连续油管压裂技术现状

连续油管压裂技术现状
概况
连续油管起源于二次世界大战期间，自六十年代开始用于石油工业。

全世界的连续油油管作业设备，1962年第1台，七十年代中期有约200多台， 1993年有约561台；2001年2月有约850台；2004年1月有约1050台，主要分布在北美、南美和欧洲等地。

目前，在国际市场上的连续管服务队伍拥有450多台连续油管设备，加拿大有239台，美国有253台。

我国已经引进了大约16套连续油管作业设备，主要用于修井作业，还未用于钻井。

连续油管起初作为经济有效的井筒清理工具而在市场上赢得了立足之地。

传统的修井和完井作业的经济收入占连续油管作业总收入的四分之三以上。

连续油管设备在油气田上的应用范围持续扩大，连续管钻井技术和连续管压裂技术成为近年来发展最快的两项技术。

连续油管压裂是一种新的安全、经济、高效的油田服务技术，从九十年代后期开始在油、气田上得到应用，截止2001年，连续油管压裂井数估计超过5000口。

连续油管压裂作业已经在加拿大应用多年。

实际上，前面所述的连续油管压裂井的大多数属于加拿大的气井。

现在，美国的几个地区，主要是科罗拉多（Colorado）、德克萨斯（Texas）、亚拉巴马（Alabama）和弗吉尼亚（Virginia），也已进行连续油管压裂作业。

在英国的英格兰（England）和爱尔兰（Ireland）也已经实施了连续油管压裂作业。

连续油管压裂作业是在陆上的油、气井中实施的。

压裂层位的深度为3000英尺左右，最大深度约10000英尺。

实践表明，连续油管压裂技术特别适合于具有多个薄油、气层的井进行逐层压裂作业。

同传统压裂相比，连续油管压裂具有下列优点：
●起下压裂管柱快，移动封隔器总成位置快，从而大大缩短作业时间。

●能在欠平衡条件下作业，不需要压死井，从而减轻或避免油气层伤害。

●能使每个小层都得到合理的压裂改造，从而使整口井的压裂增产效果更好。

●一次下管柱逐层压裂的层数多，可以多达十几个小层。

●经济效益好。

压裂设备
用于压裂作业的连续油管装置与通常的连续油管装置基本相同，主要设备包括注入头、连续油管工作滚筒总成、操作室、动力设备、液压系统、井口压力控制设备、吊车等，只是有些设备的技术规格有差别。

用于压裂作业的连续油管装置需要配备芯轴直径较大的工作滚筒以及半径较大的注入头导管架。

连续油管在滚筒上和注入头导管架上来回运移时，要经历严重的塑性变形，由此造成的应力—应变循环的强度是影响连续油管寿命的主要因素。

连续油管在其材料开始屈服之前可以被弯曲到屈服曲率半径Ry。

连续油管的弯曲一旦超过其弯曲半径，其材料就要发生塑性变形。

Ry由下式给出：
Ry ＝ E r o／δy
式中 E—弹性模量；
—管子外径；
r
o
δy—屈服应力。

公称屈服应力为75000psi时连续油管的屈服曲率半径见表1 。

实际上，滚筒和鹅颈架
表1 连续油管的屈服曲率半径
的半径远小于表1所列数据，显然，连续油管在滚筒和鹅颈架上要承受严重的塑性变形。

同时，在弯曲点处连续油管的内压也会使其在相同点产生塑性变形。

这种由于弯曲和压力引起的塑性变形使连续油管产生疲劳，影响连续油管的寿命。

各种分析模型表明，采用半径较大的滚筒和导管架，能显著增加连续油管的寿命。

例如，芯轴直径为104″的滚筒和半径为96″的导管架，比芯轴直径为80″的滚筒和半径为72″的导管架，可使每个连续油管柱的使用次数增加一倍（见图1 ）。

图1 连续油管设备尺寸与连续油管寿命关系
推荐的芯轴直径和导管架架半径列于表2。

表2 常用的滚筒芯轴直径和鹅颈架半径
许多连续油管装置带有井架，用于支撑注入头和防喷管系统。

图2显示一种带井架的连续油管车。

井架的高度取决于需要在注入头下面操作多高的防喷管。

大部分情况下，防喷管的高度将压裂工具串的长度限制到大约25英尺（7.6米）。

典型的连续油管压裂小层的厚度为5—20英尺（1.5—6.1米）。

连续油管压裂作业还采用三种常规压裂设备，即压裂液配置设备、混砂设备和压裂泵。

为降低作业成本以及减少地面设备数量，通常采用一台压裂泵。

一般采用四闸板防喷器在连续油管压裂过程中控制井筒压力。

为了在不压井条件下起、下井下压裂工具串，需要配备防喷管。

图2 带井架的连续油管车
连续油管
压裂用的连续油管的限制因素主要是油管尺寸和强度。

为了达到压开油层所需的足够大的压裂液流量，需要采用大直径的连续油管。

由于大直径连续油管的疲劳寿命比小直径连续油管短些，作业公司只得持续不断地研究连续油管的适用性，寻找优化连续油管参数的方法，用以延长压裂管柱的工作寿命。

选择的管子直径要能允许压裂液的流量达到直至2m3/min的设计排量。

管子尺寸也要基于压裂液的摩阻压降以及流速加以选择。

摩阻会影响地面设备压力，流速会影响磨蚀造成的管壁损失。

压裂液在管子中的流速一般限制在30m/s。

综合考虑这些因素，合适的管子直径为2-3/8″或2-7/8″。

这种尺寸的管子，一是可以使地面压力限制在35—40MPa之间；二是能达到期望的流速而不会造成显著的管壁损失。

连续油管壁厚增加，可延长其高压下使用寿命。

管壁的厚度要以携砂流体的磨蚀效应造成的管子金属的损失为基础来加以选择。

在管子工作寿命的后期，管子应当仍然有足够的壁厚，以便在综合负荷条件下能承受工作压力。

除了管子内部的压裂作业压力外，井下工具总成所需要的压缩力也归于综合负荷。

由于焊缝能降低金属的展延性，管子的疲劳寿命在焊缝部位会缩短，这样就会影响整个管柱的工作寿命。

管子的焊缝应当减少，但不可能做到整个管柱没有焊缝，一般会有多达三个焊缝。

屈服强度高于80 000psi的标准连续油管材料，在高压应用中呈现较长的疲劳寿命，在低压应用中呈现较短的疲劳寿命。

然而，当管子的横断面的几何形状相同时，用较高屈服强度的材料制成的管子，比用较低屈服强度的材料制成的管子具有更大的承受应力的能力。

换言之，较高等级的管子在管壁明显变薄后，仍能承受预期的最大工作压力。

井下工具
井下工具串由跨隔双封隔器组成，应有反复可靠坐封的能力。

图3显示一种专门为连续油管压裂工艺设计制造的封隔器总成，其特点如下：
能与1-3/4″—2-7/8″连续油管配套使用；
●工具设计得易于在多层井中进行逐层压裂作业；
●可快速更换皮碗；
●调整修理成本低；
图3 跨隔双封隔器总成
●可任意调整间隔管长度；
●不需要特殊的装配或拆卸工具；
●很少需要反冲洗；
●适合于4-1/2″、5-1/2″、6-5/8″和7″套管；
●适宜各种类型的压裂流体；
●在压裂流体中充入CO2或N2的条件下工作良好；
●支持配备打捞工具；
●在煤层气井中工作良好；
●可采用单皮碗、双皮碗或组合皮碗工具结构；
●可与套管接箍定位器配合使用；
●可与油井记录仪配合使用。

封隔器总成的各元件的设计对于封隔器的成功操作是十分关键的。

必须要求跨隔双封隔器在一次下入一个井筒中后，能多次在各射孔层段的上、下部位可靠坐封，确保逐层压裂成功。

封隔器的橡胶密封件要在压裂过程中能承受大的压差。

压裂参数
●压裂液
传统压裂工艺的压裂液可以用于连续油管压裂工艺。

硼酸盐、钛酸盐交联聚合物水基压裂液应用得很成功。

采用较低浓度的聚合物压裂液不会危害作业质量，而会使压裂液更为经济。

连续油管压裂作业中，氮或二氧化碳可以与压裂液一起使用。

●支撑剂
连续油管压裂工艺采用20/40目支撑剂，通常用石英砂。

●施工参数
压裂流体中混砂浓度大约为1500kg/m3。

压裂过程中地表压力在35—40MPa。

连续油管中压裂液排量为1.5—2.0 m3/min。

逐层压裂时每一个小层的砂量较少，但一口井的总砂量与传统压裂相近，为 5.0—30吨。

加拿大西部的阿尔伯达（Alberta）省的东南部和（Saskatchewan）省的西南部，有一个浅的天然气区域，面积巨大（390万英亩），东西方向约120英里长，南北方向约70英里宽。

加拿大西部的大部分天然气储藏于该区域。

该气田发现于1890年。

现有生产井21000口，单井年产气量为850万立方米。

在该气田，有许多单独的含气小层因太薄而未能投产。

以前，采用限流法压裂工艺技术提高薄层产量。

然而，一些作业者和服务公司认为，限流法压裂工艺技术不是这些薄的、多层的砂岩气层的有效增产工艺技术。

于是他们选择了连续油管选择性压裂工艺技术来使这些薄气层产气。

连续油管压裂工艺技术有下列好处：
●能选择性地压裂薄气层。

●能较快地完井和排液。

●早期的产量得到改善。

●尤其对滞气层进行选择性压裂比采用传统的修井机作业方法经济得多。

气藏地质情况
气藏属于上白垩纪的科罗拉多组地层，由泥岩夹薄的连续的砂岩以及砾岩层组成，是在低能量的海相环境下沉积形成的。

在该气藏钻井时，遇到多个薄的砂岩小层，每个小层3—6英尺厚。

一些井中有13个小层之多。

所有的产气小层的渗透率低，只有0.2—3md，导致气层的传导性差。

有些气层的压力低至500psi。

为了经济地开采天然气，必须对这些薄砂层进行水力压裂以便填入支撑剂。

井筒状况
气井已经生产了许多年。

气藏浅，其深度范围为1300—2400英尺。

采出的气主要是甲烷，在某些区域，水与气一起采出。

大部分气井的井筒状况良好，只有很少数存在腐蚀问题。

大多数井从生产套管采气。

固井质量良好，大多数井的水泥返至井口。

大多数井的生产套管直径为4-1/2″，也有一些井为5-1/2″。

采用最基本的一种套管井口装置，由低压闸阀组成。

尽管大多数套管不漏气、不漏液体，但一些套管能承受的压力不足3000psi，不能承受泵送压裂液所需的地面压力。

这样的套管条件不适合于限流法逐层压裂工艺作业，却非常适合于连续油管逐层压裂工艺作业。

压裂井的射孔层段见图4所示。

图4 压裂井射孔层段
●井筒准备
由于大多数气井的井筒状况良好，在下入封隔器前，不需要下入套管清刮器清理套管。

井筒准备工作的重点是射孔。

确定所有的潜力含气层位后，射开这些层段。

可利用通常的限流法压裂工艺的射孔方法在连续油管压裂井中射孔。

有一种射孔方法采用可回收的销毁式射孔器。

这种便宜的专用射孔器的外径为3-1/2″，装药量为12克。

射孔相位为120°，射孔密度为2孔/英尺。

●压裂参数优选
⏹压裂液
选择传统压裂工艺的压裂液作为连续油管压裂工艺的压裂液，即硼酸盐或钛酸盐交联的水基低浓度聚合物压裂液。

这种压裂液中较低的聚合物浓度不会危害压裂作业质量，而使经济效果更好。

⏹气体助剂
压裂液中使用氮和二氧化碳。

氮与硼酸盐交联聚合物压裂液配合使用，而二氧化碳则与钛酸盐交联聚合物压裂液配合使用。

⏹支撑剂
选用20/40目砂子作为支撑剂。

压裂砂成本低，并且在当地容易获得。

⏹泵排量
由于作业需要将压裂流体通过小的金属管（2-3/8″连续油管）泵入井内，泵排量要尽量低，不要使地表压力超过允许的最高工作压力。

大部分作业中，排量达到10桶/分就足以将支撑剂带入地层中。

⏹混砂浓度
在加支撑剂的最后阶段，混砂液的最高混砂浓度为15磅/加仑。

需要较少支撑剂的小型连续油管压裂作业比大型压裂作业，混砂浓度增加较快。

图显示连续油管压裂作业的平均混砂浓度变化曲线。

压裂设备
●使用了两种型号的连续油管装置，一种用常规连续油管装置稍加改进而成，另一种
是当地设计制造的带专用井架的连续油管装置，二者都配备2-3/8″连续油管。

两
种装置都工作得很好。

●利用传统压裂工艺所用的压裂液混配设备、混砂设备以及压裂泵。

●起初采用常规四闸板防喷器控制井筒压力。

后来采用加以改进的带半封闸板的防喷
器。

这种简化了的防喷器仍然提供全面控制的同时，使设备的装、卸时间缩短。

图5显示了地面设备的连接方式。

图5 地面压裂设备连接示意图
井下工具
专门为连续油管压裂工艺设计制造了一种跨隔双封隔器（见图6），其结构特点如下：●均衡阀—跨隔双总成的底部有一个压力均衡阀，在封隔器释放和移动至下一个层位
之前允许压力得到均衡。

●底部卡瓦设计—不需要转动外芯轴释放封隔器，使封隔器解封更容易。

●封隔器顶部皮碗—允许进行反循环冲洗出井下碎屑。

●多次坐封—能允许多次可靠坐封、解封和移动位置。

图6 连续油管压裂封隔器
在顶部封隔器皮碗上方配备一个机械接箍定位器，用于封隔器总成的准确定位。

还增加了机械安全剪切释放接头。

目前，这种封隔器总成有4-1/2″和5-1/2″两种尺寸。

在连续油管压裂作业过程中，跨隔双封隔器底部的压缩变形构件和顶部的两个皮碗将一段射孔层段卡开。

压裂工具串下至第一个待压裂的小层位置，利用先上提2英尺然后向下把重量加到井下工具总成上的方法将封隔器坐封。

底部卡瓦将固定在套管壁上，下部封隔器将会封闭井筒。

此时，开始连续管压裂。

完成压裂后，利用连续油管上提而将封隔器解封，再移至第二个小层，对该小层进行压裂。

重复操作直至完成所有小层的压裂。

作业效果
一个作业者已经完成了大约200口井的压裂作业。

两口各具有8个小层的井可以在13小时内完成逐层压裂作业，比利用修井机进行的逐层压裂作业快得多。

老的井筒对于应用这种压裂工艺没有造成任何困难，作业成功率高。

在所有的欲压层段中，85%的层段成功地进行了压裂，没有形成选压层段与其它层段之间的勾通。

仅仅由于套管外固井水泥环质量差或垂直裂缝延长的原因而发生过向上面层段的压力连同。

生产结果表明，连续油管压裂作业井的早期产量要比通常的限流法压裂作业井平均高60%。

现场应用的结论是：
●将常规压裂、连续油管、可收回工具技术结合起来，作业者能采用无修井机的工艺
技术在老的井筒进行多个产气层段的改造。

●利用连续油管对多个浅的含气层段进行选择性压裂比利用常规作业设备以及连接
的管压裂工艺更为经济有效。

●需要具有独特性能的专用可收回式跨隔双封隔器同连续油管配套使用以便获得高
的压裂成功率
相关技术
连续油管压裂管柱管理
合适地设计和管理连续油管的适用性是连续油管压裂工艺技术的关键。

●影响连续油管寿命的因素
有几个主要因素影响连续油管的寿命，其中包括弯曲和压力引起的管子疲劳、腐蚀以及表面损伤。

泵送混合了CO2的压裂液可能会引起内部腐蚀，但是碳酸的浓度低，并且压裂液后面总是用清洁液体冲洗。

因此，这种腐蚀损伤大体上可以忽略。

空气湿度低造成的损伤有限。

与腐蚀不同，机械损伤会严重影响压裂连续油管的使用寿命。

一系列实验已经证明，产生在管子外部的机械损伤，例如明显的凹陷、凿槽以及注入头夹块的压痕，都会严重影响连续油管的寿命。

某些情况下，管子寿命缩短50%以上。

对于大直径管子，此问题尤其严重。

为了使表面损伤引起的疲劳破坏降至最小程度，操作者在每次作业后都应仔细观察连续油管，消除表面损伤处的疲劳潜能。

●管壁减薄
可以利用的关于泵送携砂压裂液造成的管壁减薄的资料有限。

管子的弯曲会产生一种反转旋流，由此推测，最大的管壁磨损速率会发生在盘绕在滚筒上的那部分管子里。

为了证实这种假设，并且研究泵送砂量与管壁厚度减少量之间的函数关系，服务公司利用几根废弃的连续油管进行了非破坏性测量。

根据测量数据绘出泵送砂子吨数与管壁厚度的关系图。

实验数据显示，泵送100吨砂子造成管壁厚度减少大约0.004英寸。

正如所推测的那样，管壁减薄出现在缠绕在滚筒上的那部分连续油管内，管壁减薄最显著的部位是滚筒与鹅颈架之间管子拉直之前绕在滚筒上的那几圈连续油管（见图7）。

当流体进入井筒中的垂直部位后，湍流及其造成的管壁磨损便减少了，这部分管子的壁厚逐渐接近稳定水平。

图7 连续油管壁厚沿油管长度的分布
●连续油管疲劳寿命的估价和监测
连续油管压裂作业包括在高压下泵送携砂液。

意外的高压条件可能在任何时间出现，尤其在地层破裂或脱砂条件下更是如此。

作用于连续油管上的综合应力必须处于油管材料的屈服强度极限范围内。

然而，具有高的积累疲劳的那一段管子，可能会开始产生裂缝，增加了灾难性破坏的危险。

管子疲劳会危害操作人员及作业。

一种在通常作业中采用的连续油管管理程序可以用于跟踪监测压裂连续油管的适用性。

该程序包括对管柱疲劳潜能的初次评估以及定期监测管柱的疲劳状况。

在每次作业后，都要处理疲劳数据，将更新过的疲劳状况提交给油田人员和用户。

最先进的软件包可以用于连续油管的模拟设计、现场数据采集、积累疲劳数据处理等。

评价和跟踪连续油管疲劳寿命的计算机算法的基础是V.A.Avakov提出的连续油管疲劳模型。

人们已经证明利用这些算法预测的寿命与实际记录的寿命之间关系的相关系数为0.94。

●管子使用寿命管理
加强连续油管疲劳和磨损管理能延长连续油管压裂服务寿命。

连续油管应当设计得使疲劳寿命与管壁磨损减薄之间达到平衡。

当管子退出使用时，两个参数都应当已经达到预定的允许限度。

人们对几种能提供尽可能长的服务寿命的连续油管压裂管柱的设计方法做过调查研究。

一种方法是将管子头、尾颠倒缠绕在工作滚筒上，使累积疲劳最大、管壁最薄的那一部分管子缠绕在滚筒的外面几层。

这样在压裂作业时，就把较薄弱的那一段管子换到了井下。

这种方法还没有获得广泛应用，因为在现场缠绕管子可能不切实际。

另一种方法是采用逐渐变细的连续油管。

作业时，将管壁较厚的那部分连续油管留在滚筒上，而较薄的那部分连续油管下入井筒中。

该方法使得管子壁厚问题不那么关键了，可以使整个管柱保持足够的疲劳寿命，允许通过管柱泵送更多的砂子。

应用该方法的复杂情况是在作业之前估计整个管柱的合适长度以及厚管段和薄管段各自的长度不太容易。

此外，该方法也会增加制造和装运的成本费用。

第三种方法是日常切除法，即在连续油管的整个寿命期限内，分几次切除油管，每次从管柱的自由端切去一段管子。

在射孔层段深度接近，并且射孔层段不很厚的油井进行作业，采用该方法最合适。

切除的那一段管子的长度应当等于油井射孔层段的厚度。

该方法可以使管子的累积疲劳以及管壁的减薄沿着管柱较均匀地分布。

应用该方法，需要在滚筒上有多余
的管子。

该方法的局限性是需要连续油管接头，以便在切除管子后安装到保留的管子上。

表3显示了1999年使用过的连续油管压裂管柱的情况统计。

这些管柱按使用的次序排列。

排在前面的几个管柱的平均服务寿命短。

其中一些管柱没有使用到它的寿命结束，这是由于井下工具总成工作欠佳；当工艺改进后，可以再下入井中作业。

有两个管柱，由于严重的表面损坏而产生了小孔，只得放弃使用。

然而，井下工具总成的进一步发展，已经简化了作业，降低了连续油管的损坏，增加了服务寿命。

表3 1999年使用过的连续油管压裂管柱统计
管子使用情况统计结果表明，优化管柱设计以及适当管理管子寿命已经使作业井数和通过油管泵送的砂量趋于稳定。

连续油管深度控制
在连续油管逐层压裂作业过程中，如果垮隔双封隔器坐封位置偏离预定深度，会引起一些问题。

如果双垮隔封隔器坐得太低，上部封隔器则会低于地层射孔段顶部，这会有三个后果。

最明显的一个后果是由于压裂不完善，造成产量低。

第二个后果是上部封隔器坐封不严，造成压裂液漏失到封隔器上面的套管中去。

第三个并且是更严重的后果是砂子会进入封隔器上面而堆积起来，把工具串卡在井里。

如果双垮隔封隔器坐得太高，也同样会造成压裂不完善、压裂液漏失到封隔器下面的套管中、卡工具串等后果。

连续油管的深度计量偏差一直是个问题。

大多数连续油管设备利用滚轮计深器和光学计深器，或者把二者结合起来计量下入井筒的油管长度。

滚轮计深器沿着连续油管表面滚动并计量它的长度。

通常的滚轮直径为7.639英寸，相
应的周长为2英尺。

当滚轮用的时间长了，就会在滚轮面上产生槽。

即使一个很浅的槽，只有0.005英寸深，就象一张纸的厚度，也会在5000英尺的井中，产生6-2/1英尺的误差。

滚轮计深器也会在连续油管表面打滑。

为避免滚轮计深器的问题，一些连续油管设备制造者在注入头的传动机构上安装了光学计深器。

这仍然有问题，因为夹块链条会伸长，夹块与油管之间存在一定程度的滑动。

大多数直接安装在驱动机构上的计深器测得的深度偏向小些，即测得的深度比实际深度浅。

直接安装在注入头上的计深器的测量精度经常甚至比滚轮计深器还差。

即使连续油管设备的计深器工作良好，测得了下入井筒中的连续油管的确切长度，连续油管工具串的深度与测井深度数据之间仍然会有偏差。

为了克服现有的连续油管计深器的缺点，近几年研制了无线套管接箍定位器。

这种工具用电池作动力，通过工具在井筒中移动过程中向地面传送压力脉冲信号，可以指出套管接箍、油管接箍的位置，不需要利用电缆提供电力或传输数据。

人们已经设计制造出适合于连续油管压裂作业的无线套管接箍定位器。

该工具的内径为1-1/4″，外径为3-1/2″，长度为5.43英尺，最高工作温度为300℉，携砂液最大排量为到12桶/min。

图8是一种无线套管接箍定位器的剖面图。

图8 无线套管接箍定位器剖面图
无线套管接箍定位器的线圈和磁铁装置，与有线套管定位器相似，检测与接箍金属相关的物理量的变化。

当定位器通过一个接箍时，线圈和磁铁装置产生一个小的电压脉冲。

工具中的电路板对该电压脉冲进行分析。

如果脉冲足够大，超过工具下入井筒之前设置的临界值，电路板就把该脉冲认作一个接箍，并接通工具中的电磁阀的电池动力。

在工具移动过程中，一直有不可压缩的流体泵送流过工具。

一旦电路板接通电磁阀的电池动力，启动一个滑动活塞将工具关闭，使流体通道堵住三秒钟。

三秒钟结束，电磁阀的电池动力被切断，工具的流体通道重新打开。

在压力与深度关系记录曲线上可以清楚地看到压力尖峰。

图9 显示了深度测试对比曲线。

依据无线套管接箍定位器测得的深度数据，可以对连续油管计深器的深度数据加以校正。