不動管柱水力噴射逐層壓裂技術

摘 要

摘要：水力噴射壓裂是目前先進的分層、分段壓裂工藝之一，但由于該工藝要靠井下作業改變其噴射位置才能實現多層壓裂，致使工藝推廣受到制約。為此，在水力噴射壓裂前期研究成果的基
摘要：水力噴射壓裂是目前先進的分層、分段壓裂工藝之一，但由于該工藝要靠井下作業改變其噴射位置才能實現多層壓裂，致使工藝推廣受到制約。為此，在水力噴射壓裂前期研究成果的基礎上，通過對噴嘴個數和直徑的優化研究、井下壓力節點分析，從油管排量與泵壓的關系入手，建立了水力噴射無因次特性曲線，探索了環空井底壓力的大小計算方法，解決了環空補液量與排量的關系等設計難題，在國內首次提出了完井不動管柱條件下的水力噴射逐層壓裂設計方法。同時，配套研制了適用于Φ178mm(Φ215.9mm裸眼)、Φ139.7mm(Φ152.4mm裸眼)和Φ127mm套管的3種規格一趟管柱作業4層的滑套式噴射器。通過現場4口井共13層的作業，結果證明不動管柱水力噴射逐層壓裂技術發展和完善了水力噴射壓裂工藝，不但實現了射孔、壓裂、生產聯作，還為合層開采提供了條件。
關鍵詞：不動管柱；壓裂；多層；滑套式噴射器；技術；應用
   近年來，國內外學者在磨料射流、脈沖射流和空化射流的研究和應用開發中取得了一系列的研究成果，拓展了水射流技術的應用范同。在油氣田勘探開發的應用中形成了水力噴射輔助壓裂新技術，隨著工藝的不斷改進，水力噴射壓裂技術在全世界范圍內的多個油氣田得到迅速應用。據不完全統計，水力噴射輔助壓裂技術已經在全世界范圍內施工了300多口井，大部分增產效果顯著，但在其配套工藝上還需完善。
1 工藝研究
1.1 噴嘴個數與直徑組合優化
   根據前期研究成果[1～7]，為了保證足夠的射孔和破效果，一般要保證液體出噴嘴流速要在200m/s左右，而噴嘴節流壓差一般要在20MPa左右。噴嘴流速越高，或節流壓差越大，射孔和破巖的效果越好，噴嘴產生的負壓越大，但是消耗在噴嘴上的水功率就越大，也就是施工排量就越低，低到一定程度，就不能滿足加砂壓裂需要了。因此，選擇噴嘴直徑與個數時就是要找到噴射能力、負壓值和施工排量之間的平衡點。研究表明：井口泵壓的計算是影響噴嘴選擇的關鍵，只有知道了泵壓隨噴嘴直徑、個數的變化關系，才能根據泵壓情況決定合適的噴嘴直徑和個數。從圖1、2可得到8×5.5mm噴嘴組合可滿足壓裂對排量和泵壓的要求。

1.2 油管排量設計
    油管作為攜砂的通道，排量選擇主要受噴嘴直徑和個數的影響，選擇8×5.5mm噴嘴組合可滿足要求。因此，油管排量設計應該在保證井口不超壓的前提下，盡可能提高泵注排量。
按照節點方法來分析，涉及井下壓力節點的有以下幾個(圖3-a)：①裂縫延伸壓力(pp)；②噴嘴前井底壓力(pb)；③管路摩阻(pf)；④靜水柱壓力(pH)；⑤井口泵壓(pt)。
 

    如果從井底計算到井口泵壓，那么就存在以下關系：
   
    可以得到：
    pt=pp+△p+pf-pH    (2)
根據前期研究成果，△p可以由以下方法求得：
 
式中△p為壓裂液過噴嘴前后的壓降，MPa；Q為排量，L/s；ρ為流體密度，g/cm3；A為噴嘴總面積，mm2；C為噴嘴流量系數，一般取0.9。
由于裂縫延伸壓力(pp)、管路摩阻(pf)、靜水柱壓力(pH)都是不難得到的參數，因此，只要按照式(3)計算噴嘴壓降，就可以根據式(2)計算出施工時的地面泵壓。以B65井為例，得到油管泵壓 排量關系圖版(圖4)。
 

    在綜合考慮了噴嘴壓降和井口泵壓的條件下，選擇油管注入排量2.2m3/min，此時泵壓為66.9MPa，基本上是井口不超壓的前提下可達到的最高排量。
1.3 環空壓力計算方法
    水力噴射逐層壓裂工藝不使用封隔器，就可以實現多層壓裂。其所依賴的機理就是在噴嘴出口處形成的負壓導引流體轉向，只進入射孔孔道中而不會進入到已經壓開的層段。因此，環空壓力的控制是關鍵(圖3-b)。
定義M是吸入流量(q3)和噴射流量(q1)之比，記為：
 
定義R是噴嘴出口截面積(A1)和射孔孔眼面積(A2)之比，記為：
 
水頭比(H)的物理意義為吸入液得到的能量和噴射液釋放的能量之比，其計算公式為：
 
式中h為射孔位置垂深，m；λ為裂縫延伸壓力梯度，MPa/m；Kj為噴嘴流動阻力系數；Kd為噴射流在孔道中的流動阻力系數；Ks為吸入液體在環空中的流動阻力系數；pt為井口泵壓，MPa；pH為靜液柱壓力，MPa；pf為油管摩阻，MPa。
    根據式(6)，就可以作出如圖5所示的水力噴射無因次特性曲線。
 

   對于每一個尺寸的噴嘴，根據式(6)都可以作出相應的無因次特性曲線圖版。建立特性曲線圖版以后，就可以在圖上查出不同無因次流量M，對應的無因次壓頭H。在確定M、H、p1、p2后，就可以根據式(6)計算出噴射時的環空井底壓力p3，再減去環空液柱壓力，就可以得到不同噴嘴噴射時的地面套壓大小。
1.4 環空補液排量設計
    在水力噴射壓裂中，施工總排量是由油管排量與環空排量之和組成。前面已經確定了油管排量，在確定該排量后，根據壓裂所需總排量才確定環空排量。
    第一步，根據壓裂需要的總排量，以及油管可以達到的排量，確定環空需要的排量范圍。
   第二步，環空排量的確定是水力噴射多層壓裂成功的關鍵。如果環空排量過大，會使已壓裂層段重新開啟，出現“重復壓裂”；如果控制過低，又達不到施工所需排量，可能造成砂堵。因此需要準確預測出在不同環空補液排量下，井底的環空壓力變化情況。只要預測的環空井底壓力達到或超過了已壓裂層段裂縫開啟壓力，此時對應的排量就是環空補液的排量上限。
    在環空需要的排量范圍內，只要是不超過上限的環空補液排量都是可以選擇的環空排量。
    如圖6所示，在設計865井須六上亞段水力噴射壓裂時，當環空補液排量達到0.7m3/min，井底環空壓力就超過已經壓裂的須六下亞段的裂縫開啟壓力，因此須六上亞段的環空補液排量的上限就是0.7m3/min。

2 滑套式噴射器的研制
滑套式噴射器是實現不動管柱逐層加砂壓裂技術的核心部件。其結構組成如圖7所示，主要是由噴槍本體、滑套、噴嘴、密封圈、銷釘、噴槍座組成。通過地面投球入座到滑套球座上，加壓到額定壓力剪斷銷釘，推動滑套下移至噴槍座內。露出噴嘴，同時完成對下部管柱的密封，開展本層的工藝施工。施工完成后重復該施工步驟，逐級送球入座打開滑套壓裂該層。
    針對現場井況，目前已完成針對Φ127、Φ139.7、Φ178mm套管3種尺寸滑套式噴射器的研制，形成了系列化產品，具體尺寸和規范如表1所示。
 

    在前期大量有效研究的基礎上，共完成了4口井的現場試驗。試驗結果表明：目前已經形成了井深3000m以內的不動管柱水力噴射壓裂工藝及配套技術；研制的井下工具工作壓力達到60MPa、工作溫度達到90℃，在Φ178、Φ139.7mm兩種套管和Φ215.9、Φ152.4mm兩種裸眼使用。試驗井實現不動管柱壓裂3～4條縫，單縫壓裂成功率100%。返排后，投產順利，其中HC001-6-H1井實現了3段合采，865井實現了3層(4段)合采(表2)。
 

4 結論
    1) 不動管柱水力噴射多層(多段)壓裂工藝，解決了常規水力噴射壓裂在氣井中使用時帶壓拖動油管的井控風險，并且縮短壓裂周期3～4倍，是一種全新、高效、安全的直井分層或水平井分段壓裂工藝。
    2) 通過不動管柱水力噴射多層壓裂施工參數的理論研究，形成不動管柱水力噴射壓裂施工參數的計算方法。
    3) 研制的適用于Φ127mm、Φ139.7mm(Φ152.4mm裸眼)、#5178 mm(Φ215.9mm裸眼)3種規格井眼的系列工具，其性能滿足不動管柱水力噴射逐層壓裂工藝的要求。
    4) 開展了4井次不動管柱水力噴射壓裂，實現了不動管柱壓裂4條縫，單縫壓裂成功率達到100%，其中GA002-X68是國內第1口不動管柱噴射壓裂井。
    5) 不動管柱逐層壓裂工藝管柱不僅可作為射孔和逐層壓裂管柱，也可作為多層合采管柱。
    6) 建議對工具進一步優化研究，形成5級以上的不動分段壓裂工藝。
參考文獻
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(本文作者：馬發明 中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院)