水力噴射分段壓裂技術在水平井施工中的應用

摘 要：當前，我們通常采用的分段壓裂技術如限流壓裂技術和機械封隔分段壓裂技術均有其自身限制性。而水力噴射分段壓裂技術囊括磨料射流射孔、壓裂、隔離等多項工藝，施工工藝簡便，實現安全生產，是提高產量的有效手段.我油田近幾年不斷擴大水平井的開發業務，但約占一半以上水平井均為低產，開發效率無法提高。文章通過對工程進行考查、試驗研究并優化施工方案，主要包括射孔壓力、壓裂液、井下工具、管柱、施工參數等方面的研究和設計，最終實現了低產水平井產能的提高。

關鍵詞：水平井；水力噴射分段壓裂；壓裂液；管柱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.114

0 前言

當前，我們通常采用的分段壓裂技術如限流壓裂技術和機械封隔分段壓裂技術均有其限制性。前者比較適用于密度偏小的射孔，從而會對井筒尺寸產生很大的限制。在施工過程中，可能會導致于射孔內及裂縫入口位置產生的壓力將太大且不利于層間壓裂液的良好分布。采用該壓裂技術還不能保證足夠大的裂縫入口，這可能會導致施工返排時支撐劑出現返出情況。如果采用機械封隔分段壓裂技術，在層位完工之后，封隔器比較容易出現砂卡的故障，這可能會引起發生施工事故。水力噴射分段壓裂技術能夠有效地提高低滲透油藏的產能，該技術囊括磨料射流射孔、壓裂、隔離等多項工藝，施工工藝簡便，能夠通過先進的施工工藝有效地提高射孔通道的壓力且無需封隔器械，施工故障率較小。

為了實現產能的提高，改善開發效果，經過認真分析后，決定采用水力噴射分段壓裂技術進行實際嘗試并應用。這項技術利用分段壓裂管柱進行兩層噴射壓裂。對地層采用石英砂攜砂液進行射孔，接著采用油管加壓裂砂進行壓裂處理，于投球并打開滑套之后進行下一層的施工。該施工工藝具有一趟管柱、多段壓裂的特點，是水平井儲層改造的一種有效的方法。

1 技術原理及特點

水力噴射分段壓裂技術囊括磨料射流成孔、壓裂、隔離多項工藝，施工工藝簡便，具有一趟管柱、多段壓裂的特點。該技術通過將支撐劑如陶粒及石英砂添加到壓裂液內來進行射孔和壓裂施工的。作業期間，對開套管及地層進行射流后，能夠于靠近水平井的位置構造一個最大半徑約3cm，深度約70cm的紡錘形孔。該孔形成后再進行射流，由伯努利原理可以液體動勢能的轉化會引起通道內壓力大大提高。另外，地層通道內的射流在壓裂開地層前返回井筒的過程中封閉了套管壁面的孔道，進而又可以將孔道內壓力水平提高一層。所以，如果環空壓力比地層破裂壓力稍低，可以通過調節，保證環空壓力略低于噴射孔眼處的壓力，使該位置最早出現裂縫，而于其它層位的環空壓力比地層起裂壓力小，會阻值裂縫的產生和擴展，從而確保將裂縫出現并擴大的位置被控制于射流孔眼周圍。該技術實現了水平井裝置一次下入便能進行多層位壓裂，并且壓裂精確度較高，能夠對壓裂規模進行適當地調控，提高了工程人員對工程的調控能力。

總體來說，該壓裂技術具有以下幾個工藝特點：第一，該技術能夠一次性做完射孔和壓裂工作，射孔工作不需另外去做，簡化了壓裂施工工藝；第二，該技術具有定點壓裂、自動封隔的特點，不需采用封隔器械，大大提高了施工安全度；第三，該技術一趟管柱、多段壓裂的特點，減小對儲層的破壞程度，縮短工程周期；第四，完井方式多樣，包括裸眼、套管等等。

2 參數計算

我們通過試驗分別進行了施工幾個基本參數的研究，具體包括：噴嘴壓力范圍，石英砂粒徑和濃度以及噴射時間等。

首先，進行了射孔壓力試驗研究。于室內對加圍壓的巖心進行石英砂攜砂液的射孔，控制射孔孔壓于25～40MPa范圍內。在試驗過程中發現，孔深在其壓力處于25～30MPa期間時提高幅度較大，而于30～35MPa期間時提高幅度有所減小。故我們選擇28～35MPa的范圍作為噴嘴射孔壓力的調節范圍。石英砂粒徑試驗主要考查其粒徑和射孔深度的關系，通過試驗發現，孔深在石英砂粒徑為0.4mm左右時達到最大，考慮本廠現有的石英砂，決定將其粒徑范圍控制在0.3～0.6mm范圍內。另外，試驗發現，射孔深度在石英砂粒徑為6%～8%范圍時達到最大。噴射時間的試驗主要考查的是噴射時間和射孔深度的關系。通過對5～25min的試驗結果觀察來看，射孔深度在噴射5～10min時深度明顯增大，而在10min后深度增大不明顯，到15min時基本停止。故確定了最佳噴射時長為10～15min。

綜合以上試驗結果可知，施工幾個基本參數分別為：噴嘴壓力范圍28～35MPa，石英砂粒徑0.3～0.6mm，濃度6%～8%，噴射時間10～15min。

3 壓裂液配方研究

該體系的配方如下：羥丙基水基胍膠，粘土穩定劑、助排劑、防膨劑、純堿等添加劑，硼交聯劑。壓裂液性能為：基液pH值=10～11，剪切速度和時間分別為170s-1和90min，表觀粘度≥50MPa·s。

壓裂液通過噴嘴配出，剪切速度很高，為了提高噴射后攜帶支撐劑的性能并最大限度控制器在地層中的濾失效應，采用過膠聯壓裂液。水力噴射分段壓裂在施工過程中采用了油、套同注工藝，即壓裂液通過油管注入，基液由環內注入，二者保持一定的比例且交聯過程需要在井底迅速完成并且還要保證優良的性能。結合施工對壓裂液的要求，我們對配方的交聯劑和胍膠的濃度兩個方面做了適當的優化處理。采用的交聯劑濃度主要處于0.13%～0.25%范圍內，為了測試過膠聯壓裂液的特性，我們設定0.26%為交聯劑濃度。在此條件下，我們通過試壓觀察不同的胍膠濃度對壓裂液性能的影響，其濃度分別設定為0.35%，0.4%，三種情況。最后發現胍膠濃度在0.5%時，壓裂液達到最佳剪切性能，我們通過油管和套管的規格確定壓裂液和基液混合比為4：1。二次交聯顯示的壓裂液性能表現如圖1所示。

由上圖可見，采用上述優化方式得到的壓裂液性能優良，抗剪性能高，于剪切50min后仍能保持超過150MPa·s的粘度；交聯迅速，僅僅為4s。完全可以滿足壓裂需要。

4 施工管柱設計

噴砂射孔管柱主要分為兩段，其組合主要為：導向頭+篩管+水平井單流閥+第一組不帶滑套噴槍+油管+第二組帶滑套噴槍+扣油管+兩寸半外加厚油管至井口。結構圖參見圖2所示。

管柱就位之后，便進行第一段的射流和壓裂工作，完工后再投球將第二組噴槍滑套打開，進行第二段的射流和壓裂。另外，該管柱中篩管和水平井單向閥能夠進行反洗井。外加厚油管能夠有效地保證了油管必要的強度。

5 井下工具配套

井下工具中的兩組噴槍和滑套比較重要，應特別進行挑選并優化。噴槍的關鍵參數包括噴嘴數量、口徑及相位分布。這些參數的篩選需要結合工程對噴槍排量和液體流速的要求。噴槍有兩層，每層有噴嘴3個，以120°角度排開，總體相位角60°，噴嘴尺寸為Φ5.5mm。

改進滑套材質以滿足本工程中高壓、高速射流的需要。首先，為了保證滑套球座和承接臺階具備足夠的抗磨性能，采用硬質合金作為材料；其次，對剪斷銷釘材料進行優化設計，確保其具備足夠的剪切力以便滑套開啟與否能夠準確表現于地面泵壓。

6 施工參數優化

我們根據水力噴射分段壓裂技術的特點和要求，我們選取了試驗井，首先對壓裂裂縫的長度和高度等數據進行了確定。第一層、第二層的裂縫設計尺寸參見表1所示。

對油管、套管的進液排量進行設計，最終確定油管進液排量為2.0m3/min，套管的進液排量為0.5～0.7m3/min。此外，對射孔液量，壓裂段塞配置進行優化。

另外，為了避免作業過程中可能出現的壓裂液漏失情況帶來的不便，我們準備10%的裕量。工程中兩層壓裂液用量情況如表2所。

本工程施工壓力最高達51MPa，關井壓力4MPa，放噴達25m3。壓裂液共使用284.2m3，石英砂用量共12m3。最終使油產量共增加2414t。

7 結語

井下作業公司目前引進水力噴射分段壓裂技術，對工程進行考查、試驗研究并優化施工方案，通過在實際水平井段的具體應用，積累了寶貴的施工經驗和數據資料，可用于指導類似的水平井油藏的開發項目；相對于一般的射孔手段，采用水力噴砂的射孔方式，能夠保證孔邊不出現壓實帶，能夠有效緩解地下一道工序的起裂壓力，施工操作相對簡單并且能夠取得教滿意的射孔深度；采用井下組合工具，無任何封隔器械，大大減小了卡鉆情況的發生，提高施工安全；該技術具備的一趟管柱、多段壓裂的特點，減小對儲層的破壞程度，縮短工程周期；定向定點噴射，實現高精度造縫。

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作者簡介：王少寧（1975-），男，河北曲陽人，助理工程師，研究方向：油氣田開發。