新型的連續(xù)油管壓裂用無線接箍定位器特制材料

1、新型的連續(xù)油管壓裂用無線接箍定位器一、前言連續(xù)油管在油井的壓裂作業(yè)中是一個比較新的項目,到目前為止,利用連續(xù)油管壓裂的油井數(shù)量超過5000口,絕大多數(shù)的井是在過去的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度。因為連續(xù)油管的規(guī)格越來越大，強度越來越強，連續(xù)油管的使用也就越來越廣泛。連續(xù)油管壓裂作業(yè)表現(xiàn)尤為突出。因為連續(xù)油管的疲勞壽命和強度已經(jīng)提高到了幾年以上，用連續(xù)油管壓裂，經(jīng)濟效益也有了提高。而從前用大規(guī)格連續(xù)油管進行此項作業(yè)不切實際，為支付連續(xù)油管費用，作業(yè)公司不得不收取較多的費用來補償。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,在這類井上進行壓裂施工比用常規(guī)方法能縮短很多時間,可在一天內(nèi)完成一口井的壓裂工作。加拿大的一個作業(yè)隊利用同一套設(shè)備,在一天的時間內(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,從一個層位到另一個層位,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層位的壓裂后,必須在過平衡條件下移動工具到下一個層位。連續(xù)油管壓裂作業(yè)在加拿大已經(jīng)開展了幾年，實際上，使用這這一方法進行油井增產(chǎn)的井多數(shù)都在加拿大。然而在美國現(xiàn)在也開展了幾個地區(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，英格蘭和愛爾蘭也已進行了連續(xù)油管作業(yè)。事

3、實上，這些工作都是在陸上多薄互層的淺井上進行的。不論在什么油田,應用連續(xù)油管進行壓裂作業(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給出了一個常用的封隔器總成設(shè)計。該封隔器總成針對連續(xù)油管壓裂作業(yè)做了專門設(shè)計，有如下特點：平衡閥封隔器在被解封和移動到下一層位之前，可以平衡壓力。下部卡瓦的設(shè)計不需要旋轉(zhuǎn)外部芯軸來解封，使封隔器解封更容易

4、。上部皮碗式封隔器當工具下入井中要反洗井時，可以進行反循環(huán)。多次坐封能夠坐封、解封，可靠地移動許多次。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。標準的封隔器總成操作過程要求工具下入井中進行反循環(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入井中的地層碎屑。工具串到達要壓裂的第一層后，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。就開始了連續(xù)油管壓裂作業(yè)。壓裂完成后，就可以反排。通過連續(xù)油管上提，封隔器就可以解封，并移動到下一層位。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的防噴管（見圖2）。在大多數(shù)情況下,防噴管的長度將跨隔封隔器的長度限定為25ft,使用連續(xù)油管進行壓裂作業(yè)的層位的典型厚度為520ft。當使用25ft的跨隔封隔器壓裂一個20ft厚的層位時,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)計的深度坐封可導致多方面問題。如果封隔器坐封過低,上部的封隔器將會低于該層位頂部的射孔。首先,由于壓裂不完全直接導致產(chǎn)量降低,尤其是低滲透地層,未得到壓裂的部分就不會有增產(chǎn)的可能；其次,當液體泵入時在上部封隔器周圍產(chǎn)生流體竄槽；第三,砂子進入并堆積在上部封隔器的上部

6、,甚至會造成工具串的砂卡。圖 2井架高度決定防噴管的長度封隔器坐封過高會造成同樣的問題。射孔低于下封隔器,會因有未處理的射孔而造成產(chǎn)量降低,引起竄槽問題,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。對于連續(xù)油管來說,在高精度的深度公差帶狀態(tài)下工作仍是一個難題。絕大多數(shù)的連續(xù)油管裝置使用簡單的輪式測量器或光學編碼器,或者兩者同時使用來控制下入井中的連續(xù)油管的長度。輪式測量器的滾輪沿著連續(xù)油管的外表面轉(zhuǎn)動并測量其長度,當滾輪磨損后,將在滾輪上產(chǎn)生溝槽。即使一個像一張紙厚的淺槽,在5000ft深的井中也會產(chǎn)生61/2ft的誤差。輪式測量器滾輪軸的軸承會隨著時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)生滑動而不是滾動。為了解決滾輪測量器精度差的問題,一些連續(xù)油管制造商在投放頭傳動裝置上安裝了光學編碼器。因夾頭滑輪鏈條伸長等因素,在一定程度上夾頭滑輪和連續(xù)油管之間仍有滑動。大多數(shù)直接安裝在傳動裝置上的測量器具有測深比實際淺的傾向。通常直接安裝在投放頭傳動裝置上的光學編碼器具有較差的精度,有時甚至比滾輪測量器的誤差還大。既使連續(xù)油管裝置上的深度測量器工作完好,并對下入井中的連續(xù)油管長度測量精確,在電纜測井與連續(xù)油管工具串之間仍存在深度差異,注意到這一點很重要。對于裸眼測井輕微的井深誤差并不罕見,這些測井資料成為后來其他測井的基礎(chǔ)。所以,即使把連續(xù)油管的測量裝置通過加多滾輪和

8、深度補償軟件的方法來提高精度也不能使之與電纜測井相一致。三、無線套管接箍定位器(wccl)為解決連續(xù)油管深度測量不準確這個問題,三年前開發(fā)出無線套管接箍定位器(wccl)。該裝置用電池供電,當工具經(jīng)過井內(nèi)時向地面送一個壓力脈沖,顯示套管接箍、油管接箍或其他類型的徑向穿孔的位置,不需要電纜傳送動力和傳輸數(shù)據(jù)。圖3給出了一個wccl的剖面圖。wccl與有線套管接箍定位器相似,利用線圈和磁鐵來探測套管因接箍或徑向孔眼引起的金屬質(zhì)量的變化。當wccl通過一個接箍時,線圈和磁鐵會產(chǎn)生一個小的電壓脈沖,把它作為一個開關(guān)給工具里的電磁閥送入電池動力。測井時,以0.51.0bbl/min的排量泵入液體通過wc

9、cl,一旦線路板接通電磁閥的電池動力,工具就通過滑動活塞關(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力被斷開,工具被重新打開。在與深度相對應的壓力測井中能清楚地看到一個壓力尖脈沖。測井結(jié)果與已有的有線測井資料進行對比,對連續(xù)油管測量器進行深度校正。通常要進行第二次測井,以確定連續(xù)油管測量器被適當?shù)刂刂?。操作員對深度計數(shù)器調(diào)整滿意后，wccl就可以從測井模式轉(zhuǎn)換到工具底部流出模式。在測井時，wccl有一個滑套，阻止流體從工具底部流出。這一特點被設(shè)計進工具中，作為一個預防措施，有助于防止浪涌壓力觸發(fā)油管傳輸射孔中的壓力點火頭。測井完成后，投球落到工具內(nèi)的球座上，用壓力剪斷銷釘，并移動

10、滑套。滑套移動后，原流過測井噴口的流體就被阻止，而通過一個小噴口流到工具底部。這時就可以進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)見表1。表 1 現(xiàn)有無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,壓裂時泵入攜砂液的量也不令人滿意,因此必須設(shè)計出一種新型的大孔徑wccl,來滿足連續(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)驗和現(xiàn)有的wccl工具的使用經(jīng)驗,對新設(shè)計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；在下入井中時能夠進行反循環(huán)；必須承受300的井底溫度和15000lb/in2的井底壓力;從測井狀態(tài)轉(zhuǎn)到壓裂狀態(tài)不用投球。工具設(shè)計者要設(shè)計出電池組、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)工作這一點限制了工具的外徑,為了最大限度地擴大工具的內(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較低。根據(jù)這些情況,工具設(shè)計者認為工具達到300的溫度要求就足夠了。對于井底溫度達到250的井采用aa堿性電池是可行的,高于這一溫度,就應選用鋰電池。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)計者使用計算機模型確定,在此流量條件下11/2-in的內(nèi)徑使用清水時通過工具的

13、壓力降為80lb/in2,使用攜砂稠化液時的工具壓力降為25lb/in2。2.工具操作為了工具下井過程中,進行反循環(huán)，在工具的下端設(shè)計了一個活瓣,該活瓣在液體從wccl底部進入工具時打開,當反循環(huán)停止時關(guān)閉（見圖5）。測井時活瓣處于關(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（見圖6）。與以前的wccl一樣,當一個接箍被檢測到時,電磁閥打開使液體從滑動活塞上部進入,活塞向下充分運動以封住排出口。然后,電磁閥斷電,活塞縮回（見圖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)。當連續(xù)油管壓裂的測井部分完成,連續(xù)油管深度測量器得到校正,把工具從測井模式改為壓裂模式,壓裂作業(yè)便可以進行了。先前的wccl工具要通過投球來改變工作模式,這樣做是為保證使用壓力激發(fā)點火裝置時的安全。從事連續(xù)油管壓裂的技術(shù)人員提出了不使用投球來改變工作模式的要求,這不僅節(jié)省時間而且降低流體用量。工具設(shè)計者通過設(shè)計一個與剪釘一同固定的滑套來解決工作模式轉(zhuǎn)換問題(轉(zhuǎn)變到壓裂模式)。為了剪斷剪釘,泵排量從通常的測井模式的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)將會超過剪釘?shù)膹姸?。當剪釘被剪?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。在壓力達到4500psi時,安裝于瓣形止回閥的中空瓣上的破裂膜片破裂（見圖8）。在工具的中心打開一個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的實例第一個大通徑wccl工具在2001年的第三季度進行了裝配,并立即進行了室內(nèi)試驗以檢驗測井模式下的工具性能,隨后進行了滑套、破裂模片功能的試驗以確保工具模式轉(zhuǎn)換如同所設(shè)計的一樣。最后,工具用排量為12bbl/in2的攜砂液在流動環(huán)路中進行了試驗。根據(jù)試驗情況,對工具的下部進行了改進以增強其壽命。 圖7檢測到接箍時工具狀態(tài) 圖

16、8壓裂時工具狀態(tài)2001年的10月下旬,該工具在加拿大進行了第一次現(xiàn)場試驗。應用情況見表3。工作a是在medicinehat的一口淺氣井。該井的測井曲線見圖9。該工具測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井不正常的原因。對比是合理的,在連續(xù)油管壓裂作業(yè)開始前連續(xù)油管裝置的測量器被校正了5ft(比實際淺)。工具轉(zhuǎn)換到壓裂模式正如所設(shè)計的一樣,在壓裂過程中,通過工具泵入了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。測井曲線見圖10。活塞粘卡現(xiàn)象再次發(fā)生,但測井曲線是合理的,完成了與有線測井的對比,這次井深校正量是8.2ft。成功地轉(zhuǎn)換到壓裂模式后,通過

17、工具壓進了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。測井曲線見圖11。這次測井情況良好,沒發(fā)生活塞粘卡現(xiàn)象。在這口井中,連續(xù)油管壓裂裝置測量器所測得井深與有線測井的實際井深僅有0.5ft的偏差。在轉(zhuǎn)換到壓裂模式后,通過工具壓進了65t的支撐劑,這次作業(yè)施工了7層。工作d是美國colorado的一口煤層氣井（見圖12）。令人驚訝的是連續(xù)油管裝置測量器工作情況極好,與有線測井比較,其井深已經(jīng)沒有校正的必要。在轉(zhuǎn)換到壓裂模式后,通過wccl工具壓進了65t的支撐劑,這次作業(yè)施工了5層。工作e是美國westtexas的一口氣井（見圖13）。wccl測井與有線測井比較,發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管裝置深度測量器所測井深淺了20ft。在轉(zhuǎn)換到壓裂模式之后,在連續(xù)油管中泵入時懷疑封隔器泄漏。由于懷疑封隔器有問題,在連續(xù)油管上做了油漆標記,把工具從井中起出,檢查發(fā)現(xiàn)工具的滑套沒有下行到壓裂位置。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記處后,完成了連續(xù)油管壓裂作業(yè)。4.現(xiàn)場試驗摘要基于這些最初