水力噴射壓裂在大斜度井薄夾層中的研究應用

孔凡楠

遼河油田鉆采工藝研究院 遼寧盤錦 124010

油田采用水力噴射壓裂技術，也會出現射孔時射出油、氣層的問題。為解決該問題，研制了由定向噴槍、重力定向器、密封旋轉懸掛器等主要工具組成的定向水力噴射壓裂技術，實現了在大斜度井中依靠重力作用，實現噴槍的自然定位，避免了射孔時射穿薄夾層的問題。

1 大斜度井薄夾層水力噴射壓裂工藝管柱

為了避免水力噴射裂縫穿出儲層，借鑒定向射孔的思路，研制出一種適用與大斜度井薄夾層定向水力噴射壓裂工藝管柱。該技術由彈性扶正器、密封旋轉懸掛器、定向噴槍、管柱錨定器、重力定向器、球座、小孔篩管、倒錐組成。對于穿過薄層的大斜度井來說，由于井眼與地層斜交，而噴射射孔方向始終與井眼垂直，則在一定范圍內，可能會出現射孔出層的問題[1]。本文研究的定向水力噴射壓裂工藝管柱，利用重力始終垂直向下的原理，通過將重力定向器的偏心重力砣加重在“噴射會出層的反方向”，然后將噴射噴嘴對稱設置在與偏心重力砣。所在方向垂直的方向，實現了對噴射方向的控制。由立體幾何學知識可知，若此方向與地層頂面發生切割，則說明噴射假想圓（垂直于井筒中軸線，以噴射深度為半徑所假想出來的圓平面）與地層頂面完全重合或噴射假想圓一半面積均出地層頂面，前者在大斜度井中不會出現，后者屬于射孔深度選擇失誤，完全可避免。因此該方法完全可以確保避免發生噴射出層現象。

2 水力噴砂射孔壓裂增產技術

2.1 一趟管柱實現“無限次”射孔

水力噴砂射孔工藝較常規TCP 射孔傳統工藝相比，其射孔孔徑25-29mm 大于目前海上所在應用射孔彈最大孔徑21-25mm，且不受長隔層的限制，可不分井下位置、不分次數、不分時機射孔，具有很高的機動性。對比于多趟射孔和單獨負壓返涌可節省多趟管柱作業，顯著提高作業時效。該技術不受海上火工品禁運限制，避免了地面裝配、火工品存放，以及炸槍、斷爆、點火失敗等風險。水力噴砂射孔有效改善了近井筒摩阻和由此產生的砂堵問題，使用更加方便、安全，且效果較好，同時在孔眼周圍沒有形成壓實帶污染，使得近井筒地帶的應力集中情況得到緩解[2]。

2.2 壓裂造縫點與射流孔眼一體化

液流經過噴嘴后，產生高速射流噴射，此時動能與勢能相互轉換。由伯努利效應可知，噴嘴周圍會產生低壓區，更有利于地層破裂、裂縫延伸和分布。因此，水力噴砂噴嘴對應的位置即為裂縫的初始起裂位置。在裂縫延伸方向已知的前提下，可根據地層情況合理布局多條裂縫，保證主裂縫形成寬度，避免施工壓力過高和降低砂堵風險幾率。

2.3 油套同注

無機械封隔器阻隔，環空無阻礙，壓裂施工期間，環空可同時泵注。油套同注的獨特方式，滿足了壓裂作業的大排量需求，有效降解決了在壓裂作業過程中井筒濾失量大而影響施工規模的問題，使得施工規模增大；而且，不動管柱可實現正反循環隨時切換，防止砂堵等復雜情況發生，作業安全更有保障。

3 配套工具的設計

3.1 定向噴槍的設計

（1）工作原理。定向噴槍的結構其主要由槍體、壓帽、噴嘴等結構組成。其工作原理為：定向噴槍的對稱噴嘴與重力定向器的偏心重力砣垂直，重力定向器受重力的作用，重力砣始終向下，就確保了與重力砣垂直的定向噴嘴的定向。

（2）性能及技術指標。耐溫：150℃；耐壓：60MPa

（3）工具創新點。該工具噴嘴采用對稱設計，即能消除噴射反作用力，防止噴槍旋轉，又能配合重力定向器實現定向噴射；槍體表面進行耐磨涂層處理，抗反濺能力強。

3.2 重力定向器的設計

（1）工作原理及結構。其工作原理為重力定向器上的偏心重力砣由于受到重力的作用，重力砣始終朝著地球引力方向。扶正體確保偏心重力砣的懸空，利用軸承確保偏心重力砣與扶正體之間可自由轉動。偏心重力砣與上、下接頭通過螺紋連接為一體，可向上下與其相連的工具傳遞轉向力。

（2）性能及技術指標。耐溫：150℃；耐壓：60MPa；配重可調。

（3）工具創新點。該工具設計了偏心重力砣能產生旋轉動力，設計了扶正體確保了偏心重力砣的懸空，設計了上下兩級軸承確保了偏心重力砣與扶正體之間可自由轉動。結構簡單，原理可行。

3.3 密封旋轉懸掛器的設計

密封旋轉懸掛器是為了讓管柱的螺紋死連接變為懸掛活連接，讓定向噴槍旋轉靈活。耐溫：150℃；耐壓：60MPa；旋轉摩擦力：12kg。

4 現場應用情況

2019 年利用定向水力噴射壓裂技術對遼河油田WB 2-9-7 井和WB 2-43-1 井這2 口大斜度井中的薄夾層進行了壓裂。該技術有效避免了射穿薄夾層，達到了預期的儲層改造增產效果。

4.1 WB 2-9-7 井地質情況WB 2-9-7 井完鉆井深833.0m

最大井斜深度730．93m，斜度65．36°。根據地質要求對646．5-648．5 m儲層進行壓裂改造。由于646．5-648．5m 儲層上下都有層里縫，一旦連通層里縫，施工壓力將會降低，壓裂液和支撐劑會大量進入層里縫，從而達不到改造油層的目的。通過壓裂軟件模擬，如果采用常規水力噴射壓裂，至少有兩道裂縫會連通層里縫。因此該井決定采用定向水力噴射壓裂工藝[3]。

4.2 WB 2-9-7 井噴射壓裂施工情況

通過對WB 2-9-7 井壓裂監測曲線分析，該井在施工過程中，油壓一直保持在35MPa 左右，套壓一直保持在7MPa 左右，和壓裂設計數據油壓36MPa，套壓8MPa 基本吻合。未出現異常突變，因此基本可以判斷沒有連通上下層里縫。

4.3 效果

通過兩口井的壓裂改造后增產效果看，增產明顯，因此也基本可以判斷壓裂過程中沒有連通上下層里縫。實現了對油層的有效造縫和鋪砂。

5 結語

定向水力噴射壓裂技術實現了在大斜度井中依靠重力作用，實現噴槍的自然定位，避免了射孔時射穿薄夾層的問題。