连续油管压裂技术现状 - 图文

连续油管压裂技术现状

概况

连续油管起源于二次世界大战期间，自六十年代开始用于石油工业。全世界的连续油油管作业设备，1962年第1台，七十年代中期有约200多台， 1993年有约561台；2001年2月有约850台；2004年1月有约1050台，主要分布在北美、南美和欧洲等地。目前，在国际市场上的连续管服务队伍拥有450多台连续油管设备，加拿大有239台，美国有253台。我国已经引进了大约16套连续油管作业设备，主要用于修井作业，还未用于钻井。

连续油管起初作为经济有效的井筒清理工具而在市场上赢得了立足之地。传统的修井和完井作业的经济收入占连续油管作业总收入的四分之三以上。连续油管设备在油气田上的应用范围持续扩大，连续管钻井技术和连续管压裂技术成为近年来发展最快的两项技术。

连续油管压裂是一种新的安全、经济、高效的油田服务技术，从九十年代后期开始在油、气田上得到应用，截止2001年，连续油管压裂井数估计超过5000口。

连续油管压裂作业已经在加拿大应用多年。实际上，前面所述的连续油管压裂井的大多数属于加拿大的气井。现在，美国的几个地区，主要是科罗拉多（Colorado）、德克萨斯（Texas）、亚拉巴马（Alabama）和弗吉尼亚（Virginia），也已进行连续油管压裂作业。在英国的英格兰（England）和爱尔兰（Ireland）也已经实施了连续油管压裂作业。

连续油管压裂作业是在陆上的油、气井中实施的。压裂层位的深度为3000英尺左右，最大深度约10000英尺。实践表明，连续油管压裂技术特别适合于具有多个薄油、气层的井进行逐层压裂作业。

同传统压裂相比，连续油管压裂具有下列优点：

? 起下压裂管柱快，移动封隔器总成位置快，从而大大缩短作业时间。 ? 能在欠平衡条件下作业，不需要压死井，从而减轻或避免油气层伤害。 ? 能使每个小层都得到合理的压裂改造，从而使整口井的压裂增产效果更好。 ? 一次下管柱逐层压裂的层数多，可以多达十几个小层。 ? 经济效益好。

压裂设备

用于压裂作业的连续油管装置与通常的连续油管装置基本相同，主要设备包括注入头、连续油管工作滚筒总成、操作室、动力设备、液压系统、井口压力控制设备、吊车等，只是有些设备的技术规格有差别。

用于压裂作业的连续油管装置需要配备芯轴直径较大的工作滚筒以及半径较大的注入头导管架。连续油管在滚筒上和注入头导管架上来回运移时，要经历严重的塑性变形，由此造成的应力—应变循环的强度是影响连续油管寿命的主要因素。连续油管在其材料开始屈服之前可以被弯曲到屈服曲率半径Ry。连续油管的弯曲一旦超过其弯曲半径，其材料就要发生塑性变形。Ry由下式给出：

Ry ＝ Ero／δy

式中 E—弹性模量；

ro—管子外径；

δy—屈服应力。

公称屈服应力为75000psi时连续油管的屈服曲率半径见表1 。实际上，滚筒和鹅颈架

表1 连续油管的屈服曲率半径 连续油管外径 （英寸） Ry （英尺） 1

1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.38 16.6 20.8 25.0 29.2 33.3 39.6 的半径远小于表1所列数据，显然，连续油管在滚筒和鹅颈架上要承受严重的塑性变形。同时，在弯曲点处连续油管的内压也会使其在相同点产生塑性变形。这种由于弯曲和压力引起的塑性变形使连续油管产生疲劳，影响连续油管的寿命。

各种分析模型表明，采用半径较大的滚筒和导管架，能显著增加连续油管的寿命。例如，芯轴直径为104″的滚筒和半径为96″的导管架，比芯轴直径为80″的滚筒和半径为72″的导管架，可使每个连续油管柱的使用次数增加一倍（见图1 ）。

图1 连续油管设备尺寸与连续油管寿命关系

推荐的芯轴直径和导管架架半径列于表2。

表2 常用的滚筒芯轴直径和鹅颈架半径 连续管外径 （英寸） 3/4 1 1-1/4 1-1/2 1-3/4 2 2-3/8 2-7/8 3-1/2 滚筒芯轴直径 （英寸） 48 40—60 50—72 60—80 70—96 80—96 96—108 105—116 130—140 鹅颈架半径 （英寸） 48 48— 54 48— 72 48— 72 72— 96 72— 96 90—120 90—120 90—120

许多连续油管装置带有井架，用于支撑注入头和防喷管系统。图2显示一种带井架的连续油管车。井架的高度取决于需要在注入头下面操作多高的防喷管。大部分情况下，防喷管的高度将压裂工具串的长度限制到大约25英尺（7.6米）。典型的连续油管压裂小层的厚度为5—20英尺（1.5—6.1米）。

连续油管压裂作业还采用三种常规压裂设备，即压裂液配置设备、混砂设备和压裂泵。为降低作业成本以及减少地面设备数量，通常采用一台压裂泵。

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一般采用四闸板防喷器在连续油管压裂过程中控制井筒压力。 为了在不压井条件下起、下井下压裂工具串，需要配备防喷管。

图2 带井架的连续油管车

连续油管

压裂用的连续油管的限制因素主要是油管尺寸和强度。为了达到压开油层所需的足够大的压裂液流量，需要采用大直径的连续油管。由于大直径连续油管的疲劳寿命比小直径连续油管短些，作业公司只得持续不断地研究连续油管的适用性，寻找优化连续油管参数的方法，用以延长压裂管柱的工作寿命。

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选择的管子直径要能允许压裂液的流量达到直至2m/min的设计排量。管子尺寸也要基于压裂液的摩阻压降以及流速加以选择。摩阻会影响地面设备压力，流速会影响磨蚀造成的管壁损失。压裂液在管子中的流速一般限制在30m/s。综合考虑这些因素，合适的管子直径为2-3/8″或2-7/8″。这种尺寸的管子，一是可以使地面压力限制在35—40MPa之间；二是能达到期望的流速而不会造成显著的管壁损失。连续油管壁厚增加，可延长其高压下使用寿命。

管壁的厚度要以携砂流体的磨蚀效应造成的管子金属的损失为基础来加以选择。在管子工作寿命的后期，管子应当仍然有足够的壁厚，以便在综合负荷条件下能承受工作压力。除了管子内部的压裂作业压力外，井下工具总成所需要的压缩力也归于综合负荷。

由于焊缝能降低金属的展延性，管子的疲劳寿命在焊缝部位会缩短，这样就会影响整个管柱的工作寿命。管子的焊缝应当减少，但不可能做到整个管柱没有焊缝，一般会有多达三个焊缝。

屈服强度高于80 000psi的标准连续油管材料，在高压应用中呈现较长的疲劳寿命，在低压应用中呈现较短的疲劳寿命。然而，当管子的横断面的几何形状相同时，用较高屈服强度的材料制成的管子，比用较低屈服强度的材料制成的管子具有更大的承受应力的能力。换言之，较高等级的管子在管壁明显变薄后，仍能承受预期的最大工作压力。

井下工具

井下工具串由跨隔双封隔器组成，应有反复可靠坐封的能力。图3显示一种专门为连续油管压裂工艺设计制造的封隔器总成，其特点如下：

? 能与1-3/4″—2-7/8″连续油管配套使用；

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? 工具设计得易于在多层井中进行逐层压裂作业； ? 可快速更换皮碗；

? 调整修理成本低；

图3 跨隔双封隔器总成

? 可任意调整间隔管长度；

? 不需要特殊的装配或拆卸工具； ? 很少需要反冲洗；

? 适合于4-1/2″、5-1/2″、6-5/8″和7″套管； ? 适宜各种类型的压裂流体；

? 在压裂流体中充入CO2或N2的条件下工作良好； ? 支持配备打捞工具； ? 在煤层气井中工作良好；

? 可采用单皮碗、双皮碗或组合皮碗工具结构； ? 可与套管接箍定位器配合使用； ? 可与油井记录仪配合使用。

封隔器总成的各元件的设计对于封隔器的成功操作是十分关键的。必须要求跨隔双封隔器在一次下入一个井筒中后，能多次在各射孔层段的上、下部位可靠坐封，确保逐层压裂成功。封隔器的橡胶密封件要在压裂过程中能承受大的压差。

压裂参数

? 压裂液

传统压裂工艺的压裂液可以用于连续油管压裂工艺。硼酸盐、钛酸盐交联聚合物水基压裂液应用得很成功。采用较低浓度的聚合物压裂液不会危害作业质量，而会使压裂液更为经济。

连续油管压裂作业中，氮或二氧化碳可以与压裂液一起使用。 ? 支撑剂

连续油管压裂工艺采用20/40目支撑剂，通常用石英砂。 ? 施工参数 压裂流体中混砂浓度大约为1500kg/m。 压裂过程中地表压力在35—40MPa。

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连续油管中压裂液排量为1.5—2.0 m/min。

逐层压裂时每一个小层的砂量较少，但一口井的总砂量与传统压裂相近，为5.0—30吨。

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典型实例

加拿大西部的阿尔伯达（Alberta）省的东南部和（Saskatchewan）省的西南部，有一个浅的天然气区域，面积巨大（390万英亩），东西方向约120英里长，南北方向约70英里宽。加拿大西部的大部分天然气储藏于该区域。该气田发现于1890年。现有生产井21000口，单井年产气量为850万立方米。

在该气田，有许多单独的含气小层因太薄而未能投产。以前，采用限流法压裂工艺技术提高薄层产量。然而，一些作业者和服务公司认为，限流法压裂工艺技术不是这些薄的、多层的砂岩气层的有效增产工艺技术。于是他们选择了连续油管选择性压裂工艺技术来使这些薄气层产气。连续油管压裂工艺技术有下列好处：

? 能选择性地压裂薄气层。 ? 能较快地完井和排液。 ? 早期的产量得到改善。

? 尤其对滞气层进行选择性压裂比采用传统的修井机作业方法经济得多。 气藏地质情况

气藏属于上白垩纪的科罗拉多组地层，由泥岩夹薄的连续的砂岩以及砾岩层组成，是在低能量的海相环境下沉积形成的。

在该气藏钻井时，遇到多个薄的砂岩小层，每个小层3—6英尺厚。一些井中有13个小层之多。所有的产气小层的渗透率低，只有0.2—3md，导致气层的传导性差。有些气层的压力低至500psi。为了经济地开采天然气，必须对这些薄砂层进行水力压裂以便填入支撑剂。

井筒状况

气井已经生产了许多年。气藏浅，其深度范围为1300—2400英尺。采出的气主要是甲烷，在某些区域，水与气一起采出。大部分气井的井筒状况良好，只有很少数存在腐蚀问题。大多数井从生产套管采气。固井质量良好，大多数井的水泥返至井口。

大多数井的生产套管直径为4-1/2″，也有一些井为5-1/2″。采用最基本的一种套管井口装置，由低压闸阀组成。尽管大多数套管不漏气、不漏液体，但一些套管能承受的压力不足3000psi，不能承受泵送压裂液所需的地面压力。这样的套管条件不适合于限流法逐层压裂工艺作业，却非常适合于连续油管逐层压裂工艺作业。

压裂井的射孔层段见图4所示。

图4 压裂井射孔层段

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