新型的连续油管压裂用无线接箍定位器.docx

1、新型的连续油管压裂用无线接箍定位器新型的连续油管压裂用无线接箍定位器一、前言 连续油管在油井的压裂作业中是一个比较新的项目,到目前为止,利用连续油管压裂的油井数量超过5000口,绝大多数的井是在过去的34年中压裂的,并且其中的三分之一是2001年完成的。 象连续油管进行的其它作业一样，油井增产措施的限制因素就是连续油管自身的大小和长度。因为连续油管的规格越来越大，强度越来越强，连续油管的使用也就越来越广泛。连续油管压裂作业表现尤为突出。 因为连续油管的疲劳寿命和强度已经提高到了几年以上，用连续油管压裂，经济效益也有了提高。而从前用大规格连续油管进行此项作业不切实际，为支付连续油管费用，作业公司

2、不得不收取较多的费用来补偿。 连续油管压裂特别适合于具有多薄层的浅井。利用连续油管,在这类井上进行压裂施工比用常规方法能缩短很多时间,可在一天内完成一口井的压裂工作。加拿大的一个作业队利用同一套设备,在一天的时间内压裂了两口井。这是由于连续油管能迅速地重新就位封隔器,从一个层位到另一个层位,并且能在欠平衡的条件下完成这一工作,而常规的压裂作业利用连接的油管完成一个层位的压裂后,必须在过平衡条件下移动工具到下一个层位。 连续油管压裂作业在加拿大已经开展了几年，实际上，使用这这一方法进行油井增产的井多数都在加拿大。然而在美国现在也开展了几个地区，多数在科罗拉多、德克萨斯、阿拉巴马、维吉尼亚州。在英

3、国，英格兰和爱尔兰也已进行了连续油管作业。事实上，这些工作都是在陆上多薄互层的浅井上进行的。 不论在什么油田,应用连续油管进行压裂作业的技术是相似的,一套大直径的连续油管管柱是获得足够的流速以进行合适的地层压裂所必需的。连续油管管柱多数使用的是直径23/8-in或27/8-in。 多数连续油管设备都有一个完整的井架，以支撑投送头和防喷管。使用防喷管是为了在欠平衡的条件下从井里起出工具。 连续油管压裂用的工具串多数都由一些跨隔封隔器组成的。图1给出了一个常用的封隔器总成设计。该封隔器总成针对连续油管压裂作业做了专门设计，有如下特点： 平衡阀封隔器在被解封和移动到下一层位之前，可以平衡压力。 下部

4、卡瓦的设计不需要旋转外部芯轴来解封，使封隔器解封更容易。 上部皮碗式封隔器当工具下入井中要反洗井时，可以进行反循环。 多次坐封能够坐封、解封，可靠地移动许多次。 图示封隔器在连续油管压裂中被成功使用了上千口井，适用于41/251/2-in的套管。 标准的封隔器总成操作过程要求工具下入井中进行反循环。这有助于减小上部皮碗式封隔器与套管壁的摩擦力。反循环也能够洗出射孔后进入井中的地层碎屑。工具串到达要压裂的第一层后，封隔器先上提2英尺，然后给封隔器总成向下施加一个重力，封隔器就完成了坐封。下部的卡瓦将锚定在套管壁上，下部的封隔器胶筒也将密封了井筒。就开始了连续油管压裂作业。压裂完成后，就可以反排。

5、通过连续油管上提，封隔器就可以解封，并移动到下一层位。二、连续油管深度控制 连续油管装置的井架高度限定了投放头下面使用多长的防喷管（见图2）。在大多数情况下,防喷管的长度将跨隔封隔器的长度限定为25ft,使用连续油管进行压裂作业的层位的典型厚度为520ft。当使用25ft的跨隔封隔器压裂一个20ft厚的层位时,在层位的两端仅有21/2ft的公差。 图 1 连续油管 压裂封隔器总成 跨隔封隔器不在设计的深度坐封可导致多方面问题。如果封隔器坐封过低,上部的封隔器将会低于该层位顶部的射孔。首先,由于压裂不完全直接导致产量降低,尤其是低渗透地层,未得到压裂的部分就不会有增产的可能；其次,当液体泵入时在

6、上部封隔器周围产生流体窜槽；第三,砂子进入并堆积在上部封隔器的上部,甚至会造成工具串的砂卡。 封隔器坐封过高会造成同样的问题。射孔低于下封隔器,会因有未处理的射孔而造成产量降低,引起窜槽问题,以及砂子窜入并沉积在井底封隔器总成的下封隔器以下引起砂卡。 对于连续油管来说,在高精度的深度公差带状态下工作仍是一个难题。绝大多数的连续油管装置使用简单的轮式测量器或光学编码器,或者两者同时使用来控制下入井中的连续油管的长度。轮式测量器的滚轮沿着连续油管的外表面转动并测量其长度,当滚轮磨损后,将在滚轮上产生沟槽。即使一个像一张纸厚的浅槽,在5000ft深的井中也会产生61/2ft的误差。轮式测量器滚轮轴的

7、轴承会随着时间的推移以及水和污物的侵入变得粗糙,从而使滚轮产生滑动而不是滚动。 为了解决滚轮测量器精度差的问题,一些连续油管制造商在投放头传动装置上安装了光学编码器。因夹头滑轮链条伸长等因素,在一定程度上夹头滑轮和连续油管之间仍有滑动。大多数直接安装在传动装置上的测量器具有测深比实际浅的倾向。通常直接安装在投放头传动装置上的光学编码器具有较差的精度,有时甚至比滚轮测量器的误差还大。 既使连续油管装置上的深度测量器工作完好,并对下入井中的连续油管长度测量精确,在电缆测井与连续油管工具串之间仍存在深度差异,注意到这一点很重要。对于裸眼测井轻微的井深误差并不罕见,这些测井资料成为后来其他测井的基础。

8、所以,即使把连续油管的测量装置通过加多滚轮和深度补偿软件的方法来提高精度也不能使之与电缆测井相一致。三、无线套管接箍定位器(WCCL) 为解决连续油管深度测量不准确这个问题,三年前开发出无线套管接箍定位器(WCCL)。该装置用电池供电,当工具经过井内时向地面送一个压力脉冲,显示套管接箍、油管接箍或其他类型的径向穿孔的位置,不需要电缆传送动力和传输数据。图3给出了一个WCCL的剖面图。 WCCL与有线套管接箍定位器相似,利用线圈和磁铁来探测套管因接箍或径向孔眼引起的金属质量的变化。当WCCL通过一个接箍时,线圈和磁铁会产生一个小的电压脉冲,把它作为一个开关给工具里的电磁阀送入电池动力。 测井时,

9、以0.51.0bbl/min的排量泵入液体通过WCCL,一旦线路板接通电磁阀的电池动力,工具就通过滑动活塞关闭通路,其通路被阻滞3s。3s结束后,通到电磁阀的电池动力被断开,工具被重新打开。在与深度相对应的压力测井中能清楚地看到一个压力尖脉冲。测井结果与已有的有线测井资料进行对比,对连续油管测量器进行深度校正。通常要进行第二次测井,以确定连续油管测量器被适当地重置。 操作员对深度计数器调整满意后，WCCL就可以从测井模式转换到工具底部流出模式。在测井时，WCCL有一个滑套，阻止流体从工具底部流出。这一特点被设计进工具中，作为一个预防措施，有助于防止浪涌压力触发油管传输射孔中的压力点火头。 测井

10、完成后，投球落到工具内的球座上，用压力剪断销钉，并移动滑套。滑套移动后，原流过测井喷口的流体就被阻止，而通过一个小喷口流到工具底部。这时就可以进行射孔和投掷桥塞作业。 上面讨论的WCCL工具主要是用于射孔或投掷桥塞前的深度控制。工具参数见表1。表 1 现有无线套管接箍定位器参数工具外径（In.）工具内径（In.）球座流通面积（In.2）耐温()长度（ft）最大流量(bbl/min)2.250.4950.1153007.141.53.250.500.1654009.482.0限定工具的流量小于普通井的压裂流量。此外,现有的两种WCCL工具的流道有较大的弯曲,压裂时泵入携砂液的量也不令人满意,因此

11、必须设计出一种新型的大孔径WCCL,来满足连续油管压裂作业的要求。 图 3射孔或坐封桥塞的WCCL剖面图 图4 连续油管压裂的WCCL剖面图 1.新型大通径WCCL 基于连续油管压裂作业的经验和现有的WCCL工具的使用经验,对新设计的工具确定了如下参数: 内通径必须足以处理流量为12bbl/min的携砂液； 能在41/2-in套管内工作； 在下入井中时能够进行反循环； 必须承受300的井底温度和15000lb/in2的井底压力; 从测井状态转到压裂状态不用投球。工具设计者要设计出电池组、电路板及位于中心管与工具外壳间的环型空间里的电磁阀等部件,而能在41/2-in套管内工作这一点限制了工具的外

12、径,为了最大限度地扩大工具的内径,其外径选为31/2-in,这就剩下了充足的空间11/2-in的内径（见图4）。 用连续油管压裂的大多数待选井井深小于10000ft且井底温度和压力相对较低。根据这些情况,工具设计者认为工具达到300的温度要求就足够了。对于井底温度达到250的井采用AA碱性电池是可行的,高于这一温度,就应选用锂电池。表2给出了该工具的参数。表2大孔径WCCL参数工具外径（In.）工具内径（In.）球座流通面积（In.2）耐温()长度（ft）最大流量(bbl/min)3.501.25-3005.4312.0 大多数的连续油管压裂作业用12bbl/min或稍小的流量完成。工具设计者

13、使用计算机模型确定,在此流量条件下11/2-in的内径使用清水时通过工具的压力降为80lb/in2,使用携砂稠化液时的工具压力降为25lb/in2。2.工具操作为了工具下井过程中,进行反循环，在工具的下端设计了一个活瓣,该活瓣在液体从WCCL底部进入工具时打开,当反循环停止时关闭（见图5）。测井时活瓣处于关闭状态,所有泵入连续油管的液体都从侧喷口流出（见图6）。 与以前的WCCL一样,当一个接箍被检测到时,电磁阀打开使液体从滑动活塞上部进入,活塞向下充分运动以封住排出口。然后,电磁阀断电,活塞缩回（见图7）。排出口可以采用不同尺寸的喷嘴,但最常用的喷嘴直径是0.25in和0.375in。这些尺

14、寸的喷嘴允许测井排量为1.01.75bbl/min,这一排量在连续油管压裂所用泵的工作范围内。 当连续油管压裂的测井部分完成,连续油管深度测量器得到校正,把工具从测井模式改为压裂模式,压裂作业便可以进行了。先前的WCCL工具要通过投球来改变工作模式,这样做是为保证使用压力激发点火装置时的安全。从事连续油管压裂的技术人员提出了不使用投球来改变工作模式的要求,这不仅节省时间而且降低流体用量。 工具设计者通过设计一个与剪钉一同固定的滑套来解决工作模式转换问题(转变到压裂模式)。为了剪断剪钉,泵排量从通常的测井模式的1.01.75bbl/min增加到3.04.0bbl/min。在这一排量下,工具内的回

15、压(液体从侧喷嘴流出而产生的)将会超过剪钉的强度。当剪钉被剪断,滑套下移把侧喷口堵塞。一旦侧喷口堵塞,工具内压力继续上升。在压力达到4500psi时,安装于瓣形止回阀的中空瓣上的破裂膜片破裂（见图8）。在工具的中心打开一个11/4-in直径的通路。为了确保滑套堵住侧喷口,卡在滑套凹槽中的卡环在滑套下行到位后卡住滑套防止其退回。3.使用大通径WCCL的实例 第一个大通径WCCL工具在2001年的第三季度进行了装配,并立即进行了室内试验以检验测井模式下的工具性能,随后进行了滑套、破裂模片功能的试验以确保工具模式转换如同所设计的一样。最后,工具用排量为12bbl/in2的携砂液在流动环路中进行了试验

16、。根据试验情况,对工具的下部进行了改进以增强其寿命。 图7检测到接箍时工具状态 图8压裂时工具状态2001年的10月下旬,该工具在加拿大进行了第一次现场试验。应用情况见表3。工作A是在MedicineHat的一口浅气井。该井的测井曲线见图9。该工具测出了一些虚假的接箍,并且有活塞粘卡现象,电磁阀有缺陷是造成测井不正常的原因。对比是合理的,在连续油管压裂作业开始前连续油管装置的测量器被校正了5ft(比实际浅)。工具转换到压裂模式正如所设计的一样,在压裂过程中,通过工具泵入了80t的支撑剂,这次作业施工了9层。工作B是加拿大的另一口浅气井。测井曲线见图10。活塞粘卡现象再次发生,但测井曲线是合理的

17、,完成了与有线测井的对比,这次井深校正量是8.2ft。成功地转换到压裂模式后,通过工具压进了50t的支撑剂,这次作业施工了7层。 工作C是加拿大的另一口浅气井。测井曲线见图11。这次测井情况良好,没发生活塞粘卡现象。在这口井中,连续油管压裂装置测量器所测得井深与有线测井的实际井深仅有0.5ft的偏差。在转换到压裂模式后,通过工具压进了65t的支撑剂,这次作业施工了7层。 工作D是美国Colorado的一口煤层气井（见图12）。令人惊讶的是连续油管装置测量器工作情况极好,与有线测井比较,其井深已经没有校正的必要。在转换到压裂模式后,通过WCCL工具压进了65t的支撑剂,这次作业施工了5层。工作E

18、是美国WestTexas的一口气井（见图13）。WCCL测井与有线测井比较,发现连续油管装置深度测量器所测井深浅了20ft。在转换到压裂模式之后,在连续油管中泵入时怀疑封隔器泄漏。由于怀疑封隔器有问题,在连续油管上做了油漆标记,把工具从井中起出,检查发现工具的滑套没有下行到压裂位置。其原因是在瓣形止回阀的活舌下部存在一些杂质,使其不能密封。把封隔器重新下回井中至油漆标记处后,完成了连续油管压裂作业。4.现场试验摘要 基于这些最初的现场试验结果,工具设计者对大通径WCCL的工作情况很满意,并对工具进行了改进,使用更加可靠的电磁阀,采用更好的过滤装置。四、结论 为确保跨隔封隔器能固定在井内准确的位置上,工具设计者为连续油管压裂作业开发了一种新工具,一种应用于压裂作业以电池作为动力的深度控制工具,其功能如下: 下入井中时能够进行反循； 为了能与有线测井资料相对比,以实时方式进行套管接箍测井； 在对比和校正了连续油管装置测量器之后,工具能够从测井方式转到不受内径限制的压裂模式,而不需要投球； 所有这些功能可在一趟起下作业中完成,对于作业公司来说,既节约时间又节省资金。