連續(xù)油管技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中應(yīng)用前景

呂選鵬，周承富，陳 輝，茍景峰，肖德棟

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司a.井下技術(shù)服務(wù)分公司；b.第三鉆井分公司，天津300283） ①

連續(xù)油管技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中應(yīng)用前景

呂選鵬a，周承富a，陳 輝a，茍景峰a，肖德棟b

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程公司a.井下技術(shù)服務(wù)分公司；b.第三鉆井分公司，天津300283）①

頁(yè)巖氣存在于盆地沉積層中，由于聚集機(jī)理特殊，不能用常規(guī)方法開采。連續(xù)油管技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，已在鉆井、壓裂、沖砂等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在頁(yè)巖氣開采中采用連續(xù)油管技術(shù)，即，欠平衡鉆井、水平井拖動(dòng)酸化、壓裂等，將使這些能源具有開發(fā)價(jià)值。美國(guó)的開發(fā)實(shí)踐也證明了該技術(shù)的可行性，我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)連續(xù)油管設(shè)備研究及在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用研究。

連續(xù)油管；頁(yè)巖氣；欠平衡鉆井；井下作業(yè)

頁(yè)巖氣作為源巖排烴殘余的主要產(chǎn)物，存在于盆地沉積層中，是非常規(guī)油氣資源之一。由于頁(yè)巖氣聚集機(jī)理特殊，富集條件多樣，使得一些不具備常規(guī)油氣成藏條件的泥頁(yè)巖具有勘探價(jià)值。在30a前美國(guó)就開始研究頁(yè)巖氣的開采技術(shù)，目前的年產(chǎn)量相當(dāng)于我國(guó)各類天然氣年產(chǎn)量的總和。我國(guó)具有豐富的頁(yè)巖氣，但研究較晚。頁(yè)巖氣成藏條件及物性特殊，開采難度大，需要采用新的鉆井技術(shù)及開采工藝。近年來，連續(xù)油管技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用于鉆特殊工藝油氣井、不壓井作業(yè)、水平井沖砂等工藝中，為開發(fā)特殊油氣藏發(fā)揮了重要作用。本文主要探討了連續(xù)油管技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用前景。

1 頁(yè)巖氣資源在中國(guó)的分布情況

我國(guó)各地質(zhì)歷史時(shí)期海相、陸相頁(yè)巖分布廣泛，元古界和古生界頁(yè)巖分布面積達(dá)100×104km2，演化程度高，TOC高，具備頁(yè)巖氣成藏的地質(zhì)條件，開發(fā)潛力巨大。中國(guó)沉積盆地的頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量［1－3］達(dá)到45×1012m3，可采約為26×1012m3，與美國(guó)28.3×1012m3資源量相當(dāng)，兩國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件也非常相似，經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。依據(jù)頁(yè)巖發(fā)育地質(zhì)基礎(chǔ)、區(qū)域構(gòu)造特點(diǎn)、頁(yè)巖氣富集背景以及地表開發(fā)條件，可將中國(guó)的頁(yè)巖氣區(qū)域劃分為南方、北方、西北和青藏4個(gè)大區(qū)［4－5］，南方、北方、西北及青藏地區(qū)各自占我國(guó)頁(yè)巖氣可采資源總量的46.8%、8.9%、43%和1.3%；古生界、中生界和新生界各自占我國(guó)頁(yè)巖氣資源總量的66.7%、26.7%和6.6%。

2 連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)特點(diǎn)

連續(xù)油管技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上先進(jìn)的作業(yè)技術(shù)，操作簡(jiǎn)單省時(shí)，安全可靠，具有明顯的優(yōu)越性。近幾十年來，連續(xù)油管技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在許多方面已能完全替代常規(guī)作業(yè)。對(duì)一些常規(guī)技術(shù)難于處理的問題，應(yīng)用連續(xù)油管技術(shù)便可迎刃而解，被譽(yù)為“萬能作業(yè)設(shè)備”。目前，連續(xù)油管廣泛用于沖砂、洗井、誘噴助排、酸化、擴(kuò)眼、完井、集輸、射孔、鉆井（側(cè)鉆水平井、小井眼井、定向井、欠平衡鉆井等）等井下作業(yè)，每年實(shí)施約1 500井次，最大下入深度6 248.4m。

3 應(yīng)用連續(xù)油管技術(shù)的可行性

3.1 鉆井

頁(yè)巖氣埋藏較淺（美國(guó)平均埋藏深度在1 200 m），有著超低的滲透率，在鉆井過程中最好采用欠平衡鉆井工藝，以便更好地保護(hù)儲(chǔ)層。由于我國(guó)正處在頁(yè)巖氣開發(fā)初期，技術(shù)還不成熟，筆者認(rèn)為應(yīng)該以鉆直井為主，這樣可以較好地勘探和了解頁(yè)巖氣儲(chǔ)層、儲(chǔ)量分布情況以及物性情況。到技術(shù)發(fā)展后，可鉆水平井、定向井或從式井，以提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量，縮短開發(fā)時(shí)間和取得良好的采收率。

連續(xù)油管在欠平衡鉆井和淺井鉆井、水平井鉆井中比常規(guī)鉆井有著無法比擬的優(yōu)越性，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：控制壓力能力強(qiáng)，能在欠平衡條件下安全、高效地鉆井；適合于現(xiàn)有井的加深鉆井和側(cè)鉆作業(yè)。與用常規(guī)鉆井設(shè)備或修井設(shè)備達(dá)到同樣的目標(biāo)相比，用連續(xù)管可以節(jié)約費(fèi)用25%～40%；容易提高鉆井工藝自動(dòng)化水平，操作人員少；裝備的機(jī)動(dòng)性好，安裝、拆卸容易，節(jié)約時(shí)間；起下鉆快，鉆井作業(yè)周期短；地面設(shè)備占地少，適合于地面條件受限制的地區(qū)或海上平臺(tái)作業(yè)；連續(xù)油管的撓性好，能鉆短彎曲半徑的水平井；地面設(shè)備少，噪聲低，污物溢出量少，對(duì)環(huán)境影響小。這些優(yōu)勢(shì)將在頁(yè)巖氣鉆井中發(fā)揮作業(yè)。

井下鉆具包括：鉆頭＋泥漿馬達(dá)＋MWD系統(tǒng)＋定位系統(tǒng)＋釋放器（丟手）＋非轉(zhuǎn)動(dòng)連接器＋循環(huán)接頭＋止回閥＋CT連接器。

美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)中常用60.3mm（2英寸）連續(xù)油管鉆101.6mm（4英寸）井眼。目前已經(jīng)完鉆500余口井，完鉆周期比常規(guī)鉆井縮短5.4d，鉆井效率提高而鉆井費(fèi)用大幅度降低。因此，在頁(yè)巖氣開發(fā)中適合使用連續(xù)油管鉆井。

3.2 射孔

采用連續(xù)油管帶射孔槍射孔可以節(jié)約射孔槍下入時(shí)間，減少射孔槍浸泡時(shí)間，提高作業(yè)效率。連續(xù)油管射孔采用加壓起爆方式，工具組合為：連續(xù)油管＋連接頭＋安全接頭＋MCCL定位器＋起爆裝置＋射孔槍。如圖1所示。

圖1 連續(xù)油管射孔工具組合

可用外徑50.8mm（2英寸），壁厚3.4mm（0.134英寸），長(zhǎng)度＞5 500m的連續(xù)油管作為施工油管。選用注入頭拉力＞272kN（60 000磅）的連續(xù)油管作業(yè)機(jī)。連續(xù)油管下入到預(yù)定深度，通過機(jī)械套管節(jié)箍定位器（MCCL）定位，其定位原理是利用1個(gè)機(jī)械裝置尋找套管節(jié)箍的縫隙和套管短節(jié)位置，從而對(duì)比套管數(shù)據(jù)、確定深度。MCCL的受力如圖2所示。

圖2 MCCL的受力原理

由圖2可以得出：

式中，F(xiàn)為MCCL的突起結(jié)構(gòu)在井中受到的總阻力；f為阻力；N為水平方向分力；α為MCCL突起結(jié)構(gòu)的傾斜度。

當(dāng)下放管柱時(shí)，MCCL的突起結(jié)構(gòu)由于下部?jī)A斜度α較小，遇到節(jié)箍時(shí)，水平方向的分力N較大，內(nèi)部彈簧在壓力作用下很容易收縮，從而順利通過節(jié)箍；當(dāng)上提管柱時(shí)，MCCL的突起結(jié)構(gòu)上部?jī)A斜度α較大，遇到節(jié)箍時(shí)，水平方向的分力N較小，內(nèi)部彈簧不易被壓縮，在該位置時(shí)阻力f較大，指重表會(huì)突然增加10～20kN重力，以此來確定套管節(jié)箍的位置。

3.3 水平井酸化

對(duì)于水平井，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性存在非均質(zhì)性，酸化作業(yè)時(shí)井筒內(nèi)流體受到重力和流體表面張力的作用，采用常規(guī)籠統(tǒng)注酸工藝，大部分酸液消耗在底端，儲(chǔ)層其他部位很難得到有效改造，達(dá)不到理想酸化目的。把連續(xù)油管下到水平段最深處或下到裸眼段，進(jìn)行酸化的同時(shí)上提連續(xù)油管，實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)酸化，達(dá)到均勻布酸的目的。

3.4 壓裂

1） 使用連續(xù)油管在直井段小薄層中定點(diǎn)噴砂射孔壓裂 頁(yè)巖氣多為小薄層，儲(chǔ)層物性不好，滲透率極低。采用常規(guī)射孔槍射孔，在井筒附近有壓實(shí)帶，不能有效溝通儲(chǔ)層與井筒。使用連續(xù)油管帶噴砂射孔裝置對(duì)直井小薄層進(jìn)行定點(diǎn)射孔［6］（如圖3），水力噴砂射孔能有效地穿透套管并在天然砂巖上射出直徑＞30mm、深達(dá)780mm的孔眼［8］，能解除鉆井過程中近井儲(chǔ)層的污染。連續(xù)油管水力噴砂射孔壓裂技術(shù)集不壓井作業(yè)、水力噴砂射孔、分段壓裂于一體，是高效尖端增產(chǎn)改造技術(shù)。該技術(shù)是通過連續(xù)油管水力噴砂射孔，從環(huán)空進(jìn)行主壓裂施工，并通過砂塞分隔各壓裂層的1種壓裂技術(shù)。1次施工分別對(duì)多個(gè)產(chǎn)層進(jìn)行射孔、壓裂作業(yè)，并能逐一或統(tǒng)一進(jìn)行返排。

圖3 定點(diǎn)噴砂射孔示意

2） 使用連續(xù)油管在水平井中多段壓裂 在頁(yè)巖氣開發(fā)階段，水平井壓裂技術(shù)能最大程度提高單井產(chǎn)量，是頁(yè)巖氣開發(fā)的重要手段。連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂分級(jí)壓裂工藝技術(shù)對(duì)壓裂層／段數(shù)不受限制，通過連續(xù)油管帶封隔器下入目標(biāo)層段，施工過程中可用連續(xù)油管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井底壓力；連續(xù)油管噴砂射孔、環(huán)空主壓裂，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模改造，封隔器可多次坐封、解封，實(shí)現(xiàn)多段分段改造目的。工具串起出井筒后即具備生產(chǎn)條件，且便于后期修井作業(yè)。

3.5 沖砂

如果壓裂過程出現(xiàn)砂堵，可應(yīng)用連續(xù)油管進(jìn)行快速?zèng)_砂解堵，保證施工的順利進(jìn)行［7］。連續(xù)油管沖砂工具組合如圖4所示。

圖4 連續(xù)油管沖砂工具串

沖砂噴頭改變了沖砂液在井底的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由純滑動(dòng)改為水力旋轉(zhuǎn)與滑動(dòng)復(fù)合型，實(shí)現(xiàn)了水力自進(jìn)、限速旋轉(zhuǎn)、紊流攜砂，可高效快速解除砂堵。

3.6 鉆塞

目前，美國(guó)常采用連續(xù)油管帶射孔槍射開頁(yè)巖氣底部第1個(gè)油層，起出射孔槍，進(jìn)行第1層的套管壓裂。壓裂結(jié)束后，下電纜帶可鉆式橋塞和射孔槍，在水平段利用第1層壓裂后可向地層擠入流體，通過泵注一定流速的壓裂液推動(dòng)橋塞和射孔槍到達(dá)坐封位置坐封橋塞，然后上提射孔槍到達(dá)射孔目的層射孔。結(jié)束后起出射孔槍，進(jìn)行套管壓裂，整個(gè)水平井的壓裂完成后用連續(xù)油管鉆塞放層進(jìn)行生產(chǎn)。連續(xù)油管鉆塞工具組合如圖5所示。

圖5 連續(xù)油管鉆塞工具串

鉆塞時(shí)，下鉆速度＜15m／min，同時(shí)以159 L／min（1.0bbl／min）排量泵注循環(huán)液體，直到目標(biāo)橋塞以上100m；降低下鉆速度至5m／min，提高泵循環(huán)排量到270L／min（1.7bbl／min），注意觀察指重表和泵壓的變化，直至確認(rèn)鉆頭接觸到橋塞；油管上提1m，增加泵循環(huán)排量到382L／min（2.4 bbl／min）的鉆塞排量，鉆頭以最小速度接近橋塞，根據(jù)指重表顯示的鉆壓和泵壓的變化量停止下鉆。鉆頭在該位置鉆磨橋塞，直到鉆壓減小或是泵壓上升，再緩慢下鉆到合適鉆壓或泵壓不超過允許值時(shí)停止下鉆，以此循環(huán)操作。當(dāng)指重表讀數(shù)突然增大，同時(shí)泵壓大幅減小時(shí)，表明橋塞已經(jīng)鉆除，下鉆10m后，減小排量到159L／min（1.0bbl／min），緩慢上提，沖洗所有橋塞碎屑到直井段，停止上提，循環(huán)液體量達(dá)1.5倍井筒容積。

4 結(jié)語

頁(yè)巖氣開發(fā)將是我國(guó)非常規(guī)天然氣開發(fā)的重點(diǎn)。筆者簡(jiǎn)要介紹了連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)特點(diǎn)，并就連續(xù)油管在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鉆井、射孔、水平井拖動(dòng)酸化、壓裂、沖砂和鉆塞等方面作了可行性分析。通過分析認(rèn)為，連續(xù)油管技術(shù)在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中將大有作為。我國(guó)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，應(yīng)借鑒美國(guó)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，加大連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)研究及在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用研究。

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Coiled Tubing Technology Prospect in Exploration and Development of Shale Gas

LV Xuan－penga，ZHOU Cheng－fua，CHEN Huia，GOU Jing－fenga，XIAO De－dongb
（a.Downhole Technology Services Company；b.No.3 Engineering Company，Bohai Drilling Company Limited，CNPC，Tianjin300283，China）

Shale gas present in the basin sediments，due to a special gathering mechanism can not be mined by conventional methods.Coiled tubing technology has many advantages，in drilling， fracturing，sand washing and other application fields.Shale gas in the coiled tubing used in mining technology，i.e.，underbalanced drilling，horizontal wells drag acidification，fracturing，etc.，will have a development value of these energy sources.The development of the United States practice has proven the feasibility of the technology；China should strengthen research and coiled tubing equipment in shale gas exploration and development of applied research.

coiled tubing；shale gas；underbalanced drilling；borehole service

1001－3482（2012）02－0067－04

TE933.8

A

2011－08－28

呂選鵬（1972－），男，陜西咸陽人，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)，現(xiàn)從事井下作業(yè)技術(shù)研究。