謝剛,賀紅民,扈勇,王振喜,洪文璞,趙坤

(中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安710201)

0 引 言

隨著長慶油田二次加快開發(fā)戰(zhàn)略的實施,大規(guī)模水平井勘探開發(fā)模式成為主要的增產(chǎn)措施,配合體積壓裂的橋射聯(lián)作工藝技術(shù)工作量大幅增加。在施工過程中,推行了工廠化橋射聯(lián)作施工工藝,把以往現(xiàn)場作業(yè)人員串行施工模式,改變?yōu)槿藛T在統(tǒng)一平臺上按照統(tǒng)一的指令完成各自工作,達到簡化復雜施工工序,保證施工穩(wěn)定、高效的作用。同時,以此作為切入點,積極推進射孔工藝技術(shù)進步、橋射工具串優(yōu)化及提速、提效、提質(zhì)實踐。在地面設(shè)備方面,配套集成綜合撬裝等多項創(chuàng)新裝備,積極探索一隊雙機、一隊兩班、單隊多平臺、雙隊N平臺的作業(yè)模式,并與相關(guān)方共同制訂完善現(xiàn)場作業(yè)程序,實現(xiàn)施工現(xiàn)場各配合方無縫銜接,為長慶油田加快發(fā)展提供了多元化的技術(shù)保障[1]。

介紹了工廠化橋射聯(lián)作工藝在長慶油田的應用組織模式及取得的效果,對工廠化橋射聯(lián)作工藝核心技術(shù)、配套技術(shù)現(xiàn)狀進行分析研究。研究表明,通過實施工廠化橋射聯(lián)作工藝,施工區(qū)塊單層有效施工作業(yè)時間同比降低15%以上,為保障長慶油田2025年實現(xiàn)6.8×107t的目標提供了技術(shù)支持。

1 施工工藝簡介

1.1 橋射聯(lián)作工藝

橋射聯(lián)作工藝是一種綜合射孔技術(shù)[2-3],它是指在井筒和地層有效溝通的前提下,當井口全封閉時,運用電纜水力輸送方式,按照設(shè)計程序,將射孔管串和橋塞聯(lián)作工具串輸送至井下預定位置,完成橋塞坐封和分級射孔聯(lián)合作業(yè)。該技術(shù)可將目的層劃分為多個層段,進行分段封堵、分段射孔、分段壓裂。施工工藝過程見圖1。

圖1 橋射聯(lián)作施工工藝過程

1.2 工廠化橋射聯(lián)作工藝

工廠化橋射聯(lián)作是指借鑒工廠化流水線作業(yè)方式在作業(yè)現(xiàn)場,配備1套及以上的射孔及壓裂裝備,對2口及以上的井同時實施不間斷的連續(xù)壓裂作業(yè),提高油氣井的投產(chǎn)效率和產(chǎn)量。工廠化橋射聯(lián)作尤其適用于大井叢,致密油氣、頁巖油氣等,它可根據(jù)地層特征,有針對性地改造地層,達到目的層段最佳改造效果。其優(yōu)勢為:分段壓裂段數(shù)不受限制,壓裂層位定位準確,封隔可靠性高,方便“千方砂、萬方液”的大型體積壓裂改造。

2 生產(chǎn)組織模式創(chuàng)新

與常規(guī)生產(chǎn)組織模式相比,工廠化橋射聯(lián)作工藝在生產(chǎn)組織方面的創(chuàng)新主要有5個方面。

(1)組織模式。以井為中心組織生產(chǎn)、實現(xiàn)人機分離。根據(jù)施工井型特征,以井為中心靈活抽調(diào)人員組隊。根據(jù)員工的作業(yè)能力和各自特點,作業(yè)現(xiàn)場設(shè)置4種崗位組:絞車泵送組、槍串組裝組、井口作業(yè)組和后勤保障組。各個崗位組長負責內(nèi)部統(tǒng)一協(xié)調(diào)安排,實行生產(chǎn)組織、后勤保障、技術(shù)支持、現(xiàn)場協(xié)調(diào)、作業(yè)標準專人負責。

(2)運行模式。采用橋射項目一盤棋,生產(chǎn)生活一體化,支撐服務一條龍、生產(chǎn)組織一站式模式。同時對每口井進行總結(jié),做到物質(zhì)共享、信息共享、技術(shù)共享。

(3)生產(chǎn)保障。提前進行風險辨識、人員培訓、裝備部署、器材準備、隊伍到位,杜絕一切等停,提前做好生產(chǎn)保障。實施安全監(jiān)督與現(xiàn)場施工同步,井口組裝與器材配接同步,泵送與管串組裝、工具保養(yǎng)同步,生活保障與現(xiàn)場施工同步,休息與生產(chǎn)同步,滿足平臺24 h不間斷作業(yè)。

(4)安全管理。實施安全教育培訓到現(xiàn)場,安全責任落實到現(xiàn)場,安全技能實踐到現(xiàn)場,安全措施執(zhí)行到現(xiàn)場,安全隱患整改到現(xiàn)場,安全監(jiān)督檢查到現(xiàn)場的監(jiān)管模式。掛點領(lǐng)導督查,駐點監(jiān)督抽查,主管聯(lián)合檢查。

(5)技術(shù)管理。實施共享防噴器和不倒防噴管施工工藝,多井臺施工時,可以采用2～3個井口共享1套防噴管,節(jié)省設(shè)備損耗。利用不倒防噴管施工工藝,實現(xiàn)多個井口之間的切換共享。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 核心技術(shù)分析

3.1.1 復雜井眼水力泵送技術(shù)

水力泵送射孔槍串一般分2個階段:直井段依靠槍串的重力自由下放,水平段利用水力進行槍串泵送。在井眼軌跡復雜的井中施工,風險主要有4個方面:①由于井斜不斷發(fā)生變化,槍串始終處于加速、減速、勻速的階段,控制不當會導致管串泵脫,導致管串落井事故;②受套管內(nèi)部變形、砂堵等影響,管串泵送過程中隨時存在遇阻的可能,如果絞車工現(xiàn)場未及時發(fā)現(xiàn),會導致電纜下放堆積、打扭;③對于部分井眼軌跡上翹的井,由于壓裂后地層返砂和部分砂未壓進地層,在井筒中形成懸浮砂,通過自然沉降,可能形成砂橋,泵送階段可能出現(xiàn)中途遇阻,導致橋塞受力后中途坐封;④在復雜井眼軌跡井,壓裂砂在井筒的殘留砂量會增加,導致電纜上提過程中攜砂量增加,可能導致電纜遇卡[4]。

針對以上問題,復雜井眼條件下,影響泵送結(jié)果的因素及相應的控制措施如下。

(1)泵送速度。槍串在井內(nèi)移動過程中,槍串的運行速度應和壓裂隊的泵注排量相互匹配,如果泵送速度過慢,會導致電纜頭張力突然增加,當大于電纜頭弱點拉力時,電纜崩斷導致管串落井。因此,要嚴格控制泵送速度,一般要求直井段下放速度不超過6 000 m/h,水平井橋射聯(lián)作速度不超過4 000 m/h,多級點火射孔完成后,以不大于600 m/h的速度上提射孔工具串,20 m后才能加速,水平段電纜上提速度不超過3 000 m/h,直井段上起速度不超過6 000 m/h。

(2)排量控制。泵注液體排量以小于0.5 m3/min開始,根據(jù)設(shè)計,后續(xù)逐漸平穩(wěn)增大,最大一般不超過3 m3/min;隨著井斜增加,應同步緩慢增加泵壓和泵送排量,確保間隔壓力和泵送排量增加時對工具串不造成沖擊。在泵注過程中,最高泵壓不得超過井口裝置的額定工作壓力。

(3)井斜變化。管串泵送過程中,泵注排量會隨著井斜角的變化而發(fā)生變化。當井斜角增大時,泵注排量也需相應增大以克服自身重力分量,井斜角減小時,泵注排量應相應減小,一般要求30°井斜位置開始進行泵送操作。

(4)管串質(zhì)量和長度。當井口壓力較大時,為確保管串順利下入井筒進行施工,在實際作業(yè)的過程中需要配接加重桿,加重后的管串在水平段運動過程中會增加摩擦阻力,導致增加泵注排量。加重計算方法為

Wg>Fm+Ff+Ft-Wq

(1)

Ft=p×S

(2)

式中,Wg為加重的質(zhì)量,kN;Fm為電纜與流體、阻流管之間的摩擦力,kN;Ff為井下流體對下井工具串的浮力,kN;Ft為井下壓力在防噴管電纜入口處對電纜的上推力,kN;Wq為下井工具串的質(zhì)量,kN;p為井口壓力,MPa;S為電纜橫截面積,mm2。

(5)電纜馬龍頭。正常施工中,每下井3次應重新制作電纜馬龍頭弱點,可以根據(jù)實際井深、井眼條件、電纜強度和射孔槍串的質(zhì)量等因素靈活設(shè)置電纜弱點。在長慶油田,電纜弱點采用內(nèi)外層電纜鋼絲反穿銅錐套壓制。電纜弱點值理論計算公式為

F≤Fd×50%-Gd

(3)

式中,F為電纜弱點拉斷力,kN;Fd為電纜拉斷力,kN;Gd為工具串在井內(nèi)最深作業(yè)位置時的電纜懸重,kN。

(6)環(huán)空間隙。針對不同的管串外徑和套管尺寸,泵送排量及液體對其管串沖擊力影響非常大。一般環(huán)空間隔越大,需要的泵注排量就相應增加,針對特定管串,當環(huán)空間隔大于10 mm時,管串液體沖擊力較小,沖擊力隨排量增大呈近似直線緩慢增長。但是當間隙大于5 mm而小于10 mm時,橋塞與套管內(nèi)壁的間隙非常小,此時液體沖擊力隨排量增大呈指數(shù)迅速增長,較小排量的變化會引起液體沖擊力劇烈的變化?，F(xiàn)場施工應選用與套管內(nèi)徑形成9～15 mm間隙的橋塞或泵送環(huán),提高成功率[5]。

(7)泵送液密度。如果泵送液密度增加,液體排量應適當降低。

(8)井筒附著物。可能包括油基鉆井液、殘留砂和頂替膠液等,井筒附著物會使管串的運動阻力增大,應適量提高泵注排量。

復雜井眼水力泵送時應綜合考慮各種因素,對于造斜點、大的井身曲率、大斜度段、水平段等采用不同的泵送速度和排量。為確保施工作業(yè)的安全和順利進行,中國石油集團測井有限公司自主研發(fā)了模擬泵送軟件,可根據(jù)每口井井身結(jié)構(gòu)、井斜數(shù)據(jù)、套管尺寸、橋塞外徑等數(shù)據(jù),模擬計算泵送排量和速度,制定相應的泵送程序,使作業(yè)參數(shù)更加合理。

3.1.2 多級點火技術(shù)

利用可編址電子開關(guān)技術(shù),通過地面儀器控制可編碼電子開關(guān),有選擇性地將磁電雷管與纜芯導通,完成分級點火。電纜可編址多級點火射孔系統(tǒng)由井下磁定位器、槍頭、火線、智能接頭、雷管、射孔彈和槍尾等組成。

3.1.3 連續(xù)油管分簇射孔技術(shù)

橋射聯(lián)作施工時,為滿足連續(xù)油管施工提速提效的需要,提出連續(xù)油管分簇射孔技術(shù),目前有3種施工方式。

采用隔板延時裝置實現(xiàn)分簇射孔。其過程順序:在連續(xù)油管內(nèi)投球、加壓,擊發(fā)投球壓力開孔起爆裝置,引爆第1級射孔槍;第1級射孔槍引爆隔板延時起爆裝置,進入延時階段,在延時期間,可完成上提管柱等預定操作;延時時間結(jié)束后,延期起爆管引爆下一級射孔槍(見圖2)。

采用環(huán)空與管內(nèi)分次加壓起爆的方式。制作篩管式槍間接頭,封堵上部射孔槍的同時使環(huán)空壓力進入下部射孔槍的壓力起爆裝置。起爆時,先環(huán)空加壓引爆下部射孔槍,然后上提管柱,連續(xù)油管管內(nèi)加壓引爆上部射孔槍,實現(xiàn)連續(xù)油管下井1次完成2簇射孔作業(yè)。上部起爆裝置的安全值大于下部起爆裝置的安全值10 MPa以上,同時環(huán)空只與下部的起爆裝置連通,而與上部起爆裝置隔離(見圖3)。

圖2 連續(xù)油管隔板延時管串示意圖

圖3 連續(xù)油管環(huán)空與管內(nèi)分次加壓起爆示意圖

采用壓力編碼智能控制裝置分級起爆方式。地面按特定方式在井筒內(nèi)施加壓力,井下壓力編碼智能控制裝置通過壓力傳感器實時采集壓力信號,并與預設(shè)的壓力起爆編碼命令對比進行智能識別,當接收的壓力信號與預設(shè)命令一致時,裝置內(nèi)點火電路啟動,起爆連通射孔槍(見圖4)。

圖4 壓力編碼智能控制分級起爆示意圖

3.1.4 模塊化射孔槍

橋射聯(lián)作工藝由于涉及部件較多,現(xiàn)場作業(yè)工序復雜,導致現(xiàn)場各種問題頻發(fā)。為提高聯(lián)槍效率,降低操作失誤率,消除裝彈和接雷管時的人為錯誤,提高現(xiàn)場作業(yè)安全性,設(shè)計了模塊化射孔槍。它采用簡化的適配器結(jié)構(gòu)以及一體式的橋塞點火適配器,可在車間安裝完畢后整體運輸,現(xiàn)場只需簡單連接即可使用,更短、更輕的模塊化射孔槍降低了現(xiàn)場作業(yè)安全風險,縮短了施工時間[6]。

3.1.5 爬行器射孔技術(shù)

為提高作業(yè)效率,采用爬行器推移槍串進行射孔。該技術(shù)解決了單芯電纜爬行射孔控制、電器隔離、低速水平井校深、長距離推送等問題。2019年11月在頁巖油示范區(qū)H×井成功完成了爬行器射孔作業(yè),1次下井完成5次分簇射孔,射孔準確率100%,作業(yè)僅占用井筒12 h,比傳統(tǒng)連續(xù)油管施工效率提高60%以上,同時降低了施工成本和協(xié)同作業(yè)風險。

3.1.6 其他輔助工具

為滿足泵送作業(yè)要求,提高入井管串在井內(nèi)的通過能力和管串掉井后的打撈作業(yè)成功率,研制了多樣化的入井工具,包括泵送短節(jié)、降阻裝置、加重短節(jié)等,適用不同的作業(yè)環(huán)境,可解決特定問題。

3.2 配套技術(shù)分析

3.2.1 可溶球座技術(shù)

為持續(xù)實現(xiàn)降本增效的目的,配合“金屬分割,免鉆投產(chǎn)”的體積壓裂工藝研發(fā)思路,研發(fā)了可溶球座技術(shù),前期完成5.5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、4.5 in可溶球500余段的實驗。其特點:①采用金屬密封代替膠筒密封,解決了溶解的瓶頸;②錨封一體,力學自鎖,結(jié)構(gòu)緊湊,減少了溶解產(chǎn)物;③井筒壓后免干預,全通徑,提效降本。在華×井現(xiàn)場應用42趟,1次坐封成功率、壓裂成功率均為100%。

3.2.2 井口遠程快速連接技術(shù)

在常規(guī)井口連接時,需要人工參與,作業(yè)涉及高空及高壓區(qū)域。為降低作業(yè)風險和提高作業(yè)效率,研發(fā)了井口遠程插拔連接器,主要由井口對位導入器、插拔專用上接頭、遠控鎖緊機構(gòu)、防脫安全鎖定機構(gòu)、快速試壓機構(gòu)、遠程投球機構(gòu)等部分組成。華×井現(xiàn)場應用20余層,完成了防噴裝置管串遠程井口自動對位、遠程快速連接鎖緊、遠程快速解鎖釋放、遠程快速試壓、遠程投球等,遠程1次對接成功率100%,減少了井口工人高空、高壓區(qū)域的作業(yè)風險,每次可減少安裝時間25 min以上,在工廠化橋射聯(lián)作施工中得到了廣泛應用。

4 應用效果分析

面對水平井工作量劇增的局面,中國石油集團測井有限公司在長慶油田創(chuàng)新應用各類技術(shù),優(yōu)化生產(chǎn)組織模式,在致密油、致密氣等多平臺利用工廠化橋射聯(lián)作工藝。2015—2020年,完成1 500余井次、13 000多層、超過50 000簇的工廠化橋射聯(lián)作工藝施工(見表1)。

表1 2015—2020年工廠化橋射聯(lián)作工藝施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

工廠化橋射聯(lián)作工藝為甲方縮短建井周期12～14 d,從使用效率來看增產(chǎn)20%～30%,并創(chuàng)造了多個施工紀錄。在靖×井實現(xiàn)了中國石油集團測井有限公司陸上最長水平段的橋射壓裂,水平段長4 118 m;在慶×油井,完成單日泵送18段橋射聯(lián)作施工紀錄;在G×氣井完成單日泵送23段的橋射聯(lián)作施工紀錄。

5 結(jié) 論

(1)工廠化橋射聯(lián)作工藝改變了之前針對單井的體積規(guī)模壓裂模式,適應大井叢、大平臺、不間斷壓裂儲層連續(xù)改造方式的重大現(xiàn)場生產(chǎn)組織模式的轉(zhuǎn)變,通過規(guī)范各項流程和組織模式,提高了生產(chǎn)組織效率。

(2)規(guī)模應用復雜井泵送技術(shù)、多級點火技術(shù)、連續(xù)油管及爬行器射孔技術(shù)、模塊化射孔等核心技術(shù),確保工廠化橋射聯(lián)作工藝不斷完善和成熟,持續(xù)降低了現(xiàn)場單層施工時間。

(3)可溶球座及井口遠程快速連接等配套技術(shù),極大地提升了中國射孔工藝設(shè)備性能,在提高安全環(huán)保性能的同時,降低成本費用,滿足了長慶油田低成本開發(fā)下提速增效的需要,該工藝可為其他油田開展類似工作提供參考和借鑒。