連續油管噴砂射孔技術在頁巖氣井的應用*

李源源，李劍秋，裴楚洲，羅 鵬，汪海濤

（1.川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，成都610051；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

連續油管噴砂射孔技術在頁巖氣井的應用*

李源源1，李劍秋1，裴楚洲1，羅 鵬1，汪海濤2,3

（1.川慶鉆探工程有限公司井下作業公司，成都610051；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

為了避免復合橋塞分級技術在頁巖氣井等復雜工礦開采中出現的橋塞下放不到位、常規磨鞋不能通過變形點、電纜斷裂、卡鉆等風險，采用連續油管噴砂射孔技術與縫內暫堵相結合代替傳統橋塞—射孔技術。介紹了水力噴射原理、噴嘴水力學參數的設計以及連續油管噴砂射孔施工配套技術的優化措施。采用連續油管噴砂射孔技術對昭通地區一口頁巖氣井進行了分段改造，結果表明，該技術在頁巖氣儲層改造中的應用可行且高效，具有能夠實現靈活分層、不受井筒變形限制、施工后井筒清潔和便于后期修井作業等特點。

連續油管；噴砂射孔技術；頁巖氣

Abstract:In order to avoid some risks of composite bridge plug classification technique in complex industrial and mining exploitation,such as the bridge plug does not reach the designated position,conventional grinding shoes cannot pass the deformation points,cable breakage,jamming of a drilling tool and so on,it adopted coiled tubing abrasive perforation technology and temporary plug instead of the traditional bridge plug-perforation technology.In this article,it introduced the principle of hydraulic jet,the hydraulic parameters design of nozzle,and the optimization measure of the matching technology of coiled tubing abrasive perforation.Using coiled tubing abrasive perforation technology to conduct subsection transform for a gas well in Zhaotong area,the results showed that the application of this technology in shale gas reservoir reconstruction was feasible and efficient,and can realize flexible layered,without being limited by the shaft deformation.The wellbore was clean after construction;It was convenient for later repair work.

Key words:coiled tubing;abrasive perforation;shale gas

川渝地區頁巖氣藏具有埋藏深、水平段長的特點，一般分級數在15級以上。傳統的橋塞—射孔技術受井筒條件影響很大，井筒縮徑或者變形會帶來橋塞下放不到位、正常磨鞋不能通過變形點、電纜斷裂、鉆磨過程中卡鉆等系列風險，從而影響后續試修作業，降低時效。連續油管噴砂射孔技術是一種既能實現大規模改造，又能達到分層壓裂、精細壓裂的成熟分級壓裂技術。這一技術通過連續油管攜帶噴射工具，利用投球打開滑套露出噴槍，噴砂射孔后隨之通過套管進行主壓裂，可實現較大規模改造；通過連續油管的精確定位，實施縫內暫堵，可對儲層縱向的多個薄互層進行靈活分層，達到精細壓裂的目的。連續油管噴砂射孔技術結合了射孔、套管大排量注入和連續油管精確定位的優勢，對于縱向多個產層的油氣藏分層壓裂，特別是薄互層壓裂具有顯著優勢。該技術分級不受限制、作業周期短、分層靈活精細且施工后可直接多層測試投產。因此，連續油管噴砂射孔技術在頁巖氣開發中的應用對我國（特別是川渝地區）頁巖氣開發有很好的啟發和借鑒意義。

1 水力噴砂射孔技術原理

水力噴砂射孔技術是通過地面上的壓裂車將有一定濃度的混合磨料經過液體加壓，通過油管泵送到井下，經過加壓后的混合磨料液體通過噴射工具的噴嘴，將其擁有的高壓勢能轉換為動能，形成高速射流，磨料液體通過這種方式做功，射穿套管和近井地層，從而打出一定深度和直徑的孔眼。水力噴砂射孔相比常規的聚能炮彈射孔，沒有形成壓實帶污染，能夠減輕近井筒地帶的應力集中，相應提高近井筒地帶的滲透率，穿透近井筒污染帶。伴隨著泄油面積的增大，有助于降低生產中的壓降，增大滲流速度，提高未污染地層流向井筒中的量度，從而提高整個油井的產量。射流過程如圖1所示。

圖1 射流過程示意圖

2 噴嘴水力學參數設計

噴嘴是形成高速水射流的核心元件，噴嘴尺寸直接影響流速、壓差、排量等參數，進而決定著連續油管噴砂射孔作業的成功與否。因此，噴嘴結構設計是整個工藝研究的重點。

水力噴砂射孔技術原理基于伯努利能量守恒方程，即

若忽略噴嘴兩個截面的高度差，且假設內外截面均為圓形，由兩截面間的伯努利方程可得

式中：p1—噴嘴內靜壓力，MPa；

p2—噴嘴外靜壓力，MPa；

v1—噴嘴內流體平均速度，m/s；

v2—噴嘴外流體平均速度，m/s；

ρ—流體密度，kg/m3。

前后截面的連續性方程為

噴嘴流道為圓管結構，截面A=πd2/4，且ρ1=ρ2， 由式（2）和式（3）聯立可得

式中：v—射流流速，m/s；

p—射流壓力，MPa。由出口速度×截面積=總流量，可得排量q=vA=v·πd2/4，因此，流速、排量和噴嘴尺寸的關系為

式中：v—射流流速，m/s；

q—排量，m3/min；

d—噴嘴等效直徑，m。

Φ50.8 mm（2 in）連續油管不同排量時各尺寸噴嘴對應壓力差數據見表1，對應流速見表2。實際使用結果表明，噴嘴直徑太小容易堵塞，而且壓力集中使得噴嘴易于損壞；直徑太大流速又達不到要求，無法射穿套管；噴嘴數量過少無法保證每段孔數。綜合考慮，選用4.5 mm直徑噴嘴，數量5個，排量在700～800 L/min時，效果較好。

表1 Φ50.8 mm（2 in）連續油管不同排量時各尺寸噴嘴對應壓力差

表2 Φ50.8 mm（2 in）連續油管不同排量時各尺寸噴嘴對應流速

3 泵注壓力

連續油管的泵注壓力由3個因素共同決定，即連續油管摩阻壓力、噴嘴壓降和井口回壓。

（1）連續油管摩阻壓力

式中：Δp—壓力損失，MPa；

Q—泵注排量，m3/min；

D—管內徑，mm；

L—連續油管長度，m。

值得注意的是，連續油管內泵注滑溜水的摩阻只有泵注清水摩阻的30%。

（2）噴嘴壓降

式中：p噴嘴—噴嘴壓降，MPa；

Q—排量，m3/min；

ρ—流體密度，kg/m3；

A—噴嘴總面積，cm2；

C—噴嘴流量系數，一般取0.92～0.97。

（3）井口回壓

根據井口壓力，選擇不同的油嘴，以控制井口回壓。

式中：p回壓—井口回壓，MPa；

Q—排量，m3/min；

ρ—流體密度，kg/m3；

D—油嘴內徑，mm；

Cd—油嘴流量系數，一般取0.9。

綜上，泵注壓力為

4 800 m長度Φ50.8 mm（2 in）連續油管選用9 mm油嘴時，不同排量對應的各壓力參數見表3。

表3 Φ50.8 mm（2 in）連續油管選用9 mm油嘴時的排量與壓力對應關系

4 施工配套技術優化

連續油管噴砂射孔技術在現場應用中，工藝程序與常規壓裂有明顯不同，具體體現在：①底端滑套需要投球打開噴槍，對連續油管操作要求高；②工藝采取噴砂射孔方式射開套管，壓裂后進行縫內暫堵，因此需要從工具和工藝上防止砂卡；③射孔過程、主壓裂過程中，為了控制泵注壓力（不能過高），要特別關注地面回壓的控制。

連續油管噴砂射孔施工過程中，一般要采取地面回壓控制和防砂卡措施。

4.1 地面回壓控制

在噴砂射孔過程中，通過地面流程放噴油嘴進行回壓控制，應急時可用針閥控制回壓。目的是防止已施工層段縫內堵塞失效，影響下段壓裂液體的流向。

4.2 防砂卡措施

若井筒存在一定殘砂，可能會導致連續油管起下困難，通過兩種方法解決這一問題：①從第二段開始，每次噴砂射孔前，先正沖砂到施工段以下5～15 m，再投球打開噴槍滑套，進行分簇射孔；②連續油管上起過程中，泵注設備連續泵注。

4.3 人工井底校深

從已知的人工井底校深，然后上起至第1簇進行射孔，起至第2段第1簇進行井深標示，為第2段射孔校深。

5 現場應用

5.1 施工概況

以昭通地區一口頁巖氣井為例，該井設計分13段進行儲層改造，實際完成13段施工，每段3簇射孔，每簇平均射時9 min，每段排量在700～800 L/min之間，除了第1段泵壓在42～44 MPa，其余各段泵壓集中在60～65 MPa。施工共擠入地層液量254 m3，20/40石英砂砂量24.64 t。作業井噴砂射孔壓裂參數匯總見表4。整個施工過程噴砂射孔及環空加砂順利，石英砂經過噴槍射穿套管時連續油管壓力出現明顯降低，射開儲層響應顯著。第3段噴砂射孔曲線如圖2所示，施工時所用噴槍實物照片如圖3所示。

表4 作業井噴砂射孔壓裂參數匯總表

圖2 第三段噴砂射孔曲線圖

圖3 噴槍實物圖片

5.2 效果分析

鉆井過程中，該試驗井工況復雜，造成水平段存在3個井眼：①原井眼，鉆進至2 954.25 m處遇卡，鉆具斷裂落井，注水泥塞；②側鉆井眼，于2 760 m處定向側鉆，鉆進至4 090 m處完鉆；③完井井眼，后續下鉆過程中遇阻，劃眼，開啟新井眼至3 134.6 m，注水泥塞，塞面2 954 m，鉆塞至3 132 m，在3 132 m～3 330 m旋轉導向嘗試連通老井眼未果，下套管完井。經過連續油管噴砂射孔分段改造后，目前用10 mm油嘴排液，折算日產氣4萬m3，說明該技術在頁巖氣儲層改造中應用是可行且高效的。

6 結 論

（1）連續油管噴砂射孔多級分簇套管壓裂技術是應用水力噴砂射孔、水力壓裂以及縫內分隔等多種工藝于一體的綜合型技術。具有簡化井下作業程序、無需機械封隔、降低作業風險等優點，適用于薄層、多產層的水平井逐層壓裂改造。

（2）相較于鉆磨復合橋塞多次起下更換磨鞋以及卡鉆、電纜斷裂風險，噴砂射孔一次起下可實現一次分級射孔和壓裂，作業時效顯著提高。

（3）Φ50.8 mm（2 in）連續油管可實現較大排量和較大規模的主壓裂改造，在頁巖氣儲層改造中具有較強的實用性。

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編輯：謝淑霞

Application of Coiled Tubing Abrasive Perforation Technology in Shale Gas Well

LI Yuanyuan1,LI Jianqiu1,PEI Chuzhou1,LUO Peng1,WANG Haitao2，3
（1.Downwhole Service Company,Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China;2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE257.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.008

國家重大科技專項“36—煤層氣鉆井工程技術及裝備研制（二期）”（項目編號2011ZX05036）。

李源源（1983—），碩士，主要從事連續油管作

業技術方案設計及項目管理工作。

2017-04-07