水平井水力噴射分段壓裂技術的研究與應用

趙紹偉

（江蘇油田試采一廠，江蘇揚州225000）

水平井水力噴射分段壓裂技術的研究與應用

趙紹偉

（江蘇油田試采一廠，江蘇揚州225000）

隨著本廠利用水平井開發的油藏類型范圍不斷擴大，水平井總數不斷增多，同時低效開發的水井數也逐漸增多，常規增產增效措施已無法滿足開發需求，針對這一問題，引進了集射孔、壓裂、分隔一體化的水力噴射分段壓裂技術儲層改造工藝。本項目結合油田油藏開發和完井特點，優化選井條件并開展了工藝技術的適應性研究，主要是在壓裂液的研究、井下工具的配套、施工參數的優化、施工管柱的設計等方面開展研究與應用、最終提高了低產低效水平井的單井產能。

壓裂；分段；噴射；水平井

近年來，隨著試采一廠利用水平井開發的油藏類型范圍不斷擴大，水平井總數不斷增多。據統計，試采一廠5 t以下的低產低效水平井多達52口，占水平井開井總數的55%。改善低效水平井的開發效果成為增產穩產的重要環節。針對這一問題，引進應用了水力噴射分段壓裂工藝。該工藝采用分段壓裂管柱對水平井段分兩段實施噴射壓裂，壓裂液基液攜帶石英砂對地層射孔，射孔后油管加壓裂砂對射孔段實施壓裂，投球打開滑套之后實施第二層噴射壓裂。

該技術是集射孔、壓裂、分隔一體化的新型儲層改造措施，具有一趟管柱實現多段壓裂的增產的特點，適合水平井儲層改造的需求。

1　水平井水力噴射分段壓力技術的研究

1.1目前水平井壓裂工藝的局限性

現場常用的分層（段）壓裂方法主要有：限流法壓裂、機械封隔器分層壓裂。限流法壓裂要求的射孔密度較低，將會妨礙射孔對有效井筒半徑的擴大；作業期間，在射孔通道和裂縫入口處可能出現過大的壓力降，并會影響攜砂液在層間的分布；限流法進行射孔提供的裂縫入口面積較小，在返排和生產期間，易使支撐劑返出。使用機械封隔器分層壓裂或分段壓裂工藝，施工完一個層位后，封隔器常常發生砂卡，導致井下事故。

1.2水力噴射分段壓裂技術原理

水力噴射分段壓裂技術是集磨料射流射孔、壓裂、隔離一體化的新型增產措施，在壓裂液中加入石英砂和支撐劑（陶粒）即可實現射流成孔和后續的分層/段壓裂作業。在作業過程中，高速射流在噴射開套管和地層后，在近井地帶形成一個深約700 mm、最大直徑可達60 mm的紡錘形孔眼，繼續噴射時，根據伯努利方程，射流動能轉換為勢能，導致孔內壓力升高；此外，噴射進入地層孔眼的流體在壓裂開地層前要返回井筒，返回的流體在套管壁面孔眼處起到了“水力密封環”的作用，致使孔眼內壓力將進一步高于環空壓力。因此，控制油套環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壓力高于環空壓力，裂縫可最先在此處起裂、擴展，即實現地層中的裂縫僅在水力噴射形成的孔眼位置破裂、擴展，但在其它層位由于環空壓力低于地層起裂壓力，裂縫將不再開裂、擴展。由于下入一次射流噴射裝置即可實現一口井中多個層位的壓裂，且能夠達到較為精確的定點分層壓裂，可以根據需要控制每個層位的壓裂規模，避免了壓裂的盲目性。

1.3水力噴射分段壓裂的特點

（1）無需下入封隔器等封隔工具，實現井段自動封隔與定點壓裂，水平井施工風險小。

（2）無需單獨射孔作業，實現了射孔、壓裂一次完成，比常規壓裂工藝節省作業工序。

（3）可實現一次管柱多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲層傷害。

（4）可用于裸眼、套管、篩管等多種完井方式。

1.4水力噴射階段參數的確定

室內采用壓裂液基液攜帶石英砂對加圍壓的巖心進行射孔實驗，將射孔壓力控制在25 MPa～40 MPa，通過試驗，在射孔壓力由25 MPa升至30 MPa時，射孔深度有加大幅度的提高，壓力由30 MPa上升到35 MPa時，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。

測試了不同粒徑的射孔石英砂對射孔深度的影響，石英砂粒度控制在直徑0.2 mm～0.6 mm，試驗表明，在0.3 mm～0.4 mm時，射孔深度最大，結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）。

實驗了不同石英砂濃度（石英砂與壓裂液基液的體積比）對射孔深度的影響，石英砂濃度在6%～8%時，射孔深度最大。

考察了噴砂射孔時長對射孔深度的影響，實驗時間5 min～25 min，從實驗結果來看，持續射孔5 min～10 min，孔深增幅明顯，10 min～15 min之內孔深達到最大且不再增加。

因此通過實驗得出水力噴射階段的基本參數：最優噴嘴壓力：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）；最優石英砂體積濃度：6%～8%；最優噴砂射孔時間：10 min～15 min。

1.5壓裂液配方研究

本廠目前應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（粘土穩定劑+助排劑+殺菌劑+防膨劑+純堿）+有機硼交聯劑，主要性能（見表1）。

表1　壓裂液質量指標

為增強壓裂液過噴嘴高速剪切后攜帶支撐劑的能力，同時減小壓裂液在地層中的濾失，在油管內采用過交聯壓裂液。考慮到該工藝對壓裂液的要求，在目前壓裂配方體系基礎上，主要從交聯劑的濃度和胍膠的使用濃度兩方面進行了優化。

本廠常用交聯劑的濃度范圍0.13%～0.25%，為使油管壓裂液交聯后達到過膠粘狀態，將交聯劑的濃度設定為0.26%，在過交聯的情況下，通過室內試驗模擬地層溫度下測試了不同胍膠濃度（0.35%、0.4%、0.5%）壓裂液的性能（見圖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　二次交聯后壓裂液耐溫剪切曲線

考慮到該工藝在壓裂時實施油、套同注工藝，油管內注入的過膠聯壓裂液和環空內注人的基液必須在井底快速完成交聯，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的耐剪切性能最好的0.5%胍膠壓裂液與環空注入的基液按4∶1比例（依據油管排量與套管排量）混合，測試二次交聯后的壓裂液性能（見圖4）。

實驗結果顯示二次交聯壓裂液其交聯時間短（4 s）、抗剪切能力強，實驗室內剪切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施工管柱的設計

設計施工管柱為分兩段的水力分層壓裂管柱（見圖5）。

圖5　壓裂管柱結構圖

導向頭+篩管+單向閥+一級噴槍（無滑套）+平式油管+二級噴槍（有滑套）+兩寸半平式扣油管+兩寸半外加厚油管。

管柱特點：（1）以不動管柱的方式，采用兩級噴槍進行分段射流壓裂；（2）篩管+單流閥的設計可實現反洗井；（3）設計73 mm外加厚油管確保油管的抗拉強度。1.7井下工具的配套

對分層壓裂管柱中關鍵工具：兩級噴槍，滑套進行優選與改進。管柱為滿足排量和流速的需求，對不同規格的噴嘴直徑、噴嘴數量和相位分布進行優選。噴槍采用6×Φ5.5 mm噴嘴組合，上下兩層，每層3個噴嘴，120°相位，總體相位角60°。針對該技術的高壓施工、高速射流的特點對滑套材質進行了改進：（1）為提高滑套球座和承接臺階的耐磨性，設計以硬質合金做材質；（2）提高了剪斷銷釘的剪切力，便于地面泵壓顯示滑套是否打開。

圖6　二級噴槍中滑套結構

1.8施工參數的優化

根據該工藝的特點，選取了陳3平17井作為首口試驗井，針對陳3平17井的油藏特點，確定了兩段壓裂裂縫的縫長，縫高等參數，優化了油管進液排量壓力，套管進液排量壓力，射孔液量，壓裂段塞配置。為保證施工的順利完成，施工中確保總排量在2.5 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，考慮施工時會出現壓裂液的漏失，設計壓裂液的總準備量約為總使用量的110%。

表4　兩段壓裂液用量分配

2　應用效果

該項目在陳3平17井實施，壓裂液300 m3，加砂量12 m3，最高施工壓力51 MPa，關井壓力4 MPa，放噴25 m3，投產后累計增油2 413 t。

表5　陳3平17井措施后增油統計表

3　結論

（1）該項目通過前期調研、中期室內試驗以及方案優化、后期現場應用，（2）與常規射孔相比，水力噴砂射孔深度較大、孔眼周圍無壓實帶，有利于降低后續壓裂的起裂壓力，降低施工難度。

成功實現了本廠針對已射孔水平井段的分段壓裂技術，為本廠類似水平井油藏儲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險，降低了潛在的生產成本。

（4）水力噴砂分段壓裂技術實現了自動隔離，定向定點噴射壓裂，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