連續油管噴砂射孔環空分段壓裂工具研制

孫 鑫，程智遠，周曉昱，王 瑤，丁柯宇，姚衛東，徐 敏

（1.渤海鉆探工程技術研究院，天津300280；2.大港油田 第一采油廠，天津300280）

連續油管噴砂射孔環空分段壓裂工具研制

孫 鑫1，程智遠1，周曉昱2，王 瑤1，丁柯宇1，姚衛東1，徐 敏1

（1.渤海鉆探工程技術研究院，天津300280；2.大港油田 第一采油廠，天津300280）

連續油管噴砂射孔環空分段壓裂技術可以不限次數進行多級壓裂，實現較大規模儲層改造。針對蘇里格氣田的低壓、低滲、低產的特點，研制了連續油管噴砂射孔環空分段壓裂工具。介紹了工藝管柱的組成，并對噴嘴、封隔器、卡瓦的關鍵參數進行計算。在蘇25-2-2 H井進行的試驗表明：該項技術的作業周期短、分層靈活并精細、封隔可靠，施工后井筒清潔。為致密氣藏的多級分段改造提供了有效方法。

連續油管；噴砂射孔；分段壓裂；工具

隨著我國油氣田開發進入中后期，儲層薄、低壓、低滲、高含水、儲采失衡等問題日益凸現，這些薄差油氣田的油層分散、層間跨距無序，普通壓裂技術已無法滿足高效開采的需求。近年來，噴砂射孔環空多級分段壓裂工藝成為解決這一問題的核心方法［1］。

連續油管噴砂射孔環空分段壓裂分為射孔和壓裂2個階段。射孔工具多采用噴槍形式，也可用壓差滑套代替射孔過程。但是，當滑套無法打開時仍需采用射孔槍完成射孔作業［2］。壓裂完成后只需解封連續油管封隔器便可。該項工藝技術具有工藝簡單、施工周期短、作業效率高等優點。

渤海鉆探工程技術研究院將措施工藝需求與理論分析相結合，研制了基于封隔器封隔適用于連續油管的噴砂射孔環空分段壓裂工具，并在蘇里格地區成功應用。本文將介紹該工藝管柱設計原理，并以蘇里格氣田蘇25-2-2 H井為例介紹該工具在現場的應用情況。

1 管柱組成

組成該工藝管柱的主要工具為噴槍、卡瓦式封隔器、定位器，如圖1所示。此外還包括：連續油管接頭、液壓丟手、反循環接頭等工具。工具在整個施工過程中有入井、坐封和解封狀態。在噴砂射孔和主壓裂過程中，該工具處于坐封狀態；在連續油管定位和轉層過程中，該工具處于解封狀態［2］。

圖1 管柱組成

2 施工過程

1） 連續油管帶著工藝管柱下至預定位置。

2） 套管接箍定位器定位、校深。

3） 下放連續油管坐封封隔器。

4） 連續油管加壓驗封（第1段不需要驗封封隔器）。

5） 建立起液體循環。

6） 進行噴砂射孔作業。

7） 注入頂替液。

8） 進行加砂壓裂作業。

9） 解封封隔器，上提連續油管至下一個施工井段。

3 工藝的優點

1） 水力噴砂射孔克服了射孔彈的壓實作用，可有效解除近井地帶的封堵效應，減少了對油氣藏的污染和傷害。

2） 該項工藝只需下入1趟管柱、使用1個封隔器就能逐級封隔多個氣層。

3） 采用環空壓裂，施工排量大、加砂量大、砂比高，且大幅延長噴嘴的壽命。

4） 下1趟管柱能實現射孔和壓裂作業，壓裂施工周期短，減少了壓后的油氣層污染。

5） 起出連續油管后，井筒全通徑即具備生產條件，可實現多層直接測試投產。

4 關鍵工具設計

4.1 噴槍

噴槍設計的關鍵是噴嘴的參數計算。噴嘴的幾何參數決定噴射壓力和噴槍壽命，根據成熟經驗，采用兩級收縮噴嘴，長徑比為3～5［3］。多級壓裂技術需要噴槍1次入井反復使用，因此噴嘴壽命是該工藝的關鍵技術，噴嘴幾何參數、表面粗糙度和噴嘴材料是主要影響因素。該噴嘴的材料采用國外生產的特殊硬質合金，此材料具有較高的粒子結合強度，能夠滿足高耐磨需求，與陶瓷、梯度功能材料、復合碳材料等比較，易于加工、價格合理。

噴嘴的關鍵參數計算依據：

1） 液體各級壓力損失

式中：Δp為壓力損失，MPa／m；q為液體流量，L／min；D為管內徑；mm；R e為雷諾數。

2） 噴嘴前后壓差

式中：Q為流量，L／min；A 為噴嘴截面面積，mm2；ρ為流體密度，kg／m3；μ為流量系數。

3） 噴嘴直徑

式中：p為噴射壓力，Pa；q為噴射流量，L／min；n為噴嘴個數；η為噴嘴效率。

4） 沖蝕磨損體積損失量

式中：v0為砂礫沖擊速度，m／s；r為砂礫半徑，mm；ρ為砂礫密度，kg／m3；KIC為噴嘴材料的斷裂韌性；Hm為噴嘴材料硬度。

依據計算的噴嘴參數設計的噴槍結構如圖2所示，主要幾何參數及水力試驗結果如表1～2。

表1 噴槍關鍵參數

表2 試驗參數

試驗后泵壓無明顯下降，噴嘴磨損程度較低，因此該設計滿足工藝要求。

4.2 封隔器設計

封隔器設計主要考慮膨脹比、坐封可靠、解封迅速可靠、避免砂卡［4］4個方面。采取的措施：

1） 由不同本構關系橡膠材料和金屬結構組合而成。在保證密封可靠的前提下提供了足夠的膨脹比例，解決了封隔器半徑過大、易卡鉆的問題；加快了解封速度并保證解封完全。

2） 機械力與液壓混合動力坐封，可適用于連續油管。

3） 解封時封隔器外殼分段上提設計，在解封上提管柱時能夠使橡膠筒內部產生拉應力，保證解封完全，避免卡鉆［4］。

該封隔器的結構如圖2所示。

圖2 封隔器的坐封單元結構

坐封單元的基本參數如表3。

表3 封隔器坐封單元的技術參數

在模擬井內對膠筒（YS-113-15-35型）進行試驗，模擬井下工作條件為加砂壓裂液、150℃，進行膠筒坐封、密封、解封性能試驗。膠筒坐封壓力為15 MPa，密封壓差為48 MPa，試驗時膠筒保壓穩定，經40個模擬作業試驗后膠筒狀態完好。結果表明，膠筒的耐油、耐壓和密封性能滿足噴砂射孔環空多級分段壓裂作業的要求。

4.3 卡瓦設計

卡瓦設計主要考慮卡緊可靠、避免上提自鎖、能與套管脫離3個方面。卡瓦牙材料選用高碳合金結構鋼，經過滲碳淬火后硬度大于60 HRC，高硬度可避免由變形引起的卡瓦與套管無法解卡。卡瓦的卡緊過程是靠楔形體下移擠壓，使卡瓦徑向擴張而錨定套管，因此，卡瓦卡緊管柱的基本條件是楔形體下行時能否帶動卡瓦牙而實現錨定作用。擠壓作用越強，管柱卡緊越可靠。可靠卡緊的條件是：

式中：f1為卡瓦體與楔形體之間的摩擦因數；f2為卡瓦體與管柱之間的摩擦因數；α為楔形體的斜角度。

不自鎖條件：

根據力學平衡條件，各卡瓦牙施加給管柱的徑向壓緊力的總和為

式中：P為卡瓦表面正壓力；Q為管柱重力。

因此，卡瓦的最小接觸面積S為

式中：［σy］為材料的許用擠壓應力。

卡瓦的強度應按最大作用載荷并考慮25%的過載進行計算。計算時安全系數應不小于2。

5 現場應用情況

蘇里格氣田屬于典型的“三低”氣田，主要目的層屬沖積平原背景下辮狀河沉積體系，疊置砂體具有明顯的方向性，氣藏規模小，砂體展布范圍有限，有效砂體連通性差，儲層非均質性強［5］，僅采用水平井是達不到理想開采效果的，需要通過一系列的增產措施增加水平井的產能。2012-08，在蘇里格氣田蘇25-2-2 H井用該連續油管噴砂射孔環空分段壓裂技術進行了一趟管柱9層射孔、壓裂作業。2012-11-03投產，測試產量為6.05×104m3／d。截止到2013-03-28，該井日產氣量為5.3×104m3／d。

此次施工進行了9段的加砂壓裂，也是該項工藝技術在蘇25區塊的第1次作業。主壓裂施工中封隔器坐封可靠，易解封，壓裂后返排快速，這一技術在該地區的成功實施，為我國非常規致密砂巖氣的開發提供了切實可行的新方法。

6 結論

1） 蘇25-2-2 H井采用連續油管噴砂射孔環空分段壓裂技術，產量約為同區塊其他井產量的2倍，且作業周期短，投產快，充分證明了該技術比常規壓裂技術先進。

2） 該項分段壓裂技術與常規分段壓裂技術相比，無需投球，不受球徑級次的影響，可以達到無限段數的壓裂。

3） 此次施工過程中存在同一段多次噴射的現象，在以后的工作中應不斷總結，優化出噴砂射孔的最優參數。

4） 采用該套工具及其配套技術，施工過程簡單快捷，安全可靠，同時能提高作業效率，降低勞動強度和減少對地層環境的傷害，在“三低”氣田的增產作業中將發揮重要作用。

5） 國外已多次成功實施連續油管水力噴射環空分段壓裂，尤其在環空注入壓裂方面取得了很大的進步，而國內相關的現場試驗還停留在起步階段。在四川盆地、鄂爾多斯盆地實施的幾口井表明，現在國內還不能單獨完成該項技術的施工，需要和國外公司進行合作。所以，國內需要加快連續油管配套工具的研制與現場試驗，結合國內油田需求，配套合適的連續油管壓裂作業井口裝置、地面設備及連續油管車組，解決制約連續油管技術在國內應用的關鍵問題，盡快讓這項技術國產化。

［1］ 秦玉英.連續油管噴砂射孔環空分層壓裂技術在大牛地氣田的應用［J］.鉆采工藝，2009，32（4）：49-50.

［2］ 錢斌，朱炬輝，李建忠.連續油管噴砂射孔套管分段壓裂新技術的現場應用［J］.天然氣工業，2011，31（5）：67-69.

［3］ 李根生，沈忠厚.高壓水射流理論及其在石油工程中應用研究進展［J］.石油勘探與開發，2005，32（1）：96-99.

［4］ 王瑤，馮強，丁柯宇.適用于連續油管的封隔器管柱結構及原理分析［J］.石油礦場機械，2013，42（1）：83-86.

［5］ 李建奇，楊志倫，陳啟文，等.蘇里格氣田水平井開發技術［J］.天然氣工業，2011，31（8）：60-64.

Desing of Coiled Tubing Abrasive Perforating and Annulus Staged Fracturing Tool

SUN Xin1，CHENG Zhi-yuan1，ZHOU Xiao-yu2，WANG Yao1，DING Ke-yu1，YAO Wei-dong1，XU Min1
（1.Engineering Technology Research Institute，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Li mited，Tianjin，300280，China；2.No.1 Oil Production Pl ant，Dagang Oil f iel d，Tianjin 300280，China）

The technology of coiled tubing abrasive perforating and annulus staged fracturing can be an unli mited nu mber of multi-stage fract uring，which can be used in extensive reser voir i mpr ovement.In all usion to the characteristic of low pressure，low per meable，low yield in Sulige area，the coiled tubing abrasive perf orating and annul us staged fract uring tool is developed.The process pipe col u mn is intr oduced，to calculate the key parameters of the nozzle，packer and slip.The test of the Su25-2-2 H indicates that this technology wor king style is short，the layering is precise，t he packing is reliable and t he well boreis clean.The technology can solve multistage layering effectively in tight gas reservoir.

coiled t ubing；abrasive perf orating；multistage fract uring；tool

TE934.203

B

1001-3482（2014）06-0073-04

2013-12-23

孫 鑫（1985-），男，安徽亳州人，2009年畢業于西南石油大學石油工程學院石油工程專業，E-mail：sx150226＠163.co m。