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03-非常规油气水平井多级分段压裂完井技

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非常规油气 分层注水 油藏钻采 稠油油藏
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非常规油气 水平井 多级分段 压裂完井技术 胜利油田分公司 采油工艺研究院 2012 年 1 月 胜利油田 2012 年 开发技术座谈会发言材料 内部资料 注意保密 非常规油气 水平井多级分段压裂完井技术 编写: 张全胜 张 峰 左家强 李玉宝 王 磊 吕 玮 张燎 源 张 建 初审: 李爱山 郝金克 审核: 张全胜 胜利油田分公司 采油工艺研究院 2012 年 1 月 1 一、 国内外技术现状及油田发展形势 1、 国外非常规油气技术 迅猛发展 近年来,国外以美 国页岩油气为代表的非常规油气勘探开发飞速发展,并逐步形成了非常规油气水平井 勘探、 钻井、完井、压裂、裂缝监测等系列配套技术,建立了较为完善的勘探开发理念。 在技术不断配套完善的同时,也形成了甜点勘探、优快钻井、压裂完井一体化、体积压裂、“井工厂”管理模式等成熟的勘探开发理念。 美国已钻页岩油气水平井数量达 50000 多口,水平井多级分段压裂 完井 技术已日趋成熟, 2011 年美国共完钻非常规油气水平井 8500多口,水平井占非常规油气产量的 90%以上 , 80%以上为“井工厂”模式 。 页岩气产量为 1800 亿立方米,占美国天然气 总产量的 34%。国外非常规油气水平井多级分段压裂完井技术主要形成了水平井裸眼封隔器分段压裂完井和泵送桥塞射孔分段压裂联作两大主导技术,以两大主导技术的突破为核心,配套形成了优化设计、裂缝监测、设备配套等技术系列,提供了有力支撑。 创下分段最多 90 级 ,水平段段长最长 4900m,单段最大加砂量 450段最大液 255080%以上 的井为 “ 井 工厂”模式 。 2、 国内非常规油气 勘探开发 迈出实质性步伐 近年来,国内中石油、中石化、中海油等石油公司在非常规油气勘探开发领域都已经迈出实质性步伐,技术以引进为主,同时开 展了自主研究,正迅速追赶国际先进水平。 截至 2011 年 底,中国石油共在低渗透油气藏完成水平井分段压裂 1133 口井 4722 段,相当于少打直井 3000 口,减少占地超万亩。当 年完钻 1000 口水平井, 500 口井实现了 2200 段有效压裂,提高原 2 油产量 37× 104t,天然气 35× 108压裂后平均单井产量是直井的 计算,中国石油依靠这一技术增产原油 520× 104t,增产天然气 145× 108当于开发一个中型油气田。 中国石化开始了以 突破关键技术 、 加快产能建设 为目标的 非常规勘探开发会战 。据不完全统计,中 国石化共完成水平井分段压裂 82井次,取得了初步效果。 2011 年,中国石化 收购美国德文公司页岩油气资产 。 中海油通过 收购国外鹰滩页岩油气项目,正式进军页岩气领域。 3、 胜利油田 发展 形势 中石化确定的资源战略突出了对非常规油气资源的重视,提出采用非常规技术勘探开发非常规油气。 2011 年 8 月 下发《关于加强非常规油气勘探开发的意见》,成立了 由油田主要领导组成的工作 领导小组。立足致密砂岩、突破页岩油气,打一场非常规油气勘探开发会战。 至 2011 年底,致密砂岩未开发储量 108t,其中落实未动用储量 108t,油藏类型以滩坝砂、砂砾岩、浊积岩油藏为主 ,具有 层多、层薄、储量丰度低 。 济阳坳陷 320 余口探井在页岩 中见油气显示,其中 30 余口井获工业油流,展示了油气的良好勘探开发潜力。 根据优质烃源岩 (油页岩)发育、预测页岩油气有利勘探面积达 2316主要的分布在东营凹陷和沾化凹陷 , 胜利油田 页岩储层的差异主要体现在 沉积方式、流体粘度以及岩石力学强度(脆性指数)方面。 页岩油具备作为战略性补充资源的巨大潜力。 运用常规的直井压裂技术和低渗透砂岩的注水开发技术开发非常规油气资源存在四低特点,一是动用率低,小于 油难以动 3 用;二是开发效益低;三是采 油 速度低;四是采收率低。所以,常规技术制约着非常规油气的勘探开发。 国外经验表明,长水平段钻井 +多级压裂是解放非常规油气的有力武器。 胜利油田水平井多级分段压裂完井技术目前整体处于试验探索阶段,尚不能满足规模化应用的需要。因此,开展配套技术研发,具有重要意义。 胜利油田开展了水平井压裂优化设计、完井工艺管柱的攻关、试验,取得了阶段性成果,为“十二五”非常规油气勘探开发奠定了坚实的基础。 先后 研究 、 试验了水平井管内封隔器分段压裂、水力喷射分段压裂、连续油管喷射砂塞分段压 裂、砂塞分段压裂 、预制滑套分段压裂 及裸眼封隔器分段压裂技术 。 截至 2011 年底, 胜利油田在高89、樊 147 块等 8 个区块( K=1~ 20)应用 15 口井,初期日油 12t,是直井的 2 倍 ~ 5 倍。 二 、胜利油田水平井 多级 分段压裂完井技术进展 胜利油田 与北美 的 非常规 资源 在 沉积形式 、资源类型、油层构造、油层性质等方面存在差异 ,决定了无法照搬国外经验和技术,采取“边引进、边学习、边研究”的思路,形成满足胜利油田勘探开发需要的水平井多级分段压裂完井技术成为必由之路。 “十二五” 以来,针对胜利油田致密油和页岩油的特点 ,开展了多项技术引进、攻关和试验,在以下四个方面取得了重要进展。 (一) 水平井裂缝起裂及 延伸规律研究 储层物性、岩石性质、地应力场、天然裂缝和施工参数等众多因素共同决定了水平井裂缝起裂和延伸,其中应力场分布及岩石力学性 4 质是主要影响因素,具体表现为:应力方向及天然裂缝方向决定了裂缝起裂和延伸方向;水平、纵向应力大小和砂泥岩界面性质决定了水平和纵向的裂缝形态;岩石力学性质(泊松比、杨氏模量、断裂韧性)决定了裂缝复杂度。通过大量的物模及数模实验,对水平井裂缝起裂和延伸规律的研究取得以下进展 。 ( 1) 首先通过岩心定向和 井确定主应力方向,然后利用井确定天然裂缝方向,最后综合 预判裂缝走向 , 形成了裂缝走向预判方法 。 ( 2) 建立的岩石破裂 形成了描述裂缝水平延伸规律的技术。 ( 3) 通过与 司联合研究,修正了纵向应力剖面计算模型,提高了裂缝纵向延伸模拟的准确度。 ( 4) 借鉴国外标准,对罗 69 井可压性进行了评价,并根据评价结果优化了渤页平 1 井的施工参数及材料。 (二)水平井多级 分段 压裂设计优化技术 研究 胜利非常规油气均为陆相沉积,储层水平方向联通性差,非均质性强,因 此不能照搬国外的压裂设计思路,为了提高水平井产能,需要对整个水平段进行差异化设计,另外影响单井产能的因素众多,包括储层参数、裂缝参数、施工参数和井组参数,其中裂缝间距是水平井多级压裂不同于直井压裂的关键参数。对于此类非线性多元问题,其最优解的求取十分困难,需要通过设计多组实验方案进行优选。通过对两相非达西流渗流规律的研究,取得以下进展 . ( 1) 建立了考虑裂缝干扰的非达西两相渗流产量预测模型,可以进行裂缝条数、间距、缝长、裂缝对称性、不等长缝、导流能力等多个参数的分析,形成了水平井分段压裂优化设计软件,能够满 足分 5 段压裂优化设计的需要。 ( 2) 利用水平段测井数据和裂缝监测结果,进行储层物性和可压性分析,根据分析结果选择设计思路,优化施工参数。 ( 三 )水平井多级分段压裂完井工艺管柱及配套工具研究 为满足 非常规油气压 裂需要,借鉴国内外的先进经验,采取引进与自主研发相结合的方式,针对不同完井方式,研究、试验了 水平井多级分段 压裂完井管柱 ,取得了重要进展 。 1、 水平井裸眼封隔器分段压裂完井 技术 取得重大突破 水平井裸眼分段压裂完井管柱是目前国内外重点发展的非常规水平井多级分段压裂完井工艺,贝克休斯、威德福等主要石油服务公司均 形成了自己品牌的裸眼分段完井工具,贝克休斯工具可以实现24 级分段压裂,球座级差 1/8威德福的球座级差达到 1/16以满足 非常规 油气更多级数分段压裂需要。 该技术 采用 裸眼完井, 裸眼封隔器分段,投球打开滑套的方式,实现多级压裂完井一体化。 具有 采用尾管悬挂器 +裸眼封隔器 +滑套实现选择性的分段、隔离,一次坐封 , 分段压裂一次完成,不固井、射孔,减少作业时间 等优势。工艺管柱如图 1 所示。 图 1 水平井裸眼封隔器分段压裂完井管柱 在引进学习国外技术的基础上,开展了自主研发,采用压裂完井 6 一体化理念,实现了较 大规模多段压裂,可满足非常规油气多级分段压裂的需要。 裸眼压裂封隔器、投球滑套及低密度球等关键工具的研发取得了重大突破,耐压与耐冲蚀性指标基本与国外先进水平相当 , 耐压60段数量达 12 段( 41/2格 ) ,球座允许排量 6m3/级最大过砂量 50 ( 1) 关键工具研究进展 ① 压裂悬挂器 在成熟的常规完井悬挂器的基础上,通过强度分析和局部结构改进,完成了压裂悬挂器的试验,耐压差 60挂力 500 ② 裸眼压裂封隔器 针对大规模压裂要求分段可靠性、致密砂岩井眼规则等特点 ,开展了双胶筒压裂封隔器的研究,耐压可达 60 经过 20 余次的试验表明,工具在 管内耐压差 60贝克休斯封隔器在 管内耐压差 8500当。 表 1 裸眼压裂封隔器技术参数表 项目 参数 内径( 100 外径( 148 密封压差( 60 ③ 投球滑套球座 及 低密度球 研制 为降低压裂砂对球座的冲蚀及后期钻铣球座的问题,开展球座材料优选及结构优化研究。 材料优选:优选 料,相比合金钢冲蚀速率降低 90%以上, 7 且材料可钻 。 球座结构优化: 采用有限元仿真,研究了不同球座锥度的冲蚀速率,优化球座锥面角度为 30° 。 目前 19座在排量达到 3m3/条件下,球座过砂量超过70成后仍然可以承受 60压力保证密封 ,现在可以完成采用 41/2格分 12 级分段压裂的施工 。 通过材料优选和结构优化,球座的耐磨性可满足密封需要,且可用磨鞋磨铣。 优选压裂球材料,研制成功两种密度等级的压裂球,密度球与球座的配合尺寸 在 34压差 60 ( 2) 通过樊 154 的技术引进学习,具备了自主实施能力 樊 154— 平 1 井是胜利油田樊 154 区块的一口油藏评价井, 控制面积 平井控制储量 104t,平均孔隙度 平均渗透率 10层原油粘度 s,油层厚度 13m 左右,油藏中深 2680m。 樊 154-平 1 井 2011 年 1 月 30 日开钻,完钻井深 4066m,引进国外裸眼封隔器分段压裂完井工具开展试验。 樊 154— 平 1 井实施裸眼长水平井 12 级分段压裂 , 5 月 21 日开始加砂压裂,各项参数达到设计要 求,顺利完成了长井段多级分段压裂现场试验。 入液量 国内水平井 油井 裸眼分段压裂施工井段最长,分段数最多,加砂、加液量最大等多项纪录,为今后 非常规 水 平井裸眼分段压裂开发奠定基础。 通过 樊 154-平 1 井 试验,我方在 技术理念与水平 得到大大 提升 。 8 学习国外先进的技术理念,掌握了施工关键点控制、工艺实施流程等核心技术 ; 应用学习曲线,制定了水平井多级分段压裂技术标准与实施规范,为下步规模化推广积累了宝贵的经验 ; 开展了自主工艺配套,包括裂缝监测、压裂井口、投球管汇、实时配液等 。 ( 3) 采用自主技术,实施樊 154 裸眼 10 段压裂完井试验 在樊 154-平 1 井试验的基础上,完全依靠自主设计、自主技术实施,开展了樊 154-平 3 井试验。 2011 年 10 月 1 日 开钻, 2012 年 1 月 13 日 完钻 。完钻井深 3828m,水平段长 裸眼封隔器分段压裂完井 , 分 10 段 压裂。 ① 滑套及封隔器卡封位置优化 井径扩大率 30 个)监测配套技术 ; 形成自主知识产权的裂缝监测实时解释分析技术 。 7、绿色环保压裂配套技术研究 非常规油气水平井分段压裂具有液量 巨大的特点,对压裂液水源的管理提出了巨大挑战。 水源节约、 返排液处理 、 返排液再利用 等都需 要 进行绿色环保压裂配套技术研究。 ( 1)污水配制压裂液技术 利用污水配制压裂液,可减少大规模压裂对清水的需求,研究可用污水或返排液在线配制的压裂液。 乳液缔合聚合物压裂液采用高分子材料合成,可用污水配制,具有耐高温 ,抗剪切能力强等优势。 目前已完成室内试验,下步将继续完善技术,开展现场试验。 ( 2)返排液处理及再利用技术 将压裂返排液进行沉降、过滤等初级处理,并重新配制质量合格的压裂液,可以提高水源利用率,降低压裂液对环境的影响。 (二)加强 非常规实验室建设 国外贝克休斯、 公司重视基础实验室建设,且投入巨大。贝克休斯中试车间 有 8 个工具实验装置(直井 4、水平井 4)可完成常温常压到超高温高压(温度 370° C,压力 276有测试 。 贝 19 克休斯从 2005 年开始研发投入从每年 1 亿美元增加到 5 亿美元 。 验项目非常齐全,仅导流能力测试仪器多达 10 套 。 1、压裂完井工具实验室 压裂完井工具实验室由水平井多级分段压裂模拟试验装置、直井大型分层压裂模拟试验装置和压裂工具动态模拟实验装置三部分组成,并配套循环供液系统和测控系统。 预计 2014 年建成,将由静态实验室改建为动态模拟实验室,可满足水平井多级分段压裂完井管柱和新工具研发、性能测试等需要。 ( 1)水平井多级分段压裂模拟试验装置 水平井压裂完井管柱整体实施工艺的相关实验 。 ( 2)压裂工具动态模拟实验装置 携砂压裂液对工具的冲蚀试验,对工具材料、结构进行优化 。 ( 3)直井大型分层压裂模拟试验装置 与水平井装置配合,完成水平井和直井多级压裂完井管柱整体实施工艺实验 。 2、真三轴大尺寸压裂物模装置 该装置可用于 多薄层致密砂岩压穿多层及导流能力情况的模拟;泥岩压导流能力情况的模拟;射孔方式对裂缝扩展的影响规律;压裂液粘度、排量对裂缝扩展影响规律。 技术指标: ① 岩样尺寸: 762 762 ② 可测试 地层温度: 90℃;孔隙压力: 45大应力: 70~90 3、三轴岩石力学实验室 目前可实现岩石力学参数及地应力测定、岩石可钻性分 析。下步 20 将开展 岩石失效强度实验、井筒坍塌模拟实验和井壁稳定实验、压裂裂缝扩展物模实验,以指导数模分析,提高方案设计优化水平。 测试 围压条件下杨氏模量、泊松比、剪切模量等岩石力学参数。预计 2012 年投入使用 。 (三) 实施 “井工厂”管理模式 国外一个井台布 3- 8 口井,多口井位并行作业,大大降低了费用。水平井布井方式优化 。 下步将在樊 154-平 8、 樊 154- 平 9、 樊154- 平 10 实施 三井 同台试验,对压裂完井提出了新要求。 根据“井工厂”模式对压裂完井的要求,下步将开展以下攻关配套: ( 1) 水平井布井方式优化 : 井身轨 迹与最大 主应力夹角优化 ;井间距优化 。 ( 2) 压裂并行压裂及裂缝耦合可行性研究 : 多井压裂裂缝的耦合,提高压裂效果 。 ( 3) 压裂液重复利用探索性研究 : 非常规油气压裂规模较大,压裂液上万方,压裂液的重复利用成为必要 。 ( 4) 压裂设备优化配置 : 提高压裂设备的在井时间,提高利用率,降低动迁成本,缩短施工周期 。 “十二五”期间,在管理局和分公司的领导下,坚持“边引进、边应用、边研究”的思路,以“打造一流,率先发展”为己任,勇挑重担,攻坚克难,将自主攻关与引进合作有机结合,强化攻关配套,推进规模应用,实现水平井多级压裂 完井技术的跨越式发展,为“东部硬稳定,西部快上产,非常规大发展”提供强有力的技术支撑!
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