水力噴射壓裂工藝在?101.6 mm套管井中的應用

曲 海李根生樊永明劉祖林石明杰

（1.中石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石油大學，北京 102249；3.渤海鉆探井下作業公司，河北任丘 062552；4.中國石化中原油田分公司，河南濮陽 457001）

水力噴射壓裂工藝在?101.6 mm套管井中的應用

曲 海1，2李根生2樊永明3劉祖林4石明杰4

（1.中石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石油大學，北京 102249；3.渤海鉆探井下作業公司，河北任丘 062552；4.中國石化中原油田分公司，河南濮陽 457001）

水力噴射壓裂是集水力射孔、壓裂、封隔一體化的增產改造新技術。設計研制了用于?101.6 mm套管井的水力噴砂射孔工具并優化作業管柱。通過數值計算，給出了射流參數與施工排量的匹配曲線。借助實驗手段，確定壓裂液交聯比例及液體性能測試方法。制定了適合該類井的壓裂工藝。現場試驗證明水力噴射壓裂工藝能夠解決?101.6 mm套管井常規壓裂技術難以有效改造的問題，且對復雜結構井實施增產改造，為水力噴射壓裂工藝更廣范圍的應用提供了參考依據。

水力噴射壓裂；?101.6 mm套管井；射流參數；壓裂工藝；套變井

隨著勘探開發的深入，儲層物性逐漸變差，儲量的有效動用越來越難，同時大部分老井存在套管變形、固井質量不佳及套管尺寸受限等原因，常規壓力技術在這些井中往往存在機械坐封不嚴情況，導致壓裂液竄層、主裂縫難以形成并伴有砂堵風險。在此背景下，水力噴射壓裂技術得到了大力發展與推廣，該技術已在國內外油田應用廣泛［1-4］。

近年來，在?139.7 mm套管內開窗側鉆或直接下?101.6 mm套管重新固井的工藝解決了套管損壞及油氣漏失等問題。由于完井段為雙層套管，普通射孔穿透率低，且完井套管內徑只有86.0 mm，普通封隔器難以下入，后續儲層改造難度加大。2009年，中國石油大學（北京）與中原油田合作針對?101.6 mm懸掛套管井壓裂改造開展攻關，設計研發了專用水力噴射壓裂工具，并形成相應壓裂施工工藝，有效解決了懸掛?101.6 mm套管及套變井難以增產的問題。

1 壓裂設計

水力噴射分段壓裂是集水力射孔、壓裂、封隔一體化的增產改造新技術［5-8］，形成的地層孔道長度能夠達到1 m以上［9］，能有效穿過多層套管、水泥環，實現對雙層套管井的射孔。壓裂階段，靠高速射流在噴射工具周圍產生一個低壓區，促使套管中注入的高壓液體流向噴射位置，共同維持裂縫延伸。該工藝施工時全井段無需機械封隔器，使其能夠方便、靈活解決小套管及套變井的壓裂改造問題。

1.1 噴射工具設計

針對內徑為86.0 mm套管設計了專用水力噴射壓裂工具（圖1）。工具本體外徑為76.0 mm，長度500 mm。管柱組合自下而上依次為：單向閥+?101.6 mm噴槍+扶正器+?60.3 mm油管。

圖1 ?101.6 mm水力噴射壓裂工具

?101.6 mm懸掛套管井目的層段為雙層套管，因此水力射孔時要求射流速度必須在200 m/s以上，使得產生的孔道能夠有效穿越套管。由于噴射速度越快，噴嘴壓降越高，導致地面施工壓力偏高［10］，合理選擇噴嘴組合方式是該工藝成功的關鍵因素。

圖2為兩種噴嘴在不同排量下噴嘴壓降及噴射速度關系曲線。對于?6 mm噴嘴，當油管排量為0.38 m3/min時，噴嘴壓降為27.5 MPa，噴射速度達到223 m/s。采用?6 mm×6噴嘴組合方式，油管排量能夠達到2.2～2.3 m3/min。對于?7 mm噴嘴，為滿足射孔速度及施工排量要求，選用?7 mm×4噴嘴組合方式，可以使油管排量及噴嘴壓降與?6 mm×6相同，滿足?101.6 mm套管井射孔及壓裂要求。

圖2 單噴嘴壓降—速度曲線

1.3 壓裂液體性能要求

壓裂液性能除了具備良好的攜砂能力外，還必須具有良好的黏度恢復能力，壓裂液流經噴嘴會受到高速剪切作用，剪切速率約50 000～70 000 s-1，此時黏度會大幅降低。當射流速度減小以后，要求液體黏度能夠快速恢復達到攜砂要求。經過對多種液體優選，羧甲基胍膠作為壓裂液體，交聯比為100:8，經過噴嘴后壓裂液黏度能迅速恢復到80%以上，黏度達到600 mPa·s以上，其具有良好的黏度恢復能力，能夠滿足水力噴射壓裂工藝要求。

由圖3可知，室內試驗剪切速率選用1800 s-1用于模擬液體經噴嘴高速射出時液體黏度，此時壓裂液黏度幾乎為0，快速將剪切速率調為170 s-1，黏度迅速恢復至1480 mPa·s，滿足水力噴射壓裂工藝對液體黏度恢復的要求。

圖3 壓裂液剪切速率黏度曲線

1.4 水力噴射壓裂工藝步驟

圖10為從位移場計算出的I型裂紋緊湊拉伸試樣4的J積分隨時間的演化數據關系，由圖可見J積分在初始加載時緩慢增加，約20s后開始快速增大，88s時達到臨界載荷23kN，此時J積分約293.4kJ/m2，記為JiDic，即為光學方法測量得到的實際起裂斷裂韌度，低于標準GB/T 21143的計算值。

由于受井筒直徑限制，?101.6 mm套管井水力噴射壓裂工具內部無法裝入滑套，因此對該類井實施多層改造，只能選用拖動壓裂工藝。具體施工工藝步驟如下。

（1）通過施工管柱將噴射工具準確下至施工層位，直井可以通過校深短節精確定位。

（2）油管排量提至0.5～1.0 m3/min，用壓裂液基液替換井筒，并檢查噴嘴是否通暢。

（3）套管敞開，油管泵注混有磨料的液體，提高油管排量至設計排量進行水力噴砂射孔，達到設計砂量后，用壓裂液基液頂替整個油管。

（4）降低油管排量至0.5～1.0 m3/min，緩慢關閉套管閥門，若套管壓力快速上升一段時間后保持穩定，說明地層被順利壓開，然后將油管和套管排量提至設計排量，共同注入前置液，維持裂縫擴展。

（5）加砂壓裂，按泵注程序開始通過油管加入支撐劑，套管注入基液。

（6）加砂完畢，泵注基液頂替油管中的攜砂液。

（7）停泵擴散壓力，用油嘴控制放噴壓裂液。

（8）上提管柱，定位噴槍，重復1～7步。

2 現場應用

2.1 施工概況

衛22-側11井是位于東濮凹陷中央隆起帶衛城斷塊構造上的一口直井。完井方式為?139.7 mm套管×2527 m +懸掛?101.6 mm套管×453 m。該井先后經過兩次卡封、合層壓裂改造，效果不明顯。

由于該井為小套管完井，且存在多處套變，應用水力噴射壓裂工藝可以有效實現目的層段壓裂改造。針對沙三層位（2845.5～2852.3 m），噴射位置為2849 m。井深、管柱內徑小、摩阻高等原因會導致地面施工壓力高，因此管串及噴嘴組合優選十分重要。施工管串選為?88.9 mm油管+?60.3 mm油管+?101.6 mm噴槍，噴嘴組合選用?6 mm×6。保證施工排量在2.0 m3/min以上且施工壓力不能超壓，實現噴砂射孔及壓裂目的。

2.2 施工分析

水力噴射壓裂工藝及壓裂機理均不同于常規壓裂，因此施工曲線也有所差別，如圖4所示。將水力噴射壓裂施工曲線分為4個階段：水力噴砂射孔階段、前置液注入階段、階梯加砂階段、頂替階段。

圖4 水力噴射壓裂施工曲線

（1）水力噴砂射孔階段：油管排量保持在2.2 m3/min，砂比控制在6%～7%，油管平均壓力為67 MPa，說明能夠在施工壓力允許情況下實現了水力噴砂射孔。當磨料液體經噴嘴射出后，噴嘴摩阻將進一步增加，地面油壓會出現短時間內升高的情況。

（2）前置液注入階段：噴砂射孔結束后，降低油管排量至0.5 m3/min，保證套管關閉安全，關閉套管放噴管線閘門，將油管和套管排量分別提至2.2 m3/min和0.8 m3/min，同時油管液體加交聯劑。套管壓力反映地層破裂壓力為39.1 MPa。與常規壓裂不同的是，未出現明顯的地層破裂壓力點。這是因為水力噴砂射孔產生的孔道體積大，有效降低了地層起裂壓力［11］。裂縫延伸階段油管和套管壓力均保持穩定，說明地層順利壓開。

（3）階梯加砂階段：油管排量穩定在2.2 m3/min左右，油管平均壓力65.2 MPa。由于支撐劑只通過油管加入，噴嘴將其高速射入裂縫中，能夠有效降低砂堵及套管沉砂卡管柱風險。隨著加砂濃度的不斷提高，油套壓力基本不變，說明裂縫一直向前延伸，裂縫形態控制得當，沒有發生竄層和砂堵。

（4）頂替及排液：油管排量保持不變，合理頂替完油管中的支撐劑。停泵壓力27.4 MPa，停泵后油套通過噴嘴連通，二者壓力相同。施工結束后，用3～5 mm油嘴控制放噴壓裂液體。

按照設計要求注入前置凍膠89.5 m3，攜砂凍膠115.1 m3，頂替液18.5 m3，共加陶粒20 m3，最高砂比27%。

2.3 壓后效果

衛22-側11井壓前日產液17.6 m3，日產油1.0 t，含水94%；壓后日產液36 m3，日產油3.2 t，增產約3.2倍，壓裂效果明顯。

3 結論

（1）水力噴射壓裂工藝對懸掛?101.6 mm套管完井方式成功進行了壓裂改造，并能夠達到傳統壓裂所能實現的加砂規模，地面壓力正常，反映了該工藝設計和實施的合理性。

（2）水力噴射壓裂工具設計、射流參數選擇、壓裂液體性能、施工管串及壓裂工藝是水力噴射壓裂得以順利實施的保障。

（3）該工藝作為常規水力加砂壓裂的補充，可以靈活應用于套管變形、固井質量不佳及套管尺寸受限等復雜井況中，產生裂縫延伸形態相對可控，提高單井增產能力。

［1］LI Gensheng, НUANG Zhongwei, TIAN Shouceng,et al.Investigation and application of multistage hydrajetfracturing in oil and gas well stimulation in China［R］. SPE 131152, 2010.

［2］李根生，曲海，黃中偉，等.水力噴射分段壓裂技術在油氣井壓裂中的應用［C］.//王元基.水平井油田開發技術文集［A］.北京：石油工業出版社，2010：518-522.

［3］JIM В Srujaatmadja, MCDANIEL В W, CLINT ВRIAN,et al.Effective stimulation of multilateral completions in the james lime formation achieved by controlled individual placement of numerous hydraulic fractures［R］. SPE 82212, 2004.

［4］JESSICA Нouser, RAFAEL Нernandez, et al.Pinpoint fracture using a multiple-cutting process［R］.SPE 122949, 2009.

［5］НUANG ZhongWei, NIU Jilei, LI Gensheng, et al.Surface experiment of abrasive water jet perforation［J］. Petroleum Science and Technology, 2008, 26（6）: 726-733.

［6］НUANG Zhongwei, LI Gensheng, TIAN Shouceng,et al.Mechanism and numerical simulation of pressure stagnation during water jetting perforation［J］. Petroleum Science, 2008, 5（1）: 52-55.

［7］TIAN Shouceng, LI Gensheng, НUANG Zhongwei, et al.Investigation and application for multistage hydrajetfracturing with coiled tubing［J］. Petroleum Science and Technology, 2009, 27（13）: 1494-1502.

［8］QU Нai, LI Gensheng, НUANG Zhongwei, et al.Вoosting mechanism［J］. Petroleum Science and Technology, 2010, 28（13）: 1-6.

［9］田守嶒，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂機理與技術研究進展［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：58-62.

［10］侯東紅，白建文，劉雄明，等.水力噴射壓裂改造技術在直井上的應用［J］.油氣井測試，2009，18（4）：42-44.

［11］黃中偉，李根生.水力射孔參數對起裂壓力影響的實驗研究［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2007，31（6）：48-50.

（修改稿收到日期 2011-04-15）

〔編輯 付麗霞〕

Application of hydrajet fracturing technology to the treatment of 4 in well

QU Нai1,2, LI Gensheng2, FAN Yongming3, LIU ZuLin4, SНI Mingjie4

(1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China; 2. China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 3. Down Hole Operation Company, Bohai Drilling & Exploration, Renqiu 062552, China; 4. Zhongyuan Oil Field Sub-company, SINOPEC, Puyang 457001, China)

Нydrajet fracturing (НJF), which combine jet perforation and hydraulic fracturing, is a relative new stimulation technique in oilfield. The jetting tool using in ?101.6 mm casing wells is designed. The treatment tubing are optimized for this well. Though the numerical calculation, the relationship between the jet parameters and displacement is obtained. The proportion of fracturing fluid in oil tubing and test method are given. The НJF technology is made. It was resolved that traditional hydraulic fracture can’t treat effetely in the 4 in well. The above results also showed that this technology can be used in complex condition wells. The paper can provide reference for the further applications of НJF technology.

hydrajet fracturing; ?101.6 mm cased well; jet parameters; fracturing technology; casing deformation well

TE357.1

A

1000-7393（ 2011 ） 03-0055-03

國家自然科學基金項目（編號：50774089）和國家科技重大專項課題（編號：2009ZX05009-005-04A）。

曲海，1981生。2011年博士研究生畢業于中國石油大學（北京），現從事油氣開采和增產新技術研究。E-mail：quhai729@163. com。