摘要：连续油管水力喷射压裂是解决我国纵向多层压裂难题的有效手段，为深入了解国外连续油管技术，提高国内现有尺寸连续油管应用范围，在连续油管传输压裂与环空压裂两种方式对比分析的基础上，对连续油管水力喷射环空压裂技术的原理、施工工序、摩阻计算、优越性与局限性等进行了全方位的分析。结果认为这种环空压裂方式通过喷砂射孔与环空加砂配合可以拓宽连续油管应用深度，提高国内现有小尺寸连续油管设备利用率，提高喷嘴寿命，增大施工排量，从而具有更高的现场适用性及可操作性。研究成果为引入国外连续油管解决国内多层气藏分压改造难题，以及转变观念进行连续油管水力喷射环空大规模压裂奠定了基础。

关键词：连续油管；水力喷射压裂；环空注入；油管注入；摩阻；排量

    低渗透油气田是我国石油工业稳定发展的重要资源，水力压裂技术是经济有效开发低渗透油气藏的重要手段，川渝气田、鄂尔多斯气田等多数油气藏纵向多层，跨距大，气、水关系复杂，采用常规压裂手段难以实现逐层改造，不能提高小层动用程度进而提高产量。为此，连续油管压裂技术逐渐引起石油技术人员的关注，该技术整合了水力喷射射孔定点压裂的优越性与连续油管的拖动灵活性，为解决纵向多层改造难题提供了新的途径。到目前为止，国内有关水力喷射工具的研究日趋成熟，而对水力喷射连续油管组合压裂技术的认识才刚刚起步，而且仅停留在常规的油管传输压裂技术上^[1～6]，这种方式对连续油管的尺寸以及井的要求过于苛刻而难以应用至深层。因此，需进一步发展与完善。笔者比较分析了油管压裂与环空压裂两种模式，认为采用环空压裂模式可以拓宽连续油管管柱所能允许的深度，可以提高喷嘴寿命，增大施工排量，因具有更高的现场适用性及可操作性，有望得到大范围推广应用。

    环空压裂施工工序：①置放喷射工具到目的层；②对第一段喷砂射孔直至裂缝起裂；③压裂(环空注携砂液+连续油管内小排量供液)；④填砂；⑤上提管柱到第二射孔层；冲洗管柱，清理管内残余支撑剂，准备进行第二次射孔；⑥多次重复②～⑥道工序，实现多层分压；⑦冲砂清理井简，准备投产。

    水力喷射环空压裂技术与油管压裂方法相比，优越性如下。

    总摩阻=管柱摩阻+喷嘴摩阻

    根据伯努利方程(式中v为速度；p为压力；ρ为液体密度；C为常数)，得到喷嘴压力降(式中Q为排量；A为过流面积)。因此，对试验测定结果进行平方拟合即可得到喷嘴压降与排量的关系，对常用Ø6mm喷嘴进行拟合(图1)得到如下关系式：

    知道喷嘴的节流摩阻后，针对油管与环空施工分别计算总摩阻如下：

    Ø44.45mm连续油管，总长为4000m；套管为Ø139.7mm；6个Ø6mm喷嘴，压裂液摩阻系数为0.3。

    1) 油管注入。通过模拟计算得到油管注入摩阻(见图2)：若采用油管传输压裂，即便全程采用1.5m³/min的排量，总摩阻将高达66MPa，假定处理层深为3000m，地层破裂压力梯度为0.019MPa/m，则要使地层破裂井El压力必须达到如下条件：

    p_井口+p_液柱-p_摩阻＞p_F    (Z)

式中：p_井口为井口压力；p_液柱为液柱压力；p_摩阻为管柱摩阻压力；p_F为地层破裂压力。

    由此得到：p_井口＞93MPa

 

    上述计算比较简单，且水力喷射成缝机理与常规压裂造缝机理有较大差异，但也能说明深井中采用连续油管传输压裂摩阻必将异常高，这对井El设备以及连续油管尺寸提出了严格挑战，同时低排量使得加砂浓度、规模受到限制，不能对储层进行充分改造。

    2) 环空注入。环空注入压裂是在地层破裂后通过油管、套管环空注入携砂液进行后续作业，同时降低(或关闭)连续油管排量进行井底压力检测。环形空间的流动通道远远大于连续油管，同时由于携砂液不再流经喷嘴而不存在节流摩阻，从而大大降低了摩阻损失，具体计算结果见图3。即使排量为8m³/min，3000m管柱环空摩阻也仅为16MPa左右，排量较低时基本可以忽略摩阻影响，这为大排量施工奠定了基础。

 

    水力喷射压裂主要的问题之一是喷嘴的使用寿命。国外在该设备开发初期，仅12.5～15t支撑剂通过喷嘴后即发生过几次喷嘴故障。随着工程设计的不断改进，现在的预期寿命是每个喷嘴可处理25～30t支撑剂(国内则更少)。因此，在多层压裂或压裂规模较大的情况下，喷嘴寿命仍然是一个限制因素。采用油管传输压裂时所有支撑剂是通过喷嘴进入地层，再加上施工排量低，携砂液长时间打磨、切割喷嘴，通常在施工两段后必须要上提管柱检测更换，这样就会大大延长非生产时间。而使用环空压裂时，仅最初的120kg/m³的射孔液是通过喷射器泵入的，且只在处理过程的喷射起裂阶段，所以喷嘴被腐蚀的情形大大减轻。大多数情况下，利用环空法延长工具寿命能将起下管柱非生产时间减少50%～100%。

    大粒径、高浓度支撑剂容易使压裂处理过程中孔眼处形成颗粒桥堵。水力喷射射孔产生的大孔眼可使极高浓度的液体通过，发生堵塞的风险极小。持续油管输砂使得喷嘴处存在砂堵风险(高砂比携砂液通过小尺寸喷嘴时易发生)，采用环空压裂方式可消除这种风险。

    1) 摩阻。环形空间大的流动通道使得对压裂液的摩阻性能要求不在苛刻，常规压裂液摩阻性能可以满足施工需要。

    2) 耐高剪切性。油管压裂时，所有的压裂液必须高速通过只有几毫米的喷嘴。因此，会受到剧烈的剪切破坏，压裂液的耐高剪切性能显得尤为重要，尤其是在携砂过程中，较差的耐剪切性能会导致砂堵造成施工失败。采用环空压裂时仅在前期喷砂射孔时受到高剪切影响，且因砂比很低(120kg/m³)而不易脱砂，一旦裂缝起裂后环空注液不再受到射流的高剪切影响，这就大大拓宽了压裂液的选择范围。

    通过环空注入携砂液时，裸眼井的漏泄和低效的固体颗粒输送就会有风险。

    携砂液会对作业管柱的外表面造成冲击。此问题可以通过下列方法解决：在连续油管和套管的环空中设置多个吸液口；在地面设备附近用大直径井口装置将速度降至最低；或者上述两种方法兼用。

    有效的压降测试只适用于水力喷射射孔后的第一条裂缝。在连续的操作过程中，第一段压裂完成后，各个层位不具有压力完整性来提供有效的压力衰减数据。然而由于环空压裂施工过程中连续油管具有类似死管柱的作用，施工人员可以获得实时有效的井底压力数据，从而极大地减弱了压前注入试验的重要性。此外，压前注入试验主要是为了测量由于孑L眼迂曲或者多裂缝造成的井筒附近压力问题，而这些问题通过水力射孔工艺在很大程度上得到解决。

    大多数井套管承压较差，采用环空通路进行水力喷射压裂需要通过带封隔器的油管工作管柱来提供暂时性的高压环空，使套管免受造缝压力的影响。带封隔器的油管下到最顶层施工层段上，或放在井的垂直剖面上(如果是水平完井)。

    国外使用连续油管口1水力喷射环空压裂的井深范围为457～3017m，加砂规模范围从1.5t产生小裂缝(为避免井筒伤害)到60t产生大裂缝，泵注最高支撑剂浓度为 680kg/m³。在致密地层气藏中，最小的目标生产层可达0.61～0.91m的透镜层。施工排量变化范围为0.95～8.75m³/min，环空注入使得施工排量调节范围更加宽裕。该技术有望在连续油管设备限制条件下(即尺寸、水力条件、长度、压力、拉力等)推广连续油管管柱所能允许的深度及改造规模。

    1) 采用环空压裂可以大幅度地增加流动通道，降低管柱摩阻，提高施工排量，增加加砂强度与规模，这些优点拓宽了连续油管的应用范围，使之可以应用于深井大规模加砂或者多层分压。

    2) 采用环空压裂减少了流经喷嘴的砂量，同时由于排量较高减少了作业时间，喷嘴寿命大大延长，减少了作业中途上提管柱换喷嘴的次数，缩短了施工周期，降低了压裂液长时滞留地层造成的伤害。

    3) 环空压裂降低了对压裂液摩阻性能、耐高剪切性能的要求，拓宽了压裂液的选择范围。

    4) 国外已多次成功实施连续油管水力喷射压裂，尤其在环空注入压裂方面取得了很大的进步，而国内还没有相关的现场试验，如何实施环空注入压裂施工还停留在初步阶段，需要进一步研究与现场试验，同时相应配套工具和设施有待进一步改进与完善。

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(本文作者：王腾飞 胥云 蒋建方 田助红 丁云宏 中国石油勘探开发研究院廊坊分院)