体的 工艺技术 它具有压裂工具少 能准确定位裂缝位置 施工安全性 高 作业成本低等优点 其井下工具由油管和喷射器组成 多级压 裂技术则是根据储层开发的需要使用封隔器和滑套将水平井段封隔 成若干段 压裂施工时通过投球打开滑套 进行有针对性的施工 它具有一趟管柱能够压裂多个产层 作业效率高 作业成本低等优 势 其井下工具主要由封隔器和滑套等组成 井下工具目前以威德 福公司的套管外封隔器为主 本文通过工作一年来所干压裂井实际 总结了十屋地区水平井 压裂的技术的工艺原理 作业管柱结构以及井下工具的结构 工作 原理和技术参数等 关键词 关键词 十屋 裸眼 水平井 压裂 1 1 本文研究任务及主要技术路线本文研究任务及主要技术路线 1 1 1 1 研究目标研究目标 通过对水平井常用压裂工艺技术及相关井下工具的研究 总结适合水平井 2 的压裂工艺的技术原理 井下工具的组成以及各类井下工具的结构 工作原理 和技术参数 1 1 2 2 主要研究内容主要研究内容 1 总结十屋地区水平井常用压裂工艺的技术原理及其井下工具的组成 2 应用实例分析 总结水平井压裂技术所用井下工具的结构 工作原理和技 术参数 1 1 3 3 主要技术路线主要技术路线 1 利用所学相关知识 掌握裸眼水平井压裂作业所用各类封隔器工作原理及 技术指标 2 应用现场作业实例 总结裸眼水平井压裂时作业工艺管柱 2 2 水力喷射压裂技术 水力喷射压裂技术 2 12 1 水力喷射压裂技术的原理水力喷射压裂技术的原理 水力喷射压裂技术是一种将水力喷射射孔技术与水力喷射压裂技术结合起 来的工艺技术 该技术是 90 年代末发展起来的 目前在国内外应用比较广泛 水力喷射压裂主要是依靠射流原理进行射孔和压裂 可在井中选择裂缝位置并 产生多个裂缝的增产作业方式 施工中 利用高压和高速流体携带砂体进行射 孔 打开地层与井筒之间的通道后 提高流体排量 从而在地层中打开裂缝 可适用于多种完井方式 压裂的难点在于喷砂射孔 射孔质量直接影响到压裂 的成败 2 22 2 水力喷射射孔技术水力喷射射孔技术 水力喷射射孔技术是一种利用高压水射流在地层中钻孔 实现井筒与地层间 有效连通 使油气井增产的新技术 当前国内外采用的水力喷射压裂原理都是基于伯努利 Bernoulli 方程 3 2 1 C p 2 v2 由式 2 1 可知 从水力喷射工具喷出的水射流冲击物体后 射流改变了 方向和速度 损失的动量以作用力的形式传递到被冲击物体的表面 根据动量定 理 理论上连续射流作用在物体表面的力为 2 2 QvCFj 式中 C 无因次系数 与射流方向变量有关 水的密度 kg m3 Q 射流流量 m3 s v 射流平均速度 m s 由式 2 2 可知 射流流量Q受喷嘴大小和前后压降的影响 要提高射流对 岩石的冲击压力就要提高喷嘴压降 在喷嘴参数不变的情况下 提高喷嘴压降的 途径是提高泵压 增大排量及减少循环系统压力损失等 水射流切割物体的机 理一般由空化气蚀作用 楔劈作用 磨削作用和冲击疲劳破坏作用等多种效应 综合而成 破坏不同的物体 各种因素所起的作用也不同 油层岩石是脆性材料 抗 拉 抗剪切强度低 岩石内有孔隙和微裂缝 本身内应力比较复杂 在水射流冲击 下 楔劈作用 冲击剪切起主导作用 喷嘴数量和喷嘴尺寸根据油井状况而设计 2 32 3 水力喷射压裂技术水力喷射压裂技术 水力喷射压裂是一种新的增产作业措施 通过喷嘴 完成水力射孔 射孔后 射流连续作用在喷射通道中形成增压 超过破裂压力后将地层压破 同时 射流 中携带的石英砂 陶粒等进入地层对裂缝形成有效支撑 完成压裂过程 在压裂 过程中保持比较低的环空压力很重要 根据射流工作原理 在喷出流体边界层的 内表面上 其速度等于喷出速度 在外面表面上速度等于零 所以边界层内的流速 自内向外由喷出速度逐渐下降为零 因此射流边界的速度降低 产生负压 从周 围进入射流边界内的液体 被射流带动进入地层 边界层液体减少 这时要向井眼 环空补充液体 以保证井眼环空的压力和能量 保证施工的顺利和油管的内外压 差在承受的范围之内 实际上 射流中心的流体速度最高 压力最低 流体不会流 4 向其他地方 环空的流体则在压差作用下被吸入地层 使裂缝继续延伸 只要系 统中的连续油管和喷射工具不被损坏 不仅可以不下封隔工具就能实现层段分隔 而 且还可以快速地多次重复作业 缩短作业周期 图2 1 水力喷射压裂技术原理 图2 2 水平井水力喷射压裂施工示意图 图2 3 SW10P2井水力喷射压裂作业管柱示意图 5 2 42 4 水力喷射压裂技术的优缺点水力喷射压裂技术的优缺点 2 4 1 水力喷射压裂技术的优点水力喷射压裂技术的优点 1 在水平井射孔上 水力喷射射孔比常规射孔弹射孔简单便捷 安全 效果 好 射孔深度大 孔眼周围无压实带 特别是射孔压裂联作 减少了水平段射孔 需油管传输的麻烦 2 一趟管柱可进行多段压裂 简化了施工程序 缩短了施工工期 3 水力喷射射孔压裂井下工具结构简单 降低了井下复杂事故的发生率 4 不需要下入机械封隔器即能自动隔离 5 可以进行定向喷射压裂 能够准确造缝 并可以确定裂缝的初始方向 位 置和形状 2 4 2 水力喷射压力技术的局限性水力喷射压力技术的局限性 水力喷射压裂技术是一种新的油田增产措施水力喷射压裂技术是一种新的油田增产措施 但这项技术也有其自身的局限但这项技术也有其自身的局限 性性 当需要高注入量的时候 为了泵送流体 传统水力压裂技术经常利用套管的 整个内部空间 这种新技术需下入一根油管 油管体积占据一部分流动空间 所 以需要调整油管尺寸 优化排量 根据成功压裂应用所需要的最小排量 有一些 井的结构将不允许合适的排量 从而不能应用水力喷射压裂技术 从原理上讲 实现水力喷射压裂由地面泵提供能量 利用喷嘴输出高压高速射流冲击岩石 在 数千米的井下实施这项技术 实现穿透一定深度岩层却并不是一件容易的事 主要技术难度为加工制造和井下施工工艺两个方面 主要技术难度为加工制造和井下施工工艺两个方面 1 加工制造 由于作业环境差 井下数千米 空间小 温度和压力高 工具的 加工制造难度大 主要是喷射器喷嘴在施工过程中由于受到高速磨料粒子的冲 刷 其磨损很严重 要求喷嘴材料必须具有高硬度 高耐磨性 二者缺一不可 注 本人在施工碰到过投球打开滑套时 球直接穿过滑套 未打开滑套的情况 2 井下施工工艺 因井下施工条件苛刻 许多地面上易实现的动作 在井下实现 起来很困难 射流能量损失很厉害 主要表现为在不同围压条件下淹没式水力喷 射工艺 即喷嘴结构 分布方式及喷嘴破岩能力与泵压 排量的优化组合技术还 6 不成熟 2 52 5 水力喷射压裂的工具水力喷射压裂的工具 2 5 1 水力喷射工具水力喷射工具 喷射工具是水力喷射压裂工艺中的关键工具 主要有固定式和可调式两种 固定式喷射工具的主体框架两侧装有多个喷嘴 高压流体从喷嘴喷出 回流 装置是喷射工具主体的一部分 内部装有渗透挡板 下部装有一圆球 进行水力 喷射时 圆球停留在装置底部 不允许流体从底部流出 当高压流体不经过工作 油管注入井筒时 流体可通过此装置回流出井筒 返到地面 十屋区块所用工具 可调式喷射压裂工具主要包括射流工具 外壁面和内壁面 沿着射流工具长 度方向延伸的是旋转套筒 旋转套筒能够在射流工具中旋转 工具上装有一个或 多个压裂孔眼 内壁面布置有圆孔 当套筒旋转改变方位时 内部孔眼连通外部压 裂孔眼或喷嘴 这样通过控制旋转套筒的方位来控制流体是从压裂孔口流出还是 从喷嘴流出 在施工中通过井下动力装置或者地面控制来实现旋转套筒旋转 虽然可调式喷射工具比固定式喷射工具的适应性强 但多数情况下 综合考虑经 济因素 一般优先选用固定式喷射工具 喷射工具工作时喷嘴磨损严重 喷射返 流会对喷射工具表面造成损伤 需要优化设计新型喷嘴 选择耐返溅本体材料 延长喷射工具的使用寿命 图 2 4 特定井用喷射器 7 图 2 5 带有塞子和喷嘴的喷射器 2 5 2 普通油管和连续油管普通油管和连续油管 在实施水力喷射压裂工艺初期 基本使用普通油管将喷射工具送入指定位置 进行压裂作业 但是用普通油管作业需要接单根 作业时间较长 劳动强度大 井 口密封装置要求高 连续油管技术已在油田生产的许多领域得到广泛使用 连续 油管与水力喷射压裂技术相结合应用于油田增产作业中有一定优势 连续油管 不需要接单根 当从一个压裂井段位置移到下一个压裂位置时 可在环空液体循 环的条件下安全快速完成 向环空泵入压裂液进行水力喷射环空压裂作业时 连 续油管可起到静管柱作用 用于实时监测作业过程中射孔孔眼及其附近的压力状 况 另外 使用连续油管可在发生砂堵时快速清除多余的支撑剂迅速有效处理井 底情况 由于连续油管卷筒部分螺旋段流体摩阻较大 水力喷射裸眼压裂技术一 般选用 43 8 mm 连续油管 能够适用于大多数情况 同时也提供了足够内径来完 成水力喷射和出现砂堵等情况时的反洗 由于支撑剂流入环空的冲击 会造成连 续油管的冲蚀 需要采取措施保护连续油管不受损伤 8 图 2 6 SW10P2 井压裂地面流程 9 图 2 7 SW10P2 井井口投球示意图 3 3 水平井裸眼多级压裂技术 水平井裸眼多级压裂技术 3 13 1 水平井裸眼多级压裂技术的原理水平井裸眼多级压裂技术的原理 水平井多级压裂技术是加拿大封隔器能源服务公司 Packer Plus 的专利 技术 2005年授权斯伦贝谢 Schlumberger 公司使用 近几年 贝克休斯 威德福等公司也相继推出了具有自主知识产权的水平井裸眼多级压裂技术 水 平井裸眼多级压裂技术的关键在于封隔器和滑套的安全性能 尤其是压裂作业 管柱的遇油膨胀封隔器和开启滑套的球体材料决定了技术的成功与否 目前国 10 内多家油田和石油院校开展了多级压裂技术的实验和研究工作 但距离现场广 泛应用还有一定差距 在双封隔器分段压裂技术的基础上发展起来的不动管柱多级封隔器压裂技 术 简称水平井多级压裂技术 它又可分为管内封隔器多级压裂技术和管外封隔 器多级压裂技术两种 管内封隔器多级压裂技术适用于套管完井的压裂 管外 封隔器多级压裂技术适用于裸眼完井的压裂 两者施工原理一致 都是根据储 层开发的需要使用封隔器和滑套将水平井段封隔成若干段 压裂施工时通过投 球打开滑套 进行有针对性的施工 还可以根据需要进行分层采油和分层注水 具体施工原理是 液压座封可回收封隔器将每层封隔开 每个套筒内装有一个螺 纹连接的球座 最小的球座装在最下面的套筒上 最大的球座装在最上部的套筒 内 将不同大小的低密度球送入油管 然后将球泵送到相应的工具配套的球座内 封堵要增产处理的产层 再通过打开套筒就可以对下一个产层进行处理 最多可 以对十多个产层进行不动管柱的分压处理 图3 1 典型的水平井裸眼多级压裂作业管柱结构示意图 3 23 2 威德福公司威德福公司 Opti FracOpti Frac 水平井压裂系统水平井压裂系统 威德福Opti Frac水平井压裂系统采用一趟管柱 实现多层压裂 无需中心 管作业 节约了时间 可应用于套管井和裸眼井 11 3 2 1 压裂系统工艺流程压裂系统工艺流程 1 下入工具串 座封封隔器 2 起压 打开趾端滑套 压裂最底层 3 投球 打开下部滑套 压裂下面第二层 4 投稍大球 打开相应滑套 压裂相应层 5 投入最后一球 结束压裂作业 6 开井口回流 返出球和充填砂 12 7 磨洗球与球座 8 投产 根据需要开关滑套 3 2 2 井下工具井下工具 1 封隔器 威德福膨胀式封隔器是一种用来连接在油管上 并在井眼中膨胀的一种封 隔器组合 它用来分隔套管与裸眼井壁 一旦其膨胀 管外封隔器在垂直 斜 井或水平井中形成一个不可渗透的环空密封 该封隔器为压差和遇油遇水自动 膨胀组合式 2 投球开关滑套 通过不同尺寸的低密度球 加压投球后 对不同层段滑套进行打开 13 图3 2 投球打开滑套压裂示意图 图3 3 投球到达滑套球座位置 图3 4 投球加压打开滑套后位置 3 33 3 水平井裸眼技术优缺点水平井裸眼技术优缺点 3 3 1 水平井裸眼压裂技术优点水平井裸眼压裂技术优点 1 完井和分段压裂一体化 可以有效节省完井时间和费用 能较好避免固井 作业时油气层的污染伤害 2 泵注时间短 由于井口配套有投球装置 压裂施工可以连续泵注 一般情 况下 整个压裂施工作业可以再一天内完成 与其他分段压裂工艺相比 可以缩短分段压裂时间 加快返排时间 有效