76 中国石油勘探 2015 年第 20 卷 1 研发背景中国致密油总资源量 t 左右 [], 主要分布在鄂尔多斯四川松辽渤海湾准噶尔柴达木等盆地, 而鄂尔多斯盆地致密油资源储量丰富, 开发潜力巨大, 是下一步开发的重点, 也是长庆油田稳产的基础 [3~6] 致密油作

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1 第 20 卷第 2 期中国石油勘探 CHINA PETROLEUM EXPLORATION 2015 年 3 月 DOI: /j.issn 长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析任勇冯长青胡相君张文星何华蒙鑫赵粉霞 (1 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 ;2 中国石油长庆油田公司油气工艺研究院 ) 摘要 : 长庆油田致密油资源丰富, 水平井钻井及体积压裂工艺是主要开发方式, 而体积压裂工具是工艺实现的关键通过对前期水平井分段改造管柱及配套工具对比分析, 结合体积压裂工艺在作业排量多簇射孔方式等方面对工具的要求, 重点介绍了水力喷射分段多簇体积压裂工具大通径快钻桥塞压裂工具和可开关套管滑套压裂工具结果表明, 在 139.7mm 套管固井完井条件下, 当施工总排量低于 8m 3 /min 时, 水力喷射分段多簇体积压裂工具具有操作简单作业成本低的优点, 成为长庆油田水平井体积压裂主体工具, 已规模应用 505 口油田水平井 ; 当施工排量超过 8m 3 /min 时, 则采用大通径快钻桥塞压裂工具, 该工具压后无需钻磨, 可直接放喷投产, 已在长庆油田应用井数 42 口 ; 而可开关套管滑套压裂工具不仅可以满足大排量压裂改造, 还考虑了后期分层测试以及找水堵水重复改造等需要, 将是最具有发展潜力的工具, 它代表着体积压裂工具的发展方向关键词 : 油田水平井 ; 体积压裂工具 ; 水力喷射分段多簇压裂工具 ; 大通径快钻桥塞 ; 可开关套管滑套压裂工具中图分类号 :TE357 文献标识码 :A Analysis of Volume-fracturing Tools Developed for Horizontal Wells in Changqing Oilfield Ren Yong, Feng Changqing, Hu Xiangjun, Zhang Wenxing, He Hua,Meng Xing, Zhao Fenxia (1 State Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-permeability Oil & Gas Fields; 2 Oil & Gas Technology Research Institute of,petrochina Changqing Oilfield Company) Abstract: Changqing Oilfield is rich in tight oil resources. Drilling of horizontal well and volume-fracturing process are the main methods for development. Volume-fracturing tools hold the key to development process. Based on the analysis comparison of the pipe string and support tools used for staged renovation of horizontal wells in the previous stage and combined with the requirements on the tools for volume-fracturing process and cluster perforation, this paper briefs about hydro-jetting cluster-perforating volume-fracturing tools, large-bore and fast-drilling bridge plug fracturing tools and switchable fracturing sliding sleeve tools with casing. The results indicate that hydro-jetting cluster-perforating tools are advantageous for their simple use and low operating cost under the conditions that casing is used for cementation and completion and the pumping rate is less than 8m 3 /min. Therefore, hydro-jetting cluster-perforating tools become the main volume-fracturing tools for volume-fracturing of horizontal wells in Changqing Oilfield. a total of 505 horizontal wells have been fractured by means of these tools. When the pumping rate exceeds 8m 3 /min, large-bore and fast-drilling bridge plug fracturing tools are used because no drilling is needed after fractured and the wells can be directly put into production. A total of 42 horizontal wells have been fractured by means of such tools. Switchable fracturing sliding sleeve tool with casing, the most potential for development, can not only meet the need for large-rate fracturing renovation but also the need for later-on layered testing, water plugging and repeated renovations, indicating the development orientation for volume-fracturing tools Key words: horizontal wells of oilfield, volume-fracturing tools, hydro-jetting cluster-perforating fracturing tools, large-bore and fast-drilling bridge plug, switchable fracturing sliding sleeve with casing 基金项目 : 国家科技重大专项鄂尔多斯盆地大型低渗透岩性地层油气藏开发示范工程 (2011ZX05044) 第一作者简介 : 任勇 (1981-), 男, 重庆人,2005 年毕业于西南石油学院, 高级工程师, 主要从事油田水平井分段压裂管柱以及工具的研发和现场试验工作地址 : 陕西省西安市未央区明光路长庆油田油气工艺研究院, 邮政编码 : ryong_cq@petrochina.com.cn 收稿日期 : ; 修改日期 :

2 76 中国石油勘探 2015 年第 20 卷 1 研发背景中国致密油总资源量 t 左右 [], 主要分布在鄂尔多斯四川松辽渤海湾准噶尔柴达木等盆地, 而鄂尔多斯盆地致密油资源储量丰富, 开发潜力巨大, 是下一步开发的重点, 也是长庆油田稳产的基础 [3~6] 致密油作为一种非常规资源, 经济有效开采难度非常大在国外, 美国经过近 10 年的探索试验推广的过程 [7~10], 首先在页岩气开发上取得了突破, 呈现跨越式发展,2000 年美国页岩气年产量仅为 m 3,2009 年页岩气产量 m 3,2010 年达到 m 3 同时,Bakken( 巴肯 ) 和 Eagle Ford( 鹰滩 ) 等致密油藏的开发借鉴页岩气藏体积改造的理念, 增产势头也很强劲, 美国致密油年产量 2012 年迅速上升至 t 在压裂改造技术上, 水平井钻井及体积压裂成为致密油改造的主体技术, 单井产量得以大幅提高以典型的 Bakken 致密油为例, 水平井占总井数 90%, 通过水平井体积压裂技术单井产量达到 30t/d 左右, 是直井的 5 倍以上水平井体积压裂的主要特征是大排量大砂量大液量低砂比低伤害, 射孔方式采用多簇射孔 [7,11] 在国外, 致密油水平井体积压裂主体技术是快钻桥塞分段压裂技术而在国内, 常规水平井开发技术基本成熟 [12~15], 但致密油水平井开发起步较晚, 处于探索阶段 2011 年, 长庆油田利用水力喷射分段多簇体积压裂技术率先开展了致密油试验, 结果表明水平井体积压裂增产效果明显, 试油产量是相邻直井的 10 倍左右, 表明体积压裂技术在长庆油田具有很好的应用前景体积压裂工具性能决定着体积压裂工艺的实用性和效果本文主要介绍了长庆油田自 2011 年以来在致密油水平井压裂工具的攻关应用情况以及形成的工具系列, 重点介绍了水力喷射分段多簇体积压裂工具大通径快钻桥塞体积压裂工具的应用情况 2 水力喷射分段多簇体积压裂工具长庆油田自 2005 年底以来, 围绕水力喷射压裂技术封隔有效性和施工效率, 在管柱结构以及工具上开展了大量研究, 并创新研发了水力喷射与小直径封隔器联作的管柱结构 ( 图 1) 及新型喷射器小直径封隔器 [16] 等工具从 2006 年到 2010 年, 水力喷射分段压裂管柱累计应用油田水平井 123 口, 加砂方式以油管加砂为主, 施工排量 0.8~3m 3 /min, 与邻井相比, 增产达到 3 倍以上, 效果显著随着致密油开发的不断深入, 水平井体积压裂技术要求更大的施工排量 (4~16m 3 /min) 和规模, 对压裂工具提出了更高的要求图 1 水力喷射分段压裂管柱 Fig.1 Hydro-jetting staged fracturing pipe string 通过对比国内油田形成的三大水平井主体压裂工具 : 双封单卡分段压裂工具套内封隔器不动管柱分层压裂工具以及水力喷射分段压裂工具, 发现前两种工具在注入方式上只能依靠油管注入, 排量高时, 施工压力高, 工具磨损伤害大, 风险高 ; 而水力喷射分段压裂工具则油管和环空可同时泵注, 在施工排量提升空间上有较大潜力因此, 结合大排量工艺的要求, 对环空加砂可行性进行了论证, 主要对油管和环空排量优化井口强度分析环空加砂下油管冲蚀伤害进行了模拟分析, 结果表明以环空加砂为主油管注入为辅的水平井水力喷射分段多簇压裂作业方式施工风险低排量大, 可实现多簇射孔作业, 满足了油田水平井体积压裂作业的要求 ( 图 2) 由表 1 可以看出, 与前期水力喷射分段压裂工具相比, 水力喷射分段多簇体积压裂工具施工总排量施工能力上都提升了 1 倍以上 2.1 工作原理水力喷射分段多簇体积压裂管柱工作原理为 [17,18] : (1) 油管大排量正循环注入, 封隔器坐封, 两个或三个喷射器同时工作实现分段多簇射孔 ; (2) 关闭环空闸门, 压开地层, 段间采用机械封隔, 图 2 水平井水力喷射分段多簇体积压裂管柱 ( 单段两簇 ) Fig.2 Hydro-jetting staged cluster-perforating volume-fracturing pipe string for horizontal wells

$第 2 期任勇等 : 长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析 77 表 1 水力喷射压裂工具系列施工参数 Table 1 Operational parameters of hydro-jetting fracturing tool 工具类别加砂方式油管排量 /(m 3 min -1 ) 环空排量 /(m 3 min -1 ) 总排量 /(m 3 min -1 ) 单级工具施工能力 ( 段或簇 )$

3 第 2 期任勇等 : 长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析 77 表 1 水力喷射压裂工具系列施工参数 Table 1 Operational parameters of hydro-jetting fracturing tool 工具类别加砂方式油管排量 /(m 3 min -1 ) 环空排量 /(m 3 min -1 ) 总排量 /(m 3 min -1 ) 单级工具施工能力 ( 段或簇 ) 分段压裂油管 0.8~2.4 0~ ~3.6 2~4 段分段多簇体积压裂环空 1.2~ ~5.5 4~8 6 段 12 簇 ~8 段 16 簇簇间通过射流增压实现各簇裂缝产生 ; (3) 通过环空大排量注入为主油管注入为辅实现大排量作业, 产生复杂裂缝 ; (4) 停泵, 放喷, 反循环洗井, 拖动管柱到下一段, 重复前面步骤 2.2 关键工具高强度喷射器喷射器 ( 图 3) 主要是产生高速混砂液射流, 射开套管和地层, 形成压裂通道, 并在主压裂期间产生射流增压, 使各簇喷点压开裂缝并延伸高强度喷射器性能参数如表 2 所示, 具有如下性能 : 图 3 高强度喷射器实物图 Fig.3 High-strength jet 表 2 喷射器性能参数 Table 2 Functional parameters of jet 总长 /mm 最大外径 /mm 内径 /mm 承压 /MPa 射孔次数 (1) 喷嘴尺寸个数可调, 可满足不同作业排量要求 ; (2) 喷射器喷嘴分布方式射孔相位角可调, 可实现多簇射孔功能 ; (3) 寿命长, 最高可实现 15 次射孔作业长效封隔器封隔器主要是在主压裂期间封隔油套环空, 确保段间封隔可靠致密油藏水平井地层致密, 施工压力高, 单段作业排量大规模大, 作业时间长, 对封隔器的密封可靠性有效性要求高通过对前期应用封隔器的研究, 采用可适应于油田水平井多次重复坐封长效封隔的封隔器 [19,20] ( 图 4), 性能参数如表 3 所示, 其特点如下 : 图 4 K (D) 封隔器 Fig.4 Packer of K (D) 表 3 封隔器性能参数 Table 3 Functional parameters of packer 总长 /mm 最大外径 /mm 内径 /mm 密封面长度 /mm 承压 /MPa 耐温 / 重复坐封能力 / 次 (1) 钢带叠片连接, 承压高, 室内最高承压达 84MPa; (2) 外径 110mm, 回弹性能高, 作业风险低 ; (3) 密封面长, 可实现管柱锚定, 无需水力锚卡瓦等锚定工具, 施工风险低 ; (4) 密封可靠, 寿命长, 性能高, 重复坐封次数可达 30 次 2.3 应用情况从 2012 年 7 月到 2014 年 12 月, 累计应用油田水平井 505 口井, 使用水力喷射分段多簇体积压裂工具 1000 余套, 施工成功率 98%, 作业排量达到 8m 3 / min, 单趟工具实现了 12 段 24 簇的施工, 喷射次数以及封隔器重复坐封次数达到 12 次, 有效封隔时间 2160min, 起出工具伤害较小, 且仍然具备施工能力, 压后平均试油产量是相邻直井的 5~10 倍, 增产效果显著 3 大通径快钻桥塞体积压裂工具国外水平井体积压裂技术主要以快钻桥塞压裂工

78 中国石油勘探 2015 年第 20 卷具为主, 因其施工排量大作业效率高, 可实现多簇射孔无限级压裂和钻后井筒完整等 2012 年, 长庆油田引进国外快钻桥塞压裂工具并进行了现场试验, 取得了较好的效果但同时发现, 引进工具无生产通道或通道很小, 需要连续油管钻磨后才能投产, 存在试油周期较长连续油管钻磨作业成本较高长水平段 ( 超过 1500m) 连续油管钻磨困难等问题

4 78 中国石油勘探 2015 年第 20 卷具为主, 因其施工排量大作业效率高, 可实现多簇射孔无限级压裂和钻后井筒完整等 2012 年, 长庆油田引进国外快钻桥塞压裂工具并进行了现场试验, 取得了较好的效果但同时发现, 引进工具无生产通道或通道很小, 需要连续油管钻磨后才能投产, 存在试油周期较长连续油管钻磨作业成本较高长水平段 ( 超过 1500m) 连续油管钻磨困难等问题另外, 由于长庆油田特殊的黄土地貌油区道路路况复杂等原因, 连续油管作业适应性较弱, 未能得到推广应用针对前期试验存在的问题及长庆油田实际情况, 围绕如何实现免钻和快速投产, 成功研发出了一种新型快钻桥塞, 与前期引进桥塞不同的是 : 该桥塞设计了返排生产通道, 并通过投球实现暂时桥塞封堵, 压后可溶球溶解, 建立井下流体通道, 可直接放喷排液, 投产 ; 同时后期修井作业时可将桥塞快速钻除 3.1 工作原理利用专用桥塞坐封工具, 使桥塞中心杆和上零部件发生相对移动, 挤压卡瓦, 锚定套管内壁 ; 同时, 胶筒受到压缩, 实现油套环空密封 ; 然后投入可溶球封堵中心管, 实现已施工层和目的层之间的封堵 3.2 施工步骤 (1) 第一段采用油管传输火力射孔或水力喷射射孔, 光套管压裂 (2) 自第二段开始将大通径快钻桥塞和多簇射孔工具泵送到位, 坐封桥塞, 拖动多簇射孔后, 起出工具串 (3) 投入可溶球封堵桥塞, 光套管压裂 (4) 重复步骤 (2) 和 (3), 依次完成后续井段储层改造 (5) 所有段改造施工结束后, 可溶球溶解, 直接试油 ( 气 ) 投产 3.3 关键工具大通径快钻桥塞大通径快钻桥塞如图 5 所示, 其性能参数如表 4 所示, 它具有以下特点 : 图 5 大通径快钻桥塞 Fig.5 Large-bore fast-drilling bridge plug 表 4 大通径快钻桥塞性能参数 Table 4 Functional parameters of large-bore fast-drilling bridge plug 总长 /mm 最大外径 /mm 最小通径 /mm 承压 /MPa 耐温 / 适用套管尺寸 /mm ~124 (1) 结构简单易下井电缆坐封或液压坐封 ; (2) 可坐封在不同级别套管上 ; (3) 密封可靠, 采用 3 段不同硬度的胶筒组成可靠的密封系统, 整体式卡瓦具有防中途坐封功能 ; (4) 主体采用复合材料, 容易钻除可溶球可溶球主要功能是在主压裂过程中实现桥塞中心管暂时性的封堵, 施工结束后, 逐步与周围介质发生反应并逐步溶解, 实现上下层连通, 形成生产通道它以金属铝功能合金强化合金低温合金活化合金等为原料其溶解方程式为 : 2Al+6H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 可溶球关键性能参数为承压能力承压时间溶解时间通过承压实验发现 : 在 40 清水中, 承压 70MPa, 稳压 4h 以上, 可溶球基本不溶解, 表明可溶球能够满足压裂耐压要求 ( 图 6) 通过室内溶解实验发现 : 在常压下, 介质为清水, 温度分别为和 90 时, 直径 55mm 的可溶球完全溶解需要的时间分别是 55h 32h 和 17h, 即温度越高, 可溶球溶解速度越快, 直径和质量降低

5 第 2 期任勇等 : 长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析 79 图 6 可溶球承压实验曲线 Fig.6 Soluble ball pressure test curve 速度也越快, 如图 7 所示 3.4 应用情况截至 2014 年年底, 大通径快钻桥塞压裂工具现场应用油田水平井 42 口井, 施工排量 8~15m 3 / min, 单井最多 18 段 66 簇, 累计 358 段 1328 簇, 压裂施工效率较常规压裂工艺提高 50%, 平均单井产量是相邻直井的 6~8 倍图 7 可溶球在不同温度下直径和质量降低曲线 Fig.7 Diameter and quality-declining curve of soluble ball under different temperatures 4 可开关套管滑套压裂工具工作原理 : 可开关套管滑套压裂工具 ( 图 8) 随套管或者裸眼 ( 遇液膨胀 ) 封隔器连接并入井 ; 作业时用连续油管带专用开关工具下推打开滑套, 实施主压裂 ; 施工完该段后, 拖动到下一段继续施工, 后期可下入专用工具关闭或者打开滑套以实现分层测试找水堵水等功能图 8 可开关套管滑套压裂工具 Fig.8 Switchable fracturing sliding sleeve tool with casing 该工具具有以下优点 : (1) 压裂过程不需投球, 可实现无限级压裂 ; (2) 套管内径最小通径统一, 无需钻磨或者打捞即可实现压后全通径, 为后期作业奠定基础 ;

6 80 中国石油勘探 2015 年第 20 卷 (3) 滑套具备可开关功能, 可实现分层测试找水堵水功能 ; (4) 可逐步打开滑套, 利于后期重复改造 ; (5) 可同时打开数个滑套实现多簇压裂或者按照任意压裂顺序进行作业 ; (6) 一旦滑套开关出现异常, 可利用水力喷射压裂技术或者快钻桥塞等成熟技术作为应急措施目前, 该技术已在国外进行成熟应用, 但国内还处于探索阶段由于该工具考虑到了后期找水堵水以及重复改造, 且有成熟技术可作为补充, 将来具有非常良好的应用前景 5 3 种工具适应性分析结合长庆油田前期应用效果及 3 种工具适应性和经济指标对比来看 ( 表 5), 在 139.7mm 套管固井完井条件下, 水力喷射分段多簇体积压裂工具应用效果最好, 是目前长庆油田水平井主体压裂工具, 因其可以与常规油管作业配合, 现场操作简单, 工具成本低, 适用于施工排量中等地层压力系数低井深低于 4000m( 斜深 ) 的水平井, 投入产出比可达 1 15 大通径快钻桥塞压裂工具实现了压后免钻, 直接排液生产, 节约了时间和钻磨费用, 适合施工排量高地层压力系数高的施工井, 投入产出比约 1 14 可开关套管滑套压裂工具考虑了从钻井固井压裂及后期找堵水重复改造二次作业要求, 该工具需要连续油管配合作业, 作业费用相对较高, 适合地层物性相对较好施工规模中等地层容易出水及后期需要二次作业频繁的施工井由于该工具评价周期长, 且技术被国外垄断, 目前国内仅处于前期引进试验阶段, 单段工具作业成本在 25~35 万元之间, 预计成本还将大幅降低, 具有很好的应用前景表 5 3 种工具适应性及经济评价对比表 Table 5 Appraisal and comparison of adaptabilities and economical properties of three tools 工具类型适应范围投入产出比水力喷射分段多簇体积压裂工具 (1) 施工排量低于 8m 3 /min 的水平井 ; (2) 地层压力系数低于 1.0 的水平井 ; (3) 井深低于 4000m( 斜深 ) 的水平井 1 15 大通径快钻桥塞压裂工具 (1) 施工排量高于 8m 3 /min 的水平井 ; (2) 地层压力系数大于 1.0 的水平井 1 14 可开关套管滑套压裂工具 (1) 施工排量低于 7.5m 3 /min 的水平井 ; (2) 油水关系复杂地层易出水的水平井 ; (3) 后期需要进行分层测试找水堵水重复改造作业的施工井引进国外技术, 国内处于攻关阶段, 待评价 6 结论参考文献 (1) 水力喷射分段多簇体积压裂工具与常规油管配合, 可实现段内 1~3 簇施工排量 4~8m 3 /min 的体积压裂改造, 具有操作简单成本低等优点, 在长庆油田最高实现了单趟工具施工 12 段 24 簇, 是长庆油田水平井主体压裂工具 (2) 大通径快钻桥塞通过投送可溶球, 实现了压后无需钻磨, 直接放喷投产, 大大节约了试油时间和钻磨费用, 适合施工规模大地层压力系数高的施工井, 在长庆油田部分区块得到了规模应用 (3) 可开关套管滑套压裂工具通过控制套管滑套的打开和关闭, 不仅可以满足压裂作业的需要, 还可以满足后期找水堵水重复改造的需要, 且在开关滑套失效的情况下, 前期成熟技术仍然可以作为应急措施, 是国内体积压裂工具的发展方向 [1] 赵万金, 李海亮, 杨午阳. 国内非常规油气地球物理勘探技术现状及进展 [J]. 中国石油勘探,2012,17(4): Zhao Wanjin, Li Hailiang, Yang Wuyang.Status and evolution of geophysical exploration technology for unconventional oil and gas in China[J].China Petroleum Exploration,2012,17(4): [2] 郭秋麟, 陈宁生, 吴晓智, 等. 致密油资源评价方法研究 [J]. 中国石油勘探,2013,18(2): Guo Qiulin, Chen Ningsheng,Wu Xiaozhi, et al.method for assessment of tight oil resources[j].china Petroleum Exploration,2013,18(2): [3] 付金华, 李士祥, 刘显阳, 等. 鄂尔多斯盆地姬塬大油田多层系复合成藏机理及勘探意义 [J]. 中国石油勘探,2013,18(5):1-9. Fu Jinhua, Li Shixiang, Liu Xianyang, et al. Multilayer composite accumulation mechanism and exploration significance of Jiyuan oilfield, Ordos Basin[J].China Petroleum Exploration,2013,18(5):1-9. [4] 杜金虎, 何海清, 杨涛, 等. 中国致密油勘探进展及面临的挑战 [J]. 中国石油勘探,2014,19(1):1-9. Du Jinhu, He Haiqing, Yang Tao, et al. Progress in

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untitled 20 1 2010 10 Vol.20 Special 1 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Oct. 2010 1004-0609(2010)S1-s0127-05 Ti-6Al-4V 1 2 2 (1. 710016 2., 710049) 500~1 000 20 Ti-6Al-4V(TC4) TC4 800 TC4 800 TC4 TC4 800