不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂技術(shù)

摘 要

摘要：水力噴射壓裂是目前先進(jìn)的分層、分段壓裂工藝之一，但由于該工藝要靠井下作業(yè)改變其噴射位置才能實(shí)現(xiàn)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(jìn)的分層、分段壓裂工藝之一，但由于該工藝要靠井下作業(yè)改變其噴射位置才能實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上，通過(guò)對(duì)噴嘴個(gè)數(shù)和直徑的優(yōu)化研究、井下壓力節(jié)點(diǎn)分析，從油管排量與泵壓的關(guān)系入手，建立了水力噴射無(wú)因次特性曲線(xiàn)，探索了環(huán)空井底壓力的大小計(jì)算方法，解決了環(huán)空補(bǔ)液量與排量的關(guān)系等設(shè)計(jì)難題，在國(guó)內(nèi)首次提出了完井不動(dòng)管柱條件下的水力噴射逐層壓裂設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，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(guī)格一趟管柱作業(yè)4層的滑套式噴射器。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)4口井共13層的作業(yè)，結(jié)果證明不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂技術(shù)發(fā)展和完善了水力噴射壓裂工藝，不但實(shí)現(xiàn)了射孔、壓裂、生產(chǎn)聯(lián)作，還為合層開(kāi)采提供了條件。
關(guān)鍵詞：不動(dòng)管柱；壓裂；多層；滑套式噴射器；技術(shù)；應(yīng)用
   近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在磨料射流、脈沖射流和空化射流的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)中取得了一系列的研究成果，拓展了水射流技術(shù)的應(yīng)用范同。在油氣田勘探開(kāi)發(fā)的應(yīng)用中形成了水力噴射輔助壓裂新技術(shù)，隨著工藝的不斷改進(jìn)，水力噴射壓裂技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的多個(gè)油氣田得到迅速應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，水力噴射輔助壓裂技術(shù)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)施工了300多口井，大部分增產(chǎn)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(gè)數(shù)與直徑組合優(yōu)化
   根據(jù)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(jié)流壓差一般要在20MPa左右。噴嘴流速越高，或節(jié)流壓差越大，射孔和破巖的效果越好，噴嘴產(chǎn)生的負(fù)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(mǎn)足加砂壓裂需要了。因此，選擇噴嘴直徑與個(gè)數(shù)時(shí)就是要找到噴射能力、負(fù)壓值和施工排量之間的平衡點(diǎn)。研究表明：井口泵壓的計(jì)算是影響噴嘴選擇的關(guān)鍵，只有知道了泵壓隨噴嘴直徑、個(gè)數(shù)的變化關(guān)系，才能根據(jù)泵壓情況決定合適的噴嘴直徑和個(gè)數(shù)。從圖1、2可得到8×5.5mm噴嘴組合可滿(mǎn)足壓裂對(duì)排量和泵壓的要求。

1.2 油管排量設(shè)計(jì)
    油管作為攜砂的通道，排量選擇主要受?chē)娮熘睆胶蛡€(gè)數(shù)的影響，選擇8×5.5mm噴嘴組合可滿(mǎn)足要求。因此，油管排量設(shè)計(jì)應(yīng)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(jié)點(diǎn)方法來(lái)分析，涉及井下壓力節(jié)點(diǎn)的有以下幾個(gè)(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(jì)算到井口泵壓，那么就存在以下關(guān)系：
   
    可以得到：
    pt=pp+△p+pf-pH    (2)
根據(jù)前期研究成果，△p可以由以下方法求得：
 
式中△p為壓裂液過(guò)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(shù)，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(shù)，因此，只要按照式(3)計(jì)算噴嘴壓降，就可以根據(jù)式(2)計(jì)算出施工時(shí)的地面泵壓。以B65井為例，得到油管泵壓 排量關(guān)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(shí)泵壓為66.9MPa，基本上是井口不超壓的前提下可達(dá)到的最高排量。
1.3 環(huán)空壓力計(jì)算方法
    水力噴射逐層壓裂工藝不使用封隔器，就可以實(shí)現(xiàn)多層壓裂。其所依賴(lài)的機(jī)理就是在噴嘴出口處形成的負(fù)壓導(dǎo)引流體轉(zhuǎn)向，只進(jìn)入射孔孔道中而不會(huì)進(jìn)入到已經(jīng)壓開(kāi)的層段。因此，環(huán)空壓力的控制是關(guān)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(jì)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(dòng)阻力系數(shù)；Kd為噴射流在孔道中的流動(dòng)阻力系數(shù)；Ks為吸入液體在環(huán)空中的流動(dòng)阻力系數(shù)；pt為井口泵壓，MPa；pH為靜液柱壓力，MPa；pf為油管摩阻，MPa。
    根據(jù)式(6)，就可以作出如圖5所示的水力噴射無(wú)因次特性曲線(xiàn)。
 

   對(duì)于每一個(gè)尺寸的噴嘴，根據(jù)式(6)都可以作出相應(yīng)的無(wú)因次特性曲線(xiàn)圖版。建立特性曲線(xiàn)圖版以后，就可以在圖上查出不同無(wú)因次流量M，對(duì)應(yīng)的無(wú)因次壓頭H。在確定M、H、p1、p2后，就可以根據(jù)式(6)計(jì)算出噴射時(shí)的環(huán)空井底壓力p3，再減去環(huán)空液柱壓力，就可以得到不同噴嘴噴射時(shí)的地面套壓大小。
1.4 環(huán)空補(bǔ)液排量設(shè)計(jì)
    在水力噴射壓裂中，施工總排量是由油管排量與環(huán)空排量之和組成。前面已經(jīng)確定了油管排量，在確定該排量后，根據(jù)壓裂所需總排量才確定環(huán)空排量。
    第一步，根據(jù)壓裂需要的總排量，以及油管可以達(dá)到的排量，確定環(huán)空需要的排量范圍。
   第二步，環(huán)空排量的確定是水力噴射多層壓裂成功的關(guān)鍵。如果環(huán)空排量過(guò)大，會(huì)使已壓裂層段重新開(kāi)啟，出現(xiàn)“重復(fù)壓裂”；如果控制過(guò)低，又達(dá)不到施工所需排量，可能造成砂堵。因此需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出在不同環(huán)空補(bǔ)液排量下，井底的環(huán)空壓力變化情況。只要預(yù)測(cè)的環(huán)空井底壓力達(dá)到或超過(guò)了已壓裂層段裂縫開(kāi)啟壓力，此時(shí)對(duì)應(yīng)的排量就是環(huán)空補(bǔ)液的排量上限。
    在環(huán)空需要的排量范圍內(nèi)，只要是不超過(guò)上限的環(huán)空補(bǔ)液排量都是可以選擇的環(huán)空排量。
    如圖6所示，在設(shè)計(jì)865井須六上亞段水力噴射壓裂時(shí)，當(dāng)環(huán)空補(bǔ)液排量達(dá)到0.7m3/min，井底環(huán)空壓力就超過(guò)已經(jīng)壓裂的須六下亞段的裂縫開(kāi)啟壓力，因此須六上亞段的環(huán)空補(bǔ)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(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱逐層加砂壓裂技術(shù)的核心部件。其結(jié)構(gòu)組成如圖7所示，主要是由噴槍本體、滑套、噴嘴、密封圈、銷(xiāo)釘、噴槍座組成。通過(guò)地面投球入座到滑套球座上，加壓到額定壓力剪斷銷(xiāo)釘，推動(dòng)滑套下移至噴槍座內(nèi)。露出噴嘴，同時(shí)完成對(duì)下部管柱的密封，開(kāi)展本層的工藝施工。施工完成后重復(fù)該施工步驟，逐級(jí)送球入座打開(kāi)滑套壓裂該層。
    針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井況，目前已完成針對(duì)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(chǎn)品，具體尺寸和規(guī)范如表1所示。
 

    在前期大量有效研究的基礎(chǔ)上，共完成了4口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：目前已經(jīng)形成了井深3000m以?xún)?nèi)的不動(dòng)管柱水力噴射壓裂工藝及配套技術(shù)；研制的井下工具工作壓力達(dá)到60MPa、工作溫度達(dá)到90℃，在Φ178、Φ139.7mm兩種套管和Φ215.9、Φ152.4mm兩種裸眼使用。試驗(yàn)井實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱壓裂3～4條縫，單縫壓裂成功率100%。返排后，投產(chǎn)順利，其中HC001-6-H1井實(shí)現(xiàn)了3段合采，865井實(shí)現(xiàn)了3層(4段)合采(表2)。
 

4 結(jié)論
    1) 不動(dòng)管柱水力噴射多層(多段)壓裂工藝，解決了常規(guī)水力噴射壓裂在氣井中使用時(shí)帶壓拖動(dòng)油管的井控風(fēng)險(xiǎn)，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(guò)不動(dòng)管柱水力噴射多層壓裂施工參數(shù)的理論研究，形成不動(dòng)管柱水力噴射壓裂施工參數(shù)的計(jì)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(guī)格井眼的系列工具，其性能滿(mǎn)足不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂工藝的要求。
    4) 開(kāi)展了4井次不動(dòng)管柱水力噴射壓裂，實(shí)現(xiàn)了不動(dòng)管柱壓裂4條縫，單縫壓裂成功率達(dá)到100%，其中GA002-X68是國(guó)內(nèi)第1口不動(dòng)管柱噴射壓裂井。
    5) 不動(dòng)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(duì)工具進(jìn)一步優(yōu)化研究，形成5級(jí)以上的不動(dòng)分段壓裂工藝。
參考文獻(xiàn)
[1] 段雄.射流變頻沖擊破巖的混沌調(diào)制技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.
[2] 馬發(fā)明，桑宇.連續(xù)油管水力噴射壓裂關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究[J].天然氣工業(yè)，2008，28(1)：76-78.
[3] 王騰飛，胥云，蔣建方，等.連續(xù)油管水力噴射環(huán)空壓裂技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2010，30(1)：65-67.
[4] 易新民，唐雪萍，梁濤，等.利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)判斷水力壓裂裂縫高度[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，31(5)：21-24.
[5] 張永平，劉合.火山巖氣藏壓裂難點(diǎn)診斷及處理控制[J].天然氣工業(yè)，2009，29(12)：53-55.
[6] 田守增，李根生，黃中偉，等.連續(xù)油管水力噴射壓裂技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2008，28(8)：61-63.
[7] 丁云宏，胥云，翁定為，等.低滲透油氣田壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法[J].天然氣工業(yè)，2009，29(9)：78-80.
 
(本文作者：馬發(fā)明 中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院)