工厂化桥射联作工艺在长庆油田的应用

2021-03-22谢刚贺红民扈勇王振喜洪文璞赵坤

测井技术 2021年1期

谢刚,贺红民,扈勇,王振喜,洪文璞,赵坤

(中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710201)

0 引言

随着长庆油田二次加快开发战略的实施,大规模水平井勘探开发模式成为主要的增产措施,配合体积压裂的桥射联作工艺技术工作量大幅增加。在施工过程中,推行了工厂化桥射联作施工工艺,把以往现场作业人员串行施工模式,改变为人员在统一平台上按照统一的指令完成各自工作,达到简化复杂施工工序,保证施工稳定、高效的作用。同时,以此作为切入点,积极推进射孔工艺技术进步、桥射工具串优化及提速、提效、提质实践。在地面设备方面,配套集成综合撬装等多项创新装备,积极探索一队双机、一队两班、单队多平台、双队N平台的作业模式,并与相关方共同制订完善现场作业程序,实现施工现场各配合方无缝衔接,为长庆油田加快发展提供了多元化的技术保障[1]。

介绍了工厂化桥射联作工艺在长庆油田的应用组织模式及取得的效果,对工厂化桥射联作工艺核心技术、配套技术现状进行分析研究。研究表明,通过实施工厂化桥射联作工艺,施工区块单层有效施工作业时间同比降低15%以上,为保障长庆油田2025年实现6.8×107t的目标提供了技术支持。

1 施工工艺简介

1.1 桥射联作工艺

桥射联作工艺是一种综合射孔技术[2-3],它是指在井筒和地层有效沟通的前提下,当井口全封闭时,运用电缆水力输送方式,按照设计程序,将射孔管串和桥塞联作工具串输送至井下预定位置,完成桥塞坐封和分级射孔联合作业。该技术可将目的层划分为多个层段,进行分段封堵、分段射孔、分段压裂。施工工艺过程见图1。

图1 桥射联作施工工艺过程

1.2 工厂化桥射联作工艺

工厂化桥射联作是指借鉴工厂化流水线作业方式在作业现场,配备1套及以上的射孔及压裂装备,对2口及以上的井同时实施不间断的连续压裂作业,提高油气井的投产效率和产量。工厂化桥射联作尤其适用于大井丛,致密油气、页岩油气等,它可根据地层特征,有针对性地改造地层,达到目的层段最佳改造效果。其优势为:分段压裂段数不受限制,压裂层位定位准确,封隔可靠性高,方便“千方砂、万方液”的大型体积压裂改造。

2 生产组织模式创新

与常规生产组织模式相比,工厂化桥射联作工艺在生产组织方面的创新主要有5个方面。

(1)组织模式。以井为中心组织生产、实现人机分离。根据施工井型特征,以井为中心灵活抽调人员组队。根据员工的作业能力和各自特点,作业现场设置4种岗位组:绞车泵送组、枪串组装组、井口作业组和后勤保障组。各个岗位组长负责内部统一协调安排,实行生产组织、后勤保障、技术支持、现场协调、作业标准专人负责。

(2)运行模式。采用桥射项目一盘棋,生产生活一体化,支撑服务一条龙、生产组织一站式模式。同时对每口井进行总结,做到物质共享、信息共享、技术共享。

(3)生产保障。提前进行风险辨识、人员培训、装备部署、器材准备、队伍到位,杜绝一切等停,提前做好生产保障。实施安全监督与现场施工同步,井口组装与器材配接同步,泵送与管串组装、工具保养同步,生活保障与现场施工同步,休息与生产同步,满足平台24 h不间断作业。

(4)安全管理。实施安全教育培训到现场,安全责任落实到现场,安全技能实践到现场,安全措施执行到现场,安全隐患整改到现场,安全监督检查到现场的监管模式。挂点领导督查,驻点监督抽查,主管联合检查。

(5)技术管理。实施共享防喷器和不倒防喷管施工工艺,多井台施工时,可以采用2～3个井口共享1套防喷管,节省设备损耗。利用不倒防喷管施工工艺,实现多个井口之间的切换共享。

3 技术创新

3.1 核心技术分析

3.1.1 复杂井眼水力泵送技术

水力泵送射孔枪串一般分2个阶段:直井段依靠枪串的重力自由下放,水平段利用水力进行枪串泵送。在井眼轨迹复杂的井中施工,风险主要有4个方面:①由于井斜不断发生变化,枪串始终处于加速、减速、匀速的阶段,控制不当会导致管串泵脱,导致管串落井事故;②受套管内部变形、砂堵等影响,管串泵送过程中随时存在遇阻的可能,如果绞车工现场未及时发现,会导致电缆下放堆积、打扭;③对于部分井眼轨迹上翘的井,由于压裂后地层返砂和部分砂未压进地层,在井筒中形成悬浮砂,通过自然沉降,可能形成砂桥,泵送阶段可能出现中途遇阻,导致桥塞受力后中途坐封;④在复杂井眼轨迹井,压裂砂在井筒的残留砂量会增加,导致电缆上提过程中携砂量增加,可能导致电缆遇卡[4]。

针对以上问题,复杂井眼条件下,影响泵送结果的因素及相应的控制措施如下。

(1)泵送速度。枪串在井内移动过程中,枪串的运行速度应和压裂队的泵注排量相互匹配,如果泵送速度过慢,会导致电缆头张力突然增加,当大于电缆头弱点拉力时,电缆崩断导致管串落井。因此,要严格控制泵送速度,一般要求直井段下放速度不超过6 000 m/h,水平井桥射联作速度不超过4 000 m/h,多级点火射孔完成后,以不大于600 m/h的速度上提射孔工具串,20 m后才能加速,水平段电缆上提速度不超过3 000 m/h,直井段上起速度不超过6 000 m/h。

(2)排量控制。泵注液体排量以小于0.5 m3/min开始,根据设计,后续逐渐平稳增大,最大一般不超过3 m3/min;随着井斜增加,应同步缓慢增加泵压和泵送排量,确保间隔压力和泵送排量增加时对工具串不造成冲击。在泵注过程中,最高泵压不得超过井口装置的额定工作压力。

(3)井斜变化。管串泵送过程中,泵注排量会随着井斜角的变化而发生变化。当井斜角增大时,泵注排量也需相应增大以克服自身重力分量,井斜角减小时,泵注排量应相应减小,一般要求30°井斜位置开始进行泵送操作。

(4)管串质量和长度。当井口压力较大时,为确保管串顺利下入井筒进行施工,在实际作业的过程中需要配接加重杆,加重后的管串在水平段运动过程中会增加摩擦阻力,导致增加泵注排量。加重计算方法为

Wg>Fm+Ff+Ft-Wq

(1)

Ft=p×S

(2)

式中,Wg为加重的质量,kN;Fm为电缆与流体、阻流管之间的摩擦力,kN;Ff为井下流体对下井工具串的浮力,kN;Ft为井下压力在防喷管电缆入口处对电缆的上推力,kN;Wq为下井工具串的质量,kN;p为井口压力,MPa;S为电缆横截面积,mm2。

(5)电缆马龙头。正常施工中,每下井3次应重新制作电缆马龙头弱点,可以根据实际井深、井眼条件、电缆强度和射孔枪串的质量等因素灵活设置电缆弱点。在长庆油田,电缆弱点采用内外层电缆钢丝反穿铜锥套压制。电缆弱点值理论计算公式为

F≤Fd×50%-Gd

(3)

式中,F为电缆弱点拉断力,kN;Fd为电缆拉断力,kN;Gd为工具串在井内最深作业位置时的电缆悬重,kN。

(6)环空间隙。针对不同的管串外径和套管尺寸,泵送排量及液体对其管串冲击力影响非常大。一般环空间隔越大,需要的泵注排量就相应增加,针对特定管串,当环空间隔大于10 mm时,管串液体冲击力较小,冲击力随排量增大呈近似直线缓慢增长。但是当间隙大于5 mm而小于10 mm时,桥塞与套管内壁的间隙非常小,此时液体冲击力随排量增大呈指数迅速增长,较小排量的变化会引起液体冲击力剧烈的变化。现场施工应选用与套管内径形成9～15 mm间隙的桥塞或泵送环,提高成功率[5]。

(7)泵送液密度。如果泵送液密度增加,液体排量应适当降低。

(8)井筒附着物。可能包括油基钻井液、残留砂和顶替胶液等,井筒附着物会使管串的运动阻力增大,应适量提高泵注排量。

复杂井眼水力泵送时应综合考虑各种因素,对于造斜点、大的井身曲率、大斜度段、水平段等采用不同的泵送速度和排量。为确保施工作业的安全和顺利进行,中国石油集团测井有限公司自主研发了模拟泵送软件,可根据每口井井身结构、井斜数据、套管尺寸、桥塞外径等数据,模拟计算泵送排量和速度,制定相应的泵送程序,使作业参数更加合理。

3.1.2 多级点火技术

利用可编址电子开关技术,通过地面仪器控制可编码电子开关,有选择性地将磁电雷管与缆芯导通,完成分级点火。电缆可编址多级点火射孔系统由井下磁定位器、枪头、火线、智能接头、雷管、射孔弹和枪尾等组成。

3.1.3 连续油管分簇射孔技术

桥射联作施工时,为满足连续油管施工提速提效的需要,提出连续油管分簇射孔技术,目前有3种施工方式。

采用隔板延时装置实现分簇射孔。其过程顺序:在连续油管内投球、加压,击发投球压力开孔起爆装置,引爆第1级射孔枪;第1级射孔枪引爆隔板延时起爆装置,进入延时阶段,在延时期间,可完成上提管柱等预定操作;延时时间结束后,延期起爆管引爆下一级射孔枪(见图2)。

采用环空与管内分次加压起爆的方式。制作筛管式枪间接头,封堵上部射孔枪的同时使环空压力进入下部射孔枪的压力起爆装置。起爆时,先环空加压引爆下部射孔枪,然后上提管柱,连续油管管内加压引爆上部射孔枪,实现连续油管下井1次完成2簇射孔作业。上部起爆装置的安全值大于下部起爆装置的安全值10 MPa以上,同时环空只与下部的起爆装置连通,而与上部起爆装置隔离(见图3)。

图2 连续油管隔板延时管串示意图

图3 连续油管环空与管内分次加压起爆示意图

采用压力编码智能控制装置分级起爆方式。地面按特定方式在井筒内施加压力,井下压力编码智能控制装置通过压力传感器实时采集压力信号,并与预设的压力起爆编码命令对比进行智能识别,当接收的压力信号与预设命令一致时,装置内点火电路启动,起爆连通射孔枪(见图4)。

图4 压力编码智能控制分级起爆示意图

3.1.4 模块化射孔枪

桥射联作工艺由于涉及部件较多,现场作业工序复杂,导致现场各种问题频发。为提高联枪效率,降低操作失误率,消除装弹和接雷管时的人为错误,提高现场作业安全性,设计了模块化射孔枪。它采用简化的适配器结构以及一体式的桥塞点火适配器,可在车间安装完毕后整体运输,现场只需简单连接即可使用,更短、更轻的模块化射孔枪降低了现场作业安全风险,缩短了施工时间[6]。

3.1.5 爬行器射孔技术

为提高作业效率,采用爬行器推移枪串进行射孔。该技术解决了单芯电缆爬行射孔控制、电器隔离、低速水平井校深、长距离推送等问题。2019年11月在页岩油示范区H×井成功完成了爬行器射孔作业,1次下井完成5次分簇射孔,射孔准确率100%,作业仅占用井筒12 h,比传统连续油管施工效率提高60%以上,同时降低了施工成本和协同作业风险。

3.1.6 其他辅助工具

为满足泵送作业要求,提高入井管串在井内的通过能力和管串掉井后的打捞作业成功率,研制了多样化的入井工具,包括泵送短节、降阻装置、加重短节等,适用不同的作业环境,可解决特定问题。

3.2 配套技术分析

3.2.1 可溶球座技术

为持续实现降本增效的目的,配合“金属分割,免钻投产”的体积压裂工艺研发思路,研发了可溶球座技术,前期完成5.5 in(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、4.5 in可溶球500余段的实验。其特点:①采用金属密封代替胶筒密封,解决了溶解的瓶颈;②锚封一体,力学自锁,结构紧凑,减少了溶解产物;③井筒压后免干预,全通径,提效降本。在华×井现场应用42趟,1次坐封成功率、压裂成功率均为100%。

3.2.2 井口远程快速连接技术

在常规井口连接时,需要人工参与,作业涉及高空及高压区域。为降低作业风险和提高作业效率,研发了井口远程插拔连接器,主要由井口对位导入器、插拔专用上接头、远控锁紧机构、防脱安全锁定机构、快速试压机构、远程投球机构等部分组成。华×井现场应用20余层,完成了防喷装置管串远程井口自动对位、远程快速连接锁紧、远程快速解锁释放、远程快速试压、远程投球等,远程1次对接成功率100%,减少了井口工人高空、高压区域的作业风险,每次可减少安装时间25 min以上,在工厂化桥射联作施工中得到了广泛应用。