PFT85-I型脈沖壓裂工具研制

邵　媛，王在強，任國富，胡相君，蒙　鑫，薛曉偉（1．長慶油田公司油氣工藝研究院，西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018）①

PFT85-I型脈沖壓裂工具研制

邵媛1，2，王在強1，2，任國富1，2，胡相君1，2，蒙鑫1，2，薛曉偉1，2
（1．長慶油田公司油氣工藝研究院，西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018）①

盆地致密油氣儲層的勘探開發難度大，采用常規技術的單井產量低，難以實現經濟有效開發。為了提高單井產量，開展了井下脈沖壓裂工藝及工具技術攻關，形成了定型工具產品。介紹了PFT95-I型脈沖壓裂工具的結構、工作原理。現場應用表明，該工具耐沖蝕，射孔效果好，井底混砂均勻；通過調整地面油管及環空排量實時控制井底砂濃度，處理砂堵的能力強，施工安全、可靠，滿足脈沖壓裂技術要求。混合器混砂性能良好，可以實現油管高砂濃度液體與環空純凈流體在井底的均勻混合。

脈沖壓裂；工具；結構

盆地致密油氣儲層的勘探開發難度大，采用常規技術的單井產量低，難以實現經濟有效地開發，國內外開發實踐表明，縫網壓裂可大幅提高致密油氣田單井產量。脈沖壓裂是國外近年來提出的一項新技術［1］，是實現縫網壓裂的有效手段，目前國內尚無應用。長慶油田油氣工藝研究院開展了脈沖壓裂工具技術攻關，形成了定型工具產品。該工藝可以實現油管高砂濃度液體與環空純凈液在井底混合，在p title="pagenumber_ebook=1,pagenumber_book=0" class="content">壓裂施工過程中脈沖式加砂，瞬時增加縫內凈壓力，多次縫內暫堵轉向壓裂，形成縫網復雜，增大致密油藏改造體積，提高單井產量。

1 技術分析

1．1 結構［2］

脈沖壓裂工具結構如圖1所示，主要由油管＋安全丟手＋扶正器＋噴射器＋合金單流閥＋混砂器＋定位器＋帶孔絲堵組成。

圖1 脈沖壓裂工具結構示意

1．2 工藝原理［1］

1） 通井至人工井底。

2） 洗井至返出洗井液機械雜質含量小于0．2%，并再次實探人工井底。

3） 清水試壓20 MPa，30 min壓力下降小于0．5 MPa。

4） 將工具串下放到井底，定位確定第1產層，上提工具串至第1產層，使噴砂射孔工具對準產層段中部。

5） 投球，泵送球至單流閥內到位。

6） 管內泵注射孔砂液，通過噴砂射孔工具射穿套管。

7） 反循環，將單流閥內球洗出。

8） 油管小排量高砂濃度攜砂液經混合器噴出與環空大排量清潔流體混合，根據壓裂井底砂濃度需求，實時控制管內與環空排量，從而達到控制井底砂濃度的目的，脈沖式加砂，實現縫內多次暫堵轉向壓裂。

8） 第一段結束后，上提管柱，打砂塞。10） 砂塞密封測試。11） 重復步驟4～8。12） 循環沖砂，起出油管。

1．3 主要技術參數

1．4 技術特點

1） 可以實現油管高砂濃度液體與環空高流速流體在井底混合，通過調整排量來實時控制井底裂縫和孔眼中的砂濃度。

2） 工藝具有超強的處理砂堵的能力。因為環空一直泵注清潔流體，一旦有砂堵跡象，可降低油管排量或停止注入，迅速地將砂塞替入地層，施工可以繼續。即使砂堵突然發生了，也可以進行反循環洗井解除。如果在加砂初期就發生砂堵，可以選擇頂替入裂縫或上提重新施工或放棄該段，上提到下一層繼續施工。

2 主要配套工具

2．1 混合器［2］

基于流體旋流混合的原理，通過機械端口引導流體旋流攪拌，能將油管注入的高濃度攜砂液攪動，與環空液體在進入地層前混合均勻。主要由混合腔、噴砂口組成，噴口均勻分布在內腔切線方向，噴口與軸向呈45度斜向下布置，工具結構如圖2。其工作原理為：油管內高砂濃度攜砂液剛從混合器流出，由于混合器出口軸線與中軸線存在一定的偏心距和角度，產生旋流效應，液體混合，當混合液流至井下工具的末端時，由于流動空間增大，在光套管內的流速相應降低，邊界層分離，由于液體的強剪切流動，在井下工具下游產生漩渦，同時由于密度差的影響，進一步加速液體混合效果。

圖2 混合器結構示意

2．2 噴射器［3-7］

噴射器用于射孔，采用螺旋分布式噴嘴設計、壓帽采用硬質合金一體成型技術，顯著提高率噴射器使用壽命，工具結構如圖3。該噴射器外徑105 mm，本體外徑92 mm，內徑36 mm，連接螺紋規格2UPTBG。

圖3 噴射器結構示意

2．3 合金單流閥

單流閥用于噴射器射孔時，封堵噴射器以下空間，由于結構尺寸的排布關系，合金單流閥的內徑處流速很高，在高砂濃度工況下對其沖蝕磨損要嚴重的多，為解決這個問題，設計了分體式合金單流閥，顯著提升了耐沖蝕性能。工具結構如圖4。該噴射器外徑105mm，本體外徑92mm，內徑36mm，連接螺紋規格2UPTBG。

圖4　合金單流閥結構示意

3　室內試驗［2］

樣機試制完成后，主要對混合器的混砂性能和混砂距離進行了地面試驗，同時對混合器、合金單流閥球座的沖蝕情況進行觀察。按照試驗的設計流程、泵注程序連接管匯、泵注施工，根據高速攝影系統中慢放影像，可以得到不同參數下的混砂距離。試驗結果表明：

1） 油管凈液排量1．1m3／min，油管排量1．43m3／min，環空排量最大5m3／min，最高砂比50%（即砂質量濃度810kg／m3），最大混砂距離0．6m。

2） 油管凈液排量0．5m3／min，油管排量0．84m3／min，環空排量最大3m3／min，最高砂比110%（即砂質量濃度1 800kg／m3），最大混砂距離0．4m。

3） 井下混合器試驗之后，檢查工具的沖蝕情況，僅混合器出口有沖蝕痕跡，性能完好，其他工具無明顯沖蝕痕跡。如圖5～6所示。

圖5　混合器的沖蝕痕跡

圖6　合金單流閥未見沖蝕

4　現場應用

脈沖壓裂工具在長慶油田某井試驗成功，單層改造后獲得日產21．2t的高產油流，突破了該區致密油井試油產量低于10t的界限。2014年，該工具在長慶油田成功入井試驗6口井，成功率達100%，最高砂質量濃度達1340kg／m3。壓裂后單井產量較同區鄰井產量提高30%以上，獲得了較好的增產效果，為進一步提高致密油單井產量拓展了新的途徑。

5　結論

1） 研制的脈沖壓裂工具混砂性能良好，可以實現油管高砂濃度液體（含砂1340kg／m3以下的工況）與環空純凈流體在井底的均勻混合。

2） 環空一直泵注清潔流體，處理砂堵的能力強，工藝施工安全、可靠。

3） 通過調整排量來實時控制井底砂濃度。能使地層產生復雜分支裂縫，增大改造體積。

4） 壓裂后單井產量較同區鄰井常規技術改造產量大幅提高。為長慶致密油氣資源的高效開發提供了有效的工藝手段。

［1］ Fraser Mc Neil，Klaas van Gijtenbeek，Mark van Domelen．SPE，Halliburton：New Hydraulic Fractu-ring Process Enables Far-Field Diversion in Uncon-ventional Reservoirs［R］．Presented at the SPE／EA-GE European Unconventional Resources Conference and Exhibition held in Vienna，Austria，2012（3）：20-22．

［2］ Jim B Surjaatmadja，Loyd E East．SPE，Halliburton：Efficient Coiled-Tubing Fracturing for Proppant-Placement Assurance and Assurance and Contingen-cy-Cost Mitigation［R］．Presented at the SPE Middle East Unconventional Gas Conference and Exhibition held in Abu Dhabi，UAE，2012（1）：23-25．

［3］ 謝剛儒，王永清，向楊，等．水力噴射工具腐蝕原因及改進措施［J］．石油礦場機械，2015，44（2）：55-59．

［4］ 任勇，趙粉霞，王效明，等．水力噴射工具地面模擬試驗［J］．石油礦場機械，2011，40（8）：46-49．

［5］ Stanojcic M，Rispler K．SPE，Halliburton：How to A-chieve and Control Branch Fracturing for Unconven-tional Reservoirs：Two Novel Multistage-Stimulation Processes［R］．Presented at the Canadian Unconven-tional Resources＆International Petroleum Conference held in Calgary，Alberta，Canada，2010（10）：19-21．

［6］ Fraser McNeil，William Harbolt．SPE，Halliburton：New Multistage Fracturing Process Offers Real-Time Control of Rate and Proppant Concentration at the Perforations ［R］．Presented at the SPE Canadian Unconventional Resources Conference held in Calgary，Alberta，Cana-da，30 October-1 November 2012．

［7］ Klaas van Gijtenbeek，Fraser Mc Neil，and Leon Mas-saras．SPE，Halliburton：New Coiled-Tubing-Deployed Multizone Hydraulic Fracturing：An Unconventional Process for Unconventional Reservoirs［R］．Presented at the SPE Russian Oil＆Gas Exploration＆Produc-tion Technical Conference and Exhibition held in Mos-cow，Russia，2012（10）：16-18．

PFT85-I Type Pulse Fracturing Tool Development

SHAO Yuan1，2，WANG Zaiqiang1，2，REN Guofu1，2，HU Xiangjun1，2，MENG Xin1，2，XUE Xiaowei1，2
（1．Oil and Gas Technology Research Institute，Changqing Oilfield Company，Xi′an 710018，China；2．National Engineering Laboratory for Ex ploration and Development of Low-permeability Oil and Gas Fields，Xi’an 710018，China）

Basin tight oil and gas reservoir，exploration and development difficult using convention-al technology，low single well production，it is difficult to realize the economic effective develop-ment，in order to improve the single well production，development of downhole pulse fracturing research technique and tool technology，forming a shaping tool products．This paper introduces the structure，working principle of PFT95-I type pulse fracturing tool．Field application shows that the tool，erosion resistant，perforating effect is good，the bottom sandmixing evenly，can achieve real-time control bottom sand concentration through the adjustment of the surface of pipe and an-nulus displacement，sand plug strong processing ability，construction safety，reliable，meet the re-quirements of the pulse fracturing technology．Mixer sandmixing performance is good and can a-chieve high sand concentration liquid tubing and annulus fluid in homogeneousmixing at the bot-tom of the pure．

impulse fracturing；tool；structure

TE934．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．015

1001－3482（2015）08－0001－04