壓裂塞的改進(jìn)正在幫助油氣開采商觸及新的井筒長(zhǎng)度，同時(shí)還能縮短作業(yè)時(shí)間，降低風(fēng)險(xiǎn)。陸上和海上作業(yè)的案例研究證實(shí)，這些進(jìn)步正在為石油公司節(jié)省大筆資金。當(dāng)多級(jí)水力壓裂從直井轉(zhuǎn)至水平井時(shí)，隨著水平段長(zhǎng)度變得越來越長(zhǎng)，加上級(jí)間間隔更密，為的是觸及更多儲(chǔ)層，因此，壓裂促產(chǎn)作業(yè)則變得更加耗時(shí)和復(fù)雜，這帶來了更高的風(fēng)險(xiǎn)問題。由于設(shè)定深度的增加，加上安裝期間的預(yù)設(shè)置、更長(zhǎng)的下入時(shí)間、以及儲(chǔ)層壓裂后快速移除壓裂塞，讓油氣井能更快地繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)等諸多挑戰(zhàn)，因此，需要對(duì)壓裂塞進(jìn)行不斷地改進(jìn)。
完井設(shè)備供應(yīng)商做出了響應(yīng)，壓裂塞的設(shè)計(jì)和材料構(gòu)成不斷地在發(fā)生著變化，為的是克服這些挑戰(zhàn)，這源于水平段多級(jí)水力壓裂的進(jìn)步。圖1展示了TREX Lightning Frac Plugs壓裂塞，該產(chǎn)品克服了石油公司的這些挑戰(zhàn)，提供了更高效且低風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品，使每口井最大程度低發(fā)揮其作用。這套壓裂塞，從左到右依次為L(zhǎng)ightning PLUS復(fù)合壓裂塞、Lightning BOLT可溶解塞壓裂塞和Lightning壓裂塞。
圖1
2018年12月，Packers Plus能源服務(wù)公司發(fā)布了他的TREX Lightning Frac Plugs壓裂塞，見圖1，這類壓裂塞專門為克服石油公司的挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的，意在提供更高效且降低操作風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品，使每口井能獲得最大效益。整個(gè)產(chǎn)品包括：Lightning Frac Plug壓裂塞和Lightning PLUS Composite Plug復(fù)合壓裂塞，這兩款產(chǎn)品都能快速進(jìn)行銑削去除，縮短了除塞時(shí)間；以及Lightning BOLT可溶解壓裂塞，可溶解塞不需要進(jìn)行銑削。
新一代的壓裂塞設(shè)計(jì)與安裝
多年來，壓裂塞的長(zhǎng)度有了明顯縮短。部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了更少部件的生產(chǎn)，這使得產(chǎn)品的可靠性得到了增強(qiáng)，銑削時(shí)間因材料有所減少也相應(yīng)地得到了縮短。材料的改變也是壓裂塞設(shè)計(jì)的一個(gè)主要變化。早期的產(chǎn)品由各種金屬組成，導(dǎo)致銑削時(shí)間較長(zhǎng)，銑削后一些大的金屬碎片經(jīng)常無法反流到地面。最新的壓裂塞大都由各種復(fù)合材料組成。全復(fù)合材料以及設(shè)計(jì)都在不斷地改進(jìn)，目前，已提供了約90%的油田需求。但在高溫高壓環(huán)境的應(yīng)用中，仍需要金屬材料設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，以滿足環(huán)境要求。
即堵即射孔是一種完井作業(yè)固有的緩慢方法，其優(yōu)點(diǎn)是通過攜帶工具起下鉆的方式實(shí)施作業(yè)，然后，泵注壓裂液處理地層。在直井和之后的單極計(jì)數(shù)的水平井作業(yè)中，這一操作時(shí)間并不很長(zhǎng)；不過，隨著大位移水平段變得越來越普遍以及級(jí)數(shù)達(dá)到數(shù)百個(gè)，典型的200至300 ft/min（英尺/分鐘，1ft=0.3048m）的下井率會(huì)導(dǎo)致完井作業(yè)繁重且昂貴。
如果能夠改進(jìn)壓裂塞的設(shè)計(jì)，使下井速度更快，石油公司就能大幅降低成本，減少壓裂液的使用和縮短泵注時(shí)間。長(zhǎng)度較短的Lightning和Lightning PLUS兩型壓裂塞能夠快速泵入井下，典型的作業(yè)平均450至550 ft/min，線速度高達(dá)1000 ft/min。
下井時(shí)預(yù)置壓裂塞是安裝過程中可能出現(xiàn)的另一個(gè)問題。也就是說，可能會(huì)導(dǎo)致操作時(shí)間延長(zhǎng)和成本增加，以及在重新恢復(fù)作業(yè)前為移除預(yù)置壓裂塞而進(jìn)行的設(shè)備回收的額外花費(fèi)。一個(gè)預(yù)置的壓裂塞也可能會(huì)影響井的后續(xù)作業(yè)，因?yàn)樵谡业接谰眯越鉀Q方案之前，為了限制另一次預(yù)置的可能性，下井速度可能會(huì)大幅降低。
一些臨時(shí)的井場(chǎng)解決方案有時(shí)會(huì)被實(shí)施，以防壓裂塞預(yù)置在老式或不可靠的塞上，但我們公司已采取了額外的設(shè)計(jì)措施來緩解這一問題。Lightning PLUS復(fù)合塞包括多個(gè)、內(nèi)置于塞內(nèi)的工程抗預(yù)置功能，以及線纜適配器套件（wireline adapter kit，簡(jiǎn)稱WLAK）。如果將塞內(nèi)的抗預(yù)置設(shè)功能與WLAK相結(jié)合，就會(huì)在壓裂塞到達(dá)其計(jì)劃深度之前阻止工具在拾取過程中的預(yù)啟動(dòng)，以及在安裝過程中的預(yù)設(shè)置。
新一代壓裂塞的銑削
幾十年前，在直井多級(jí)壓裂的早期，壓裂塞由很重的材料制成且外配有鑄鐵滑塊。與當(dāng)今的壓裂塞相比，這些壓裂塞需要長(zhǎng)時(shí)間銑削，而且，銑削掉的碎屑又大又重。然而，這在直井作業(yè)中不是什么問題，因?yàn)橹本话阒挥幸粋€(gè)或兩個(gè)壓裂塞安置在井下。銑去的碎屑也不是什么大問題，因?yàn)檫@些碎屑只是落到井底，并不會(huì)影響當(dāng)前或后續(xù)的作業(yè)。
圖2
為了縮短銑削時(shí)間，緩解因碎屑引起的壓裂作業(yè)問題，為多級(jí)壓裂、水平井壓裂開發(fā)了復(fù)合壓裂塞。復(fù)合材料更輕。圖2表明，復(fù)合材料比傳統(tǒng)壓裂塞的材料要輕，使用這種壓裂塞有助于更快地將其泵入井下，而且，銑削時(shí)還能產(chǎn)生更細(xì)的碎屑，使碎屑更容易處理。Lightning和Lightning PLUS兩型壓裂塞的銑削時(shí)間是行業(yè)中最好的，一個(gè)井底配有馬達(dá)、鉆壓1500 bl（680kg）的5.5 in壓裂塞，平均銑削時(shí)間不到7min。
即使井內(nèi)采用輕質(zhì)的復(fù)合材料壓裂塞，大位移水平段也使得在井的最深處對(duì)壓裂塞施加足夠重量進(jìn)行有效研磨或銑削操作帶來相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)。為此，可溶解壓裂塞在完井作業(yè)中正變得越來越盛行，特別是一口井的足尖級(jí)完井更具優(yōu)勢(shì)，Lightning BOLT可溶解壓裂塞以其可預(yù)測(cè)和可靠的溶解率增強(qiáng)了人們使用的信心。
壓裂塞的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
一家在Bakken頁巖作業(yè)的石油公司正尋求對(duì)一口平臺(tái)批鉆的井，運(yùn)用拉鏈方式來簡(jiǎn)化其完井作業(yè)。簡(jiǎn)單地說，拉鏈?zhǔn)綁毫芽梢蕴岣咄昃鳂I(yè)效率，特別是像即堵即射孔這樣的完井作業(yè)，也就是通過在兩口井之間進(jìn)行拉鏈?zhǔn)降慕惶孀鳂I(yè)來減少停工時(shí)間，從而提高作業(yè)效率。
例如，當(dāng)一個(gè)壓裂隊(duì)在對(duì)一口井進(jìn)行某一級(jí)壓裂時(shí)，線纜服務(wù)隊(duì)會(huì)在第二口井向井下下一個(gè)壓裂塞，一旦壓裂塞下至預(yù)定深度且射孔完畢，線纜隊(duì)和壓裂隊(duì)會(huì)調(diào)換井位執(zhí)行各自的任務(wù)。線纜隊(duì)和壓裂隊(duì)之間這種交替作業(yè)減少了非生產(chǎn)時(shí)間，因?yàn)閮蓚€(gè)作業(yè)隊(duì)都在持續(xù)地進(jìn)行作業(yè)，而不是等待另一項(xiàng)工作做完再接續(xù)作業(yè)。
圖3
拉鏈?zhǔn)綁毫炎鳂I(yè)除了提高效率外，石油公司還希望優(yōu)化初始回流和銑削時(shí)間，全復(fù)合壓裂塞的主要好處，如圖3示意的Lightning PLUS Composite Plug復(fù)合壓裂塞：圖3：一個(gè)Lightning PLUS復(fù)合壓裂塞下井前由線纜適配器套件（WLAK）組成，壓裂塞和WLAK的防預(yù)置功能阻止工具在拾取過程中預(yù)啟動(dòng)，以及在壓裂塞到達(dá)其計(jì)劃深度之前，阻止壓裂塞在安裝期間進(jìn)行預(yù)設(shè)置。全復(fù)合壓裂塞通常長(zhǎng)度較短；因其復(fù)合材料的特性，一般銑削時(shí)間較短，壓裂塞可被快速去除；較輕的銑削碎屑有助于回流和堵塞清理，特別是在與較重的材料相比時(shí)，如老式的鑄鐵設(shè)計(jì)；而且，重要的是復(fù)合壓裂塞能提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)的解決方案。在進(jìn)行批鉆且對(duì)多口井進(jìn)行多批次多級(jí)完井時(shí)，要從市場(chǎng)上各種壓裂塞中進(jìn)行選擇時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益起著很大的決定性因素。
為了進(jìn)一步優(yōu)化其作業(yè)，該石油公司的另一個(gè)選擇是在復(fù)合壓裂塞上使用一個(gè)可溶解的球。可溶解球能以兩種方式提高作業(yè)效率，首先，在回流操作期間，球會(huì)迅速降解，防止任何形式的井筒阻塞。第二，可溶解球可以防止銑削作業(yè)期間出現(xiàn)問題。例如，在銑削一個(gè)壓裂塞時(shí)，它是典型的鼻部下方的底部滑脫，目的是將其推至井的下一個(gè)壓裂塞。這個(gè)壓裂塞的鼻部可以滑落在下一個(gè)壓裂塞的隔離球上，產(chǎn)生一種滾珠軸承效應(yīng)，這種效應(yīng)可使鼻部旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，這種情況會(huì)增加銑削時(shí)間和銑削成本。可溶解球會(huì)降解到足以阻止這種滾珠軸承效應(yīng)的程度，有助于加快銑削作業(yè)的進(jìn)度。
隨著正確的壓裂塞的選擇以及優(yōu)化完井設(shè)計(jì)的作業(yè)得到選擇，壓裂即可開始。每口井的拉鏈?zhǔn)綁毫讯荚?0級(jí)左右，壓裂塞下入的總深度深達(dá)20905ft，直井的下入速度超過950ft/min，水平井的下入速度超過450ft/min。所有的120個(gè)壓裂塞在兩口井之間被成功下井，沒有出現(xiàn)問題或延誤。壓裂塞銑削最短時(shí)間3min，平均銑削時(shí)間6.5min。
另一家在德克薩斯州Midland外圍Permian盆地作業(yè)的石油公司，通過在一口長(zhǎng)井筒的足跟下入三個(gè)壓裂塞，將Lightning PLUS復(fù)合塞的防預(yù)置功能運(yùn)用于測(cè)試，該井的總井深約為14500ft，67級(jí)壓裂。所有這三個(gè)Lightning PLUS復(fù)合壓裂塞都成功地下至其計(jì)劃的深度，平均下入速度約為340ft/min。壓裂完成后，三個(gè)壓裂塞以平均7.67min的時(shí)長(zhǎng)被迅速銑削掉，由于復(fù)合材料的材質(zhì)較輕，銑削掉的碎屑尺寸大小適當(dāng)，被順利地循環(huán)到了地面。
在墨西哥灣大陸架作業(yè)的一家海上石油公司，在另一個(gè)壓裂塞無法承壓后，選擇了下Lightning BOLT可溶解壓裂塞。因此，這些可溶解壓裂塞被用來完成最后6個(gè)壓裂儲(chǔ)層，從超過17000ft的深度開始，執(zhí)行了安全環(huán)保執(zhí)法局要求的套管完好性測(cè)試。
在壓裂塞開始下入之前，Packers Plus能源服務(wù)公司在這口井提供了他的ePLUS® Retina井監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)。這一創(chuàng)新的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不干擾施工的情況下，驗(yàn)證了地面和井下的作業(yè)情況，運(yùn)用一組傳感器采集和分析井口信號(hào)，識(shí)別各種作業(yè)工況。
每個(gè)Lightning BOLT可溶解壓裂塞都檢測(cè)到了成功的層間封隔，而且成功地進(jìn)行了促產(chǎn)處理。促產(chǎn)處治后，為了執(zhí)行安全環(huán)保執(zhí)法局要求的套管完好性測(cè)試，作為更低的屏障下入了一個(gè)Lightning BOLT壓裂塞，并通過具有測(cè)試資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證。
雖然可溶解壓裂塞目前可以完全消除銑削時(shí)間，但復(fù)合壓裂塞仍占據(jù)著市場(chǎng)的大部分份額。在一口井里銑削50至75個(gè)復(fù)合壓裂塞比銑削鑄鐵式壓裂塞要更快，較小的銑削碎屑更易處治。而可溶解技術(shù)正在迎頭趕上。這使得混合井筒設(shè)計(jì)的部署隨之而增加。越來越多的石油公司在井筒的足尖段運(yùn)用可溶解壓裂塞，然后，在井筒的其余井段轉(zhuǎn)為更多地運(yùn)用傳統(tǒng)的復(fù)合壓裂塞。展望未來，如果可溶解壓裂塞的市場(chǎng)價(jià)格繼續(xù)下降，那么，采用可溶解壓裂塞，將會(huì)有越來越多的水平段獲得完井。這樣不僅會(huì)消除銑削作業(yè)，而且，還會(huì)減少連續(xù)油管和/或修井鉆機(jī)井上作業(yè)的次數(shù)和時(shí)間；減少井筒中滯留的碎屑量；節(jié)省流體和化學(xué)藥品的成本；最終實(shí)現(xiàn)更快的周轉(zhuǎn)時(shí)間，促進(jìn)油氣井更快的投產(chǎn)和創(chuàng)收。（文獻(xiàn)源自Packers Plus能源服務(wù)公司）
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