水力噴射分段壓裂技術(shù)在水平井施工中的應(yīng)用

摘 要：當(dāng)前，我們通常采用的分段壓裂技術(shù)如限流壓裂技術(shù)和機(jī)械封隔分段壓裂技術(shù)均有其自身限制性。而水力噴射分段壓裂技術(shù)囊括磨料射流射孔、壓裂、隔離等多項(xiàng)工藝，施工工藝簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，是提高產(chǎn)量的有效手段.我油田近幾年不斷擴(kuò)大水平井的開發(fā)業(yè)務(wù)，但約占一半以上水平井均為低產(chǎn)，開發(fā)效率無(wú)法提高。文章通過對(duì)工程進(jìn)行考查、試驗(yàn)研究并優(yōu)化施工方案，主要包括射孔壓力、壓裂液、井下工具、管柱、施工參數(shù)等方面的研究和設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了低產(chǎn)水平井產(chǎn)能的提高。

關(guān)鍵詞：水平井；水力噴射分段壓裂；壓裂液；管柱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.114

0 前言

當(dāng)前，我們通常采用的分段壓裂技術(shù)如限流壓裂技術(shù)和機(jī)械封隔分段壓裂技術(shù)均有其限制性。前者比較適用于密度偏小的射孔，從而會(huì)對(duì)井筒尺寸產(chǎn)生很大的限制。在施工過程中，可能會(huì)導(dǎo)致于射孔內(nèi)及裂縫入口位置產(chǎn)生的壓力將太大且不利于層間壓裂液的良好分布。采用該壓裂技術(shù)還不能保證足夠大的裂縫入口，這可能會(huì)導(dǎo)致施工返排時(shí)支撐劑出現(xiàn)返出情況。如果采用機(jī)械封隔分段壓裂技術(shù)，在層位完工之后，封隔器比較容易出現(xiàn)砂卡的故障，這可能會(huì)引起發(fā)生施工事故。水力噴射分段壓裂技術(shù)能夠有效地提高低滲透油藏的產(chǎn)能，該技術(shù)囊括磨料射流射孔、壓裂、隔離等多項(xiàng)工藝，施工工藝簡(jiǎn)便，能夠通過先進(jìn)的施工工藝有效地提高射孔通道的壓力且無(wú)需封隔器械，施工故障率較小。

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的提高，改善開發(fā)效果，經(jīng)過認(rèn)真分析后，決定采用水力噴射分段壓裂技術(shù)進(jìn)行實(shí)際嘗試并應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)利用分段壓裂管柱進(jìn)行兩層噴射壓裂。對(duì)地層采用石英砂攜砂液進(jìn)行射孔，接著采用油管加壓裂砂進(jìn)行壓裂處理，于投球并打開滑套之后進(jìn)行下一層的施工。該施工工藝具有一趟管柱、多段壓裂的特點(diǎn)，是水平井儲(chǔ)層改造的一種有效的方法。

1 技術(shù)原理及特點(diǎn)

水力噴射分段壓裂技術(shù)囊括磨料射流成孔、壓裂、隔離多項(xiàng)工藝，施工工藝簡(jiǎn)便，具有一趟管柱、多段壓裂的特點(diǎn)。該技術(shù)通過將支撐劑如陶粒及石英砂添加到壓裂液內(nèi)來(lái)進(jìn)行射孔和壓裂施工的。作業(yè)期間，對(duì)開套管及地層進(jìn)行射流后，能夠于靠近水平井的位置構(gòu)造一個(gè)最大半徑約3cm，深度約70cm的紡錘形孔。該孔形成后再進(jìn)行射流，由伯努利原理可以液體動(dòng)勢(shì)能的轉(zhuǎn)化會(huì)引起通道內(nèi)壓力大大提高。另外，地層通道內(nèi)的射流在壓裂開地層前返回井筒的過程中封閉了套管壁面的孔道，進(jìn)而又可以將孔道內(nèi)壓力水平提高一層。所以，如果環(huán)空壓力比地層破裂壓力稍低，可以通過調(diào)節(jié)，保證環(huán)空壓力略低于噴射孔眼處的壓力，使該位置最早出現(xiàn)裂縫，而于其它層位的環(huán)空壓力比地層起裂壓力小，會(huì)阻值裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而確保將裂縫出現(xiàn)并擴(kuò)大的位置被控制于射流孔眼周圍。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水平井裝置一次下入便能進(jìn)行多層位壓裂，并且壓裂精確度較高，能夠?qū)毫岩?guī)模進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)控，提高了工程人員對(duì)工程的調(diào)控能力。

總體來(lái)說(shuō)，該壓裂技術(shù)具有以下幾個(gè)工藝特點(diǎn)：第一，該技術(shù)能夠一次性做完射孔和壓裂工作，射孔工作不需另外去做，簡(jiǎn)化了壓裂施工工藝；第二，該技術(shù)具有定點(diǎn)壓裂、自動(dòng)封隔的特點(diǎn)，不需采用封隔器械，大大提高了施工安全度；第三，該技術(shù)一趟管柱、多段壓裂的特點(diǎn)，減小對(duì)儲(chǔ)層的破壞程度，縮短工程周期；第四，完井方式多樣，包括裸眼、套管等等。

2 參數(shù)計(jì)算

我們通過試驗(yàn)分別進(jìn)行了施工幾個(gè)基本參數(shù)的研究，具體包括：噴嘴壓力范圍，石英砂粒徑和濃度以及噴射時(shí)間等。

首先，進(jìn)行了射孔壓力試驗(yàn)研究。于室內(nèi)對(duì)加圍壓的巖心進(jìn)行石英砂攜砂液的射孔，控制射孔孔壓于25～40MPa范圍內(nèi)。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，孔深在其壓力處于25～30MPa期間時(shí)提高幅度較大，而于30～35MPa期間時(shí)提高幅度有所減小。故我們選擇28～35MPa的范圍作為噴嘴射孔壓力的調(diào)節(jié)范圍。石英砂粒徑試驗(yàn)主要考查其粒徑和射孔深度的關(guān)系，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔深在石英砂粒徑為0.4mm左右時(shí)達(dá)到最大，考慮本廠現(xiàn)有的石英砂，決定將其粒徑范圍控制在0.3～0.6mm范圍內(nèi)。另外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，射孔深度在石英砂粒徑為6%～8%范圍時(shí)達(dá)到最大。噴射時(shí)間的試驗(yàn)主要考查的是噴射時(shí)間和射孔深度的關(guān)系。通過對(duì)5～25min的試驗(yàn)結(jié)果觀察來(lái)看，射孔深度在噴射5～10min時(shí)深度明顯增大，而在10min后深度增大不明顯，到15min時(shí)基本停止。故確定了最佳噴射時(shí)長(zhǎng)為10～15min。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可知，施工幾個(gè)基本參數(shù)分別為：噴嘴壓力范圍28～35MPa，石英砂粒徑0.3～0.6mm，濃度6%～8%，噴射時(shí)間10～15min。

3 壓裂液配方研究

該體系的配方如下：羥丙基水基胍膠，粘土穩(wěn)定劑、助排劑、防膨劑、純堿等添加劑，硼交聯(lián)劑。壓裂液性能為：基液pH值=10～11，剪切速度和時(shí)間分別為170s-1和90min，表觀粘度≥50MPa·s。

壓裂液通過噴嘴配出，剪切速度很高，為了提高噴射后攜帶支撐劑的性能并最大限度控制器在地層中的濾失效應(yīng)，采用過膠聯(lián)壓裂液。水力噴射分段壓裂在施工過程中采用了油、套同注工藝，即壓裂液通過油管注入，基液由環(huán)內(nèi)注入，二者保持一定的比例且交聯(lián)過程需要在井底迅速完成并且還要保證優(yōu)良的性能。結(jié)合施工對(duì)壓裂液的要求，我們對(duì)配方的交聯(lián)劑和胍膠的濃度兩個(gè)方面做了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化處理。采用的交聯(lián)劑濃度主要處于0.13%～0.25%范圍內(nèi)，為了測(cè)試過膠聯(lián)壓裂液的特性，我們?cè)O(shè)定0.26%為交聯(lián)劑濃度。在此條件下，我們通過試壓觀察不同的胍膠濃度對(duì)壓裂液性能的影響，其濃度分別設(shè)定為0.35%，0.4%，三種情況。最后發(fā)現(xiàn)胍膠濃度在0.5%時(shí)，壓裂液達(dá)到最佳剪切性能，我們通過油管和套管的規(guī)格確定壓裂液和基液混合比為4：1。二次交聯(lián)顯示的壓裂液性能表現(xiàn)如圖1所示。

由上圖可見，采用上述優(yōu)化方式得到的壓裂液性能優(yōu)良，抗剪性能高，于剪切50min后仍能保持超過150MPa·s的粘度；交聯(lián)迅速，僅僅為4s。完全可以滿足壓裂需要。

4 施工管柱設(shè)計(jì)

噴砂射孔管柱主要分為兩段，其組合主要為：導(dǎo)向頭+篩管+水平井單流閥+第一組不帶滑套噴槍+油管+第二組帶滑套噴槍+扣油管+兩寸半外加厚油管至井口。結(jié)構(gòu)圖參見圖2所示。

管柱就位之后，便進(jìn)行第一段的射流和壓裂工作，完工后再投球?qū)⒌诙M噴槍滑套打開，進(jìn)行第二段的射流和壓裂。另外，該管柱中篩管和水平井單向閥能夠進(jìn)行反洗井。外加厚油管能夠有效地保證了油管必要的強(qiáng)度。

5 井下工具配套

井下工具中的兩組噴槍和滑套比較重要，應(yīng)特別進(jìn)行挑選并優(yōu)化。噴槍的關(guān)鍵參數(shù)包括噴嘴數(shù)量、口徑及相位分布。這些參數(shù)的篩選需要結(jié)合工程對(duì)噴槍排量和液體流速的要求。噴槍有兩層，每層有噴嘴3個(gè)，以120°角度排開，總體相位角60°，噴嘴尺寸為Φ5.5mm。

改進(jìn)滑套材質(zhì)以滿足本工程中高壓、高速射流的需要。首先，為了保證滑套球座和承接臺(tái)階具備足夠的抗磨性能，采用硬質(zhì)合金作為材料；其次，對(duì)剪斷銷釘材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其具備足夠的剪切力以便滑套開啟與否能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)于地面泵壓。

6 施工參數(shù)優(yōu)化

我們根據(jù)水力噴射分段壓裂技術(shù)的特點(diǎn)和要求，我們選取了試驗(yàn)井，首先對(duì)壓裂裂縫的長(zhǎng)度和高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了確定。第一層、第二層的裂縫設(shè)計(jì)尺寸參見表1所示。

對(duì)油管、套管的進(jìn)液排量進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終確定油管進(jìn)液排量為2.0m3/min，套管的進(jìn)液排量為0.5～0.7m3/min。此外，對(duì)射孔液量，壓裂段塞配置進(jìn)行優(yōu)化。

另外，為了避免作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的壓裂液漏失情況帶來(lái)的不便，我們準(zhǔn)備10%的裕量。工程中兩層壓裂液用量情況如表2所。

本工程施工壓力最高達(dá)51MPa，關(guān)井壓力4MPa，放噴達(dá)25m3。壓裂液共使用284.2m3，石英砂用量共12m3。最終使油產(chǎn)量共增加2414t。

7 結(jié)語(yǔ)

井下作業(yè)公司目前引進(jìn)水力噴射分段壓裂技術(shù)，對(duì)工程進(jìn)行考查、試驗(yàn)研究并優(yōu)化施工方案，通過在實(shí)際水平井段的具體應(yīng)用，積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)資料，可用于指導(dǎo)類似的水平井油藏的開發(fā)項(xiàng)目；相對(duì)于一般的射孔手段，采用水力噴砂的射孔方式，能夠保證孔邊不出現(xiàn)壓實(shí)帶，能夠有效緩解地下一道工序的起裂壓力，施工操作相對(duì)簡(jiǎn)單并且能夠取得教滿意的射孔深度；采用井下組合工具，無(wú)任何封隔器械，大大減小了卡鉆情況的發(fā)生，提高施工安全；該技術(shù)具備的一趟管柱、多段壓裂的特點(diǎn)，減小對(duì)儲(chǔ)層的破壞程度，縮短工程周期；定向定點(diǎn)噴射，實(shí)現(xiàn)高精度造縫。

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作者簡(jiǎn)介：王少寧（1975-），男，河北曲陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：油氣田開發(fā)。