多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)研究及應(yīng)用

易飛 孫林 楊軍偉 張磊 李旭光

摘要：為解決常規(guī)水力沖擊解堵技術(shù)配套工具僅能實(shí)現(xiàn)一次沖擊解堵作用的問題，構(gòu)思并論證了3種新型多級(jí)水力沖擊解堵工具，優(yōu)選了國(guó)內(nèi)常用的投球方式進(jìn)行工具改進(jìn)，采用高精度破裂盤改進(jìn)為工具的沖擊片，其精度可達(dá)90%以上；自行設(shè)計(jì)的投球式多級(jí)沖擊器，經(jīng)改變鋼球和球座的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)不同級(jí)數(shù)的水力沖擊作業(yè)。通過井下應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證了工具沖擊片、投球式多級(jí)沖擊器抗壓準(zhǔn)確性及工具的可靠性及技術(shù)水力脈沖震蕩解堵作用，技術(shù)具有較好增產(chǎn)效果。改進(jìn)后的多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)穩(wěn)定可靠、震蕩解堵效果顯著，具有較好推廣應(yīng)用前景，為國(guó)內(nèi)外措施技術(shù)的應(yīng)用提供一個(gè)新的選擇方向和參考案例。

關(guān)鍵詞：水力沖擊；多級(jí)；沖擊工具；投球；解堵

中圖分類號(hào)：TE934

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.011

Research and Application of Multi-stage Hydraulic Impact De-blocking Technology

YI Fei， SUN Lin， YANG Junwei， ZHANG Lei， LI Xuguang

（CNOOC Energy Technology & Services Limited， Tianjin 300452， China ）

Abstract：In order to solve the supporting tools of conventional hydraulic impact de-blocking technology can only realize one-time impact plugging removal. Three new multi-stage hydraulic impact de-blocking tools were conceived and demonstrated， and the common pitching method in China was optimized for tool improvement. The high-precision rupture disc was improved as the impact plate， and its accuracy can exceed 90%. The self-designed ball-throwing multi-stage impactor， by changing the sizes of the steel ball and the ball seat， thus realizing different levels of hydraulic impact operations. The downhole application test was carried out to verify the compressive accuracy of the tool impact plate and ball-throwing multi-stage impactor， the reliability of tools， the hydraulic pulse vibration de-blocking effect of the technology， and the good stimulation effect of the technology. The research shows that the improved multi-stage hydraulic impact de-blocking technology is stable and reliable， with a remarkable shocking de-blocking effect， which has a better promotion and application prospect and provides a reference for the technology applications at home and abroad.

Key words：hydraulic impact; multi-stage; impact tools; ball throwing; de-blocking

油田在開發(fā)過程中經(jīng)常面臨油水井堵塞從而影響產(chǎn)量的情況。中國(guó)海上油田采用酸化進(jìn)行解堵，目前年施工量達(dá)400余井次，取得顯著增產(chǎn)增注效果，除了目前采用的化學(xué)解堵手段以外，也不斷積極探索低成本的物理法解堵增產(chǎn)增注技術(shù)^［1-4］，以達(dá)到節(jié)約措施成本、提高解堵效果目的。其中水力沖擊解堵是利用配套工具產(chǎn)生高速液流瞬時(shí)靜止的“水擊”效應(yīng)，從而對(duì)儲(chǔ)層沖擊解堵的一項(xiàng)低成本增產(chǎn)措施技術(shù)。起源于上世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)，國(guó)內(nèi)于1982年開始研制并用于油水井增產(chǎn)增注^［5-6］。1992年開始規(guī)模應(yīng)用，目前在吉林、河南、遼河、長(zhǎng)慶等油田應(yīng)用^［7-10］，取得顯著作業(yè)效果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)形成的增產(chǎn)機(jī)理認(rèn)識(shí)主要為機(jī)械造縫和水力脈沖兩方面作用，機(jī)械造縫能壓開地層產(chǎn)生裂縫，但裂縫縫長(zhǎng)有限，不能達(dá)到水力壓裂規(guī)模^［11］。水力脈沖則通過形成的多個(gè)壓力波，使裂縫不斷延伸并產(chǎn)生新裂縫，導(dǎo)流能力提高，同時(shí)起到負(fù)壓脈沖解堵效果^［11-13］。

由于常規(guī)技術(shù)一趟配套工具僅能發(fā)揮一次作用效果，國(guó)內(nèi)各油田為了實(shí)現(xiàn)一趟配套工具發(fā)揮多次作用效果，紛紛研發(fā)了多級(jí)水力沖擊解堵配套技術(shù)，例如吉林油田鉆采工藝研究院的定壓器式多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)^［14］、河南石油工程技術(shù)研究院和大慶石油管理局第七采油廠的投球式多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)^［15-16］、勝利油田分公司采油工藝研究院的提升式多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)^［17］、遼河油田鉆采工藝研究院的投球式多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)^［18］。上述技術(shù)主要采用投定壓器、投球、提升管柱等多種配套手段，并配合相關(guān)工具來解決現(xiàn)有水力沖擊解堵技術(shù)的多級(jí)問題。

海上油田由于具有儲(chǔ)層厚度大、產(chǎn)量需求高、作業(yè)時(shí)效要求高的特點(diǎn)，在研究該項(xiàng)技術(shù)過程中，也急需達(dá)到多級(jí)作用效果，以實(shí)現(xiàn)一趟管柱多層作業(yè)或重復(fù)作業(yè)增強(qiáng)水力沖擊效果。因此，海上油田在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，論證了幾種新型多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)思路，從中選取簡(jiǎn)易可行的投球式多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，形成海上油田配套多級(jí)水力沖擊工具，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工具沖擊片精度高，研發(fā)了更簡(jiǎn)易可靠的投球式多級(jí)沖擊器，并在陸地某油田進(jìn)行井下應(yīng)用試驗(yàn)。論證了工具可靠性，并首次在國(guó)內(nèi)外通過采集井口和井下水力脈沖壓力震蕩結(jié)合試驗(yàn)井增產(chǎn)效果，從而評(píng)價(jià)技術(shù)有效性，上述研究成果為技術(shù)的規(guī)模推廣應(yīng)用提供充足的依據(jù)。

1 技術(shù)思路

常規(guī)單級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)的工具由導(dǎo)流管、沖擊片、沖擊室、柱塞和尾管幾部分組成。其增產(chǎn)機(jī)理為：當(dāng)?shù)孛姹煤鸵褐ㄟ^油管作用在沖擊片液壓大于其抗壓時(shí)，沖擊片破裂，油管及油套環(huán)空的液體通過導(dǎo)流管進(jìn)入沖擊室中，由于沖擊室未灌入液體，僅為1個(gè)大氣壓，在壓差下，液體在沖擊室中產(chǎn)生高速液流，高速液流將柱塞推向尾管后瞬時(shí)靜止產(chǎn)生“水擊”效應(yīng)，通過尾管產(chǎn)生壓力波動(dòng)的水力脈沖效果^［19］。

通過上述原理可知，常規(guī)單級(jí)水力沖擊工具的沖擊片等關(guān)鍵工具打破后無法恢復(fù)，同時(shí)沖擊室1個(gè)大氣壓的環(huán)境在進(jìn)行作業(yè)后充滿液體，需要再造工具環(huán)境。因此構(gòu)建了三種多級(jí)水力沖擊解堵思路，如圖1所示。

1） 思路1如圖1a，即在常規(guī)單級(jí)水力沖擊解堵中插入中心管，中心管上端還有開孔閥，中心管與導(dǎo)流管、沖擊片、沖擊室、尾管完全隔離開，使其與沖擊片和柱塞連接部分充分密封。通過中心管將液流導(dǎo)入上一級(jí)單級(jí)水力沖擊解堵工具，在完成上一級(jí)作業(yè)后，通過投球加壓方式，開孔閥破裂，中心管密封，液流導(dǎo)入到該水力沖擊解堵工具中，即可完成本級(jí)作業(yè)，以此類推，即可完成多級(jí)水力沖擊解堵。

2） 思路2如圖1b，該工具通過油管連接下入井筒中，油套環(huán)空打壓，液體通過上、下進(jìn)液口使上、下活塞向上部移動(dòng)，同時(shí)氣罐中氣體通過氣閥進(jìn)入到下活塞下部的空間中，當(dāng)下活塞達(dá)到下進(jìn)液口時(shí)，高速液流通過下進(jìn)液口進(jìn)入到下活塞下部的空間中，再通過單流閥達(dá)到出液口，形成一級(jí)水力沖擊解堵作業(yè)。再通過油管加壓，將上、下柱塞推到限位器處。再重復(fù)上述步驟，即可完成多級(jí)水力沖擊解堵。

3） 思路3如圖1c，該工具最下部第一級(jí)沖擊器即常規(guī)單級(jí)水力沖擊解堵工具，完成第一級(jí)后，通過投球方式，在第二級(jí)沖擊器中形成一個(gè)類似沖擊片的隔離環(huán)境，再打壓，打壓即完成第二級(jí)作業(yè)，以此類推，即可完成多級(jí)水力沖擊解堵。

上述3個(gè)思路的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，思路1和2目前國(guó)內(nèi)外暫無可借鑒的案例，但存在工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工具安全可靠性要求高的缺點(diǎn)，同時(shí)研發(fā)投入成本偏高且存在一定技術(shù)不確定性風(fēng)險(xiǎn)，因此綜合考慮選擇簡(jiǎn)單、易行的思路3，也是借鑒目前國(guó)內(nèi)油田投球滑套的思路^［15-16］，但為了實(shí)現(xiàn)多級(jí)水力沖擊的功能，在工具尺寸及精度方面，與目前國(guó)內(nèi)油田投球滑套有一定區(qū)別，此外目前國(guó)內(nèi)多級(jí)水力沖擊解堵配套技術(shù)多為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)工具可靠性、水力脈沖壓力震蕩效果并結(jié)合作業(yè)效果并未進(jìn)行有效測(cè)試。

2 關(guān)鍵工具改進(jìn)

2.1 沖擊片改進(jìn)

沖擊片是水力沖擊解堵技術(shù)成功實(shí)施的關(guān)鍵，其抗壓值大小決定了技術(shù)的壓力值，目前國(guó)內(nèi)常用的沖擊片如圖2a所示，它是由35CrMo鋼或Q235鋼等金屬片制成，其抗壓主要由金屬的剪切厚度控制，計(jì)算出沖擊片剪切壓力，最后通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行校核。該類沖擊片壓力誤差值較大，極大影響技術(shù)成功性，例如存在加壓值不到?jīng)_擊片就提前破損或者加壓值已到但沖擊片遲遲不破的問題，由此水力沖擊的設(shè)計(jì)壓力值與實(shí)際值存在較大偏差，從而導(dǎo)致不能壓破儲(chǔ)層或者產(chǎn)生過大壓力載荷，因此沖擊片的精度是技術(shù)的關(guān)鍵之一。

因此，對(duì)沖擊片進(jìn)行改進(jìn)，將以往精度較高的破裂盤工具改成沖擊片^{［10，12-13，20］}，沖擊片材料為316L不銹鋼材料，表面采用圖2b所示的十字開槽方式或者圖2c所示的圓形開槽方式。該沖擊片精度較高，經(jīng)過系列抗壓試驗(yàn)，其精度可達(dá)到90%以上，此外沖擊片破裂后，不會(huì)像以往常規(guī)沖擊片那樣，在管柱中掉落的金屬部件可能會(huì)導(dǎo)致管柱的阻流，從而有效確保了水力沖擊解堵技術(shù)的穩(wěn)定性。

2.2 投球式多級(jí)沖擊器

借鑒投球滑套的思路，設(shè)計(jì)了投球式多級(jí)沖擊器，其部件主要由本體、鋼球、球座、O型圈、剪釘?shù)炔考M成，球座通過O型圈和剪釘固定于沖擊器本體之中，通過地面泵送鋼球，再持續(xù)加壓，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)剪釘?shù)膲毫χ禃r(shí)，剪釘剪斷，鋼球和球座落入沖擊器底部中，在壓差作用下，流體通過油管和本體上泄壓孔進(jìn)入到下部油管中，再次產(chǎn)生一次水力沖擊作業(yè)效果。通過改變鋼球和球座的尺寸，實(shí)現(xiàn)不同級(jí)數(shù)的水力沖擊作業(yè)，通過優(yōu)選合適的本體、O型圈、剪釘?shù)炔考馁|(zhì)，提高投球式多級(jí)沖擊器的抗壓精度。投球式多級(jí)沖擊器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 井下應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

論證多級(jí)水力沖擊解堵工具可靠性；采集水力脈沖壓力震蕩效果；評(píng)價(jià)試驗(yàn)井增產(chǎn)效果。

3.2 試驗(yàn)方法

如圖1c所示，將多級(jí)沖擊器、導(dǎo)流管通過油管連接下入到油井中，試驗(yàn)采用二級(jí)沖擊器，其中第一級(jí)沖擊器即常規(guī)單級(jí)水力沖擊解堵工具，第二級(jí)即為投球式多級(jí)沖擊器工具。第二級(jí)鋼球外徑為50 mm。地面加裝350型抗壓井口后，采用700型泵車與油管連接并加壓。當(dāng)加壓值達(dá)到第一級(jí)沖擊片抗壓值，發(fā)生第一級(jí)水力沖擊作業(yè)，地面投入50 mm鋼球，泵車加壓達(dá)到第二級(jí)沖擊器剪釘壓力值，發(fā)生第二級(jí)水力沖擊作業(yè)。

工藝流程如下：

1） 起原井生產(chǎn)管柱。

2） 通洗井作業(yè)。

3） 進(jìn)行水力沖擊壓裂工具總成現(xiàn)場(chǎng)裝配。

4） 下入水力沖擊壓裂實(shí)驗(yàn)管柱（20～30根/h），管柱結(jié)構(gòu)由上至下依次為：油管+投球式多級(jí)沖擊器+變扣（27/8″EUP-2?″EUP）+沖擊室短節(jié)+EU 油管27/8″一根（9.5 m左右）+柱塞短節(jié)+尾管+變扣+p-t壓力測(cè)試儀托桶總成。

5） 井下管柱在快到位時(shí)減慢下速，且最后5根油管應(yīng)緩慢下入，尾管中部位置位于射孔層段中部。

6） 調(diào)整管柱后，深度允許誤差小于±0.1 m。

7） 安裝好井口（350型井口），要求兩翼閘門開關(guān)靈活，不得刺漏；連接加壓管線，泵車泵入壓井液至井口。

8） 所有設(shè)備人員撤離至安全區(qū)域泵車加壓12～15 MPa至沖擊片破裂后持續(xù)加壓1 min完成單級(jí)水力沖擊解堵作業(yè)。

9） 待井口壓力穩(wěn)定后，停止泵注，待井口壓力泄壓為0后，井口投球，30 min后，再重復(fù)第8步驟過程，完成第二級(jí)投球式多級(jí)沖擊解堵作業(yè)。

10） 確定試驗(yàn)完成后1 h，起出試驗(yàn)管柱，起管柱時(shí)作業(yè)隊(duì)必須安裝防噴器并及時(shí)檢測(cè)井口有毒有害氣體濃度，如果有一項(xiàng)超標(biāo)，作業(yè)隊(duì)立即停止施工，施工人員立即撤離到上風(fēng)口安全處。

上述試驗(yàn)，通過起出工具的完整情況，泵注壓力下工具抗壓的準(zhǔn)確性，判斷多級(jí)水力沖擊解堵工具可靠性；通過采集作業(yè)時(shí)井口和井底壓力震蕩變化，判斷水力脈沖壓力震蕩效果；通過試驗(yàn)前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)的變化情況，來評(píng)價(jià)試驗(yàn)井增產(chǎn)效果。

3.3 多級(jí)水力沖擊解堵工具可靠性

考慮到海上油田試驗(yàn)受到平臺(tái)空間、投入風(fēng)險(xiǎn)、安全風(fēng)險(xiǎn)方面更大的不確定性影響，因此選擇了陸地油田某油井作為試驗(yàn)作業(yè)井，試驗(yàn)井斜深射孔段為1 827～1 832 m，地層靜液柱壓力為17.29 MPa，儲(chǔ)層段孔隙度為12.07%，滲透率為2.19 mD，套管為?139.7 mm，油管為?73 mm。下入的第一級(jí)常規(guī)單級(jí)水力沖擊解堵工具中沖擊室采用一根?73 mm尺油管，其余為?89 mm工具，沖擊片預(yù)定抗壓值為30 MPa。第二級(jí)投球式多級(jí)沖擊器為?118 mm尺寸的工具，其預(yù)定的剪切抗壓值為14 MPa。

多級(jí)水力沖擊解堵工具在井筒中停留時(shí)間共計(jì)1 825 min，期間經(jīng)歷0～33 MPa多次壓力沖擊，工具起下鉆過程正常，起出后工具各部位均完好，此外根據(jù)p-t壓力測(cè)試儀顯示，下鉆全過程壓力均采集到，而且符合該井壓力變化實(shí)際情況，工具運(yùn)行穩(wěn)定。

當(dāng)?shù)谝患?jí)常規(guī)單級(jí)水力沖擊解堵工具的沖擊片實(shí)測(cè)的井下壓力為31.87 MPa時(shí)，沖擊片破裂，與其預(yù)定抗壓值為30 MPa相比，其精度為94%。沖擊片起出管柱后，沖擊片破裂較為明顯，如圖4所示。當(dāng)?shù)诙瓮肚蚴蕉嗉?jí)沖擊器實(shí)測(cè)的井下壓力為32.89 MPa球座剪切破裂，該球座剪切壓差為14 MPa，地層靜壓為17.29 MPa，因此井下壓力實(shí)測(cè)壓差為15.6 MPa，其精度為89%，投球式多級(jí)沖擊器起出管柱后，球座剪切明顯，如圖4所示，驗(yàn)證關(guān)鍵工具抗壓準(zhǔn)確性。

3.4 水力脈沖壓力震蕩效果

試驗(yàn)作業(yè)時(shí)井口壓力震蕩變化明顯如圖5所示。當(dāng)?shù)谝患?jí)水力沖擊試驗(yàn)時(shí)井口壓力加壓至14 MPa左右，后迅速降低至7 MPa左右，同時(shí)地面泵注管線開始加劇抖動(dòng)，壓力回升至10～11 MPa，管線持續(xù)抖動(dòng)，判斷沖擊片破裂，第一級(jí)水力沖擊作業(yè)啟動(dòng)。

如圖6所示，第二級(jí)水力沖擊試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)井口投入鋼球并落入球座后，井口壓力加壓至15 MPa左右，壓力表下降至10 MPa，然后壓力表上升至15 MPa，上升期間地面管線抖動(dòng)，隨后又降至9 MPa，再上升至15 MPa，隨后降至11 MPa，上升至12.5 MPa，從壓力震蕩持續(xù)時(shí)間和地面管線抖動(dòng)時(shí)間判斷為第二段水力沖擊器球座已經(jīng)剪切，第二級(jí)水力沖擊作業(yè)啟動(dòng)。

井下壓力監(jiān)測(cè)部分顯示結(jié)果如圖7所示。本次實(shí)驗(yàn)捕捉到明顯的水力沖擊現(xiàn)象，例如井下p-t壓力測(cè)試儀顯示，第一級(jí)共計(jì)采集到2個(gè)水力沖擊波形，持續(xù)2 s，沖擊片31.74 MPa破裂，降至20.62 MPa，第一個(gè)波峰30.70 MPa，第二個(gè)波峰28.96 MPa，約0.5 s一個(gè)水擊波形。

通過上述試驗(yàn)現(xiàn)象說明技術(shù)具有水力脈沖壓力震蕩效果。

3.5 試驗(yàn)井增產(chǎn)效果

試驗(yàn)井為2021-09投產(chǎn)的油井，作業(yè)前穩(wěn)定生產(chǎn)日產(chǎn)液2.35 m³/d，日產(chǎn)油0.65 t/d，含水77.0%。作業(yè)后穩(wěn)定生產(chǎn)日產(chǎn)液為2.83 m³/d，日產(chǎn)油1.12 t/d，含水67.2%。增產(chǎn)倍比達(dá)1.72倍。目前產(chǎn)油量接近試驗(yàn)井區(qū)平均產(chǎn)油水平，驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)具有較好近井地帶解堵增產(chǎn)效果。該項(xiàng)技術(shù)可用于大修檢泵期間油井的解堵增產(chǎn)，同時(shí)若再與酸化技術(shù)聯(lián)作，通過物理和化學(xué)雙重作用解堵，預(yù)計(jì)能取得更加理想的增產(chǎn)效果。

4 結(jié)論

1） 構(gòu)思了3種多級(jí)水力沖擊解堵技術(shù)配套工具，從簡(jiǎn)單、易行的角度出發(fā)，采用國(guó)內(nèi)常用的投球方式進(jìn)行工具改進(jìn)。

2） 將以往精度較高的破裂盤改成工具的沖擊片組件，并采用十字開槽方式或圓形開槽方式，其抗壓精度可達(dá)到90%以上，有效確保了水力沖擊解堵技術(shù)的穩(wěn)定性。自行設(shè)計(jì)了投球式多級(jí)沖擊器，產(chǎn)生多次水力沖擊效果，通過改變鋼球和球座的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)不同級(jí)數(shù)的水力沖擊作業(yè)。

3） 井下試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的多級(jí)水力沖擊解堵工具沖擊片、多級(jí)沖擊器抗壓準(zhǔn)確性高，工具可靠性強(qiáng)；井口和井底均采集到明顯的壓力震蕩效果，驗(yàn)證技術(shù)的水力脈沖震蕩解堵作用；試驗(yàn)井取得增產(chǎn)倍比達(dá)1.72倍的增產(chǎn)效果。

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