致密油水平井分段壓裂技術的發(fā)展

致密油水平井分段壓裂技術的發(fā)展

1致密油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀致密油氣主要是指與生油地層相連或附近的致密砂巖和致密碳酸鹽巖儲層中的油氣資源。致密油氣存在于低孔(孔隙度小于10%)、低滲(滲透率小于0.1mD)儲集層中,含氣飽和度低(小于60%)。雖然儲集層物性較差,但源儲一體或緊鄰,含油氣條件好,儲量大,是繼頁巖氣之后的又一勘探熱點領域。20世紀60年代末和70年代初期,西方世界正處于能源危機之中,出于政治、經(jīng)濟和全球戰(zhàn)略的考慮,美國政府在政策上對低滲透氣藏和致密油氣藏的勘探開發(fā)給予了各種優(yōu)惠和支持,使低滲透氣藏和致密油氣藏的勘探開發(fā)取得了較大發(fā)展,美國各大石油公司在其大陸的113個盆地中,發(fā)現(xiàn)了23個盆地存在低滲氣藏。1975年,美國低滲氣藏年產(chǎn)天然氣283.2×108m3。1994年,美國致密砂巖氣的產(chǎn)量只有705.3×108m3,但隨后十幾年里,通過綜合運用水平井鉆井、欠平衡鉆井、完井、氣層保護和多級分段壓裂等技術,到2003年,其致密氣產(chǎn)量迅速攀升到1274×108m3。新技術的應用使氣井產(chǎn)量得到大幅提高,2010年,美國致密氣的產(chǎn)量已經(jīng)達到1754×108m3。目前,致密氣藏已經(jīng)成為美國天然氣工業(yè)的重要組成部分。與此同時,致密油的開發(fā)在2000年后隨著技術的發(fā)展也取得了重大突破,產(chǎn)量逐年遞增。隨著北美致密油氣開發(fā)取得巨大成功,在全球范圍內(nèi)掀起了致密油氣勘探開發(fā)的浪潮。我國的致密油氣分布范圍較廣,大致有鄂爾多斯盆地上古生界、四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組、松遼盆地下白堊統(tǒng)登婁庫組、渤海灣盆地古近系沙河街組沙三段和沙四段、吐哈盆地侏羅系、塔里木盆地侏羅系和白堊系、準噶爾盆地南緣侏羅系和二疊系等致密油氣潛力區(qū)。借鑒北美致密油氣勘探開發(fā)經(jīng)驗以及通過廣泛的國際交流與合作,目前我國正在多個地區(qū)開展致密油氣工業(yè)化勘探開發(fā)試驗區(qū)建設,其中典型區(qū)塊包括鄂爾多斯盆地蘇里格致密砂巖氣區(qū)和四川盆地須家河組致密砂巖氣區(qū)等,勘探開發(fā)潛力巨大。2水平井分段壓裂技術的發(fā)展致密油氣的高效開發(fā)離不開分段壓裂技術。水平井鉆井技術、大規(guī)模壓裂技術和壓裂微地震實時監(jiān)測診斷三大關鍵技術,是致密油氣近年來快速發(fā)展的技術背景。由于技術進步和壓裂設備的不斷更新,水平井壓裂技術的發(fā)展也從分段壓裂、多級分段壓裂到大規(guī)模分段多簇的“體積壓裂”,工廠化作業(yè)技術成為致密油氣低成本開發(fā)的模式。20世紀80年代,國內(nèi)外開始水平井壓裂增產(chǎn)技術的研究工作,最初進行的是水平井籠統(tǒng)壓裂,該技術成本高,經(jīng)濟效益不明顯;2000年左右,隨著非常規(guī)能源的大規(guī)模開發(fā)和水平井的大規(guī)模應用,各大石油公司開始了分段壓裂施工工藝技術與井下配套工具等方面的研究和嘗試,并且取得了飛速進展,使技術開發(fā)下限不斷降低。隨著總體配套工具不斷完善,水平井分段壓裂增產(chǎn)技術越來越受到現(xiàn)場的青睞。1998年,哈里伯頓公司自主研發(fā)的Surgifrac(水力噴砂分段壓裂技術)是最早的水平井分段壓裂技術。近年來國外又研制出許多相關的新技術,如Halliburton(哈里伯頓)公司的分段壓裂技術種類就包括CobraFrac連續(xù)油管射孔壓裂、CobraMaxFracV&H連續(xù)油管射孔套管壓裂、FastDrillPlug快速鉆塞壓裂、Surgifrac水力噴射分段壓裂技術,以及與油膨脹封隔器加滑套開關和尾管懸掛器[5~7];BJ(必捷)公司的DirectStimTMFracSleeveSystem、OptiFracSJ、OptiFracSureSet連續(xù)油管水力噴砂射孔與環(huán)空分段壓裂技術;斯倫貝謝公司的分段壓裂技術(其部分工具是美國PackerPlusEnergyServices公司的產(chǎn)品)主要有TAP(套管閥投飛標壓裂技術)技術、StageFRAC、HIWAY技術[9~12]等。這些新技術在全球范圍內(nèi)進行了大規(guī)模的現(xiàn)場應用。國內(nèi)對水平井分段壓裂工藝技術的研究和試驗一直在不斷地自主技術創(chuàng)新。近年來,國內(nèi)各大石油公司已經(jīng)建立起比較完整的水平井分段壓裂技術與井網(wǎng)優(yōu)化設計方法,形成了水平井雙封單卡分段壓裂技術、封隔器滑套分段壓裂技術、水力噴砂分段壓裂技術、套管水平井泵送橋塞射孔聯(lián)作分段壓裂工藝等主體技術,完善了化學暫堵膠塞分段壓裂技術、碳酸鹽巖儲層自轉向高效酸壓技術、水力裂縫監(jiān)測與評價技術、水平井修井作業(yè)技術等配套工藝。水平井分段壓裂技術的突破,推動了水平井技術在大慶、勝利、長慶、新疆、塔里木、吉林、吐哈等13個油田低滲透區(qū)塊的工業(yè)化應用,實施的“工廠化”作業(yè)模式大幅提高了單井產(chǎn)量,降低了致密油氣開發(fā)的作業(yè)成本。3裂改造高產(chǎn)應用隨著水平井鉆井技術的發(fā)展,水平井已成為提高油田勘探開發(fā)綜合效益、提高油氣藏采收率的重要途徑,分段壓裂改造增產(chǎn)工藝應用規(guī)模越來越大。以下通過調(diào)研國內(nèi)外目前分段壓裂技術進展和應用情況,對機械封隔分段壓裂、限流分段壓裂、水力噴射分段壓裂、液體膠塞分段壓裂技術等水平井分段壓裂改造工藝技術特點和參數(shù)進行簡要介紹,展望水平井分段壓裂改造技術的發(fā)展趨勢,希望為國內(nèi)水平井分段壓裂改造技術攻關方向提供參考。3.1壓裂損器的機械密封單元3.1.1管柱壓裂壓裂工藝雙封單壓分段壓裂技術管柱結構由安全接頭、扶正器、壓裂封隔器、水力錨、噴砂器及絲堵組成,結構如圖1所示。施工過程中,先將管柱下入水平段設計位置,液壓坐封封隔器,水力錨錨爪張開錨定管柱,對下部層段進行壓裂。壓裂完成后,控制油管閘門放噴,放噴結束后,上提管柱至下一段壓裂位置,憋壓重新坐封封隔器,完成對下一段的壓裂。重復上述過程,完成對多個水平段的逐級壓裂。結束后放壓解封封隔器,使封隔器膠筒及水力錨卡瓦收回,上提起出管柱,完成施工。該工藝技術只適用于套管井,管柱結構簡單,施工方便,施工后管柱易起出,可實現(xiàn)有針對性的分段壓裂;施工完成后,能夠快速將井內(nèi)液體返排至地面并投入生產(chǎn)。需要注意的是,為確保管柱安全下入及起出,應該在保證封隔器密封性能的條件下,將其尺寸設計得盡量小,使其擁有較短的長度及較小的直徑。3.1.2平井套管完井分段壓裂工藝壓差式開啟滑套和投球式噴砂滑套通過與水力錨、懸掛封隔器、封隔器、坐封球座、篩管引鞋以及低密度球配合使用,主要適用于水平井套管完井分段壓裂工藝,管柱結構如圖2所示。該工藝主要通過壓差式開啟滑套和投球式噴砂滑套進行水平井分段壓裂,投球式噴砂滑套可通過球座調(diào)整尺寸,配合不同的低密度球,以達到多級分段壓裂的目的,其鎖緊裝置可以保證內(nèi)滑套下行到位后不會回彈,不會影響低密度球的順利返排以及后續(xù)生產(chǎn)。整個工藝管柱一般采用不動管柱結構,壓裂施工管柱和生產(chǎn)管柱一體,施工效率較高。3.2熱水噴干法的壓裂技術3.2.1采用自動封隔工具水力噴射壓裂工藝技術將水力噴射射孔和水力壓裂工藝合為一體,且自身具有獨特的定位性,能夠快速準確的進行多層壓裂而不用機械密封裝置。水力噴射分段壓裂技術原理是根據(jù)伯努利方程,將壓能轉變?yōu)閯幽?首先進行水力噴砂射孔,接著再提高排量,在已射開孔上下部的井眼中產(chǎn)生負壓值形成隔離,高速流體在地層巖石中形成孔洞,直接作用于孔洞底部,產(chǎn)生高于地層破裂壓力的壓力勢能,在地層中造出一條單一的裂縫。壓裂下一層段時,已壓開層段不再延伸,因此可以不用封隔器與橋塞等隔離工具,實現(xiàn)自動封隔。通過拖動管柱,將噴嘴放到下一個需要改造的層段,可依次壓開所需改造井段。不動管柱分段水力噴射壓裂技術的特點和難點如下:水力噴射壓裂技術可以在裸眼、篩管完井的水平井中進行加砂壓裂,也可以在套管井上進行,施工安全性高,可以用一趟管柱在水平井中快速、準確地壓開多條裂縫,水力噴射工具可以與常規(guī)油管相連接入井,也可以與大直徑連續(xù)油管(準60.3mm)相結合,使施工更快捷。其技術難點在于工具加工難度大,特別是噴嘴在施工過程中由于受到高速磨料粒子的沖刷,磨損嚴重;施工工藝復雜,對壓裂液性能要求高。不動管柱分段水力噴射壓裂技術在國內(nèi)外水平井應用廣泛,國內(nèi)外每年有數(shù)千口井用此技術進行酸壓或加砂壓裂處理,在一些低壓、低產(chǎn)、低滲、多薄互層的油氣層壓裂改造中效果明顯。截至目前,國內(nèi)長慶油田已經(jīng)應用了200多口水平井分段壓裂,與直井相比單井平均增產(chǎn)3~5倍,成為低滲透油氣田水平井改造的主體技術之一。3.2.2壓裂工藝管柱連續(xù)油管帶封隔器套管分級壓裂技術是目前國外較新研發(fā)的一種既能實現(xiàn)大規(guī)模改造,又能達到分層壓裂、精細壓裂的新型分級壓裂技術。該技術通過連續(xù)油管結合帶封隔器的噴射工具,利用封隔器的多次上提、下放、坐封、解封,達到不限次數(shù)多級壓裂的目的,工藝管柱示意圖見圖3。通過連續(xù)油管噴砂射孔、套管進行主壓裂,可實現(xiàn)較大規(guī)模改造;通過連續(xù)油管的精確定位,可對儲層縱向上的多個薄互層進行靈活分層,進而達到精細壓裂的目的。連續(xù)油管帶封隔器環(huán)空分級壓裂技術作業(yè)周期短,分層靈活精細,封隔可靠,且施工后井筒清潔,可以直接多層測試投產(chǎn),為致密氣藏、頁巖氣藏的多級分段改造提供了新的且行之有效的解決手段。國外許多油田服務商,如哈里伯頓、必捷等,在致密油氣和頁巖油氣上有大規(guī)模的技術應用;國內(nèi)由于受到連續(xù)油管配套設備的影響,雖然在長慶、大慶、四川、江漢油田等都有成功的應用,但由于配套設備的成本較高,應用規(guī)模總體偏小。3.3單井分調(diào)查壓裂技術裸眼封隔器分段壓裂主要是利用管外封隔器和滑套開關進行分段壓裂,泵入不同直徑的低密度復合材料球,逐一打開各個滑套開關進行分段壓裂。裸眼水平井分段壓裂管柱結構如圖4所示。該管柱工作原理如下:液壓坐封封隔器將每層封隔開,將不同大小的球送入油管,然后將球泵送到相應的壓裂滑套內(nèi),增壓打開滑套就可對相應的產(chǎn)層進行處理,并封堵其他產(chǎn)層。施工過程中,從下至上逐級投球和逐段壓裂施工。壓裂施工完畢后,放噴將球返出。技術特點及適用條件如下:(1)可對多個水平裸眼段進行有效的機械分隔,一次壓裂施工壓開多個層段;(2)壓裂效果顯著,溝通天然裂縫概率大,有效改善滲流條件;(3)施工完成后,能夠快速返排并投入生產(chǎn),壓裂后管柱不起出,作為完井管柱用;(4)施工效率高,不需要重復起下管柱,節(jié)約成本。從世界范圍內(nèi)看,該技術應用廣泛,特別是在致密氣方面,國外大的油田服務公司都有自主研發(fā)的類似工藝技術,如哈里伯頓的DeltaStim工藝技術、貝克休斯的Frac-PointEX和Frac-PointEX-C工藝技術、斯倫貝謝的QuickFRAC和StackFRAC技術、威德福的ZoneSelect技術等,都是比較成熟的裸眼管外封隔器分段壓裂技術。該技術在國內(nèi)的應用始于2002年左右,從兩級到多級封隔壓裂,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,在裸眼水平井分段壓裂方面已經(jīng)是一項成熟的技術。3.4可鉆橋塞分段壓裂技術多級可鉆橋塞分段壓裂管柱結構如圖5所示,主要由安全接頭、可鉆式水平井橋塞以及引鞋組成。其工作原理如下:將橋塞下入到指定位置坐封丟手后,再對其上部層段射孔和壓裂,完成后再下入一套橋塞到之前措施的層段上方,對其上部層段射孔、壓裂,以此實現(xiàn)分段改造。全部分段射孔和壓裂后,用連續(xù)油管帶鉆頭一次快速鉆掉所有橋塞,將井內(nèi)液體返排至地面。主要技術特點包括:(1)橋塞要求密封可靠,耐溫、耐壓指標高,結構簡單,材料可鉆;(2)管柱不可在施工后作為生產(chǎn)管柱使用,必須重新下入生產(chǎn)管柱進行生產(chǎn);(3)為確保管柱下入過程中的安全性,橋塞上應設計有防中途坐封機構,同時需要優(yōu)化管柱下入技術;(4)在壓裂施工完成后,必須通過鉆銑將各級橋塞鉆掉,才能下入生產(chǎn)管柱正常生產(chǎn)。若橋塞不能正常鉆銑,將造成難以彌補的損失。多級可鉆橋塞分段壓裂技術的關鍵之處是對橋塞的材料要求高,耐溫、耐壓、易鉆、易懸浮返排到地面,節(jié)約作業(yè)時間和成本。國外哈里伯頓的FastDrillingPlug、貝克休斯的QUICKDrill等石油服務公司的可鉆橋塞技術已在世界范圍內(nèi)廣泛應用。我國江漢油田采油院、川慶鉆探等單位自主研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的膠塞材料配方和配套工藝技術,整體性能穩(wěn)定,在國內(nèi)水平井分段壓裂方面應用效果明顯,施工效率高。3.5速度結構現(xiàn)場應用液體膠塞也稱smartpacker或液體封隔器。液體膠塞分段壓裂技術可以作為暫堵膠塞堵水層壓裂油層;可以代替封隔器等工具進行分段壓裂,可以解決油田由于套管變形、段間距小、井下有落物等無法使用機械封隔器進行施工的難題。除此之外,在水平井裸眼完井堵水作業(yè)工藝中的應用也越來越廣泛,解決了機械封隔器在裸眼水平井的中不足,而且返排可控。根據(jù)調(diào)研國內(nèi)的資料,液體膠塞封隔器有以下工藝特點:交聯(lián)時間可控(2~60min),破膠時間可控(1~72h);耐溫高(20~100℃)、耐壓30MPa;不鉆塞,無殘渣,對油層低傷害。液體封隔器分段壓裂在井下無機械部件,安全可控,施工工藝流程簡單,是未來分段壓裂的一個方向。該技術目前已在我國大慶、華北、吐哈等油田有成功應用。4單段壓裂技術從國內(nèi)外致密油氣開發(fā)和油田實際應用案例中發(fā)現(xiàn),水平井分段壓裂是致密油氣儲層改造的大方向。通過對目前國內(nèi)外的水平井分段壓裂工藝技術的適應性分析和研究,各種技術都有自己的特點,在不同的油藏中的應用有各自的優(yōu)勢,同時也存在一些局限性和不足。(1)從大慶油田的應用情況來看,套管固井雙封單卡分段壓裂技術,由于雙封單卡分段壓裂管柱需要卡瓦錨定,每段壓裂結束后需要上提管柱再進行上段壓裂,存在作業(yè)工序相對復雜、分段越多卡瓦工具越容易遇卡、砂堵,以及洗井困難等問題和不足,同時對深井的適應性較差(目前該技術的應用都在3000m以內(nèi))。(2)水力噴射分段壓裂技術井下工具簡單,長度短,有反洗通道,砂卡幾率小,成本低,但每趟管柱壓裂2~3段,施工周期長,摩擦阻力大,井口施工壓力高,油管噴砂壓裂由于管徑的原因排量受到限制,壓裂規(guī)模也受限,如果采用環(huán)空壓裂對套管損傷大,深井(井深大于3500m)應用受到一定限制。連續(xù)油管水力噴砂分段壓裂技術施工周期短,效率高,但工藝對套管和套管頭抗壓以及井場規(guī)模有要求,作業(yè)時要配備連續(xù)油管車和配套的帶壓作業(yè)井口,成本較高。(3)從斯倫貝謝等公司的大規(guī)模應用來看,裸眼封隔器加滑套分段壓裂技術一般只能用于裸眼井中,采用不動管柱,地面投球,施工快捷,但是投球打開滑套裂縫起裂位置無法控制,分段壓裂完成后壓裂管柱即為生產(chǎn)管柱,氣井應用較多,在油井中應用存在許多限制條件,不適合后期的二次作業(yè)。對于井深大于4500m的深井壓裂,由于井筒摩阻大,地面壓力高,一直是深井壓裂的一個難題。(4)多級可快速鉆塞分段壓裂技術可