摘要：連續油管水力噴射壓裂是解決我國縱向多層壓裂難題的有效手段，為深入了解國外連續油管技術，提高國內現有尺寸連續油管應用范圍，在連續油管傳輸壓裂與環空壓裂兩種方式對比分析的基礎上，對連續油管水力噴射環空壓裂技術的原理、施工工序、摩阻計算、優越性與局限性等進行了全方位的分析。結果認為這種環空壓裂方式通過噴砂射孔與環空加砂配合可以拓寬連續油管應用深度，提高國內現有小尺寸連續油管設備利用率，提高噴嘴壽命，增大施工排量，從而具有更高的現場適用性及可操作性。研究成果為引入國外連續油管解決國內多層氣藏分壓改造難題，以及轉變觀念進行連續油管水力噴射環空大規模壓裂奠定了基礎。

關鍵詞：連續油管；水力噴射壓裂；環空注入；油管注入；摩阻；排量

    低滲透油氣田是我國石油工業穩定發展的重要資源，水力壓裂技術是經濟有效開發低滲透油氣藏的重要手段，川渝氣田、鄂爾多斯氣田等多數油氣藏縱向多層，跨距大，氣、水關系復雜，采用常規壓裂手段難以實現逐層改造，不能提高小層動用程度進而提高產量。為此，連續油管壓裂技術逐漸引起石油技術人員的關注，該技術整合了水力噴射射孔定點壓裂的優越性與連續油管的拖動靈活性，為解決縱向多層改造難題提供了新的途徑。到目前為止，國內有關水力噴射工具的研究日趨成熟，而對水力噴射連續油管組合壓裂技術的認識才剛剛起步，而且僅停留在常規的油管傳輸壓裂技術上^[1～6]，這種方式對連續油管的尺寸以及井的要求過于苛刻而難以應用至深層。因此，需進一步發展與完善。筆者比較分析了油管壓裂與環空壓裂兩種模式，認為采用環空壓裂模式可以拓寬連續油管管柱所能允許的深度，可以提高噴嘴壽命，增大施工排量，因具有更高的現場適用性及可操作性，有望得到大范圍推廣應用。

    環空壓裂施工工序：①置放噴射工具到目的層；②對第一段噴砂射孔直至裂縫起裂；③壓裂(環空注攜砂液+連續油管內小排量供液)；④填砂；⑤上提管柱到第二射孔層；沖洗管柱，清理管內殘余支撐劑，準備進行第二次射孔；⑥多次重復②～⑥道工序，實現多層分壓；⑦沖砂清理井簡，準備投產。

    水力噴射環空壓裂技術與油管壓裂方法相比，優越性如下。

    總摩阻=管柱摩阻+噴嘴摩阻

    根據伯努利方程(式中v為速度；p為壓力；ρ為液體密度；C為常數)，得到噴嘴壓力降(式中Q為排量；A為過流面積)。因此，對試驗測定結果進行平方擬合即可得到噴嘴壓降與排量的關系，對常用Ø6mm噴嘴進行擬合(圖1)得到如下關系式：

    知道噴嘴的節流摩阻后，針對油管與環空施工分別計算總摩阻如下：

    Ø44.45mm連續油管，總長為4000m；套管為Ø139.7mm；6個Ø6mm噴嘴，壓裂液摩阻系數為0.3。

    1) 油管注入。通過模擬計算得到油管注入摩阻(見圖2)：若采用油管傳輸壓裂，即便全程采用1.5m³/min的排量，總摩阻將高達66MPa，假定處理層深為3000m，地層破裂壓力梯度為0.019MPa/m，則要使地層破裂井El壓力必須達到如下條件：

    p_井口+p_液柱-p_摩阻＞p_F    (Z)

式中：p_井口為井口壓力；p_液柱為液柱壓力；p_摩阻為管柱摩阻壓力；p_F為地層破裂壓力。

    由此得到：p_井口＞93MPa

 

    上述計算比較簡單，且水力噴射成縫機理與常規壓裂造縫機理有較大差異，但也能說明深井中采用連續油管傳輸壓裂摩阻必將異常高，這對井El設備以及連續油管尺寸提出了嚴格挑戰，同時低排量使得加砂濃度、規模受到限制，不能對儲層進行充分改造。

    2) 環空注入。環空注入壓裂是在地層破裂后通過油管、套管環空注入攜砂液進行后續作業，同時降低(或關閉)連續油管排量進行井底壓力檢測。環形空間的流動通道遠遠大于連續油管，同時由于攜砂液不再流經噴嘴而不存在節流摩阻，從而大大降低了摩阻損失，具體計算結果見圖3。即使排量為8m³/min，3000m管柱環空摩阻也僅為16MPa左右，排量較低時基本可以忽略摩阻影響，這為大排量施工奠定了基礎。

 

    水力噴射壓裂主要的問題之一是噴嘴的使用壽命。國外在該設備開發初期，僅12.5～15t支撐劑通過噴嘴后即發生過幾次噴嘴故障。隨著工程設計的不斷改進，現在的預期壽命是每個噴嘴可處理25～30t支撐劑(國內則更少)。因此，在多層壓裂或壓裂規模較大的情況下，噴嘴壽命仍然是一個限制因素。采用油管傳輸壓裂時所有支撐劑是通過噴嘴進入地層，再加上施工排量低，攜砂液長時間打磨、切割噴嘴，通常在施工兩段后必須要上提管柱檢測更換，這樣就會大大延長非生產時間。而使用環空壓裂時，僅最初的120kg/m³的射孔液是通過噴射器泵入的，且只在處理過程的噴射起裂階段，所以噴嘴被腐蝕的情形大大減輕。大多數情況下，利用環空法延長工具壽命能將起下管柱非生產時間減少50%～100%。

    大粒徑、高濃度支撐劑容易使壓裂處理過程中孔眼處形成顆粒橋堵。水力噴射射孔產生的大孔眼可使極高濃度的液體通過，發生堵塞的風險極小。持續油管輸砂使得噴嘴處存在砂堵風險(高砂比攜砂液通過小尺寸噴嘴時易發生)，采用環空壓裂方式可消除這種風險。

    1) 摩阻。環形空間大的流動通道使得對壓裂液的摩阻性能要求不在苛刻，常規壓裂液摩阻性能可以滿足施工需要。

    2) 耐高剪切性。油管壓裂時，所有的壓裂液必須高速通過只有幾毫米的噴嘴。因此，會受到劇烈的剪切破壞，壓裂液的耐高剪切性能顯得尤為重要，尤其是在攜砂過程中，較差的耐剪切性能會導致砂堵造成施工失敗。采用環空壓裂時僅在前期噴砂射孔時受到高剪切影響，且因砂比很低(120kg/m³)而不易脫砂，一旦裂縫起裂后環空注液不再受到射流的高剪切影響，這就大大拓寬了壓裂液的選擇范圍。

    通過環空注入攜砂液時，裸眼井的漏泄和低效的固體顆粒輸送就會有風險。

    攜砂液會對作業管柱的外表面造成沖擊。此問題可以通過下列方法解決：在連續油管和套管的環空中設置多個吸液口；在地面設備附近用大直徑井口裝置將速度降至最低；或者上述兩種方法兼用。

    有效的壓降測試只適用于水力噴射射孔后的第一條裂縫。在連續的操作過程中，第一段壓裂完成后，各個層位不具有壓力完整性來提供有效的壓力衰減數據。然而由于環空壓裂施工過程中連續油管具有類似死管柱的作用，施工人員可以獲得實時有效的井底壓力數據，從而極大地減弱了壓前注入試驗的重要性。此外，壓前注入試驗主要是為了測量由于孑L眼迂曲或者多裂縫造成的井筒附近壓力問題，而這些問題通過水力射孔工藝在很大程度上得到解決。

    大多數井套管承壓較差，采用環空通路進行水力噴射壓裂需要通過帶封隔器的油管工作管柱來提供暫時性的高壓環空，使套管免受造縫壓力的影響。帶封隔器的油管下到最頂層施工層段上，或放在井的垂直剖面上(如果是水平完井)。

    國外使用連續油管口1水力噴射環空壓裂的井深范圍為457～3017m，加砂規模范圍從1.5t產生小裂縫(為避免井筒傷害)到60t產生大裂縫，泵注最高支撐劑濃度為 680kg/m³。在致密地層氣藏中，最小的目標生產層可達0.61～0.91m的透鏡層。施工排量變化范圍為0.95～8.75m³/min，環空注入使得施工排量調節范圍更加寬裕。該技術有望在連續油管設備限制條件下(即尺寸、水力條件、長度、壓力、拉力等)推廣連續油管管柱所能允許的深度及改造規模。

    1) 采用環空壓裂可以大幅度地增加流動通道，降低管柱摩阻，提高施工排量，增加加砂強度與規模，這些優點拓寬了連續油管的應用范圍，使之可以應用于深井大規模加砂或者多層分壓。

    2) 采用環空壓裂減少了流經噴嘴的砂量，同時由于排量較高減少了作業時間，噴嘴壽命大大延長，減少了作業中途上提管柱換噴嘴的次數，縮短了施工周期，降低了壓裂液長時滯留地層造成的傷害。

    3) 環空壓裂降低了對壓裂液摩阻性能、耐高剪切性能的要求，拓寬了壓裂液的選擇范圍。

    4) 國外已多次成功實施連續油管水力噴射壓裂，尤其在環空注入壓裂方面取得了很大的進步，而國內還沒有相關的現場試驗，如何實施環空注入壓裂施工還停留在初步階段，需要進一步研究與現場試驗，同時相應配套工具和設施有待進一步改進與完善。

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(本文作者：王騰飛 胥云 蔣建方 田助紅 丁云宏 中國石油勘探開發研究院廊坊分院)