不动管柱水力喷射逐层压裂技术

摘 要

摘要：水力喷射压裂是目前先进的分层、分段压裂工艺之一，但由于该工艺要靠井下作业改变其喷射位置才能实现多层压裂，致使工艺推广受到制约。为此，在水力喷射压裂前期研究成果的基
摘要：水力喷射压裂是目前先进的分层、分段压裂工艺之一，但由于该工艺要靠井下作业改变其喷射位置才能实现多层压裂，致使工艺推广受到制约。为此，在水力喷射压裂前期研究成果的基础上，通过对喷嘴个数和直径的优化研究、井下压力节点分析，从油管排量与泵压的关系入手，建立了水力喷射无因次特性曲线，探索了环空井底压力的大小计算方法，解决了环空补液量与排量的关系等设计难题，在国内首次提出了完井不动管柱条件下的水力喷射逐层压裂设计方法。同时，配套研制了适用于Φ178mm(Φ215.9mm裸眼)、Φ139.7mm(Φ152.4mm裸眼)和Φ127mm套管的3种规格一趟管柱作业4层的滑套式喷射器。通过现场4口井共13层的作业，结果证明不动管柱水力喷射逐层压裂技术发展和完善了水力喷射压裂工艺，不但实现了射孔、压裂、生产联作，还为合层开采提供了条件。
关键词：不动管柱；压裂；多层；滑套式喷射器；技术；应用
   近年来，国内外学者在磨料射流、脉冲射流和空化射流的研究和应用开发中取得了一系列的研究成果，拓展了水射流技术的应用范同。在油气田勘探开发的应用中形成了水力喷射辅助压裂新技术，随着工艺的不断改进，水力喷射压裂技术在全世界范围内的多个油气田得到迅速应用。据不完全统计，水力喷射辅助压裂技术已经在全世界范围内施工了300多口井，大部分增产效果显著，但在其配套工艺上还需完善。
1 工艺研究
1.1 喷嘴个数与直径组合优化
   根据前期研究成果[1～7]，为了保证足够的射孔和破效果，一般要保证液体出喷嘴流速要在200m/s左右，而喷嘴节流压差一般要在20MPa左右。喷嘴流速越高，或节流压差越大，射孔和破岩的效果越好，喷嘴产生的负压越大，但是消耗在喷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，就不能满足加砂压裂需要了。因此，选择喷嘴直径与个数时就是要找到喷射能力、负压值和施工排量之间的平衡点。研究表明：井口泵压的计算是影响喷嘴选择的关键，只有知道了泵压随喷嘴直径、个数的变化关系，才能根据泵压情况决定合适的喷嘴直径和个数。从图1、2可得到8×5.5mm喷嘴组合可满足压裂对排量和泵压的要求。

1.2 油管排量设计
    油管作为携砂的通道，排量选择主要受喷嘴直径和个数的影响，选择8×5.5mm喷嘴组合可满足要求。因此，油管排量设计应该在保证井口不超压的前提下，尽可能提高泵注排量。
按照节点方法来分析，涉及井下压力节点的有以下几个(图3-a)：①裂缝延伸压力(pp)；②喷嘴前井底压力(pb)；③管路摩阻(pf)；④静水柱压力(pH)；⑤井口泵压(pt)。
 

    如果从井底计算到井口泵压，那么就存在以下关系：
   
    可以得到：
    pt=pp+△p+pf-pH    (2)
根据前期研究成果，△p可以由以下方法求得：
 
式中△p为压裂液过喷嘴前后的压降，MPa；Q为排量，L/s；ρ为流体密度，g/cm3；A为喷嘴总面积，mm2；C为喷嘴流量系数，一般取0.9。
由于裂缝延伸压力(pp)、管路摩阻(pf)、静水柱压力(pH)都是不难得到的参数，因此，只要按照式(3)计算喷嘴压降，就可以根据式(2)计算出施工时的地面泵压。以B65井为例，得到油管泵压 排量关系图版(图4)。
 

    在综合考虑了喷嘴压降和井口泵压的条件下，选择油管注入排量2.2m3/min，此时泵压为66.9MPa，基本上是井口不超压的前提下可达到的最高排量。
1.3 环空压力计算方法
    水力喷射逐层压裂工艺不使用封隔器，就可以实现多层压裂。其所依赖的机理就是在喷嘴出口处形成的负压导引流体转向，只进入射孔孔道中而不会进入到已经压开的层段。因此，环空压力的控制是关键(图3-b)。
定义M是吸入流量(q3)和喷射流量(q1)之比，记为：
 
定义R是喷嘴出口截面积(A1)和射孔孔眼面积(A2)之比，记为：
 
水头比(H)的物理意义为吸入液得到的能量和喷射液释放的能量之比，其计算公式为：
 
式中h为射孔位置垂深，m；λ为裂缝延伸压力梯度，MPa/m；Kj为喷嘴流动阻力系数；Kd为喷射流在孔道中的流动阻力系数；Ks为吸入液体在环空中的流动阻力系数；pt为井口泵压，MPa；pH为静液柱压力，MPa；pf为油管摩阻，MPa。
    根据式(6)，就可以作出如图5所示的水力喷射无因次特性曲线。
 

   对于每一个尺寸的喷嘴，根据式(6)都可以作出相应的无因次特性曲线图版。建立特性曲线图版以后，就可以在图上查出不同无因次流量M，对应的无因次压头H。在确定M、H、p1、p2后，就可以根据式(6)计算出喷射时的环空井底压力p3，再减去环空液柱压力，就可以得到不同喷嘴喷射时的地面套压大小。
1.4 环空补液排量设计
    在水力喷射压裂中，施工总排量是由油管排量与环空排量之和组成。前面已经确定了油管排量，在确定该排量后，根据压裂所需总排量才确定环空排量。
    第一步，根据压裂需要的总排量，以及油管可以达到的排量，确定环空需要的排量范围。
   第二步，环空排量的确定是水力喷射多层压裂成功的关键。如果环空排量过大，会使已压裂层段重新开启，出现“重复压裂”；如果控制过低，又达不到施工所需排量，可能造成砂堵。因此需要准确预测出在不同环空补液排量下，井底的环空压力变化情况。只要预测的环空井底压力达到或超过了已压裂层段裂缝开启压力，此时对应的排量就是环空补液的排量上限。
    在环空需要的排量范围内，只要是不超过上限的环空补液排量都是可以选择的环空排量。
    如图6所示，在设计865井须六上亚段水力喷射压裂时，当环空补液排量达到0.7m3/min，井底环空压力就超过已经压裂的须六下亚段的裂缝开启压力，因此须六上亚段的环空补液排量的上限就是0.7m3/min。

2 滑套式喷射器的研制
滑套式喷射器是实现不动管柱逐层加砂压裂技术的核心部件。其结构组成如图7所示，主要是由喷枪本体、滑套、喷嘴、密封圈、销钉、喷枪座组成。通过地面投球入座到滑套球座上，加压到额定压力剪断销钉，推动滑套下移至喷枪座内。露出喷嘴，同时完成对下部管柱的密封，开展本层的工艺施工。施工完成后重复该施工步骤，逐级送球入座打开滑套压裂该层。
    针对现场井况，目前已完成针对Φ127、Φ139.7、Φ178mm套管3种尺寸滑套式喷射器的研制，形成了系列化产品，具体尺寸和规范如表1所示。
 

    在前期大量有效研究的基础上，共完成了4口井的现场试验。试验结果表明：目前已经形成了井深3000m以内的不动管柱水力喷射压裂工艺及配套技术；研制的井下工具工作压力达到60MPa、工作温度达到90℃，在Φ178、Φ139.7mm两种套管和Φ215.9、Φ152.4mm两种裸眼使用。试验井实现不动管柱压裂3～4条缝，单缝压裂成功率100%。返排后，投产顺利，其中HC001-6-H1井实现了3段合采，865井实现了3层(4段)合采(表2)。
 

4 结论
    1) 不动管柱水力喷射多层(多段)压裂工艺，解决了常规水力喷射压裂在气井中使用时带压拖动油管的井控风险，并且缩短压裂周期3～4倍，是一种全新、高效、安全的直井分层或水平井分段压裂工艺。
    2) 通过不动管柱水力喷射多层压裂施工参数的理论研究，形成不动管柱水力喷射压裂施工参数的计算方法。
    3) 研制的适用于Φ127mm、Φ139.7mm(Φ152.4mm裸眼)、#5178 mm(Φ215.9mm裸眼)3种规格井眼的系列工具，其性能满足不动管柱水力喷射逐层压裂工艺的要求。
    4) 开展了4井次不动管柱水力喷射压裂，实现了不动管柱压裂4条缝，单缝压裂成功率达到100%，其中GA002-X68是国内第1口不动管柱喷射压裂井。
    5) 不动管柱逐层压裂工艺管柱不仅可作为射孔和逐层压裂管柱，也可作为多层合采管柱。
    6) 建议对工具进一步优化研究，形成5级以上的不动分段压裂工艺。
参考文献
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(本文作者：马发明 中国石油西南油气田公司采气工程研究院)