國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣水平井分段壓裂工具發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　文章來(lái)源：石油觀察

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　　摘要：頁(yè)巖氣作為典型的非常規(guī)油氣藏資源，具有低孔隙度、極低基質(zhì)滲透率等特征，實(shí)施水平井分段壓裂改造已成為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣藏高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外北美地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并形成了一系列以實(shí)現(xiàn)“體積改造”為目的的頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)及配套工具。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工藝和自主工具研制均取得了很大的進(jìn)步。通過(guò)調(diào)研橋塞/球座+分簇射孔聯(lián)作、套管固井滑套等頁(yè)巖氣水平井分段壓裂技術(shù)，介紹了復(fù)合橋塞、可溶性橋塞、OptiPort、FracPoint等不同工具的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，簡(jiǎn)述了不同工具的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)比分析了不同工具的性能特點(diǎn)，指出可鉆式復(fù)合橋塞系列化研究、可溶性工具的技術(shù)攻關(guān)及無(wú)線智能滑套工具的先導(dǎo)性研究為今后研究的重點(diǎn)攻關(guān)方向。

　　水平井具有泄油面積大、單井產(chǎn)量高、穿透度大、儲(chǔ)量動(dòng)用程度高、可以有效避開(kāi)障礙物和環(huán)境惡劣地帶等優(yōu)點(diǎn)，在石油工業(yè)的科研和實(shí)踐中成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，低滲透、低孔隙度等非常規(guī)油氣藏不斷增多，常規(guī)直井已經(jīng)無(wú)法滿足開(kāi)發(fā)要求，水平井逐漸成為提高油田勘探開(kāi)發(fā)綜合效益的必要手段。2007年開(kāi)始，水平井分段壓裂技術(shù)成為非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)，開(kāi)始在北美大規(guī)模應(yīng)用，并在國(guó)內(nèi)塔里木、遼河、大慶、西南等多個(gè)油氣田得到了廣泛應(yīng)用。頁(yè)巖氣作為典型的非常規(guī)油氣藏資源，具有低孔隙度、極低基質(zhì)滲透率等特征，實(shí)施水平井分段壓裂改造已成為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣藏高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，北美地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，逐漸形成了一系列以實(shí)現(xiàn)“體積改造”為目的的頁(yè)巖氣壓裂技術(shù)及配套工具。國(guó)內(nèi)各油氣田企業(yè)在國(guó)家政策的大力支持下，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工藝和工具自主研制等方面均取得了很大進(jìn)步，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。因此，頁(yè)巖氣水平井分段壓裂工藝及工具的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者、研究單位及制造廠商的廣泛關(guān)注。

　　針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀，總結(jié)國(guó)內(nèi)外各大石油公司頁(yè)巖氣分段壓裂工具分類及特點(diǎn)，分析展望了國(guó)外最新頁(yè)巖氣分段壓裂技術(shù)及工具，以期為國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展及工具研發(fā)提供技術(shù)參考。

　　1  橋塞/球座+分簇射孔聯(lián)作分段壓裂工具

　　橋塞/球座+分簇射孔技術(shù)是指在井筒和地層有效溝通的前提下，運(yùn)用電纜輸送方式，按照泵送設(shè)計(jì)程序，將射孔管串和橋塞/球座輸送至目的層，完成坐封和多簇射孔聯(lián)作，后期通過(guò)光套管進(jìn)行分段壓裂。

　　1.1  可鉆復(fù)合橋塞

　　可鉆復(fù)合橋塞主要由上接頭、可鉆卡瓦、復(fù)合錐體、復(fù)合片、組合密封系統(tǒng)及下接頭等部件組成，如圖1所示。工作時(shí)通過(guò)坐封工具壓縮卡瓦、錐體沿軸向移動(dòng)，促使膠筒膨脹與套管內(nèi)壁接觸，當(dāng)坐封力達(dá)到一定程度后完成丟手，隨后進(jìn)行壓裂施工作業(yè)，后期生產(chǎn)時(shí)需要運(yùn)用連續(xù)油管進(jìn)行鉆磨橋塞作業(yè)。鉆磨過(guò)程受連續(xù)油管長(zhǎng)度限制，且鉆磨過(guò)程需耗費(fèi)一定時(shí)長(zhǎng)，并存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　目前，國(guó)外斯倫貝謝、哈里伯頓等大型油服公司系列產(chǎn)品均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表1。國(guó)內(nèi)西南油氣田、川慶鉆探等多家油田單位已完成系列產(chǎn)品的自主研發(fā)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

1.2  大通徑橋塞

　　大通徑橋塞主要由上接頭、復(fù)合片、組合膠筒、錐體、卡瓦和下接頭等部件組成，如圖2所示。工作時(shí)通過(guò)坐封工具壓縮卡瓦、錐體沿軸向移動(dòng)，促使組合膠筒膨脹與套管內(nèi)壁接觸，當(dāng)坐封力達(dá)到一定程度后完成丟手，壓裂時(shí)投入配套可溶性壓裂球進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。相比可鉆復(fù)合橋塞，具有免除連續(xù)油管鉆磨作業(yè)、保持井眼大通徑、迅速投產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了成本。

　　目前，國(guó)外貝克休斯、Tryton等大型油服公司系列化產(chǎn)品均已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣，產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表2。國(guó)內(nèi)西南油氣田、捷貝通等多家單位已完成系列產(chǎn)品的自主研發(fā)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

1.3  可溶性橋塞

　　全可溶性橋塞主要由上下接頭、上下卡瓦、上下錐體、膠筒、中心筒及卡瓦牙等部件組成，如圖3所示。壓裂完成后，可溶性橋塞全部溶解，隨返排液一同排出井筒。該工藝橋塞溶解后保持井眼全通徑，免除連續(xù)油管鉆磨橋塞作業(yè)，節(jié)約完井時(shí)間及成本。

　　目前，國(guó)外貝克休斯、Magnum 等公司系列產(chǎn)品已在北美油田開(kāi)展了推廣應(yīng)用，產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表3。國(guó)內(nèi)西南油氣田、長(zhǎng)慶油田等多家油田單位均完成了產(chǎn)品自主研發(fā)，部分產(chǎn)品已進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1.4  壓裂球座

　　（1）可溶性球座。可溶性球座主要由連接桿、適配器、上分瓣座、下分瓣座、底座、可溶性球及定位筒組成，如圖4所示。球座定位筒作為套管的一部分預(yù)先下入井內(nèi)，并通過(guò)坐封工具將可溶性球座送入球座定位筒實(shí)現(xiàn)坐封；改造時(shí)，投入可溶性壓裂球分隔下部產(chǎn)層進(jìn)行射孔，最終完成儲(chǔ)層改造。

　　全通徑可溶性球座不需要鉆磨及連續(xù)油管作業(yè)，壓裂球溶解后可快速投產(chǎn)，球座溶解后可實(shí)現(xiàn)井筒全通徑，實(shí)現(xiàn)了無(wú)限級(jí)壓裂，基本參數(shù)見(jiàn)表4。

　　（2）超大通徑球座。超大通徑球座主要由球座、卡瓦及錐體組成，采用標(biāo)準(zhǔn)電纜坐封工具下入并完成坐封及射孔作業(yè)，通過(guò)井口泵入可溶性壓裂球開(kāi)始?jí)毫咽┕ぃ鐖D5所示。壓裂結(jié)束后，球座、壓裂球及錐體溶解，剩余通徑大，后期無(wú)需鉆磨即可快速投入生產(chǎn)。

　　超大通徑球座獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不會(huì)導(dǎo)致提前坐封；無(wú)需鉆磨作業(yè)，節(jié)約成本，減小風(fēng)險(xiǎn)；井筒長(zhǎng)度不受限制，可實(shí)現(xiàn)無(wú)限級(jí)壓裂，基本參數(shù)見(jiàn)表5。

2  套管固井滑套分段壓裂工具

　　套管固井滑套與套管相連入井，按照預(yù)先設(shè)計(jì)下至對(duì)應(yīng)的目的層，最后完成固井作業(yè)。該工藝無(wú)需后期井筒處理，保持井眼全通徑，省去電纜作業(yè)、連續(xù)油管鉆磨橋塞等工序，提高了施工效率，降低了作業(yè)成本。

　　2.1  OptiPort固井滑套

　　OptiPort 固井滑套主要由上接頭、壓力激活孔、壓裂孔、內(nèi)滑套、外套筒、平衡壓力孔、下接頭等組成，如圖6所示。

　　工具隨套管一起入井，按照常規(guī)方法完成固井作業(yè)；通過(guò)連續(xù)油管下放井下組合工具（管內(nèi)封隔器、套管接箍定位器等），定位后封隔器停留在滑套下方，向連續(xù)油管和環(huán)空中打壓坐封管內(nèi)封隔器；繼續(xù)環(huán)空打壓至剪斷銷釘，內(nèi)滑套下移打開(kāi)滑套，開(kāi)始?jí)毫咽┕ぷ鳂I(yè)；解封封隔器，上提或下放連續(xù)油管，開(kāi)啟下一段滑套，直至完成全井筒壓裂施工作業(yè)。

　　OptiPort固井滑套可適用于套管井或裸眼井，滿足大排量、高砂比的壓裂工況，但由于連續(xù)油管長(zhǎng)度的限制，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)限級(jí)壓裂。

　　2.2  I-ball固井滑套

　　I-ball固井滑套主要由計(jì)數(shù)滑套、球籠、內(nèi)滑套、可收縮球座、彈簧等組件，如圖7所示。壓裂過(guò)程中，當(dāng)井口投入第一個(gè)球運(yùn)動(dòng)到計(jì)數(shù)滑套時(shí)，推動(dòng)球籠向前行進(jìn)一個(gè)單元，球通過(guò)可收縮球座后依次推動(dòng)后續(xù)壓裂滑套向前行進(jìn)一個(gè)單元。以計(jì)數(shù)為5的壓裂滑套為例，當(dāng)?shù)谖鍌€(gè)球通過(guò)球籠后，推動(dòng)內(nèi)滑套和可收縮球座向前運(yùn)動(dòng)到收縮位置，壓裂球不能通過(guò)形成坐封，隨后進(jìn)行壓裂施工作業(yè)。完成第一段壓裂后，繼續(xù)投入相應(yīng)個(gè)數(shù)的球，開(kāi)啟不同層位的滑套，完成整口井的壓裂作業(yè)。

　　I-ball壓裂滑套可用于裸眼完井或套管固井，具有井筒全通徑、無(wú)限級(jí)壓裂等特點(diǎn)；同時(shí)減少了連續(xù)油管鉆磨橋塞作業(yè)，節(jié)約了成本，提高了效率，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

　　2.3  ZoneSelectMonobore固井滑套

　　ZoneSelect Monobore固井滑套主要由外套筒、內(nèi)滑套、開(kāi)啟槽、關(guān)閉槽等結(jié)構(gòu)組成，同時(shí)配有開(kāi)關(guān)滑套用的工具，如圖8所示。開(kāi)啟過(guò)程中，通過(guò)連續(xù)油管帶配套開(kāi)關(guān)工具下入滑套安裝位置，通過(guò)井口泵入流體在開(kāi)關(guān)工具處產(chǎn)生節(jié)流壓差，鎖塊外露后與滑套配合，通過(guò)上提下放連續(xù)油管控制滑套的開(kāi)關(guān)。開(kāi)啟作業(yè)完成后，停泵導(dǎo)致鎖塊收回，上提連續(xù)油管將開(kāi)關(guān)工具提出井口。

2.4  FracPoint固井滑套

　　FracPoint 固井滑套主要由上接頭、內(nèi)滑套、擴(kuò)張式球座、固定式球座、下接頭等組件組成，如圖9所示。固井過(guò)程中，每一段由多個(gè)擴(kuò)張式滑套和一個(gè)固定式滑套組成，通過(guò)地面泵送不同直徑大小的球入座，打壓剪斷銷釘帶動(dòng)內(nèi)滑套3向下運(yùn)動(dòng)，滑套開(kāi)啟，繼續(xù)打壓促使球座4擴(kuò)張，球通過(guò)后進(jìn)入下一級(jí)滑套，重復(fù)操作依次打開(kāi)多個(gè)滑套，直至球落入固定球座9，內(nèi)滑套8向下運(yùn)動(dòng)，滑套開(kāi)啟，隨后開(kāi)始該段的壓裂施工。

　　FracPoint固井滑套可實(shí)現(xiàn)不間斷壓裂作業(yè)，中間不需要連續(xù)油管或電纜作業(yè)，消除了后期鉆磨作業(yè)帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了時(shí)間；同時(shí)，一只壓裂球可同時(shí)開(kāi)啟5只滑套，實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓裂。

　　2.5  FSPTM固井滑套

　　FSPTM固井滑套主要由計(jì)數(shù)器、回位彈簧、內(nèi)套筒、技術(shù)套筒、卡環(huán)、外套筒、內(nèi)滑套、球座及上、下接頭組成，如圖10所示。每一段產(chǎn)層采用相同計(jì)數(shù)的FSPTM滑套組成，最下端帶有球座。壓裂過(guò)程中，以計(jì)數(shù)為3為例，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)球通過(guò)滑套時(shí)，壓縮計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)套筒、內(nèi)套筒向下運(yùn)動(dòng)，球通過(guò)后計(jì)數(shù)器、內(nèi)套筒在回位彈簧的作用下回彈，計(jì)數(shù)套筒由于卡環(huán)限制向下運(yùn)動(dòng)一級(jí)；當(dāng)投入第3個(gè)壓裂球時(shí)，計(jì)數(shù)套筒推動(dòng)內(nèi)滑套向下運(yùn)動(dòng)，形成球座與連通壓裂孔眼， 開(kāi)始?jí)毫咽┕ぷ鳂I(yè)。

　　FSPTM固井滑套采用同一尺寸球?qū)渭?jí)或多簇滑套開(kāi)啟，解決了常規(guī)滑套尺寸逐級(jí)縮小和級(jí)數(shù)限制；同時(shí)，滑套內(nèi)通徑較大，不鉆銑情況下可直接生產(chǎn)，減少了作業(yè)時(shí)間，提高施工效率。

　　3  國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀及性能對(duì)比

　　通過(guò)上述不同橋塞/ 球座類工具、套管固井滑套類工具在工作原理、結(jié)構(gòu)組成、工藝特點(diǎn)等方面的對(duì)比分析，總結(jié)得出如下結(jié)論，對(duì)比情況見(jiàn)表6。

　　（1）橋塞+分簇射孔聯(lián)作工藝為目前頁(yè)巖氣分段改造的主體技術(shù)，具有一趟管柱作業(yè)、不受分段限制、工具管柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、井筒暢通等優(yōu)點(diǎn)。目前，可鉆復(fù)合橋塞、大通徑橋塞工具國(guó)外已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化和商業(yè)化，國(guó)內(nèi)部分廠家完成產(chǎn)品的自主研發(fā)。

　　（2）可溶性橋塞及球座分段壓裂技術(shù)為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一，具有保持井眼全通徑、免除連續(xù)油管鉆磨作業(yè)、節(jié)約完井時(shí)間及成本、降低施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)。目前，可溶性橋塞工具國(guó)外已完成系列產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)；超大通徑壓裂球座國(guó)外已出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用報(bào)道，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用報(bào)道。

　　（3）套管固井滑套分段壓裂技術(shù)為頁(yè)巖氣分段改造的新興技術(shù)，具有保持井眼全通徑、無(wú)需電纜及連續(xù)油管鉆磨作業(yè)、成本低、效率高等特點(diǎn)。目前，OptiPort、FSPTM等固井滑套國(guó)外已實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用報(bào)道。

　　4  結(jié)論及建議

　　（1）完善可鉆式復(fù)合橋塞工具系列，以滿足不同地層、不同工藝等條件下的技術(shù)要求。

　　（2）持續(xù)開(kāi)展可溶性橋塞和球座等可溶性工具、全通徑固井壓裂滑套類工具的技術(shù)攻關(guān)，完成產(chǎn)品的系列化與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化推廣應(yīng)用。

　　（3）開(kāi)展井下無(wú)線開(kāi)關(guān)滑套等智能類工具的先導(dǎo)性研究，為分層壓裂、分層試油工藝做技術(shù)儲(chǔ)備。（來(lái)源：《鉆采工藝》，2017年7月）