桥塞与分簇射孔联作工艺及其在川渝页岩气区的应用

王海东, 唐凯, 陈锋, 郭廷亮, 任国辉, 代传刚, 赵欣迪

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司测井公司, 重庆 400021)

0 引 言

目前,中国各大油田和相关技术服务企业均进行了桥塞与分簇射孔联作的技术研发,并在页岩气、致密油气等非常规油气的水平井中取得了良好的应用效果。本文基于目前川庆钻探公司的桥塞与分簇射孔联作工艺及在川渝页岩气区的应用,重点阐述并分析了该工艺的五大核心技术,包括桥塞技术、分簇射孔器(新型的定向分簇射孔器、定面分簇射孔器)、多级点火控制、泵送作业控制及电缆井口防喷技术。另外,针对刘祖林、张骏、张利国等[1-3]讨论、分析泵送作业管串易掉井且普遍存在的工程复杂情况,介绍了川庆钻探公司为提高泵送作业安全性而开发的1套泵送可视化辅助软件及其基本功能。通过实际应用表明该可视化辅助软件可有效地降低泵送管串掉井的风险。

1 联作工艺配套技术

页岩气藏页岩基质孔隙度很低,最高仅为4%～5%,渗透率小于1×10-3μm2[4],因此,分簇射孔与分段压裂技术成为了页岩气水平井开发的关键技术,该技术通过在水平井内逐段、分段压裂达到体积压裂目的,从而提高页岩气产量。其中,桥塞与分簇射孔联作是实现井筒内分段(见图1)并为分段压裂提供有效射孔孔道的一项重要工艺,该工艺分段压裂级数不受限,可大排量压裂,储层改造强度和力度大,适用于低渗透储层,同时还能够配合进行工厂化压裂(包括交叉式或称拉链式压裂和同步压裂[5]),可大幅提高作业时效。

1.1 封堵桥塞

1.1.1 坐封工具

桥塞坐封时必须采用坐封工具进行,常用的坐封工具为贝克工具包括10号和20号,相关技术参数见表1。基本原理为在进行桥塞坐封时,位于电缆坐封工具上端的点火器通电后,引燃位于点火器下端的药柱,药柱燃烧所产生的高压气体用来驱动坐封工具运行。桥塞药柱持续燃烧推力不断增大,当其达到下接工具释放力时,坐封工具与下接工具脱离[6],实现桥塞丢手与坐封。

表1 坐封工具相关技术参数

1.1.2 复合桥塞

复合桥塞是指以硬质复合材料为主而开发的低密度、高强度、完全可钻的非金属材料桥塞[7],以magnum桥塞为例,包括单向式、投球式和全封堵式复合桥塞,可应用于4～7 in*非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同的各型套管内坐封,最高耐温150 ℃,耐压差70 MPa。该类桥塞密封性好,坐封可靠,可采用连续油管进行快速钻除,与普通桥塞相比复合桥塞更易于磨铣,不会在井筒中留下大块碎屑而导致卡钻,小钻压下即可完成钻塞作业[8-9],单个桥塞钻磨时间一般在30～60 min。

1.1.3 大通径桥塞

大通径免钻桥塞是指采用了大通径结构技术与配套可溶球暂时封堵技术的一类桥塞[10],以lodestar大通径桥塞为例。桥塞坐封后储层压裂改造时需投入配套可溶球进行暂时封堵桥塞内通道,压裂完成后可溶球逐步自动完全溶解。该类桥塞具有大通径、可过流的特点[11],通径一般在55～75 mm,可满足直接完井投产的要求,同时也能满足生产测井的要求,免除了连续油管钻塞的作业成本和风险,缩短了作业周期,单井节约总成本约15%～20%,可应用于4～7 in的各型套管内坐封,耐温150 ℃,耐压差70 MPa[10]。

1.1.4 可溶桥塞

可溶桥塞采用高强度可溶解、降解性材料制作而成,可在井内坐封,通过投入配套可溶压裂球进行压裂暂时封堵,随着温度、井液作用及时间变化而逐渐自动溶解的一类桥塞。该类桥塞最高耐温150 ℃,耐压差70 MPa,适用于各类井型及常用的4～5in套管,具有可自动溶解、无需后期连油钻塞且可保持井筒全通径、经济时效性高等技术优势。2015—2016年可溶桥塞已在川渝地区页岩气井中使用超过50个,总体应用效果良好。

1.2 分簇射孔器

常用的分簇射孔器主要包括3类,分别为常规分簇射孔器、定向分簇射孔器和定面分簇射孔器。单簇射孔器有效射孔长度一般采用1.0～1.5 m,耐温150 ℃,耐压105 MPa,适用于4～7 in的套管井分簇射孔作业[12]。

(1) 常规分簇射孔器。采用常用的螺旋式布弹方式,目前川渝地区页岩气井常用的包括73型和89型,相关技术参数见表2。

表2 常用的分簇射孔器技术参数

(2) 定向分簇射孔器。整合了传统的定向射孔技术(见图2)并结合分簇射孔技术,解决了动态定向与静态分簇选发射孔的技术问题[13],形成了一类用于分簇射孔的定向射孔器。该射孔器用于解决井眼轨迹偏移、穿行于储层上方或下方时分簇与定向的射孔难题。

图2 定向射孔原理图

图3 定面射孔原理图

(3) 定面分簇射孔器。采用特殊的布弹方式,实现了在套管同一横截面上形成多个射孔孔眼的一类射孔器(见图3)。其特点是可在套管同一扇形平面上的多个射孔孔眼造成应力集中带,在一定的压力下,很容易造成岩石破裂和失效,为后期储层压裂及深度改造创造良好的条件[14]。

1.3 多级点火控制技术

多级点火控制技术是分簇射孔工艺中一项核心技术,采用了数字编码、井下寻址及全过程监控技术,能在选发软件的控制下实时检测及智能发射,由多级点火控制器和分簇射孔选发软件组成。多级点火控制器用于控制每簇射孔器,是具有选择性和对应性的检测和起爆控制装置。分簇射孔选发软件对每级控制器进行编译,实现了射孔器的数字编码、井下寻址、智能选发及全过程监控[15]。多级点火控制器耐温150 ℃,可实现电缆一次下井最多20级供电选发射孔作业。

1.4 泵送作业与控制

泵送作业是指在建立井筒与地层通道的前提下,通过向井内泵入流体推动井下工具串向目的层前进的过程[4]。泵送管串作业需要重点掌握2个关键因素即泵入排量的推力既能够保证管串的正常运行,同时又能够控制排量大小防止管串泵送掉井,为此泵入排量的大小就成为了泵送作业的一个非常关键的参数。

基于上述问题开发了泵送程序设计软件,该软件是针对井内管串结构、长度设计、受力情况、井筒曲率、泵送液参数、摩阻系数等相关影响因素研发的[15],通过控制注入流体排量大小控制射孔管串在井内的受力与运行。该设计软件作业指导性强,目前已在川渝地区页岩气井中广泛应用。

1.5 其他技术

1.5.1 井口电缆防喷技术

分簇射孔作业时井口全程带压即在井筒压力低于地层压力的情况下实现带压(负压)射孔作业[16],为此需要采用配套的防喷系统以控制井内的压力。井口电缆防喷系统是由电缆、封井器、捕集器、防喷管、抓卡器、电缆防喷控制头以及注脂液控装置等部分组成的一种密封防喷系统,可实现电缆运行过程中井口压力的动态密封。

电缆防喷系统内通径大,通径范围76～160 mm;耐压级别高,最高耐压为105 MPa。川渝地区页岩气开发中应用最多的是140-105型防喷装置,其内径140 mm,耐压105 MPa,整个防喷装置的连接长度能够满足最长18.0 m的分簇射孔与桥塞联作管串进行作业。

1.5.2 泵送可视化辅助软件

泵送管串作业过程是一个不易控制的过程,因井筒客观情况及操作人员等原因,极易导致管串掉井等情况的发生,需要通过信息技术手段反映井下管串运行状态,为此开发了一款基于Microsoft.net框架的应用程序即泵送可视化辅助软件。该软件具有自动计算并显示作业基础数据(射孔深度、射厚、零长等),自动定位、跟踪,电缆张力、速度等参数自动显示以及语音提示和作业数据报表输出等基本功能。主要技术优势:①射孔作业所有的数据数字化,作业信息能够持久性存储;②施工参数与施工状态在主屏幕实时显示;③语音提示系统及时播报重要施工节点信息;④可输出施工作业基础数据报表和技术参数报表。

泵送可视化辅助软件是根据实际分簇射孔作业情况开发的国内首套泵送作业可视化软件,作业针对性极强,不仅能够简化分簇射孔作业中施工参数与数量种类繁多的问题,同时能够准确地反应井下管串的运行情况,技术人员据此可及时调整泵入排量、速度等参数,以保证泵送作业的安全。

2 现场应用

目前,仅川庆钻探公司采用的桥塞与分簇射孔联作工艺就已在川渝地区长宁威远、涪陵焦石坝、昭通这3个国家级页岩气示范区以及川渝地方政府与企业合建的页岩气开发区块应用近200井次,作业成功率100%,有效降低了作业成本达30%以上,大大地提高了作业时效。另外,也创下了川渝地区页岩气井分簇射孔作业的多项记录,例如水平段最长2 099 m,单井坐封桥塞最多26个,单井射孔簇数最多为80簇,泵送作业井口最高压力为80 MPa,配合并完成了中国首次平台井工厂化压裂开发,部分典型井应用统计见表3。

表3 川渝地区部分页岩气井应用统计表

2.1 H2井组

H2井组位于四川长宁背斜构造,该井组由H21井、H2-2井、H2-3井和H2-4井共4口井组成,平均井深约3 710 m,水平段长度范围为967～1 360 m。根据压裂设计对该井组施工并采用每2口井配对的工厂化压裂开发模式(见图4)[2],即2口井射孔作业的同时,另2口井实施压裂,2组井交替不间断进行射孔和压裂作业。该井组通过连续10 d的不间断作业,共计完成 44层141簇的射孔作业,坐封桥塞47个[15],在中国首次实现了分簇射孔配合同步工厂化压裂作业。

图4 同步工厂化压裂示意图

2.2 201井

201井位于重庆市川东高陡构造的1口页岩气水平井,该井井深3 728.0 m,水平段长1 653.0 m,设计射孔与压裂段共为27段,其中第12、13、19和26段采用定向分簇射孔技术。该井通过13 d连续作业,完成全部分簇射孔作业,其中坐封复合桥塞26个,射孔簇数80簇,创造目前川庆公司在川渝地区单井射孔簇数与桥塞坐封数量的记录,同时采用的定向分簇射孔器解决了该水平井既定向射孔又分簇射孔的难题。

3 结论与建议

(1) 桥塞与分簇射孔联作工艺是页岩气等非常规油气开发中一项重要的技术,包括配套的桥塞技术、分簇射孔器、多级点火技术、泵送作业控制以及井口防喷等技术等,近年来该工艺在川渝地区页岩气井中已规模化应用,总体效果良好。

(2) 建议实际作业前应根据井基本地质、井筒以及现场情况等因素,综合考虑并优选封堵桥塞以及分簇射孔器类型,以获得更好的改造效果和产能,实现最大化的开发效益。

(3) 在目前技术基础上,加强分簇射孔技术优化研究,提高该工艺的耐温、抗压以及安全可靠性等,以满足深井(斜深>6 000 m)、超长水平段(>2 500 m)的泵送分簇射孔作业。

(4) 泵送可视化辅助软件成功开发与应用可有效保证泵送作业管串的安全,同时为进入“互联网+射孔”时代积累了实践经验,据此,应将分簇射孔技术向信息化、数字化、智能化、可视化的方向进一步发展。

(5) 针对存在客观井筒问题、管串泵送作业困难等难点的作业段,建议开发并应用连续油管输送进行分簇射孔的配套工艺技术。

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