工廠化橋射聯(lián)作工藝在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用

謝剛,賀紅民,扈勇,王振喜,洪文璞,趙坤

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司,陜西西安710201)

0 引 言

隨著長(zhǎng)慶油田二次加快開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,大規(guī)模水平井勘探開發(fā)模式成為主要的增產(chǎn)措施,配合體積壓裂的橋射聯(lián)作工藝技術(shù)工作量大幅增加。在施工過程中,推行了工廠化橋射聯(lián)作施工工藝,把以往現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員串行施工模式,改變?yōu)槿藛T在統(tǒng)一平臺(tái)上按照統(tǒng)一的指令完成各自工作,達(dá)到簡(jiǎn)化復(fù)雜施工工序,保證施工穩(wěn)定、高效的作用。同時(shí),以此作為切入點(diǎn),積極推進(jìn)射孔工藝技術(shù)進(jìn)步、橋射工具串優(yōu)化及提速、提效、提質(zhì)實(shí)踐。在地面設(shè)備方面,配套集成綜合撬裝等多項(xiàng)創(chuàng)新裝備,積極探索一隊(duì)雙機(jī)、一隊(duì)兩班、單隊(duì)多平臺(tái)、雙隊(duì)N平臺(tái)的作業(yè)模式,并與相關(guān)方共同制訂完善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)程序,實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)各配合方無縫銜接,為長(zhǎng)慶油田加快發(fā)展提供了多元化的技術(shù)保障[1]。

介紹了工廠化橋射聯(lián)作工藝在長(zhǎng)慶油田的應(yīng)用組織模式及取得的效果,對(duì)工廠化橋射聯(lián)作工藝核心技術(shù)、配套技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究。研究表明,通過實(shí)施工廠化橋射聯(lián)作工藝,施工區(qū)塊單層有效施工作業(yè)時(shí)間同比降低15%以上,為保障長(zhǎng)慶油田2025年實(shí)現(xiàn)6.8×107t的目標(biāo)提供了技術(shù)支持。

1 施工工藝簡(jiǎn)介

1.1 橋射聯(lián)作工藝

橋射聯(lián)作工藝是一種綜合射孔技術(shù)[2-3],它是指在井筒和地層有效溝通的前提下,當(dāng)井口全封閉時(shí),運(yùn)用電纜水力輸送方式,按照設(shè)計(jì)程序,將射孔管串和橋塞聯(lián)作工具串輸送至井下預(yù)定位置,完成橋塞坐封和分級(jí)射孔聯(lián)合作業(yè)。該技術(shù)可將目的層劃分為多個(gè)層段,進(jìn)行分段封堵、分段射孔、分段壓裂。施工工藝過程見圖1。

圖1 橋射聯(lián)作施工工藝過程

1.2 工廠化橋射聯(lián)作工藝

工廠化橋射聯(lián)作是指借鑒工廠化流水線作業(yè)方式在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),配備1套及以上的射孔及壓裂裝備,對(duì)2口及以上的井同時(shí)實(shí)施不間斷的連續(xù)壓裂作業(yè),提高油氣井的投產(chǎn)效率和產(chǎn)量。工廠化橋射聯(lián)作尤其適用于大井叢,致密油氣、頁(yè)巖油氣等,它可根據(jù)地層特征,有針對(duì)性地改造地層,達(dá)到目的層段最佳改造效果。其優(yōu)勢(shì)為:分段壓裂段數(shù)不受限制,壓裂層位定位準(zhǔn)確,封隔可靠性高,方便“千方砂、萬方液”的大型體積壓裂改造。

2 生產(chǎn)組織模式創(chuàng)新

與常規(guī)生產(chǎn)組織模式相比,工廠化橋射聯(lián)作工藝在生產(chǎn)組織方面的創(chuàng)新主要有5個(gè)方面。

(1)組織模式。以井為中心組織生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離。根據(jù)施工井型特征,以井為中心靈活抽調(diào)人員組隊(duì)。根據(jù)員工的作業(yè)能力和各自特點(diǎn),作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置4種崗位組:絞車泵送組、槍串組裝組、井口作業(yè)組和后勤保障組。各個(gè)崗位組長(zhǎng)負(fù)責(zé)內(nèi)部統(tǒng)一協(xié)調(diào)安排,實(shí)行生產(chǎn)組織、后勤保障、技術(shù)支持、現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)專人負(fù)責(zé)。

(2)運(yùn)行模式。采用橋射項(xiàng)目一盤棋,生產(chǎn)生活一體化,支撐服務(wù)一條龍、生產(chǎn)組織一站式模式。同時(shí)對(duì)每口井進(jìn)行總結(jié),做到物質(zhì)共享、信息共享、技術(shù)共享。

(3)生產(chǎn)保障。提前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、人員培訓(xùn)、裝備部署、器材準(zhǔn)備、隊(duì)伍到位,杜絕一切等停,提前做好生產(chǎn)保障。實(shí)施安全監(jiān)督與現(xiàn)場(chǎng)施工同步,井口組裝與器材配接同步,泵送與管串組裝、工具保養(yǎng)同步,生活保障與現(xiàn)場(chǎng)施工同步,休息與生產(chǎn)同步,滿足平臺(tái)24 h不間斷作業(yè)。

(4)安全管理。實(shí)施安全教育培訓(xùn)到現(xiàn)場(chǎng),安全責(zé)任落實(shí)到現(xiàn)場(chǎng),安全技能實(shí)踐到現(xiàn)場(chǎng),安全措施執(zhí)行到現(xiàn)場(chǎng),安全隱患整改到現(xiàn)場(chǎng),安全監(jiān)督檢查到現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管模式。掛點(diǎn)領(lǐng)導(dǎo)督查,駐點(diǎn)監(jiān)督抽查,主管聯(lián)合檢查。

(5)技術(shù)管理。實(shí)施共享防噴器和不倒防噴管施工工藝,多井臺(tái)施工時(shí),可以采用2～3個(gè)井口共享1套防噴管,節(jié)省設(shè)備損耗。利用不倒防噴管施工工藝,實(shí)現(xiàn)多個(gè)井口之間的切換共享。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 核心技術(shù)分析

3.1.1 復(fù)雜井眼水力泵送技術(shù)

水力泵送射孔槍串一般分2個(gè)階段:直井段依靠槍串的重力自由下放,水平段利用水力進(jìn)行槍串泵送。在井眼軌跡復(fù)雜的井中施工,風(fēng)險(xiǎn)主要有4個(gè)方面:①由于井斜不斷發(fā)生變化,槍串始終處于加速、減速、勻速的階段,控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致管串泵脫,導(dǎo)致管串落井事故;②受套管內(nèi)部變形、砂堵等影響,管串泵送過程中隨時(shí)存在遇阻的可能,如果絞車工現(xiàn)場(chǎng)未及時(shí)發(fā)現(xiàn),會(huì)導(dǎo)致電纜下放堆積、打扭;③對(duì)于部分井眼軌跡上翹的井,由于壓裂后地層返砂和部分砂未壓進(jìn)地層,在井筒中形成懸浮砂,通過自然沉降,可能形成砂橋,泵送階段可能出現(xiàn)中途遇阻,導(dǎo)致橋塞受力后中途坐封;④在復(fù)雜井眼軌跡井,壓裂砂在井筒的殘留砂量會(huì)增加,導(dǎo)致電纜上提過程中攜砂量增加,可能導(dǎo)致電纜遇卡[4]。

針對(duì)以上問題,復(fù)雜井眼條件下,影響泵送結(jié)果的因素及相應(yīng)的控制措施如下。

(1)泵送速度。槍串在井內(nèi)移動(dòng)過程中,槍串的運(yùn)行速度應(yīng)和壓裂隊(duì)的泵注排量相互匹配,如果泵送速度過慢,會(huì)導(dǎo)致電纜頭張力突然增加,當(dāng)大于電纜頭弱點(diǎn)拉力時(shí),電纜崩斷導(dǎo)致管串落井。因此,要嚴(yán)格控制泵送速度,一般要求直井段下放速度不超過6 000 m/h,水平井橋射聯(lián)作速度不超過4 000 m/h,多級(jí)點(diǎn)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,水平段電纜上提速度不超過3 000 m/h,直井段上起速度不超過6 000 m/h。

(2)排量控制。泵注液體排量以小于0.5 m3/min開始,根據(jù)設(shè)計(jì),后續(xù)逐漸平穩(wěn)增大,最大一般不超過3 m3/min;隨著井斜增加,應(yīng)同步緩慢增加泵壓和泵送排量,確保間隔壓力和泵送排量增加時(shí)對(duì)工具串不造成沖擊。在泵注過程中,最高泵壓不得超過井口裝置的額定工作壓力。

(3)井斜變化。管串泵送過程中,泵注排量會(huì)隨著井斜角的變化而發(fā)生變化。當(dāng)井斜角增大時(shí),泵注排量也需相應(yīng)增大以克服自身重力分量,井斜角減小時(shí),泵注排量應(yīng)相應(yīng)減小,一般要求30°井斜位置開始進(jìn)行泵送操作。

(4)管串質(zhì)量和長(zhǎng)度。當(dāng)井口壓力較大時(shí),為確保管串順利下入井筒進(jìn)行施工,在實(shí)際作業(yè)的過程中需要配接加重桿,加重后的管串在水平段運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)增加摩擦阻力,導(dǎo)致增加泵注排量。加重計(jì)算方法為

Wg>Fm+Ff+Ft-Wq

(1)

Ft=p×S

(2)

式中,Wg為加重的質(zhì)量,kN;Fm為電纜與流體、阻流管之間的摩擦力,kN;Ff為井下流體對(duì)下井工具串的浮力,kN;Ft為井下壓力在防噴管電纜入口處對(duì)電纜的上推力,kN;Wq為下井工具串的質(zhì)量,kN;p為井口壓力,MPa;S為電纜橫截面積,mm2。

(5)電纜馬龍頭。正常施工中,每下井3次應(yīng)重新制作電纜馬龍頭弱點(diǎn),可以根據(jù)實(shí)際井深、井眼條件、電纜強(qiáng)度和射孔槍串的質(zhì)量等因素靈活設(shè)置電纜弱點(diǎn)。在長(zhǎng)慶油田,電纜弱點(diǎn)采用內(nèi)外層電纜鋼絲反穿銅錐套壓制。電纜弱點(diǎn)值理論計(jì)算公式為

F≤Fd×50%-Gd

(3)

式中,F為電纜弱點(diǎn)拉斷力,kN;Fd為電纜拉斷力,kN;Gd為工具串在井內(nèi)最深作業(yè)位置時(shí)的電纜懸重,kN。

(6)環(huán)空間隙。針對(duì)不同的管串外徑和套管尺寸,泵送排量及液體對(duì)其管串沖擊力影響非常大。一般環(huán)空間隔越大,需要的泵注排量就相應(yīng)增加,針對(duì)特定管串,當(dāng)環(huán)空間隔大于10 mm時(shí),管串液體沖擊力較小,沖擊力隨排量增大呈近似直線緩慢增長(zhǎng)。但是當(dāng)間隙大于5 mm而小于10 mm時(shí),橋塞與套管內(nèi)壁的間隙非常小,此時(shí)液體沖擊力隨排量增大呈指數(shù)迅速增長(zhǎng),較小排量的變化會(huì)引起液體沖擊力劇烈的變化。現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)選用與套管內(nèi)徑形成9～15 mm間隙的橋塞或泵送環(huán),提高成功率[5]。

(7)泵送液密度。如果泵送液密度增加,液體排量應(yīng)適當(dāng)降低。

(8)井筒附著物?？赡馨ㄓ突@井液、殘留砂和頂替膠液等,井筒附著物會(huì)使管串的運(yùn)動(dòng)阻力增大,應(yīng)適量提高泵注排量。

復(fù)雜井眼水力泵送時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素,對(duì)于造斜點(diǎn)、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。為確保施工作業(yè)的安全和順利進(jìn)行,中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司自主研發(fā)了模擬泵送軟件,可根據(jù)每口井井身結(jié)構(gòu)、井斜數(shù)據(jù)、套管尺寸、橋塞外徑等數(shù)據(jù),模擬計(jì)算泵送排量和速度,制定相應(yīng)的泵送程序,使作業(yè)參數(shù)更加合理。

3.1.2 多級(jí)點(diǎn)火技術(shù)

利用可編址電子開關(guān)技術(shù),通過地面儀器控制可編碼電子開關(guān),有選擇性地將磁電雷管與纜芯導(dǎo)通,完成分級(jí)點(diǎn)火。電纜可編址多級(jí)點(diǎn)火射孔系統(tǒng)由井下磁定位器、槍頭、火線、智能接頭、雷管、射孔彈和槍尾等組成。

3.1.3 連續(xù)油管分簇射孔技術(shù)

橋射聯(lián)作施工時(shí),為滿足連續(xù)油管施工提速提效的需要,提出連續(xù)油管分簇射孔技術(shù),目前有3種施工方式。

采用隔板延時(shí)裝置實(shí)現(xiàn)分簇射孔。其過程順序:在連續(xù)油管內(nèi)投球、加壓,擊發(fā)投球壓力開孔起爆裝置,引爆第1級(jí)射孔槍;第1級(jí)射孔槍引爆隔板延時(shí)起爆裝置,進(jìn)入延時(shí)階段,在延時(shí)期間,可完成上提管柱等預(yù)定操作;延時(shí)時(shí)間結(jié)束后,延期起爆管引爆下一級(jí)射孔槍(見圖2)。

采用環(huán)空與管內(nèi)分次加壓起爆的方式。制作篩管式槍間接頭,封堵上部射孔槍的同時(shí)使環(huán)空壓力進(jìn)入下部射孔槍的壓力起爆裝置。起爆時(shí),先環(huán)空加壓引爆下部射孔槍,然后上提管柱,連續(xù)油管管內(nèi)加壓引爆上部射孔槍,實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管下井1次完成2簇射孔作業(yè)。上部起爆裝置的安全值大于下部起爆裝置的安全值10 MPa以上,同時(shí)環(huán)空只與下部的起爆裝置連通,而與上部起爆裝置隔離(見圖3)。

圖2 連續(xù)油管隔板延時(shí)管串示意圖

圖3 連續(xù)油管環(huán)空與管內(nèi)分次加壓起爆示意圖

采用壓力編碼智能控制裝置分級(jí)起爆方式。地面按特定方式在井筒內(nèi)施加壓力,井下壓力編碼智能控制裝置通過壓力傳感器實(shí)時(shí)采集壓力信號(hào),并與預(yù)設(shè)的壓力起爆編碼命令對(duì)比進(jìn)行智能識(shí)別,當(dāng)接收的壓力信號(hào)與預(yù)設(shè)命令一致時(shí),裝置內(nèi)點(diǎn)火電路啟動(dòng),起爆連通射孔槍(見圖4)。

圖4 壓力編碼智能控制分級(jí)起爆示意圖

3.1.4 模塊化射孔槍

橋射聯(lián)作工藝由于涉及部件較多,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工序復(fù)雜,導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)各種問題頻發(fā)。為提高聯(lián)槍效率,降低操作失誤率,消除裝彈和接雷管時(shí)的人為錯(cuò)誤,提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全性,設(shè)計(jì)了模塊化射孔槍。它采用簡(jiǎn)化的適配器結(jié)構(gòu)以及一體式的橋塞點(diǎn)火適配器,可在車間安裝完畢后整體運(yùn)輸,現(xiàn)場(chǎng)只需簡(jiǎn)單連接即可使用,更短、更輕的模塊化射孔槍降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn),縮短了施工時(shí)間[6]。

3.1.5 爬行器射孔技術(shù)

為提高作業(yè)效率,采用爬行器推移槍串進(jìn)行射孔。該技術(shù)解決了單芯電纜爬行射孔控制、電器隔離、低速水平井校深、長(zhǎng)距離推送等問題。2019年11月在頁(yè)巖油示范區(qū)H×井成功完成了爬行器射孔作業(yè),1次下井完成5次分簇射孔,射孔準(zhǔn)確率100%,作業(yè)僅占用井筒12 h,比傳統(tǒng)連續(xù)油管施工效率提高60%以上,同時(shí)降低了施工成本和協(xié)同作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.6 其他輔助工具

為滿足泵送作業(yè)要求,提高入井管串在井內(nèi)的通過能力和管串掉井后的打撈作業(yè)成功率,研制了多樣化的入井工具,包括泵送短節(jié)、降阻裝置、加重短節(jié)等,適用不同的作業(yè)環(huán)境,可解決特定問題。

3.2 配套技術(shù)分析

3.2.1 可溶球座技術(shù)

為持續(xù)實(shí)現(xiàn)降本增效的目的,配合“金屬分割,免鉆投產(chǎn)”的體積壓裂工藝研發(fā)思路,研發(fā)了可溶球座技術(shù),前期完成5.5 in(1)非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同、4.5 in可溶球500余段的實(shí)驗(yàn)。其特點(diǎn):①采用金屬密封代替膠筒密封,解決了溶解的瓶頸;②錨封一體,力學(xué)自鎖,結(jié)構(gòu)緊湊,減少了溶解產(chǎn)物;③井筒壓后免干預(yù),全通徑,提效降本。在華×井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用42趟,1次坐封成功率、壓裂成功率均為100%。

3.2.2 井口遠(yuǎn)程快速連接技術(shù)

在常規(guī)井口連接時(shí),需要人工參與,作業(yè)涉及高空及高壓區(qū)域。為降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和提高作業(yè)效率,研發(fā)了井口遠(yuǎn)程插拔連接器,主要由井口對(duì)位導(dǎo)入器、插拔專用上接頭、遠(yuǎn)控鎖緊機(jī)構(gòu)、防脫安全鎖定機(jī)構(gòu)、快速試壓機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)程投球機(jī)構(gòu)等部分組成。華×井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用20余層,完成了防噴裝置管串遠(yuǎn)程井口自動(dòng)對(duì)位、遠(yuǎn)程快速連接鎖緊、遠(yuǎn)程快速解鎖釋放、遠(yuǎn)程快速試壓、遠(yuǎn)程投球等,遠(yuǎn)程1次對(duì)接成功率100%,減少了井口工人高空、高壓區(qū)域的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),每次可減少安裝時(shí)間25 min以上,在工廠化橋射聯(lián)作施工中得到了廣泛應(yīng)用。

4 應(yīng)用效果分析

面對(duì)水平井工作量劇增的局面,中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司在長(zhǎng)慶油田創(chuàng)新應(yīng)用各類技術(shù),優(yōu)化生產(chǎn)組織模式,在致密油、致密氣等多平臺(tái)利用工廠化橋射聯(lián)作工藝。2015—2020年,完成1 500余井次、13 000多層、超過50 000簇的工廠化橋射聯(lián)作工藝施工(見表1)。

表1 2015—2020年工廠化橋射聯(lián)作工藝施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

工廠化橋射聯(lián)作工藝為甲方縮短建井周期12～14 d,從使用效率來看增產(chǎn)20%～30%,并創(chuàng)造了多個(gè)施工紀(jì)錄。在靖×井實(shí)現(xiàn)了中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司陸上最長(zhǎng)水平段的橋射壓裂,水平段長(zhǎng)4 118 m;在慶×油井,完成單日泵送18段橋射聯(lián)作施工紀(jì)錄;在G×氣井完成單日泵送23段的橋射聯(lián)作施工紀(jì)錄。

5 結(jié) 論

(1)工廠化橋射聯(lián)作工藝改變了之前針對(duì)單井的體積規(guī)模壓裂模式,適應(yīng)大井叢、大平臺(tái)、不間斷壓裂儲(chǔ)層連續(xù)改造方式的重大現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織模式的轉(zhuǎn)變,通過規(guī)范各項(xiàng)流程和組織模式,提高了生產(chǎn)組織效率。

(2)規(guī)模應(yīng)用復(fù)雜井泵送技術(shù)、多級(jí)點(diǎn)火技術(shù)、連續(xù)油管及爬行器射孔技術(shù)、模塊化射孔等核心技術(shù),確保工廠化橋射聯(lián)作工藝不斷完善和成熟,持續(xù)降低了現(xiàn)場(chǎng)單層施工時(shí)間。

(3)可溶球座及井口遠(yuǎn)程快速連接等配套技術(shù),極大地提升了中國(guó)射孔工藝設(shè)備性能,在提高安全環(huán)保性能的同時(shí),降低成本費(fèi)用,滿足了長(zhǎng)慶油田低成本開發(fā)下提速增效的需要,該工藝可為其他油田開展類似工作提供參考和借鑒。