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壓裂工具與技術(shù)新進(jìn)展及發(fā)展建議

2022-12-01 11:47:30
石油礦場機(jī)械 2022年6期
關(guān)鍵詞:橋塞支撐劑井筒

(1.長慶油田分公司 第八采油廠,甘肅 環(huán)縣745700;2.陜西延長石油機(jī)械裝備制造有限公司,陜西 延安717403;3.長慶油田分公司 第一采油廠,陜西 延安716009;4.長慶油田分公司 隴東頁巖油開發(fā)項目部,甘肅 慶陽745199)

1947年石油行業(yè)第1次嘗試水力壓裂儲集層改造獲得成功,從此儲集層改造作為一項持久發(fā)展的科學(xué)技術(shù),經(jīng)歷了70多a的發(fā)展歷史。儲集層改造技術(shù)從基礎(chǔ)理論、實驗研究到裝備、工具、材料、軟件及現(xiàn)場實踐等都取得了迅猛的發(fā)展,并已與鉆井工程、地球物理勘探并列為勘探開發(fā)三大關(guān)鍵工程技術(shù)[1]。

2002年以來,在全球進(jìn)入非常規(guī)油氣、難動用儲量開發(fā)時代的背景下,北美地區(qū)通過水平井多段改造技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,引發(fā)了“頁巖氣”和“致密油”的革命性突破,2009年,福特沃斯盆地Barnett頁巖儲集層完鉆氣井總數(shù)為13 740口,其中新鉆井3 694口,水平井3 531口,水平井在新鉆井中的比例超過95%,助推實現(xiàn)了頁巖油氣革命。據(jù)美國能源署(EIA)報告,2020 年北美地區(qū)水平井壓裂井?dāng)?shù)超過15.3×104口,水平井多段壓裂技術(shù)總體上已趨于成熟[2]。

近年來,國外壓裂改造技術(shù)主要在高效多段分壓工具、多功能及低成本材料、信息化及遠(yuǎn)程決策方面取得了突出進(jìn)步,極大推動了水平井分段壓裂技術(shù)的發(fā)展。目前,我國與國外壓裂改造技術(shù)的差距主要表現(xiàn)在儲集層改造裂縫擴(kuò)展機(jī)理、軟件研發(fā)、壓裂車裝備、工具的耐溫耐壓性、支撐劑替代、大數(shù)據(jù)信息化數(shù)據(jù)庫等6個方面,因此應(yīng)及時跟蹤、總結(jié)國外壓裂改造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,對比、借鑒國外同類技術(shù),精準(zhǔn)定位國內(nèi)壓裂改造技術(shù)的現(xiàn)狀,剖析技術(shù)整體發(fā)展趨勢,為中國未來長期面對低滲、深層、海洋、非常規(guī)等為主體資源的油氣開發(fā)提供壓裂改造需求方面的借鑒。

1 新型壓裂工具

1.1 InterFracTM多級壓裂系統(tǒng)

InterFracTM多級壓裂系統(tǒng)(如圖1)由Interwell公司研發(fā),與常規(guī)多級滑套壓裂不同,該系統(tǒng)從水平井跟端開始壓裂,原理為:將滑套與篩管組成的管柱隨套管連接入井;通過地面泵送打開工具短節(jié)和憋壓球,達(dá)到第1級滑套位置時,通過管內(nèi)加壓將1#憋壓球從上部變徑球座壓至短節(jié)下部變徑球座,打開滑套完成第1級壓裂后,再從地面泵送相同直徑的2#憋壓球至短節(jié)上部變徑球座處,通過管內(nèi)加壓將打開短節(jié)推至第2級滑套,同時第1級滑套自動關(guān)閉,打開短節(jié)下部變徑球座處的憋壓球落至井底,重新投入的位于短節(jié)上部變徑球座處的憋壓球落至短節(jié)下部變徑球座處,并打開第2級滑套,如此反復(fù)直至全部壓裂結(jié)束。地層油氣流體通過與每個滑套連接的特殊篩管進(jìn)入油層套管內(nèi),并進(jìn)行返排投產(chǎn)。憋壓球為可溶解金屬材料,能在井內(nèi)自行溶解。

圖1 InterFracTM多級壓裂系統(tǒng)

技術(shù)優(yōu)勢:①壓裂級數(shù)不受限制,且壓后管內(nèi)全通徑;②采用自水平井跟端至趾端的壓裂方式;③后期無需用油管或連續(xù)油管進(jìn)行干預(yù),大幅節(jié)省作業(yè)時間和成本;④減少了壓裂用水量,實現(xiàn)了定點(diǎn)精細(xì)壓裂;⑤預(yù)置的特殊篩管能有效防止地層吐砂發(fā)生井筒內(nèi)砂堵[3]。

1.2 BLITZTM連續(xù)油管壓裂滑套系統(tǒng)

BLITZTM連續(xù)油管壓裂滑套系統(tǒng)(如圖2)由BHGE公司研發(fā),是一種高效的壓裂工具,可輕松完成無限級壓裂作業(yè),靶向性更強(qiáng),作業(yè)效率高,有助于作業(yè)者控制成本、提高非常規(guī)油井產(chǎn)能。

圖2 BLITZTM連續(xù)油管壓裂滑套系統(tǒng)

該系統(tǒng)入井后,激活滑套,隔離產(chǎn)層,可在高達(dá)1.982 m3/min的流量下工作。壓裂作業(yè)完成后將封隔器釋放,只需施加較小的壓力即可將封隔器遷移至下一壓裂段,依次重復(fù)完成整口井的壓裂作業(yè)。封隔器的正上方安裝了流量噴嘴循環(huán)短節(jié),可及時循環(huán)移除底部鉆具組合周圍的砂子,確保封隔器釋放過程可靠。循環(huán)短節(jié)還可以實時監(jiān)測井底壓力,實時調(diào)整作業(yè)過程,避免過早出砂等問題。

該系統(tǒng)適用于大位移井泵入作業(yè),采用耐用、可重復(fù)使用的BLITZ環(huán)形封隔器底部鉆具組合,具有定位功能,能夠在與滑閥連接及移動過程中提供重力指示;其自動正位功能確保底部鉆具組合間距深度保持理想狀態(tài),有助于降低工具磨損,減少滑閥移動次數(shù);具有單級、多級壓裂滑套選項,能夠創(chuàng)造最大的壓裂級數(shù),靶向性更強(qiáng),可輕松完成無限級壓裂作業(yè),提高非常規(guī)油井產(chǎn)能。

在加拿大Clearwater地區(qū),某作業(yè)者使用該系統(tǒng)完成了11口井的壓裂作業(yè),平均每口井水平段長度3 120 m。其中一口井使用滑閥137個,順利操作1 000多次,充分驗證了該系統(tǒng)的優(yōu)越性能[4]。

1.3 快速壓裂系統(tǒng)

Packers Plus公司研發(fā)的快速壓裂系統(tǒng)采用投球滑套分段壓裂,由封堵球、QuickPORT V滑套、RockSEAL H2雙封隔器和單膨脹封隔器等組成。封堵球采用優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料制作,耐壓可達(dá)70 MPa,尺寸級差可達(dá)3.2 mm;RockSEAL H2封隔器為液壓式機(jī)械封隔器,采用雙重密封設(shè)計,其長度和外徑小并且無需預(yù)先配置,安裝簡便。在安裝作業(yè)中通過液壓激活并精準(zhǔn)控制,可確保在增產(chǎn)改造期間和井筒全生命周期內(nèi)對高壓層段進(jìn)行可靠的封隔,從而減少作業(yè)時間和降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。

Packers Plus公司應(yīng)用該系統(tǒng)為中東某石油公司提供了快速壓裂多級完井作業(yè),在7個井段完成了19段分段壓裂,壓裂后產(chǎn)生20多條裂縫,與同區(qū)4口鄰井相比,產(chǎn)量增加32%~73%[5]。

1.4 DEEPFRAC深水多級壓裂系統(tǒng)

DEEPFRAC深水多級壓裂系統(tǒng)(如圖3)由貝克休斯公司研發(fā),使用多功能壓裂滑套和獨(dú)特的回流控制技術(shù),可減少常規(guī)多層完井的某些施工步驟,能實現(xiàn)多達(dá)20段的快速增產(chǎn)施工,大幅增加了油藏泄油面積,每口井可節(jié)約開發(fā)成本$3 000~4 000萬美元。在多功能壓裂滑套的生產(chǎn)端口布設(shè)獨(dú)特的回流控制介質(zhì),可實現(xiàn)長期無砂生產(chǎn),無需使用常規(guī)防砂篩管。

圖3 DEEPFRAC深水多級壓裂系統(tǒng)

通常,在深水井完井階段會涉及多個耗時的步驟,而該系統(tǒng)在充滿泥漿的裸眼段中安裝多功能壓裂滑套來簡化流體的出入,省去了下套管和固井作業(yè);采用投球激活壓裂滑套,無需復(fù)雜的下入工具流程和大量的機(jī)械操作,將完井施工周期由數(shù)周縮短至幾天。

常規(guī)的海上增產(chǎn)技術(shù)通常僅能完成不多于5段施工,且缺乏靈活性,往往會使增產(chǎn)處理不均勻,并導(dǎo)致潛在收益區(qū)域成為“死區(qū)”。該技術(shù)使用靈活的模塊化壓裂滑套,最多可將產(chǎn)層分為20個壓裂段,確保更均勻的壓裂施工,使油藏泄油面積最大化。

增產(chǎn)作業(yè)完成后,投入的IN-Tallic壓裂球無需干預(yù)自動降解,可直接進(jìn)行油氣生產(chǎn)。壓裂滑套的生產(chǎn)端口采用獨(dú)特的BeadScreen支撐劑回流控制技術(shù),確保長期無砂生產(chǎn)。

該系統(tǒng)在墨西哥灣下第三系的儲層中首次完成了15段深水壓裂作業(yè),節(jié)約鉆機(jī)時間25 d,降低成本$4 000萬美元[6]。

1.5 Toe-XT液壓滑套

Packers Plus公司推出的Toe-XT液壓滑套性能可靠,作業(yè)靈活,大大降低了作業(yè)風(fēng)險。

該滑套是1個液壓激活的注入/采出端口,用于完井系統(tǒng)的首個壓裂段,其獨(dú)特之處是在激活滑套進(jìn)行壓裂作業(yè)之前,可以進(jìn)行一次套管承壓測試。雖然該滑套集成了試壓和壓裂這2個關(guān)鍵作業(yè)程序,但每個作業(yè)機(jī)制完全獨(dú)立。尾管固井作業(yè)中,滑套與套管鞋工具等組成1套短節(jié)工具,使趾端壓裂段作業(yè)更具靈活性。

該滑套可用于水平井或直井的壓力測試、尾管固井、裸眼鉆進(jìn)、選擇性壓裂與生產(chǎn)等多種作業(yè)用途,北美頁巖氣區(qū)50多口井中已成功應(yīng)用?114.3 mm與?139.7 mmToe-XT滑套組合。利用該滑套,在德克薩斯州東部Eaglebine地層僅30 min即完成了作業(yè),效率大幅提高。在Marmaton區(qū)塊,共成功壓裂了19段,其中包括使用TREX Lightning復(fù)合橋塞進(jìn)行多級分段壓裂,在首個壓裂段,利用該滑套驗證了套管完整性[7-10]。

1.6 Elect○R電子壓裂滑套

Elect○R電子壓裂滑套(如圖4)由哈里伯頓公司研發(fā),針對多產(chǎn)層段壓裂完井而設(shè)計,是一種單孔滑套系統(tǒng),使用相同尺寸的球來激活每個滑套,能夠滿足無限數(shù)量的可壓裂區(qū)域,提高水力壓裂作業(yè)的效率。

圖4 Elect○R電子壓裂滑套

該滑套采用嵌入磁體的可溶性壓裂球激活,利用電子設(shè)備來確定套筒打開時機(jī),并通過統(tǒng)計磁脈沖來計量泵入壓裂球的數(shù)量,包括單入式、多入式和趾端滑套3種規(guī)格,可實現(xiàn)無限級壓裂作業(yè),適用于不同直徑的井筒。

所有的電子計數(shù)裝置均不影響工具的內(nèi)徑,單入式滑套采用可降解球,不存在常規(guī)滑套的內(nèi)徑、流量、壓力限制,無需進(jìn)行磨銑和洗井作業(yè)。重復(fù)利用式滑套與單趟下入式滑套類似,但其具有延時開啟功能,不具有隔離功能。趾端滑套可實現(xiàn)真正的壓力獨(dú)立操作,具備預(yù)編程功能,可作為套管使用,無需考慮壓力問題。預(yù)編程時間一到,趾端滑套將在預(yù)定壓力條件下開啟。

該滑套是市場上唯一可以應(yīng)用于油氣井中的電子壓裂滑套,有助于消除傳統(tǒng)投球和連續(xù)油管壓裂滑套的風(fēng)險和影響,大幅提高油藏采收率,降低運(yùn)營成本。通過電子控制激活,可將傳統(tǒng)的套管完井工作轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芡昃ぞ摺?/p>

與常規(guī)壓裂工具相比,技術(shù)優(yōu)勢有:①克服壓裂級數(shù)限制,可增大油藏的泄油面積,提高采收率;②優(yōu)化儲層通道,提高增產(chǎn)作業(yè)效果;③不會影響管柱的內(nèi)徑,可使井內(nèi)流體流動更通暢;④軟硬件與機(jī)械工具協(xié)同配合,設(shè)置合理的參數(shù),可降低作業(yè)強(qiáng)度和風(fēng)險;⑤消除多余干預(yù)作業(yè)、在復(fù)雜井筒中性能穩(wěn)定、可縮短壓裂作業(yè)時間,縮短完井周期。

目前,該滑套在墨西哥灣、北海、美國北部頁巖氣區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,大幅提高了非常規(guī)油氣藏的完井效率[11]。

1.7 i-Opener TD趾端滑套

i-Opener TD趾端滑套由國民油井華高公司研發(fā),可遠(yuǎn)程延時激活,用于建立完井段到儲層的一條或多條循環(huán)通道。該滑套改進(jìn)了常規(guī)趾端射孔方法,可用于需要多次壓力循環(huán)以及全套管承壓測試的情況。

技術(shù)優(yōu)勢:①可定制延遲時間,具有多個延時窗口,每個延時窗口內(nèi)可執(zhí)行多次壓力循環(huán);②適用于裸眼完井與套管固井完井,可作為下部完井段的井筒屏障,以提高完井效率;③可預(yù)測過流面積,在不影響尾管完整性的前提下,允許井內(nèi)進(jìn)行多次壓力循環(huán);④作為多級壓裂系統(tǒng)組件,可將所有流動通道同時打開,以提高泵送效率,并能夠執(zhí)行趾端壓裂作業(yè);⑤在多級壓裂作業(yè)中,可用于首個壓裂段,建立注入通道,將壓裂球或壓裂塞泵送至下部完井段,比常規(guī)的趾端射孔技術(shù)節(jié)省時間與成本[12]。

1.8 ProDrill○R Express系列復(fù)合壓裂橋塞

ProDrill○RExpress系列復(fù)合壓裂橋塞由Forum能源科技公司研發(fā),可在水平井和直井的水力壓裂作業(yè)中可靠地封隔地層,鉆磨時間13~20 min,降低作業(yè)風(fēng)險。

該橋塞坐封后,流道保持打開;從井口投入密封球,泵送至橋塞球座;一旦球就位,作業(yè)者即可對壓裂橋塞施加壓力。若不從井口投入小球,也可將小球置于剪切軸套接頭與芯軸之間,使其成為回流塞。

技術(shù)特點(diǎn):①可用于多種規(guī)格的套管;②獨(dú)特的頂部凸緣設(shè)計與底部斜口設(shè)計,有助于確保鉆塞時橋塞不會旋轉(zhuǎn);③利用常規(guī)油管或連續(xù)油管即可鉆塞;④采用環(huán)保材料制造,不會造成環(huán)境影響;⑤空心卡瓦設(shè)計,易于鉆磨;⑥可根據(jù)需求泵送刮管器[13]。

1.9 ProDrill○R VelocityTM Fast-Drillout復(fù)合壓裂橋塞

ProDrill○RVelocityTMFast-Drillout復(fù)合壓裂橋塞(如圖5)由Forum能源科技公司研發(fā),可大幅縮短鉆磨時間,提高作業(yè)效率。

圖5 ProDrill? VelocityTM Fast-Drillout復(fù)合壓裂橋塞

技術(shù)優(yōu)勢:①采用單卡瓦、壓縮式底部坐封設(shè)計,可承受碎片沖擊,從而降低風(fēng)險。該橋塞采用底部坐封與壓縮式坐封結(jié)合的設(shè)計,通過電纜接頭組件(WLAK)的張力芯軸減緩受到的沖擊,從而減小關(guān)鍵元件所受的應(yīng)力,降低下入風(fēng)險;②與常規(guī)復(fù)合橋塞不同,該橋塞組件不會在固定芯軸上滑動,優(yōu)化后的復(fù)合橋塞在坐封時長度會縮短,并在鉆塞作業(yè)期間避免組件旋轉(zhuǎn),降低了作業(yè)風(fēng)險。與傳統(tǒng)復(fù)合橋塞設(shè)計相比,鉆塞時間縮短65%;③輕量化材料提高了泵作業(yè)效率,保證了井筒清潔。

該橋塞采用投球激活方式,耐溫148.9 ℃,耐壓68.9 MPa,適用于?139.7 mm(線質(zhì)量11.42~15.46 kg/m)和?114.3 mm(線質(zhì)量6.38~9.07 kg/m)套管[14]。

1.10 MILLITETM壓裂橋塞

貝克休斯公司推出的MILLITETM壓裂橋塞(如圖6)材質(zhì)輕、易磨銑,碎屑小、易循環(huán)出井,作業(yè)成本大幅降低。

該橋塞由合金材料制成,不含任何重金屬或陶瓷部件,其耐磨和抗提前坐封設(shè)計消除了提前坐封的風(fēng)險,安全下入速率超過183 m/min,工作壓力高達(dá)68.9 MPa。

圖6 MILLITETM壓裂橋塞

在美國科羅拉多州,某井垂深3 292 m,水平段1 341 m。為大幅縮短干預(yù)時間并降低連續(xù)油管循環(huán)成本,作業(yè)人員使用了該壓裂橋塞,一共下入22個,橋塞的平均下放速度為229 m/min。單個橋塞的平均磨削時間僅為5 min,磨削出的碎屑極小,很容易從井筒中循環(huán)出來[15]。

1.11 ScorpionTM復(fù)合壓裂橋塞

ScorpionTM復(fù)合壓裂橋塞(如圖7)由美國Nine Energy Service公司研發(fā),專為復(fù)雜水平井設(shè)計,幾乎完全由復(fù)合材料制成,采用優(yōu)化的模壓結(jié)構(gòu),充分壓縮的單個高彈性元件通過兩段式支撐環(huán)支撐,并配置陶瓷抓扣,大幅提高了可靠性。與常規(guī)壓裂橋塞相比,長度短且結(jié)構(gòu)獨(dú)特,鉆磨速度更快。

圖7 ScorpionTM復(fù)合壓裂橋塞

在美國Utica盆地某長水平段水平井中,總井深8 534 m,水平段長度6 096 m,共分144級壓裂。通常,1個鉆頭每趟鉆最多能鉆磨掉60~70個壓裂橋塞。因此,該井壓裂橋塞鉆磨耗時且成本高昂。

為此,作業(yè)者使用了144個ScorpionTM復(fù)合壓裂橋塞,并且使用1個鉆頭即完成所有壓裂橋塞的鉆磨作業(yè),起鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭的磨損程度明顯小于鉆磨其他品牌的壓裂橋塞。ScorpionTM復(fù)合壓裂橋塞的平均鉆磨時間為10 min,無需多趟鉆作業(yè),大幅降低了作業(yè)成本[16]。

1.12 VapR可溶解壓裂橋塞

在橋塞射孔聯(lián)作完井作業(yè)中,通過部署可溶解壓裂橋塞能夠大幅提高施工效率??扇軌毫褬蛉诰铝黧w作用下的溶解速度很大程度上取決于井底溫度和流體中氯化物的含量。NOV公司推出的VapR可溶解壓裂橋塞(如圖8)設(shè)計簡約、性能出色,可根據(jù)不同的井下流體環(huán)境定制產(chǎn)品,能夠在預(yù)期的時間段內(nèi)實施高壓壓裂增產(chǎn)作業(yè)和溶解。

圖8 VapR可溶解壓裂橋塞

在阿巴拉契亞盆地尤蒂卡頁巖區(qū),作業(yè)者選擇使用VapR壓裂橋塞。施工中,作業(yè)者部署了多個VapR壓裂橋塞,最大安裝井深4 952 m,以高達(dá)8.62 kg/min的排量和167.6 m/min的線速度泵入壓裂液,大幅降低了壓裂液消耗,縮短了作業(yè)時間,提高了效率。

實際壓裂施工中,橋塞固定牢靠,未觀察到滑動跡象,在地面泵壓78.6 MPa下,最大排量為40.82 kg/min。在其中一個階段的壓裂中,由于地面設(shè)備故障暫停施工,VapR壓裂橋塞暴露于腐蝕性的井下流體中達(dá)數(shù)小時,且保持有效封隔,維持作業(yè)壓力不變。后續(xù)的清理作業(yè)證實可溶壓裂橋塞已完全溶解[17-18]。

1.13 Illusion○R Spire可溶解壓裂橋塞

為解決傳統(tǒng)壓裂橋塞泵送效率差、需要液體過多的難題,哈里伯頓公司推出了Illusion○RSpire可溶解壓裂橋塞(如圖9)。與標(biāo)準(zhǔn)Illusion○R壓裂橋塞相比,該壓裂橋塞長度縮短32%、內(nèi)徑增大45%。

圖9 Illusion○R Spire可溶解壓裂橋塞

技術(shù)參數(shù)為:最大外徑111.0 mm、長度252.2 mm、額定壓力68.95 MPa,適用于?139.7 mm套管(內(nèi)徑范圍:118.6~124.3 mm)。

技術(shù)優(yōu)勢:①體積小,質(zhì)量輕,便于快速溶解;②內(nèi)徑大利于返排,可靠性高;③節(jié)水元件設(shè)計有助于提高泵送效率,縮短完井時間;④可順利下至坐封深度,不會提前坐封。

目前,該壓裂橋塞已在北美進(jìn)行多次現(xiàn)場試驗,泵送時間比其他壓裂塞明顯縮短,液體用量顯著減少[19]。

2 新型壓裂技術(shù)

2.1 BroadBand Shield裂縫幾何形狀控制技術(shù)

使用常規(guī)技術(shù)對新鉆加密井進(jìn)行水力壓裂時,水力裂縫極易延伸到現(xiàn)有生產(chǎn)井筒,使老井大量出砂被迫減產(chǎn)或停產(chǎn)。北達(dá)科他州某作業(yè)者一半以上的新鉆加密井水力壓裂都出現(xiàn)了老井出砂問題,每口井的經(jīng)濟(jì)損失超過$30萬美元[20]。為此,斯倫貝謝公司推出了BroadBand Shield裂縫幾何形狀控制技術(shù)。該技術(shù)將水力裂縫末端的轉(zhuǎn)向劑段塞與WellWatcher裂縫監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合,可有效預(yù)防水力裂縫延伸至現(xiàn)有生產(chǎn)井筒。

現(xiàn)場試驗中,作業(yè)者在某口水平井的兩側(cè)部署了兩口加密水平井,新井的井眼軌跡與老井軌跡平行,井筒間距分別為396.24 m和243.84 m。為便于比較,作業(yè)者對其中一口新井的所有壓裂段采用了常規(guī)壓裂技術(shù),對另一口新井的5個壓裂段采用了BroadBand Shield壓裂技術(shù),而另外5個壓裂段則采用了常規(guī)壓裂技術(shù)。這口井均按設(shè)計順利完成壓裂施工。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,全部采用常規(guī)壓裂技術(shù)的井中,60%以上的壓裂段都延伸入現(xiàn)有生產(chǎn)井筒?;旌喜捎贸R?guī)壓裂技術(shù)和新壓裂技術(shù)的井中,5個常規(guī)壓裂段延伸入現(xiàn)有生產(chǎn)井筒的概率為42%,而采用新技術(shù)的5個壓裂段則未出現(xiàn)此問題[20]。

2.2 PSI-CLONE固體火箭推進(jìn)劑壓裂技術(shù)

加拿大的RocketFrac公司正在開發(fā)的PSI-CLONE固體火箭推進(jìn)劑壓裂技術(shù)不受井筒尺寸和水平井段長度的限制,僅1臺卡車就可以裝載全套設(shè)備,無需壓裂液和復(fù)雜的壓裂泵組,也無需動用水罐車和后續(xù)的返排水處理和排放設(shè)備,實現(xiàn)高效壓裂,節(jié)省了成本。

該技術(shù)采用PSI-CLONE專利工具,可實現(xiàn)火箭推進(jìn)劑的可靠裝填、下井和啟爆。推進(jìn)劑啟爆后釋放出的高壓燃?xì)?,足以在目?biāo)層段產(chǎn)生裂縫。裝載工具可在1~20 s的推進(jìn)劑燃燒期間承受137.8 MPa的高壓,能夠反復(fù)使用,一旦火箭推進(jìn)劑燃燒干凈,就可以向工具中加裝另外一塊推進(jìn)劑。一塊推進(jìn)劑燃爆后可產(chǎn)生4~8條徑向裂縫。用戶也可以將多個PSI-CLONE工具串接起來,同時對多個層位進(jìn)行壓裂增產(chǎn)。

該技術(shù)解決了傳統(tǒng)推進(jìn)劑壓裂技術(shù)無法實現(xiàn)層間隔離的問題,允許更長的燃燒時間并防止推進(jìn)劑燃?xì)庋鼐惨萆?,從而可向目?biāo)層段施加更高的壓力,產(chǎn)生更長的裂縫。

固體火箭推進(jìn)劑是一種穩(wěn)定而且安全的物質(zhì),可直接用手撿拾。該技術(shù)目前尚處于早期研發(fā)階段,還需要大量試驗對PSI-CLONE工具的密封機(jī)構(gòu)及火箭推進(jìn)劑在不同地層中的適用性做出驗證[21]。

2.3 MajiFrac Plus壓裂技術(shù)

MajiFrac Plus壓裂技術(shù)(如圖10)由Tendeka公司研發(fā),旨在減少泵送時間,節(jié)約用水量并提高產(chǎn)量,大幅降低成本。該技術(shù)采用FracRight耐酸復(fù)合壓裂橋塞、Enviro-Syn-HCR-7000-WL環(huán)保型前置液、ShaleModifier改性劑和MajiFrac-HVFR-5SA高粘度減阻劑。

圖10 MajiFrac Plus壓裂技術(shù)

耐酸壓裂橋塞由高性能復(fù)合材料制成,易于磨銑、清洗,耐溫177 ℃、耐壓68.9 MPa。該工具配合泵送,可大幅減少流體旁通,減少坐封橋塞所需的液量,并允許在橋塞后面泵入特殊的隔離酸液。

環(huán)保型前置液對人體無害,可與壓裂橋塞和射孔槍配合使用。與鹽酸或脲基酸相比,這種改良的前置液具有超長期的腐蝕防護(hù)性能,可用采出水制備,適合鋼絲和射孔工具在高溫下長時間暴露于其中,且所受影響極小。作業(yè)者可在井下有射孔槍和橋塞的情況下泵送酸,從而縮短了每級壓裂的時間。

改性劑是一種新型油基聚合物處理劑,可與巖石表面結(jié)合,在低至100 nm的油濕性納米結(jié)構(gòu)中具有出色的注入驅(qū)替效率,提高原油在微裂縫中的流動性,從而提高產(chǎn)量。

高黏度減阻劑適用于惡劣的采出水環(huán)境,由于其高黏度特性,可增強(qiáng)采出水的黏度以承載更多的支撐劑;使用超低劑量即可改善減阻效果,與常規(guī)減阻劑相比,作業(yè)者可以節(jié)約多達(dá)58%的成本[22]。

2.4 微壓裂技術(shù)

微壓裂技術(shù)采用電纜地層測試器測量井內(nèi)的最小原地應(yīng)力,是一種極好地獲取原始正應(yīng)力測量值的方法,適用于頁巖和常規(guī)油藏。微壓裂技術(shù)能夠指導(dǎo)井位部署、優(yōu)化注入速度以及管理射孔策略等,從而提升油藏管理水平。

其原理是增加2個封隔器之間的流體壓力或使單個封隔器膨脹,致使地層破裂形成微裂縫,通過注入體積可控的流體漏失到微裂縫中以確定最小應(yīng)力。該技術(shù)可在單次起下鉆期間多次使用,用于測試特定巖性、校準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)力剖面和聲波測井推導(dǎo)的巖石力學(xué)模型,優(yōu)選用于計劃壓裂增產(chǎn)完井的水力壓裂模型。

微壓裂測試基本步驟如下:①使用伽馬射線工具確定正確深度,設(shè)置測點(diǎn);②膨脹封隔器元件,使壓力升至2.76 MPa;③在封隔器之間的井段注入少量流體,但不壓裂地層;④以排量5~10 cm3/s的速率緩慢注入流體,井筒壓力逐漸達(dá)到并超過地層破裂壓力,地層破裂后形成拉伸裂縫,流體流入裂縫中,該裂縫沿垂直于最小主應(yīng)力的方向延伸;⑤破裂后繼續(xù)注入500 cm3流體,確保裂縫的穩(wěn)定延伸;⑥停止注入,記錄瞬時關(guān)井壓力,并通過繪制壓力與G函數(shù)時間曲線圖和壓力與時間平方根關(guān)系曲線監(jiān)測地層漏失,尋找閉合標(biāo)志;⑦釋放井段壓力,恢復(fù)流體靜壓,并再次注入開始循環(huán),同時將總注入體積增加約500~1 000 cm3(注入/下降循環(huán)可重復(fù)多次進(jìn)行,以便重新打開裂縫,使其進(jìn)一步傳播和閉合)。

該技術(shù)在美國特拉華盆地非常規(guī)儲層優(yōu)化水力壓裂、英國海上安全水驅(qū)注入作業(yè)中得到成功應(yīng)用,取得了良好的效果[23]。

3 新型支撐劑

3.1 導(dǎo)電支撐劑

為了精確檢測水力壓裂作業(yè)期間泵入的支撐劑在儲層近場和遠(yuǎn)場區(qū)域的分布情況,ConocoPhillips公司研發(fā)了一種特殊的導(dǎo)電支撐劑。該支撐劑由陶瓷基體和導(dǎo)電涂層構(gòu)成,具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,其電磁特性與周圍地層介質(zhì)的電磁特性差別很大。因此,可在壓裂前后對井筒進(jìn)行“電激勵”,利用布設(shè)在地面或者鄰井的接收器記錄電磁響應(yīng)。導(dǎo)電支撐劑的檢測、定位和描述取決于裂縫的凈導(dǎo)流能力、體積、高度和長度,以及周圍地層的導(dǎo)電性。

在Delaware盆地的一口水平井中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗,該井目的層是Bone Spring砂巖,垂深2 438.4 m,水平段分16段實施壓裂作業(yè)。作業(yè)人員決定在第16段的壓裂作業(yè)中使用20/40目導(dǎo)電支撐劑。

利用該地區(qū)一口導(dǎo)眼井的裸眼電測電阻率數(shù)據(jù)構(gòu)建了地層剖面地質(zhì)模型,并根據(jù)從地表到地層的電阻率分布正演模擬結(jié)果設(shè)計出地面接收器陣列,包括傳感器的最佳數(shù)量和位置。每個接收器包括2個互相正交的水平電場偶極子,其中1個偶極子與井筒的縱軸方向一致。

第16段壓裂作業(yè)使用20/40目導(dǎo)電支撐劑共計18.6×104kg,包括普通支撐劑8.3×104kg和導(dǎo)電支撐劑10.3×104kg。從作業(yè)的角度看,現(xiàn)場試驗非常成功。在進(jìn)行泵送橋塞射孔聯(lián)作壓裂作業(yè)期間,高強(qiáng)度電流傳至井底?,F(xiàn)場共進(jìn)行了4次電磁測量,分別于壓裂設(shè)備運(yùn)抵現(xiàn)場之前、泵入可導(dǎo)電支撐劑后、第16段壓裂作業(yè)完成后以及壓裂設(shè)備撤離現(xiàn)場后進(jìn)行,末次與首次測量結(jié)果比較,得出信號響應(yīng)的區(qū)別。最后的步驟是去除噪聲,對數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理,然后對測量結(jié)果進(jìn)行反演,反演結(jié)果清晰顯示了裂縫的長度、高度和寬度[24-25]。

3.2 超低密度支撐劑

與膠液壓裂液相比,滑溜水成本低,易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò),近年來在水力壓裂中應(yīng)用日益增加。但滑溜水粘度相對較低,懸砂能力及攜砂能力較弱。在壓裂過程中,為避免砂堵等復(fù)雜情況,常采用大排量的壓裂工藝以提高支撐劑運(yùn)移效率,增加了施工成本。同時,采用大量的小粒徑支撐劑(100目及40/70目)以較低的質(zhì)量濃度(30~240 kg/m3)泵入地層中,易在壓裂裂縫中堆積,形成“砂丘”,影響主裂縫的導(dǎo)流能力。

Endurance Resources公司和CARBO Ceramics公司提出采用超低密度支撐劑(ULWC)來提高滑溜水的攜砂能力。與常規(guī)石英砂相比,雖然超低密度支撐劑的密度降低25%,但在41.4 MPa圍壓下,其長期導(dǎo)流能力比石英砂提高43%;與同粒徑(40/70目)的石英砂相比,沉降速度降低40%以上;通過支撐劑平板可視化測試發(fā)現(xiàn),超低密度支撐劑的填充裂縫體積相對石英砂提高10%。

該支撐劑在二疊紀(jì)盆地得到應(yīng)用,結(jié)果表明,主裂縫的長期導(dǎo)流能力和穩(wěn)產(chǎn)時間均得到大幅提高[26]。

3.3 陶瓷微支撐劑

二氧化硅和陶瓷基微支撐劑應(yīng)用于油氣開發(fā)已經(jīng)多年,但是在壓裂作業(yè)時需要預(yù)混入凝膠漿液,增加了成本和作業(yè)復(fù)雜性。為此,Carbo公司研發(fā)了可以干混的微支撐劑,可以在壓裂作業(yè)的任何階段摻入。

研究結(jié)果表明,理想的陶瓷微支撐劑平均粒徑是325目,約為標(biāo)準(zhǔn)100目支撐劑尺寸的30%。此外,該微支撐劑的設(shè)計范圍為150~635目,可以支撐多種尺寸的微裂縫,進(jìn)而有效增加油藏接觸面積。

該產(chǎn)品已在尼日利亞、中非等地區(qū)得到成功應(yīng)用,使油井產(chǎn)量增加了15%~20%。一些運(yùn)營商已將微支撐劑納入其標(biāo)準(zhǔn)完井作業(yè)規(guī)程[27]。

3.4 SandTec○R矽塵抑制支撐劑涂層

水力壓裂作業(yè)中要使用大量的硅砂支撐劑,但硅砂支撐劑會造成嚴(yán)重的矽塵污染。人如果吸入過多的矽塵會引起矽肺病,嚴(yán)重時還會引起肺癌,嚴(yán)重的矽肺病往往會導(dǎo)致殘疾甚至死亡。為此,ArrMaz公司與斯倫貝謝公司合作研發(fā)了SandTec○R矽塵抑制支撐劑涂層,為降低矽塵含量提供了有效的化學(xué)解決方案。

技術(shù)優(yōu)勢:①無毒、可生物降解和再生;②從砂廠到井口的各個環(huán)節(jié)都可實現(xiàn)穩(wěn)定持久的矽塵抑制,能夠?qū)⑽鶋m含量降低99%,有助于改善安全和現(xiàn)場條件; ③易于涂覆,無需干燥或固化;④與機(jī)械式粉塵控制系統(tǒng)相比,無需安裝、調(diào)試、拆卸和維護(hù),且減少了占地面積;⑤與壓裂液完全兼容,對壓裂作業(yè)無不利影響;⑥運(yùn)輸過程中有助于減少砂損耗。

現(xiàn)場測試結(jié)果表明,該涂層可將矽塵含量降至職業(yè)安全與健康管理局最新規(guī)定的結(jié)晶矽塵允許接觸限值(0.05 mg/m3)以下,且對壓裂效果無任何影響[28]。

4 發(fā)展建議

1) 壓裂工具總的趨勢是向智能化、無干預(yù)方向發(fā)展,目的是縮短作業(yè)時間,降低作業(yè)復(fù)雜性,提高作業(yè)效率。目前,國內(nèi)的壓裂工具基本上處于跟蹤國外階段,種類少,干預(yù)作業(yè)復(fù)雜,時間長,且壓裂級數(shù)少。建議加大可溶性球、可溶性滑套、可溶性橋塞、速鉆橋塞、可開關(guān)滑套、單球打開多滑套、電控滑套、機(jī)械編碼滑套、平衡滑套、可伸縮式預(yù)制孔道等先進(jìn)壓裂工具的研發(fā)力度,以進(jìn)一步推動國內(nèi)水平井分段壓裂技術(shù)的發(fā)展。

2) 國內(nèi)在脈沖纖維加砂壓裂等新型壓裂技術(shù)方面進(jìn)行了研究,但施工中仍以常規(guī)壓裂技術(shù)為主。而國外的壓裂技術(shù)發(fā)展迅速,滿足了不同需要,縮短了作業(yè)時間。提高了作業(yè)效率,建議開展相關(guān)新型壓裂技術(shù)的研究,為國內(nèi)壓裂技術(shù)的發(fā)展奠定堅實的技術(shù)儲備。

3) 國內(nèi)目前使用的支撐劑仍以陶粒為主,石英砂為輔。石英砂代替陶??纱蠓档蛪毫巡牧系馁M(fèi)用,北美地區(qū)的施工經(jīng)驗表明,增加石英砂在壓裂施工中所占比例,可有效降低了成本。因此建議:①支撐劑的研究及應(yīng)用應(yīng)以石英砂替代陶粒為主,并開展矽塵抑制支撐劑涂層的攻關(guān)研究,以避免嚴(yán)重的矽塵污染;②由于導(dǎo)電支撐劑、超低密度支撐劑及陶瓷微支撐劑的成本較高,因此在需要時應(yīng)以引進(jìn)為主,基礎(chǔ)研究為輔,以為以后的規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

水平井多段壓裂技術(shù)是北美地區(qū)實現(xiàn)頁巖油氣資源“少井高產(chǎn)”和油氣資源有效動用的重要技術(shù)手段。國內(nèi)在借鑒北美地區(qū)水平井壓裂先進(jìn)技術(shù)的同時,經(jīng)過多年的發(fā)展,國內(nèi)壓裂改造技術(shù)基本滿足不同歷史時期儲集層改造的生產(chǎn)需求,有效支撐了國內(nèi)多個整裝大型頁巖油氣田、致密油氣田的勘探開發(fā),其作用和地位不斷提升。

展望未來,隨著國內(nèi)油氣勘探開發(fā)的進(jìn)一步深入,未來低滲、深層、海洋、非常規(guī)等4大油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的地質(zhì)條件更為復(fù)雜,油氣資源品質(zhì)的劣質(zhì)化程度將進(jìn)一步加劇,壓裂改造需求更大,技術(shù)難度更高,仍需針對水平井多段壓裂技術(shù),在地質(zhì)工程一體化、增產(chǎn)機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計、大功率電驅(qū)壓裂裝備、長井段水平井壓裂工具及修井配套裝備、智能化壓裂儲備技術(shù)等方面持續(xù)開展攻關(guān)研究,為實現(xiàn)我國原油長期穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)提供重要的技術(shù)支撐。

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