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压裂阶段过渡时间从45分缩至3分,如何做到?

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新型自动化完井技术,不仅可以有效保障施工人员安全,还能将压裂各阶段的过渡时间从45分钟缩短至3分钟以内,提速效果显著。

编辑 | 大安

在北美的页岩区和致密油区,桥塞射孔联作技术(plug-and-perf, 以下简称PNP)是应用最普遍的完井方法。该方法通过射孔枪精确定位裂缝位置,在完井过程中调整段距,实现段与段间的层间隔离,在水平井中完成超百段的分段多簇压裂。

传统的PNP方法效率低下,而且需要工作人员在现场红区的高处工作,危险系数高。传统的电缆设备部署需要完成三个步骤。

首先,由操作员手动关闭红区压裂树上的工作阀,电缆操作人员将组合好的射孔工具总成悬吊在红区压裂头和操作员上方。然后,操作员安装电缆润滑器,使用后置泵加压,并对压裂树进行试压作业。若试压成功,则打开工作阀,下放电缆工具串。若试压失败,则需要查找压力泄露点,耗时较久。应用传统方法,整个过程需要45分钟。若使用锁销或井口连接装置,可以节省25分钟。

射孔后起甩电缆工具串,并为下一阶段的压裂作业做准备,工作效率同样取决于所使用工具的效率,同样需耗时45分钟。该过程从红区操作员手动关闭工作阀开始,释放润滑油及残留压力。

在该步骤中,压裂树阀门意外关闭可能导致电缆被切断,这样会导致至少1天的停机时间,而且打捞费用高昂。在投球之前,红区操作员需要将球投至清蜡阀并安装好压裂头顶盖。之后对压裂树试压,若试压成功,操作员手动打开清蜡阀将球释放进井筒,直到球体座入压裂堵头,此时开始进行压力泵送。

技术升级

受新冠肺炎疫情和国际油价阴霾影响,油气行业发展深陷泥潭,亟需自动化技术来提振工作效率。美国Downing公司的Freedom系列完井系统(FSCS)通过提高地面效率、降低人工成本和提升现场施工安全性,使综合完井成本显著下降。FSCS的设计目标是提高PNP操作效率、作业安全性和降低成本。

该套集成系统部署在压裂头和注油器之间。它包括一个多腔体阀、一个快接锁扣和一个自动送球器。液压驱动的阀门产生三个腔室,通过控制室的计算机或云端远程操作。快速锁扣使注油器能够连接到压裂树上,而不需要在红区安排专人操作。通过应用FSCS系统,在井筒开泵循环期间,润滑器可以同时连接到快速锁扣上。

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图1 在一项研究中,比较了在应用FSCS系统前后,压裂施工各阶段的过渡时间。在应用FSCS系统的情况下,节省了大量工时,从410分钟降低至364分钟。(消息来源:Downing)

此外,利用Downing公司的FS泵站,在泵送期间可对注油器进行预充填,从而在将电缆工具串送入井筒前能够实现几秒钟的过渡。

在各个施工阶段,该系统的多腔体阀能平衡地面/注油器和井筒之间的压力,使电缆工具串、球体和套筒便捷入井,无需操作下部主阀,也无需进行向下加压等措施。

该系统提供了一个双重屏障来控制井压,从而在泵注过程中可以把注油器锁紧在井口,并进行预充填,这样可以压缩施工各阶段的作业时间。FSCS系统将过渡时间从45分钟压缩至不足3分钟,提速效果明显。快速过渡使拉链压裂上的连续泵送作业成为可能,帮助运营商显著提高泵送效率。

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图2 通过对比压裂施工各阶段的过渡时间,相较于常规完井方式,FSCS系统提效显著。(消息来源:Downing)

额外的成本节约

通过应用FSCS,电缆工具可以在不开关下部主阀的情况下进出井筒,大幅降低了维修成本和润滑脂用量,单井润滑脂用量可减少90%,拉链式压裂作业润滑脂用量可减少50%。此外,由于FSCS为井控提供了双重屏障,因而可从压裂树中去除1个液压阀,这进一步降低了压裂树的高度和成本支出。

在使用FSCS时,如果需要闸阀来控制井压,则在分段压裂期间不需要通过压裂树进行减压。由于压裂树不需要再补压,也就无需进行压力测试,注入泵可以一直保持运行状态,这样就可以在过渡准备后快速开展下一阶段的泵送工作。压力测试次数的减少也降低了压裂树泄漏的可能性。此外,由于闸阀在整个施工期间承压循环次数较少,这大大降低了闸阀失效的几率,所需的更换时间也随之减少(停工待机时间高达12小时)。

Downing报告说,FSCS已经在180多口井中完成了超过7500级压裂,至今未发生压闸阀失效事故。

自动化完井技术

通过应用FSCS系统,在井场建立一个自动化平台,可以提供额外服务,进一步压缩阶段间的过渡时间,减少潜在的安全隐患,降低完井成本。由于压裂施工属于高压作业,现场工作人员安全风险最高,也是导致完井成本增加的主要因素,因而研究团队将注意力集中到实现压裂施工自动化上面,并将其集成到FSCS系统。

FS iControl可以自动控制和润滑所有的液压压裂阀,无需现场人员操作。

作为过渡过程的一部分,iControl与系统工作流集成,可以无缝操作拉链式液压阀,并根据生产商要求自动给阀门涂抹适量的润滑脂,规避潜在的人为错误和红区高危操作。每个阀门的注脂量都会以时间序列记录下来,方便操作人员查看。

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图3 在最近的一项研究中,通过应用FS系统,单井日均完井量增加了60%,多井日均完井量增加了167%。传统完井工艺下,单井完井工期约为8天;在FS系统辅助下,单井工期下降50%,多井工期下降56%。(消息来源:Downing)

此外,iControl的智能设计可以检测阀门的位置,确保在两侧压力不平衡时阀门始终保持关闭状态,消除了压力意外释放的风险。最后,对于四口井的拉链式压裂作业,只需一个储液器即可完成作业,与传统的润滑脂管汇相比,减少了空间占用,降低了设备成本,进一步提高了安全性。

实时分析

所有传感器数据都实时传输至云端。该系统集成了实时数据分析,能够全面评价操作效率。基于实时数据、效率分析和专有算法的自动化控制,可对每天的施工效率和人员效率等方面进行回顾比较。

利用施工总结和图表可以进行单项作业分析或多项作业的趋势分析,使作业人员能够快速优化施工步骤以提高完井效率。通过内置的应用程序接口,数据可以便捷地加载到操作人员的数据整合平台。

最后,系统还包括远程操控技术支持,与现场经营者一起进行施工干预。远程操控能力包括能够进行线路与设备检查的摄像机。

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