水平井水力噴射分段壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用

趙紹偉

（江蘇油田試采一廠，江蘇揚(yáng)州225000）

水平井水力噴射分段壓裂技術(shù)的研究與應(yīng)用

趙紹偉

（江蘇油田試采一廠，江蘇揚(yáng)州225000）

隨著本廠利用水平井開(kāi)發(fā)的油藏類型范圍不斷擴(kuò)大，水平井總數(shù)不斷增多，同時(shí)低效開(kāi)發(fā)的水井?dāng)?shù)也逐漸增多，常規(guī)增產(chǎn)增效措施已無(wú)法滿足開(kāi)發(fā)需求，針對(duì)這一問(wèn)題，引進(jìn)了集射孔、壓裂、分隔一體化的水力噴射分段壓裂技術(shù)儲(chǔ)層改造工藝。本項(xiàng)目結(jié)合油田油藏開(kāi)發(fā)和完井特點(diǎn)，優(yōu)化選井條件并開(kāi)展了工藝技術(shù)的適應(yīng)性研究，主要是在壓裂液的研究、井下工具的配套、施工參數(shù)的優(yōu)化、施工管柱的設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展研究與應(yīng)用、最終提高了低產(chǎn)低效水平井的單井產(chǎn)能。

壓裂；分段；噴射；水平井

近年來(lái)，隨著試采一廠利用水平井開(kāi)發(fā)的油藏類型范圍不斷擴(kuò)大，水平井總數(shù)不斷增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，試采一廠5 t以下的低產(chǎn)低效水平井多達(dá)52口，占水平井開(kāi)井總數(shù)的55%。改善低效水平井的開(kāi)發(fā)效果成為增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。針對(duì)這一問(wèn)題，引進(jìn)應(yīng)用了水力噴射分段壓裂工藝。該工藝采用分段壓裂管柱對(duì)水平井段分兩段實(shí)施噴射壓裂，壓裂液基液攜帶石英砂對(duì)地層射孔，射孔后油管加壓裂砂對(duì)射孔段實(shí)施壓裂，投球打開(kāi)滑套之后實(shí)施第二層噴射壓裂。

該技術(shù)是集射孔、壓裂、分隔一體化的新型儲(chǔ)層改造措施，具有一趟管柱實(shí)現(xiàn)多段壓裂的增產(chǎn)的特點(diǎn)，適合水平井儲(chǔ)層改造的需求。

1　水平井水力噴射分段壓力技術(shù)的研究

1.1目前水平井壓裂工藝的局限性

現(xiàn)場(chǎng)常用的分層（段）壓裂方法主要有：限流法壓裂、機(jī)械封隔器分層壓裂。限流法壓裂要求的射孔密度較低，將會(huì)妨礙射孔對(duì)有效井筒半徑的擴(kuò)大；作業(yè)期間，在射孔通道和裂縫入口處可能出現(xiàn)過(guò)大的壓力降，并會(huì)影響攜砂液在層間的分布；限流法進(jìn)行射孔提供的裂縫入口面積較小，在返排和生產(chǎn)期間，易使支撐劑返出。使用機(jī)械封隔器分層壓裂或分段壓裂工藝，施工完一個(gè)層位后，封隔器常常發(fā)生砂卡，導(dǎo)致井下事故。

1.2水力噴射分段壓裂技術(shù)原理

水力噴射分段壓裂技術(shù)是集磨料射流射孔、壓裂、隔離一體化的新型增產(chǎn)措施，在壓裂液中加入石英砂和支撐劑（陶粒）即可實(shí)現(xiàn)射流成孔和后續(xù)的分層/段壓裂作業(yè)。在作業(yè)過(guò)程中，高速射流在噴射開(kāi)套管和地層后，在近井地帶形成一個(gè)深約700 mm、最大直徑可達(dá)60 mm的紡錘形孔眼，繼續(xù)噴射時(shí)，根據(jù)伯努利方程，射流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，導(dǎo)致孔內(nèi)壓力升高；此外，噴射進(jìn)入地層孔眼的流體在壓裂開(kāi)地層前要返回井筒，返回的流體在套管壁面孔眼處起到了“水力密封環(huán)”的作用，致使孔眼內(nèi)壓力將進(jìn)一步高于環(huán)空壓力。因此，控制油套環(huán)空壓力略低于地層破裂壓力的情況下，由于噴射位置孔眼內(nèi)壓力高于環(huán)空壓力，裂縫可最先在此處起裂、擴(kuò)展，即實(shí)現(xiàn)地層中的裂縫僅在水力噴射形成的孔眼位置破裂、擴(kuò)展，但在其它層位由于環(huán)空壓力低于地層起裂壓力，裂縫將不再開(kāi)裂、擴(kuò)展。由于下入一次射流噴射裝置即可實(shí)現(xiàn)一口井中多個(gè)層位的壓裂，且能夠達(dá)到較為精確的定點(diǎn)分層壓裂，可以根據(jù)需要控制每個(gè)層位的壓裂規(guī)模，避免了壓裂的盲目性。

1.3水力噴射分段壓裂的特點(diǎn)

（1）無(wú)需下入封隔器等封隔工具，實(shí)現(xiàn)井段自動(dòng)封隔與定點(diǎn)壓裂，水平井施工風(fēng)險(xiǎn)小。

（2）無(wú)需單獨(dú)射孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了射孔、壓裂一次完成，比常規(guī)壓裂工藝節(jié)省作業(yè)工序。

（3）可實(shí)現(xiàn)一次管柱多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲(chǔ)層傷害。

（4）可用于裸眼、套管、篩管等多種完井方式。

1.4水力噴射階段參數(shù)的確定

室內(nèi)采用壓裂液基液攜帶石英砂對(duì)加圍壓的巖心進(jìn)行射孔實(shí)驗(yàn)，將射孔壓力控制在25 MPa～40 MPa，通過(guò)試驗(yàn)，在射孔壓力由25 MPa升至30 MPa時(shí)，射孔深度有加大幅度的提高，壓力由30 MPa上升到35 MPa時(shí)，射孔深度上升幅度較小。由此確定噴嘴射孔壓力控制在28 MPa～35 MPa較為合適。

測(cè)試了不同粒徑的射孔石英砂對(duì)射孔深度的影響，石英砂粒度控制在直徑0.2 mm～0.6 mm，試驗(yàn)表明，在0.3 mm～0.4 mm時(shí)，射孔深度最大，結(jié)合本廠在用的石英砂粒徑，確定采用石英砂粒徑為20目～40目（直徑0.3 mm～0.6 mm）。

實(shí)驗(yàn)了不同石英砂濃度（石英砂與壓裂液基液的體積比）對(duì)射孔深度的影響，石英砂濃度在6%～8%時(shí)，射孔深度最大。

考察了噴砂射孔時(shí)長(zhǎng)對(duì)射孔深度的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)間5 min～25 min，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，持續(xù)射孔5 min～10 min，孔深增幅明顯，10 min～15 min之內(nèi)孔深達(dá)到最大且不再增加。

因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出水力噴射階段的基本參數(shù)：最優(yōu)噴嘴壓力：28 MPa～35 MPa；石英砂粒度選擇：20目～40目石英砂（直徑0.3 mm～0.6 mm）；最優(yōu)石英砂體積濃度：6%～8%；最優(yōu)噴砂射孔時(shí)間：10 min～15 min。

1.5壓裂液配方研究

本廠目前應(yīng)用比較成熟的壓裂液體系為羥丙基水基胍膠體系，主要配方為：羥丙基水基胍膠+添加劑（粘土穩(wěn)定劑+助排劑+殺菌劑+防膨劑+純堿）+有機(jī)硼交聯(lián)劑，主要性能（見(jiàn)表1）。

表1　壓裂液質(zhì)量指標(biāo)

為增強(qiáng)壓裂液過(guò)噴嘴高速剪切后攜帶支撐劑的能力，同時(shí)減小壓裂液在地層中的濾失，在油管內(nèi)采用過(guò)交聯(lián)壓裂液?？紤]到該工藝對(duì)壓裂液的要求，在目前壓裂配方體系基礎(chǔ)上，主要從交聯(lián)劑的濃度和胍膠的使用濃度兩方面進(jìn)行了優(yōu)化。

本廠常用交聯(lián)劑的濃度范圍0.13%～0.25%，為使油管壓裂液交聯(lián)后達(dá)到過(guò)膠粘狀態(tài)，將交聯(lián)劑的濃度設(shè)定為0.26%，在過(guò)交聯(lián)的情況下，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M地層溫度下測(cè)試了不同胍膠濃度（0.35%、0.4%、0.5%）壓裂液的性能（見(jiàn)圖1，圖2，圖3）。

圖1　0.35%胍膠壓裂液耐溫剪切曲線

圖2　0.45%胍膠壓裂液耐溫剪切曲線

圖3　0.5%胍膠壓裂液耐溫剪切曲線

圖4　二次交聯(lián)后壓裂液耐溫剪切曲線

考慮到該工藝在壓裂時(shí)實(shí)施油、套同注工藝，油管內(nèi)注入的過(guò)膠聯(lián)壓裂液和環(huán)空內(nèi)注人的基液必須在井底快速完成交聯(lián)，并且仍然具有良好粘彈性、耐溫耐剪切性和攜砂性能。為滿足這一條件將上述篩選出來(lái)的耐剪切性能最好的0.5%胍膠壓裂液與環(huán)空注入的基液按4∶1比例（依據(jù)油管排量與套管排量）混合，測(cè)試二次交聯(lián)后的壓裂液性能（見(jiàn)圖4）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示二次交聯(lián)壓裂液其交聯(lián)時(shí)間短（4 s）、抗剪切能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)剪切50 min后粘度仍大于150 mPa·s，能夠滿足水力噴射壓裂施工工藝要求。

1.6施工管柱的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)施工管柱為分兩段的水力分層壓裂管柱（見(jiàn)圖5）。

圖5　壓裂管柱結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)向頭+篩管+單向閥+一級(jí)噴槍（無(wú)滑套）+平式油管+二級(jí)噴槍（有滑套）+兩寸半平式扣油管+兩寸半外加厚油管。

管柱特點(diǎn)：（1）以不動(dòng)管柱的方式，采用兩級(jí)噴槍進(jìn)行分段射流壓裂；（2）篩管+單流閥的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)反洗井；（3）設(shè)計(jì)73 mm外加厚油管確保油管的抗拉強(qiáng)度。1.7井下工具的配套

對(duì)分層壓裂管柱中關(guān)鍵工具：兩級(jí)噴槍，滑套進(jìn)行優(yōu)選與改進(jìn)。管柱為滿足排量和流速的需求，對(duì)不同規(guī)格的噴嘴直徑、噴嘴數(shù)量和相位分布進(jìn)行優(yōu)選。噴槍采用6×Φ5.5 mm噴嘴組合，上下兩層，每層3個(gè)噴嘴，120°相位，總體相位角60°。針對(duì)該技術(shù)的高壓施工、高速射流的特點(diǎn)對(duì)滑套材質(zhì)進(jìn)行了改進(jìn)：（1）為提高滑套球座和承接臺(tái)階的耐磨性，設(shè)計(jì)以硬質(zhì)合金做材質(zhì)；（2）提高了剪斷銷釘?shù)募羟辛?，便于地面泵壓顯示滑套是否打開(kāi)。

圖6　二級(jí)噴槍中滑套結(jié)構(gòu)

1.8施工參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)該工藝的特點(diǎn)，選取了陳3平17井作為首口試驗(yàn)井，針對(duì)陳3平17井的油藏特點(diǎn)，確定了兩段壓裂裂縫的縫長(zhǎng)，縫高等參數(shù)，優(yōu)化了油管進(jìn)液排量壓力，套管進(jìn)液排量壓力，射孔液量，壓裂段塞配置。為保證施工的順利完成，施工中確?？偱帕吭?.5 m3/min～2.7 m3/min，其中油管排量2.0 m3/min，套管排量0.5 m3/min～0.7 m3/min。

表2　第一層裂縫模擬幾何尺寸

表3　第二層裂縫模擬幾何尺寸

由于該井已射孔完井，考慮施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓裂液的漏失，設(shè)計(jì)壓裂液的總準(zhǔn)備量約為總使用量的110%。

表4　兩段壓裂液用量分配

2　應(yīng)用效果

該項(xiàng)目在陳3平17井實(shí)施，壓裂液300 m3，加砂量12 m3，最高施工壓力51 MPa，關(guān)井壓力4 MPa，放噴25 m3，投產(chǎn)后累計(jì)增油2 413 t。

表5　陳3平17井措施后增油統(tǒng)計(jì)表

3　結(jié)論

（1）該項(xiàng)目通過(guò)前期調(diào)研、中期室內(nèi)試驗(yàn)以及方案優(yōu)化、后期現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，（2）與常規(guī)射孔相比，水力噴砂射孔深度較大、孔眼周?chē)鸁o(wú)壓實(shí)帶，有利于降低后續(xù)壓裂的起裂壓力，降低施工難度。

成功實(shí)現(xiàn)了本廠針對(duì)已射孔水平井段的分段壓裂技術(shù)，為本廠類似水平井油藏儲(chǔ)層改造提供新的手段。

（3）水力噴砂射孔壓裂組合工具，降低了井下卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)，降低了潛在的生產(chǎn)成本。

（4）水力噴砂分段壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)隔離，定向定點(diǎn)噴射壓裂，為水平井的精確造縫提供了保證。

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.06.014

TE243

B

1673-5285（2015）06-0049-04

2015－04-22