水力噴射分段壓裂工具施工效率提高方法

侯世紅，李典虹，張德華（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

水力噴射分段壓裂工具施工效率提高方法

侯世紅，李典虹，張德華
（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

水力噴射分段壓裂技術應用于水平井壓裂是一項比較成熟的壓裂技術，但在施工過程中出現的問題較多，施工效率低。為了提高現場施工效率，根據水力噴射壓裂工具在長慶油田的使用情況，分析了現場出現問題的形成原因，針對性地對工藝和工具進行改進，取得了良好的效果，施工過程更加順利，施工效率不斷提高。

水力噴射；分段壓裂技術；水平井壓裂；施工效率

Improvement of Construction Efficiency of Hydraulic Jet Fracturing Tools

隨著油田開采的發展，物性好、滲透率高的儲層越來越少，對現有儲層的改造，比去探明新的儲層更具有實際意義［1］。水平井技術作為主要增產技術，在國內各大油田有著廣泛的應用，而水力噴射分段壓力技術以其管柱結構簡單，易于操作，坐封可靠，施工安全，適用范圍廣等優點［2］，在水平井改造過程中具有很好的優勢。該技術在國內應用已經非常成熟，效果顯著，成為國內水平井改造的基本技術。

1　水力噴射工藝原理

水力噴射分段壓裂技術是將水力噴砂射孔和水力壓裂工藝相結合，噴點定位準確，裂縫起裂位置明確。長慶油田水力噴射分段壓裂工藝，在傳統的液體自封隔基礎上，加入機械封隔器，保證坐封可靠，同時具有施工壓力低、排量大、砂比高、砂量大、施工效率高的優點。水力噴砂射孔主要采用高強度水力噴射器，在指定噴點位置將高壓液體從水力噴射器中高速射出，射開套管跟水泥環，同時在巖石進井帶射出孔眼，便于壓裂施工和確定裂縫的起裂位置。如圖1所示。

圖1　水力噴砂射孔示意

水力噴砂射孔基于伯努利方程：

式中：p為流體所受的壓力，MPa；ρ為流體密度，kg／m3；v為流動速度，m／s；g為重力加速度，m／s2；z為流體所在平面鉛直高度，m；C為常數。

由上式可知，液體密度與平面高度固定的情況下，液體所受的壓力可以轉化為液體的速度［3］。

水力噴砂射孔完成后，進行水力壓裂工藝，關閉套放閘門，開始憋壓，高壓液體造縫，裂縫從射孔孔眼尖端起裂，并隨著壓力的存在得以延伸，隨后從套管或者油管泵入攜砂液。停止泵入后，關井、放噴、洗井，隨后將工具提至下1段，開始下1段壓裂。

2　水力噴射分段壓裂工藝管柱

水力噴射分段壓裂工藝管柱如圖2所示。

圖2　水力噴射分段壓裂工藝管柱

管柱工藝組合為導向絲堵+篩管+單流閥+小直徑封隔器+水力噴射器+安全丟手。其中導向絲堵起導向作用，利于管柱順利下入井中；篩管在反洗井時液體進入的通道，同時起過濾作用；單流閥保證在射孔階段，液體只從噴射器中流出，在壓裂過程中，形成節流壓差，保證封隔器坐封；封隔器在壓裂過程中將壓裂段與已完成壓裂段封隔，保證壓裂段順利實施；水力噴射器為水力噴砂射孔的主要工具，其上裝配高強度噴嘴；安全丟手是在遇到卡井等問題時，管柱無法起出，通過投球，剪短丟手銷釘，使管柱與工具分離，從而起出管柱［4-5］。

3　常見的施工問題

3.1卡鉆

卡鉆是水力噴射分段壓裂過程中最容易出的問題，主要有砂卡與工具卡。砂卡是在壓裂施工完成后，地層吐砂過于嚴重，導致井下壓裂工具被埋，無法上提或者下放管柱。工具卡是施工完成后封隔器不解封，從而無法活動鉆具。此外還有異常卡鉆，如井底有異物等引起的卡鉆。

3.2工具失效

工具失效也是水力噴射分段壓裂過程中容易出現的問題之一，包括噴射器失效與封隔器失效，如圖3～4所示。噴射器失效的主要原因是噴射器噴嘴脫落，噴嘴脫落，導致節流面積增大，從而壓力減小，無法順利射孔，此外當施工壓力過大，或者施工段數過多，噴射器所受反濺傷害嚴重，可能導致噴射器被刺穿。封隔器失效是指封隔器無法正常坐封或者解封，以及所受反濺或者蠕動傷害過大，從而失去施工能力。

圖3　噴射器失效

圖4　封隔器失效

3.3地層壓不開

對于一些致密地層，施工中會出現憋壓數次，而地層依然無法起裂的情況。這種情況一般處理方法就是擠酸處理或者打段塞，若依然無法起裂，則考慮重新射孔，換噴點位置壓裂，或者放棄該段壓裂。

4　提高施工效率方法

4.1改變加砂方式

從以前的油管加砂，套管補液，改為環空加砂、油管補液。其一減小噴嘴過液量，套管加砂后，油管過夜量減小，對噴射器噴嘴起到很好的保護作用；其二環空體積大，節流壓差小，施工壓力大大減小，可以實現大排量以及大砂量施工。

4.2優化壓裂工具

4.2.1提高噴射器質量

針對目前噴射器在水平井壓裂中的施工情況，主要存在2方面的問題。一是噴射器主體強度較弱，在水力噴砂射孔時，射孔水流經套管反濺至噴射器主體，對噴射器造成較大反濺傷害。輕者可以在噴射器噴嘴周圍沖出漩渦狀，重者則會導致噴射器刺穿，或者將噴嘴周圍的噴射器主體以及壓帽沖擊形成較大的坑，導致噴嘴與壓帽間的接觸面積減小，從而在施工時可能導致噴嘴脫落，導致整套工具失去施工能力，同時存在卡鉆風險。二是噴射器噴嘴脫落。在正常施工中，有將近10%～20%的工具，在反洗井過程中因為噴射器噴嘴脫落導致整套工具失效而失去工作能力。如圖5～6所示。

圖5　噴射器受反濺傷害嚴重

圖6　噴射器噴嘴脫落

針對現場使用過程中出現的以上問題，采用3方面的改進辦法。

1）提高噴射器本體的材質，改進噴射器的熱處理工藝，從而提高噴射器主體表面的強度，降低噴射器的反濺傷害程度。

2）改進噴射器結構，現場使用噴射器結構組成如圖7所示。噴嘴與壓帽連接用粘接膠粘接。2014年，將粘接膠從樂泰638改進為進口JBWELD膠，減少了噴嘴掉落的數量，但是無法從根本上進行控制。后期可從固定方式入手，將膠粘接改為機械固定連接，可從根本上解決問題，但是出于結構受限以及高強度要求的考慮，目前正在研究當中。

圖7　噴射器結構示意

3）采用硬質合金壓帽代替普通的壓帽。反濺主要是在噴射器周圍區域內，采用硬質合金壓帽后可以大幅度減小噴嘴周圍的反濺傷害程度，同時有利于減少噴嘴掉落的數量。壓帽改進前后的對比如圖8～9所示。

圖8　施工6段后的普通壓帽

圖9　施工8段后的合金壓帽

4.2.2提高封隔器質量

封隔器是壓裂工藝管柱中最關鍵、最核心的部分，封隔器質量嚴重制約著施工效率的提高。對于封隔器質量的改進，主要是通過改進封隔器質量以及更換封隔器型號。2014年在長慶油田通過將K344-108型鋼絲式封隔器改進為鋼帶式封隔器，施工效率從每趟鉆平均2段左右提升至4段左右；此后將鋼帶式封隔器不斷改進，通過提高鋼帶鋼材質量，以及提高膠筒質量和加長膠筒長度，獲得了良好穩定的性能，并在施工中創造了最高一趟鉆施工12段的記錄。2015年年初，通過引進Y211型壓縮式封隔器，施工效率再次得到提升，一趟鉆施工最高為11段，且起出工具仍具有施工能力，平均施工效率達到每趟鉆5.1段，且一趟鉆施工完整口井的比例達到40%以上。

4.3壓后施工控制

壓裂完成后的關井、放噴、洗井等工作，對于施工效率的提高尤為關鍵。首先保證關井時間充分，地層壓力得到徹底釋放，在此后放噴過程中，會大幅降低地層吐砂量，也會降低液體反沖蝕對壓裂工具的損傷。當放噴過程排量適宜時，可立即反洗井，以免返排液排量過低造成砂沉積，導致卡鉆等；且反洗井排量及壓力不宜過高，以免導致噴射器噴嘴脫落。2014年年初在長慶油田陜北區塊的YX10-25井壓裂段數10段，使用工具5套，以及YX8-24井壓裂段數12段，使用工具6套，YX8-22井壓裂段數10段，使用工具5套，平均施工效率僅為每套工具2段，施工效率低，起下鉆工作任務繁重，試油周期長，主要原因是關井時間不充分，同時采用700型水力車洗井，排量低，洗井不徹底。此后通過延長關井時間，控制放噴排量，采用2000型主壓車洗井，在同一區塊施工的3口井YX10-24、YX16-9以及YX7-22，平均施工效率為每套工具5.2段，一套工具最高段數為7段，效果顯著，壓裂周期從之前的40 d減少為15 d左右。

5　結語

近年來，長慶油田在水平井壓裂過程中采用改進壓裂工具質量、優化壓裂工藝和施工過程，使施工效率不斷提高，降低了試油周期與成本，減小了試油勞動強度，降低了井控風險，提高了油田產量。

［1］孫聰聰，檀朝東，宋健，等.國內外水平井壓裂工藝技術綜述［J］.中國石油和化工，2014（10）：50-52.

［2］李玉寶，呂瑋.水平井水力噴射分段壓裂技術研究與應用［J］.內蒙古石油化工，2011（3）：26-28.

［3］郝增賢，孫澤貞，冉風華，等.水力噴砂壓裂工藝在水平井中的應用［J］.油氣井測試，2014，23（5）：56-58.

［4］朱正喜，曹會，陳沙沙.國內水力噴射壓裂工藝技術應用研究進展［J］.石油礦場機械，2014，43（12）：82-87.

［5］任勇，馮長青，胡相君，等.長慶油田水平井體積壓裂工具發展淺析［J］.中國石油勘探，2015，20（2）：75-81.

HOU Shihong，LI Dianhong，ZHANG Dehua
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China ）

Hydraulic fracturing technique applied to horizontal well fracturing is a basic and applied basic fracturing technology in horizontal wells.With the development of the technology，the con-struction problems，the problem of low efficiency of the construction of the tool is gradually coming out.In order to improve the efficiency of construction site，According to hydraulic jet frac-turing tools used in Changqing oil field，analysis of site prone to the basic problems and causes were made，aiming at the improvement of technology and tool，so as to have a good effect，so as to continuously improve the construction efficiency，and construction process more smoothly，gradu-ally to meet the requirements of construction site.

hydraulic jeting；piecewise fracturing technology；horizontal well；construction efficiency

TE934.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.012

1001-3482（2015）12-0048-04

2015-06-29

侯世紅（1994-），男，甘肅天水人，碩士研究生，主要從事壓裂技術的研究，Email：694293972＠qq.com。