摘要：連續(xù)油管水力噴射壓裂是解決我國(guó)縱向多層壓裂難題的有效手段，為深入了解國(guó)外連續(xù)油管技術(shù)，提高國(guó)內(nèi)現(xiàn)有尺寸連續(xù)油管應(yīng)用范圍，在連續(xù)油管傳輸壓裂與環(huán)空壓裂兩種方式對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，對(duì)連續(xù)油管水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)的原理、施工工序、摩阻計(jì)算、優(yōu)越性與局限性等進(jìn)行了全方位的分析。結(jié)果認(rèn)為這種環(huán)空壓裂方式通過(guò)噴砂射孔與環(huán)空加砂配合可以拓寬連續(xù)油管應(yīng)用深度，提高國(guó)內(nèi)現(xiàn)有小尺寸連續(xù)油管設(shè)備利用率，提高噴嘴壽命，增大施工排量，從而具有更高的現(xiàn)場(chǎng)適用性及可操作性。研究成果為引入國(guó)外連續(xù)油管解決國(guó)內(nèi)多層氣藏分壓改造難題，以及轉(zhuǎn)變觀念進(jìn)行連續(xù)油管水力噴射環(huán)空大規(guī)模壓裂奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)油管；水力噴射壓裂；環(huán)空注入；油管注入；摩阻；排量

    低滲透油氣田是我國(guó)石油工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要資源，水力壓裂技術(shù)是經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)低滲透油氣藏的重要手段，川渝氣田、鄂爾多斯氣田等多數(shù)油氣藏縱向多層，跨距大，氣、水關(guān)系復(fù)雜，采用常規(guī)壓裂手段難以實(shí)現(xiàn)逐層改造，不能提高小層動(dòng)用程度進(jìn)而提高產(chǎn)量。為此，連續(xù)油管壓裂技術(shù)逐漸引起石油技術(shù)人員的關(guān)注，該技術(shù)整合了水力噴射射孔定點(diǎn)壓裂的優(yōu)越性與連續(xù)油管的拖動(dòng)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(guó)內(nèi)有關(guān)水力噴射工具的研究日趨成熟，而對(duì)水力噴射連續(xù)油管組合壓裂技術(shù)的認(rèn)識(shí)才剛剛起步，而且僅停留在常規(guī)的油管傳輸壓裂技術(shù)上^[1～6]，這種方式對(duì)連續(xù)油管的尺寸以及井的要求過(guò)于苛刻而難以應(yīng)用至深層。因此，需進(jìn)一步發(fā)展與完善。筆者比較分析了油管壓裂與環(huán)空壓裂兩種模式，認(rèn)為采用環(huán)空壓裂模式可以拓寬連續(xù)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(xiàn)場(chǎng)適用性及可操作性，有望得到大范圍推廣應(yīng)用。

    環(huán)空壓裂施工工序：①置放噴射工具到目的層；②對(duì)第一段噴砂射孔直至裂縫起裂；③壓裂(環(huán)空注攜砂液+連續(xù)油管內(nèi)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(nèi)殘余支撐劑，準(zhǔn)備進(jìn)行第二次射孔；⑥多次重復(fù)②～⑥道工序，實(shí)現(xiàn)多層分壓；⑦沖砂清理井簡(jiǎn)，準(zhǔn)備投產(chǎn)。

    水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)與油管壓裂方法相比，優(yōu)越性如下。

    總摩阻=管柱摩阻+噴嘴摩阻

    根據(jù)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(shù))，得到噴嘴壓力降(式中Q為排量；A為過(guò)流面積)。因此，對(duì)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行平方擬合即可得到噴嘴壓降與排量的關(guān)系，對(duì)常用Ø6mm噴嘴進(jìn)行擬合(圖1)得到如下關(guān)系式：

    知道噴嘴的節(jié)流摩阻后，針對(duì)油管與環(huán)空施工分別計(jì)算總摩阻如下：

    Ø44.45mm連續(xù)油管，總長(zhǎng)為4000m；套管為Ø139.7mm；6個(gè)Ø6mm噴嘴，壓裂液摩阻系數(shù)為0.3。

    1) 油管注入。通過(guò)模擬計(jì)算得到油管注入摩阻(見(jiàn)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(dá)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(dá)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(jì)算比較簡(jiǎn)單，且水力噴射成縫機(jī)理與常規(guī)壓裂造縫機(jī)理有較大差異，但也能說(shuō)明深井中采用連續(xù)油管傳輸壓裂摩阻必將異常高，這對(duì)井El設(shè)備以及連續(xù)油管尺寸提出了嚴(yán)格挑戰(zhàn)，同時(shí)低排量使得加砂濃度、規(guī)模受到限制，不能對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行充分改造。

    2) 環(huán)空注入。環(huán)空注入壓裂是在地層破裂后通過(guò)油管、套管環(huán)空注入攜砂液進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，同時(shí)降低(或關(guān)閉)連續(xù)油管排量進(jìn)行井底壓力檢測(cè)。環(huán)形空間的流動(dòng)通道遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于連續(xù)油管，同時(shí)由于攜砂液不再流經(jīng)噴嘴而不存在節(jié)流摩阻，從而大大降低了摩阻損失，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。即使排量為8m³/min，3000m管柱環(huán)空摩阻也僅為16MPa左右，排量較低時(shí)基本可以忽略摩阻影響，這為大排量施工奠定了基礎(chǔ)。

 

    水力噴射壓裂主要的問(wèn)題之一是噴嘴的使用壽命。國(guó)外在該設(shè)備開(kāi)發(fā)初期，僅12.5～15t支撐劑通過(guò)噴嘴后即發(fā)生過(guò)幾次噴嘴故障。隨著工程設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，現(xiàn)在的預(yù)期壽命是每個(gè)噴嘴可處理25～30t支撐劑(國(guó)內(nèi)則更少)。因此，在多層壓裂或壓裂規(guī)模較大的情況下，噴嘴壽命仍然是一個(gè)限制因素。采用油管傳輸壓裂時(shí)所有支撐劑是通過(guò)噴嘴進(jìn)入地層，再加上施工排量低，攜砂液長(zhǎng)時(shí)間打磨、切割噴嘴，通常在施工兩段后必須要上提管柱檢測(cè)更換，這樣就會(huì)大大延長(zhǎng)非生產(chǎn)時(shí)間。而使用環(huán)空壓裂時(shí)，僅最初的120kg/m³的射孔液是通過(guò)噴射器泵入的，且只在處理過(guò)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(shù)情況下，利用環(huán)空法延長(zhǎng)工具壽命能將起下管柱非生產(chǎn)時(shí)間減少50%～100%。

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

    1) 摩阻。環(huán)形空間大的流動(dòng)通道使得對(duì)壓裂液的摩阻性能要求不在苛刻，常規(guī)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(shí)，所有的壓裂液必須高速通過(guò)只有幾毫米的噴嘴。因此，會(huì)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(guò)程中，較差的耐剪切性能會(huì)導(dǎo)致砂堵造成施工失敗。采用環(huán)空壓裂時(shí)僅在前期噴砂射孔時(shí)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(huán)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(guò)環(huán)空注入攜砂液時(shí)，裸眼井的漏泄和低效的固體顆粒輸送就會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)。

    攜砂液會(huì)對(duì)作業(yè)管柱的外表面造成沖擊。此問(wèn)題可以通過(guò)下列方法解決：在連續(xù)油管和套管的環(huán)空中設(shè)置多個(gè)吸液口；在地面設(shè)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(cè)試只適用于水力噴射射孔后的第一條裂縫。在連續(xù)的操作過(guò)程中，第一段壓裂完成后，各個(gè)層位不具有壓力完整性來(lái)提供有效的壓力衰減數(shù)據(jù)。然而由于環(huán)空壓裂施工過(guò)程中連續(xù)油管具有類似死管柱的作用，施工人員可以獲得實(shí)時(shí)有效的井底壓力數(shù)據(jù)，從而極大地減弱了壓前注入試驗(yàn)的重要性。此外，壓前注入試驗(yàn)主要是為了測(cè)量由于孑L眼迂曲或者多裂縫造成的井筒附近壓力問(wèn)題，而這些問(wèn)題通過(guò)水力射孔工藝在很大程度上得到解決。

    大多數(shù)井套管承壓較差，采用環(huán)空通路進(jìn)行水力噴射壓裂需要通過(guò)帶封隔器的油管工作管柱來(lái)提供暫時(shí)性的高壓環(huán)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(guó)外使用連續(xù)油管口1水力噴射環(huán)空壓裂的井深范圍為457～3017m，加砂規(guī)模范圍從1.5t產(chǎn)生小裂縫(為避免井筒傷害)到60t產(chǎn)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(biāo)生產(chǎn)層可達(dá)0.61～0.91m的透鏡層。施工排量變化范圍為0.95～8.75m³/min，環(huán)空注入使得施工排量調(diào)節(jié)范圍更加寬裕。該技術(shù)有望在連續(xù)油管設(shè)備限制條件下(即尺寸、水力條件、長(zhǎng)度、壓力、拉力等)推廣連續(xù)油管管柱所能允許的深度及改造規(guī)模。

    1) 采用環(huán)空壓裂可以大幅度地增加流動(dòng)通道，降低管柱摩阻，提高施工排量，增加加砂強(qiáng)度與規(guī)模，這些優(yōu)點(diǎn)拓寬了連續(xù)油管的應(yīng)用范圍，使之可以應(yīng)用于深井大規(guī)模加砂或者多層分壓。

    2) 采用環(huán)空壓裂減少了流經(jīng)噴嘴的砂量，同時(shí)由于排量較高減少了作業(yè)時(shí)間，噴嘴壽命大大延長(zhǎng)，減少了作業(yè)中途上提管柱換噴嘴的次數(shù)，縮短了施工周期，降低了壓裂液長(zhǎng)時(shí)滯留地層造成的傷害。

    3) 環(huán)空壓裂降低了對(duì)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(guó)外已多次成功實(shí)施連續(xù)油管水力噴射壓裂，尤其在環(huán)空注入壓裂方面取得了很大的進(jìn)步，而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如何實(shí)施環(huán)空注入壓裂施工還停留在初步階段，需要進(jìn)一步研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同時(shí)相應(yīng)配套工具和設(shè)施有待進(jìn)一步改進(jìn)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(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院)