溝通碳酸鹽巖儲集體的酸液定向噴射造孔工具研制

戴文潮， 程光明， 王 超， 馬蘭榮

1中國地質大學(北京) 2中國石化石油工程技術研究院

0 前言

碳酸鹽巖油氣藏是全世界最重要的油氣勘探開發領域之一，占全球己探明石油儲量的52%，據統計30%以上的碳酸鹽巖儲層為縫洞型碳酸鹽巖油藏，我國西部碳酸鹽巖縫洞型油藏約占探明儲量的2/3，是石油增儲上產的重要領域之一[1- 2]。目前針對該種油氣藏開發以籠統酸壓工藝為主，但因縫洞、縫隙發育以及儲層非均質性等因素影響，壓裂造縫方向不能有效控制，導致裂縫容易沿主應力方向、縫洞方向發展，其它方向的儲集體難以溝通，同時由于造縫高度難以控制，壓開水層、氣層，導致水、氣早侵影響施工效果[3- 7]。為實現縫洞型碳酸鹽巖儲藏儲集體精確溝通，實現油氣井增產，本文開展定點定向噴射造孔工具研制，為碳酸鹽巖油氣井增產提供一種新的技術手段。

1 技術原理

預置管定點定向噴射鉆進的技術原理如圖1所示，將工具連接在油管或鉆桿柱下方，工具內部預置一定長度的分支管，送入管柱將工具準確送到目的層位(定點)，管內下入陀螺至坐落短節處，根據陀螺測定數據轉動管柱，調整噴射角度至設計作業方位(定向)[8- 12]，循環洗井后管內泵注酸液，采用酸液射流方式在碳酸鹽巖地層中實現破巖造孔，同時在預置毛細管前端噴頭液力牽引下將預置毛細管打入儲層，造孔鉆進過程中毛細管及其形成的孔道連通井周儲集體，管柱作業完成后可提出，工具內再次預置分支管后可在不同位置重復作業，增加井軸油氣通道數量，達到油氣井增產目的。

圖1 定點定向噴射鉆進技術原理

2 工具設計及關鍵參數

2.1 工具結構

圖2為預置管定點噴射造孔工具結構組成，主要由預置毛細管、外殼、射流噴頭、導向器及浮鞋組成，通過外殼上端螺紋扣，工具連接在完井管柱末端，外殼上加工有噴射窗口，陀螺擺工具面工藝確定噴射窗口至作業方位，射流噴頭牽引預置毛細管從此處噴出，預置毛細管穿過導向器內設計的軌道，且與導向器間通過組合密封實現壓力隔離，導向器與外殼間通過密封圈實現管內管外壓力隔離，液體僅能從毛細管內流過經噴頭射出。

圖2 預置管定點噴射造孔工具結構組成

2.2 工具設計參數

工具主要適用于?149 mm裸眼井，表1為預置管定點定向噴射工具的主要設計技術參數。

表1 預置管定點定向噴射主要設計技術參數

3 工藝管柱及作業流程

定點定向噴射造孔工藝管柱如圖3所示，其具體作業流程大致為以下幾個階段：

圖3 工藝管柱及作業流程

(1)在井口將噴射造孔工具連接至送入管柱(油管/鉆桿)末端、標定陀螺坐落短節與噴射窗口初始方位角偏差。

(2)連接K344封隔器、水力錨后作業管柱送到作為位置后，再次下入定向陀螺至坐落短節處，轉動作業管柱結合初始方位角偏出，將噴射窗口調整至設計方位角后循環洗井，替完井液。

(3)管內投放封堵球，替酸液至球到位后，起壓，坐封封隔器、坐掛水力錨。

(4)小排量泵注酸液，預置管酸液噴射造孔作業。

(5)待泵壓出現驟降，表明預置毛細管完全鉆入儲層，停泵。

(6)拆井口，起管柱，噴射造孔工具內再次預置毛細管后，再次下入至另一設計位置重復作業。

4 噴射造孔力學模型分析及計算

預置管酸液射流耦合鉆進過程涉及較復雜的受力變化過程，預置管穩定鉆進過程中其牽引力及阻力是影響其造孔深度的主要方面，造孔深度是該技術關鍵性指標。

4.1 預置管噴射鉆進受力分析

預置管噴射鉆進受力分析如圖4所示，預置毛細管通過密封機構實現與工具間的密封，液體僅能從預置毛細管前端噴頭流出，預置管鉆進驅動力P主要有預置管末端推力Pt、液體流動與管壁的摩擦力Pgf、噴頭前端節流推力Pp；鉆進阻力F主要有：密封機構摩擦力f1、工具接觸動摩擦力f2、裸眼環空阻力fm(含環空液體摩擦阻力)，以及射流反推力Ff。

圖4 預置管噴射鉆進受力示意圖

4.2 造孔極限深度

由預置管噴射鉆進受力分析可知預置管穩定鉆進條件下，鉆進極限條件為：P=F，由流體動力學可求解[13- 16]：

P=Pt+Pgf+Pp

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ρ—酸液密度，kg/m3；Q—泵注排量，L/min；C—噴嘴流量系數；dp—噴嘴孔徑，m；ΔSp—噴嘴截面積，m2；l—預置管長度，m；d—預置管內徑，m；ε—流量系數；λ—沿程損失系數。

F=f1+f2+fm+Fr

(5)

其中，f1，f2可由預置管噴射外伸壓力直接測出:

Fr=ρv2AP

(6)

式中:v—噴射速度，m/s;AP—射流孔徑面積，m2。

考慮孔眼彎曲度、持續泵注酸液對井眼擴徑影響，且作業排量較小，預置毛細管重量輕等因素，在預置毛細管穩定鉆進條件下環空阻力fm及Fr相對較小，噴頭處于受壓狀態，隨著造孔深度的加深，沿程壓耗增加，地面泵車組的水馬力是影響造孔深度的主要因素。按70 MPa限壓，毛細管外徑8 mm，內徑6 mm，噴嘴孔徑1.5 mm，泵注排量22 L/min，在孔道壁面光滑的理想孔眼條件下，計算鉆進極限深度為89 m。

5 工具測試

為驗證工具在灰巖中噴射鉆進性能開展了地面模擬試驗。因試驗場地限制，灰巖采用0.5 m×0.5 m×0.5 m露頭，表2為巖心三軸力學測試條件及結果。將噴射短節及灰巖固定，短節內預置2 m×?8 mm×?6 mm毛細管，噴射作業口對準露頭一側面中央，連接高壓射流泵，進行噴射造孔測試，測試參數如下：

表2 灰巖力學性能

(1)泵注排量22 L/min，噴孔射速200 m/s。

(2)介質20%HCl溶液，加熱至80 ℃。

測試結果表明，預置毛細管沿起始噴射方向呈直線路徑鉆穿灰巖露頭，并從孔內噴出，噴射鉆進進尺46.3 cm，噴射成孔孔徑大于18 mm，泵壓25 MPa，鉆進用時約16 min，鉆速約為1.74 m/h，工具達到設計要求。

6 結論

(1)定點定向噴射造孔技術及工具可為縫洞型碳酸鹽巖儲集體精確改造提供新的技術手段，具有經濟、高效的技術優勢，在深層、超深層油氣井增產方面優勢顯著。

(2)噴射造孔管柱力學模型計算分析表明，預置管鉆進驅動力P主要在預置管末端及前端噴頭處，阻力F主要有管體與裝置間的動摩擦，射流反作用力及管體與孔道壁面的動摩擦，當驅動力與阻力達到平衡時即為預置毛細管造孔極限深度。

(3)地面試驗表明，噴射造孔工具能實現在灰巖露頭中的有效鉆進，等效鉆速達1.74 m/h，形成孔道直徑大于18 mm，達到了工具設計使用要求。