新型的連續(xù)油管壓裂用無(wú)線接箍定位器[特制材料]

1、新型的連續(xù)油管壓裂用無(wú)線接箍定位器一、前言連續(xù)油管在油井的壓裂作業(yè)中是一個(gè)比較新的項(xiàng)目,到目前為止,利用連續(xù)油管壓裂的油井?dāng)?shù)量超過(guò)5000口,絕大多數(shù)的井是在過(guò)去的34年中壓裂的,并且其中的三分之一是2001年完成的。象連續(xù)油管進(jìn)行的其它作業(yè)一樣，油井增產(chǎn)措施的限制因素就是連續(xù)油管自身的大小和長(zhǎng)度。因?yàn)檫B續(xù)油管的規(guī)格越來(lái)越大，強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，連續(xù)油管的使用也就越來(lái)越廣泛。連續(xù)油管壓裂作業(yè)表現(xiàn)尤為突出。因?yàn)檫B續(xù)油管的疲勞壽命和強(qiáng)度已經(jīng)提高到了幾年以上，用連續(xù)油管壓裂，經(jīng)濟(jì)效益也有了提高。而從前用大規(guī)格連續(xù)油管進(jìn)行此項(xiàng)作業(yè)不切實(shí)際，為支付連續(xù)油管費(fèi)用，作業(yè)公司不得不收取較多的費(fèi)用來(lái)補(bǔ)償。連續(xù)油管壓裂

2、特別適合于具有多薄層的淺井。利用連續(xù)油管,在這類(lèi)井上進(jìn)行壓裂施工比用常規(guī)方法能縮短很多時(shí)間,可在一天內(nèi)完成一口井的壓裂工作。加拿大的一個(gè)作業(yè)隊(duì)利用同一套設(shè)備,在一天的時(shí)間內(nèi)壓裂了兩口井。這是由于連續(xù)油管能迅速地重新就位封隔器,從一個(gè)層位到另一個(gè)層位,并且能在欠平衡的條件下完成這一工作,而常規(guī)的壓裂作業(yè)利用連接的油管完成一個(gè)層位的壓裂后,必須在過(guò)平衡條件下移動(dòng)工具到下一個(gè)層位。連續(xù)油管壓裂作業(yè)在加拿大已經(jīng)開(kāi)展了幾年，實(shí)際上，使用這這一方法進(jìn)行油井增產(chǎn)的井多數(shù)都在加拿大。然而在美國(guó)現(xiàn)在也開(kāi)展了幾個(gè)地區(qū)，多數(shù)在科羅拉多、德克薩斯、阿拉巴馬、維吉尼亞州。在英國(guó)，英格蘭和愛(ài)爾蘭也已進(jìn)行了連續(xù)油管作業(yè)。事

3、實(shí)上，這些工作都是在陸上多薄互層的淺井上進(jìn)行的。不論在什么油田,應(yīng)用連續(xù)油管進(jìn)行壓裂作業(yè)的技術(shù)是相似的,一套大直徑的連續(xù)油管管柱是獲得足夠的流速以進(jìn)行合適的地層壓裂所必需的。連續(xù)油管管柱多數(shù)使用的是直徑23/8-in或27/8-in。多數(shù)連續(xù)油管設(shè)備都有一個(gè)完整的井架，以支撐投送頭和防噴管。使用防噴管是為了在欠平衡的條件下從井里起出工具。連續(xù)油管壓裂用的工具串多數(shù)都由一些跨隔封隔器組成的。圖1給出了一個(gè)常用的封隔器總成設(shè)計(jì)。該封隔器總成針對(duì)連續(xù)油管壓裂作業(yè)做了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，有如下特點(diǎn)：平衡閥封隔器在被解封和移動(dòng)到下一層位之前，可以平衡壓力。下部卡瓦的設(shè)計(jì)不需要旋轉(zhuǎn)外部芯軸來(lái)解封，使封隔器解封更容易

4、。上部皮碗式封隔器當(dāng)工具下入井中要反洗井時(shí)，可以進(jìn)行反循環(huán)。多次坐封能夠坐封、解封，可靠地移動(dòng)許多次。圖示封隔器在連續(xù)油管壓裂中被成功使用了上千口井，適用于41/251/2-in的套管。標(biāo)準(zhǔn)的封隔器總成操作過(guò)程要求工具下入井中進(jìn)行反循環(huán)。這有助于減小上部皮碗式封隔器與套管壁的摩擦力。反循環(huán)也能夠洗出射孔后進(jìn)入井中的地層碎屑。工具串到達(dá)要壓裂的第一層后，封隔器先上提2英尺，然后給封隔器總成向下施加一個(gè)重力，封隔器就完成了坐封。下部的卡瓦將錨定在套管壁上，下部的封隔器膠筒也將密封了井筒。就開(kāi)始了連續(xù)油管壓裂作業(yè)。壓裂完成后，就可以反排。通過(guò)連續(xù)油管上提，封隔器就可以解封，并移動(dòng)到下一層位。二、連續(xù)

5、油管深度控制連續(xù)油管裝置的井架高度限定了投放頭下面使用多長(zhǎng)的防噴管（見(jiàn)圖2）。在大多數(shù)情況下,防噴管的長(zhǎng)度將跨隔封隔器的長(zhǎng)度限定為25ft,使用連續(xù)油管進(jìn)行壓裂作業(yè)的層位的典型厚度為520ft。當(dāng)使用25ft的跨隔封隔器壓裂一個(gè)20ft厚的層位時(shí),在層位的兩端僅有21/2ft的公差。 圖 1 連續(xù)油管 壓裂封隔器總成跨隔封隔器不在設(shè)計(jì)的深度坐封可導(dǎo)致多方面問(wèn)題。如果封隔器坐封過(guò)低,上部的封隔器將會(huì)低于該層位頂部的射孔。首先,由于壓裂不完全直接導(dǎo)致產(chǎn)量降低,尤其是低滲透地層,未得到壓裂的部分就不會(huì)有增產(chǎn)的可能；其次,當(dāng)液體泵入時(shí)在上部封隔器周?chē)a(chǎn)生流體竄槽；第三,砂子進(jìn)入并堆積在上部封隔器的上部

6、,甚至?xí)斐晒ぞ叽纳翱?。圖 2井架高度決定防噴管的長(zhǎng)度封隔器坐封過(guò)高會(huì)造成同樣的問(wèn)題。射孔低于下封隔器,會(huì)因有未處理的射孔而造成產(chǎn)量降低,引起竄槽問(wèn)題,以及砂子竄入并沉積在井底封隔器總成的下封隔器以下引起砂卡。對(duì)于連續(xù)油管來(lái)說(shuō),在高精度的深度公差帶狀態(tài)下工作仍是一個(gè)難題。絕大多數(shù)的連續(xù)油管裝置使用簡(jiǎn)單的輪式測(cè)量器或光學(xué)編碼器,或者兩者同時(shí)使用來(lái)控制下入井中的連續(xù)油管的長(zhǎng)度。輪式測(cè)量器的滾輪沿著連續(xù)油管的外表面轉(zhuǎn)動(dòng)并測(cè)量其長(zhǎng)度,當(dāng)滾輪磨損后,將在滾輪上產(chǎn)生溝槽。即使一個(gè)像一張紙厚的淺槽,在5000ft深的井中也會(huì)產(chǎn)生61/2ft的誤差。輪式測(cè)量器滾輪軸的軸承會(huì)隨著時(shí)間的推移以及水和污物的侵入變

7、得粗糙,從而使?jié)L輪產(chǎn)生滑動(dòng)而不是滾動(dòng)。為了解決滾輪測(cè)量器精度差的問(wèn)題,一些連續(xù)油管制造商在投放頭傳動(dòng)裝置上安裝了光學(xué)編碼器。因夾頭滑輪鏈條伸長(zhǎng)等因素,在一定程度上夾頭滑輪和連續(xù)油管之間仍有滑動(dòng)。大多數(shù)直接安裝在傳動(dòng)裝置上的測(cè)量器具有測(cè)深比實(shí)際淺的傾向。通常直接安裝在投放頭傳動(dòng)裝置上的光學(xué)編碼器具有較差的精度,有時(shí)甚至比滾輪測(cè)量器的誤差還大。既使連續(xù)油管裝置上的深度測(cè)量器工作完好,并對(duì)下入井中的連續(xù)油管長(zhǎng)度測(cè)量精確,在電纜測(cè)井與連續(xù)油管工具串之間仍存在深度差異,注意到這一點(diǎn)很重要。對(duì)于裸眼測(cè)井輕微的井深誤差并不罕見(jiàn),這些測(cè)井資料成為后來(lái)其他測(cè)井的基礎(chǔ)。所以,即使把連續(xù)油管的測(cè)量裝置通過(guò)加多滾輪和

8、深度補(bǔ)償軟件的方法來(lái)提高精度也不能使之與電纜測(cè)井相一致。三、無(wú)線套管接箍定位器(WCCL)為解決連續(xù)油管深度測(cè)量不準(zhǔn)確這個(gè)問(wèn)題,三年前開(kāi)發(fā)出無(wú)線套管接箍定位器(WCCL)。該裝置用電池供電,當(dāng)工具經(jīng)過(guò)井內(nèi)時(shí)向地面送一個(gè)壓力脈沖,顯示套管接箍、油管接箍或其他類(lèi)型的徑向穿孔的位置,不需要電纜傳送動(dòng)力和傳輸數(shù)據(jù)。圖3給出了一個(gè)WCCL的剖面圖。WCCL與有線套管接箍定位器相似,利用線圈和磁鐵來(lái)探測(cè)套管因接箍或徑向孔眼引起的金屬質(zhì)量的變化。當(dāng)WCCL通過(guò)一個(gè)接箍時(shí),線圈和磁鐵會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的電壓脈沖,把它作為一個(gè)開(kāi)關(guān)給工具里的電磁閥送入電池動(dòng)力。測(cè)井時(shí),以0.51.0bbl/min的排量泵入液體通過(guò)WC

9、CL,一旦線路板接通電磁閥的電池動(dòng)力,工具就通過(guò)滑動(dòng)活塞關(guān)閉通路,其通路被阻滯3s。3s結(jié)束后,通到電磁閥的電池動(dòng)力被斷開(kāi),工具被重新打開(kāi)。在與深度相對(duì)應(yīng)的壓力測(cè)井中能清楚地看到一個(gè)壓力尖脈沖。測(cè)井結(jié)果與已有的有線測(cè)井資料進(jìn)行對(duì)比,對(duì)連續(xù)油管測(cè)量器進(jìn)行深度校正。通常要進(jìn)行第二次測(cè)井,以確定連續(xù)油管測(cè)量器被適當(dāng)?shù)刂刂谩２僮鲉T對(duì)深度計(jì)數(shù)器調(diào)整滿(mǎn)意后，WCCL就可以從測(cè)井模式轉(zhuǎn)換到工具底部流出模式。在測(cè)井時(shí)，WCCL有一個(gè)滑套，阻止流體從工具底部流出。這一特點(diǎn)被設(shè)計(jì)進(jìn)工具中，作為一個(gè)預(yù)防措施，有助于防止浪涌壓力觸發(fā)油管傳輸射孔中的壓力點(diǎn)火頭。測(cè)井完成后，投球落到工具內(nèi)的球座上，用壓力剪斷銷(xiāo)釘，并移動(dòng)

10、滑套?；滓苿?dòng)后，原流過(guò)測(cè)井噴口的流體就被阻止，而通過(guò)一個(gè)小噴口流到工具底部。這時(shí)就可以進(jìn)行射孔和投擲橋塞作業(yè)。上面討論的WCCL工具主要是用于射孔或投擲橋塞前的深度控制。工具參數(shù)見(jiàn)表1。表 1 現(xiàn)有無(wú)線套管接箍定位器參數(shù)工具外徑（In.）工具內(nèi)徑（In.）球座流通面積（In.2）耐溫()長(zhǎng)度（ft）最大流量(bbl/min)2.250.4950.1153007.141.53.250.500.1654009.482.0限定工具的流量小于普通井的壓裂流量。此外,現(xiàn)有的兩種WCCL工具的流道有較大的彎曲,壓裂時(shí)泵入攜砂液的量也不令人滿(mǎn)意,因此必須設(shè)計(jì)出一種新型的大孔徑WCCL,來(lái)滿(mǎn)足連續(xù)油管壓裂作

11、業(yè)的要求。 圖 3射孔或坐封橋塞的WCCL剖面圖 圖4 連續(xù)油管壓裂的WCCL剖面圖1.新型大通徑WCCL基于連續(xù)油管壓裂作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有的WCCL工具的使用經(jīng)驗(yàn),對(duì)新設(shè)計(jì)的工具確定了如下參數(shù):內(nèi)通徑必須足以處理流量為12bbl/min的攜砂液；能在41/2-in套管內(nèi)工作；在下入井中時(shí)能夠進(jìn)行反循環(huán)；必須承受300的井底溫度和15000lb/in2的井底壓力;從測(cè)井狀態(tài)轉(zhuǎn)到壓裂狀態(tài)不用投球。工具設(shè)計(jì)者要設(shè)計(jì)出電池組、電路板及位于中心管與工具外殼間的環(huán)型空間里的電磁閥等部件,而能在41/2-in套管內(nèi)工作這一點(diǎn)限制了工具的外徑,為了最大限度地?cái)U(kuò)大工具的內(nèi)徑,其外徑選為31/2-in,這就剩下了

12、充足的空間11/2-in的內(nèi)徑（見(jiàn)圖4）。用連續(xù)油管壓裂的大多數(shù)待選井井深小于10000ft且井底溫度和壓力相對(duì)較低。根據(jù)這些情況,工具設(shè)計(jì)者認(rèn)為工具達(dá)到300的溫度要求就足夠了。對(duì)于井底溫度達(dá)到250的井采用AA堿性電池是可行的,高于這一溫度,就應(yīng)選用鋰電池。表2給出了該工具的參數(shù)。表2大孔徑WCCL參數(shù)工具外徑（In.）工具內(nèi)徑（In.）球座流通面積（In.2）耐溫()長(zhǎng)度（ft）最大流量(bbl/min)3.501.25-3005.4312.0大多數(shù)的連續(xù)油管壓裂作業(yè)用12bbl/min或稍小的流量完成。工具設(shè)計(jì)者使用計(jì)算機(jī)模型確定,在此流量條件下11/2-in的內(nèi)徑使用清水時(shí)通過(guò)工具的

13、壓力降為80lb/in2,使用攜砂稠化液時(shí)的工具壓力降為25lb/in2。2.工具操作為了工具下井過(guò)程中,進(jìn)行反循環(huán)，在工具的下端設(shè)計(jì)了一個(gè)活瓣,該活瓣在液體從WCCL底部進(jìn)入工具時(shí)打開(kāi),當(dāng)反循環(huán)停止時(shí)關(guān)閉（見(jiàn)圖5）。測(cè)井時(shí)活瓣處于關(guān)閉狀態(tài),所有泵入連續(xù)油管的液體都從側(cè)噴口流出（見(jiàn)圖6）。與以前的WCCL一樣,當(dāng)一個(gè)接箍被檢測(cè)到時(shí),電磁閥打開(kāi)使液體從滑動(dòng)活塞上部進(jìn)入,活塞向下充分運(yùn)動(dòng)以封住排出口。然后,電磁閥斷電,活塞縮回（見(jiàn)圖7）。排出口可以采用不同尺寸的噴嘴,但最常用的噴嘴直徑是0.25in和0.375in。這些尺寸的噴嘴允許測(cè)井排量為1.01.75bbl/min,這一排量在連續(xù)油管壓裂所

14、用泵的工作范圍內(nèi)。當(dāng)連續(xù)油管壓裂的測(cè)井部分完成,連續(xù)油管深度測(cè)量器得到校正,把工具從測(cè)井模式改為壓裂模式,壓裂作業(yè)便可以進(jìn)行了。先前的WCCL工具要通過(guò)投球來(lái)改變工作模式,這樣做是為保證使用壓力激發(fā)點(diǎn)火裝置時(shí)的安全。從事連續(xù)油管壓裂的技術(shù)人員提出了不使用投球來(lái)改變工作模式的要求,這不僅節(jié)省時(shí)間而且降低流體用量。工具設(shè)計(jì)者通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)與剪釘一同固定的滑套來(lái)解決工作模式轉(zhuǎn)換問(wèn)題(轉(zhuǎn)變到壓裂模式)。為了剪斷剪釘,泵排量從通常的測(cè)井模式的1.01.75bbl/min增加到3.04.0bbl/min。在這一排量下,工具內(nèi)的回壓(液體從側(cè)噴嘴流出而產(chǎn)生的)將會(huì)超過(guò)剪釘?shù)膹?qiáng)度。當(dāng)剪釘被剪斷,滑套下移把側(cè)噴口

15、堵塞。一旦側(cè)噴口堵塞,工具內(nèi)壓力繼續(xù)上升。在壓力達(dá)到4500psi時(shí),安裝于瓣形止回閥的中空瓣上的破裂膜片破裂（見(jiàn)圖8）。在工具的中心打開(kāi)一個(gè)11/4-in直徑的通路。為了確保滑套堵住側(cè)噴口,卡在滑套凹槽中的卡環(huán)在滑套下行到位后卡住滑套防止其退回。3.使用大通徑WCCL的實(shí)例第一個(gè)大通徑WCCL工具在2001年的第三季度進(jìn)行了裝配,并立即進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)以檢驗(yàn)測(cè)井模式下的工具性能,隨后進(jìn)行了滑套、破裂模片功能的試驗(yàn)以確保工具模式轉(zhuǎn)換如同所設(shè)計(jì)的一樣。最后,工具用排量為12bbl/in2的攜砂液在流動(dòng)環(huán)路中進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)情況,對(duì)工具的下部進(jìn)行了改進(jìn)以增強(qiáng)其壽命。 圖7檢測(cè)到接箍時(shí)工具狀態(tài) 圖

16、8壓裂時(shí)工具狀態(tài)2001年的10月下旬,該工具在加拿大進(jìn)行了第一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。應(yīng)用情況見(jiàn)表3。工作A是在MedicineHat的一口淺氣井。該井的測(cè)井曲線見(jiàn)圖9。該工具測(cè)出了一些虛假的接箍,并且有活塞粘卡現(xiàn)象,電磁閥有缺陷是造成測(cè)井不正常的原因。對(duì)比是合理的,在連續(xù)油管壓裂作業(yè)開(kāi)始前連續(xù)油管裝置的測(cè)量器被校正了5ft(比實(shí)際淺)。工具轉(zhuǎn)換到壓裂模式正如所設(shè)計(jì)的一樣,在壓裂過(guò)程中,通過(guò)工具泵入了80t的支撐劑,這次作業(yè)施工了9層。工作B是加拿大的另一口淺氣井。測(cè)井曲線見(jiàn)圖10。活塞粘卡現(xiàn)象再次發(fā)生,但測(cè)井曲線是合理的,完成了與有線測(cè)井的對(duì)比,這次井深校正量是8.2ft。成功地轉(zhuǎn)換到壓裂模式后,通過(guò)

17、工具壓進(jìn)了50t的支撐劑,這次作業(yè)施工了7層。工作C是加拿大的另一口淺氣井。測(cè)井曲線見(jiàn)圖11。這次測(cè)井情況良好,沒(méi)發(fā)生活塞粘卡現(xiàn)象。在這口井中,連續(xù)油管壓裂裝置測(cè)量器所測(cè)得井深與有線測(cè)井的實(shí)際井深僅有0.5ft的偏差。在轉(zhuǎn)換到壓裂模式后,通過(guò)工具壓進(jìn)了65t的支撐劑,這次作業(yè)施工了7層。工作D是美國(guó)Colorado的一口煤層氣井（見(jiàn)圖12）。令人驚訝的是連續(xù)油管裝置測(cè)量器工作情況極好,與有線測(cè)井比較,其井深已經(jīng)沒(méi)有校正的必要。在轉(zhuǎn)換到壓裂模式后,通過(guò)WCCL工具壓進(jìn)了65t的支撐劑,這次作業(yè)施工了5層。工作E是美國(guó)WestTexas的一口氣井（見(jiàn)圖13）。WCCL測(cè)井與有線測(cè)井比較,發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管裝置深度測(cè)量器所測(cè)井深淺了20ft。在轉(zhuǎn)換到壓裂模式之后,在連續(xù)油管中泵入時(shí)懷疑封隔器泄漏。由于懷疑封隔器有問(wèn)題,在連續(xù)油管上做了油漆標(biāo)記,把工具從井中起出,檢查發(fā)現(xiàn)工具的滑套沒(méi)有下行到壓裂位置。其原因是在瓣形止回閥的活舌下部存在一些雜質(zhì),使其不能密封。把封隔器重新下回井中至油漆標(biāo)記處后,完成了連續(xù)油管壓裂作業(yè)。4.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)摘要基于這些最初