基于水平井的水力噴射壓裂技術(shù)的研究

徐冠軍 雷金晶 后鑫

[摘要]本文在闡述水平井水力噴射分段壓裂的基本原理和其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了影響水力噴射分段壓裂的工藝參數(shù)，介紹了三種不同管柱的壓裂工藝。

[關(guān)鍵詞]水平井；水力噴射；壓裂技術(shù)

1.水力噴射壓裂的基本原理以及特點(diǎn)

1.1水力噴射壓裂的基本原理

水力噴射壓裂技術(shù)原理是借助水力噴射（壓裂）工具，通過兩個(gè)步驟將地層裂縫打開：第一步，將水平井水力噴射分段壓裂管柱下入設(shè)定位置，進(jìn)行水力噴射，利用高壓射流在地層形成一個(gè)（或多個(gè)）噴射孔道；第二步，當(dāng)孔道形成后，壓裂液經(jīng)油管由噴嘴以高速噴入孔道，同時(shí)通過環(huán)空注入基液補(bǔ)償?shù)貙悠渌课坏穆┦?，維持環(huán)空壓力以提高井眼壓力，將孔道中的壓力升高到一定程度，使孔內(nèi)壓力達(dá)到壓開地層的水平，防止進(jìn)入孔內(nèi)的壓裂液自孔口返出到環(huán)空，使地層產(chǎn)生裂縫并向深處延伸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣井的有效改造。

射流射入孔道實(shí)現(xiàn)增壓的過程中，壓裂液定點(diǎn)注入只產(chǎn)生局部增壓，不會(huì)在井筒其他部位形成高壓壓開新裂縫、也不會(huì)導(dǎo)致已有裂縫重新張開。

水力噴射壓裂工藝依靠高速射流，能夠在井下產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)域，促使環(huán)空流體進(jìn)入施工目的層段，實(shí)現(xiàn)壓裂過程的密封，無需機(jī)械密封裝置[3]。

1.2水力噴射壓裂射流密封計(jì)算模型

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，射流密封壓力與射流壓力、套管孔眼直徑和噴嘴直徑三個(gè)因素具有相關(guān)性。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸分析，得到水力噴射壓裂射流密封計(jì)算模型為[2][3][4]：

（1）

式中：K—試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸系數(shù)；

Ca—噴嘴流量系數(shù)，無量綱；

Δp—射流密封壓力，Mpa；

Pd—射流壓力，Mpa；

D—套管孔眼直徑，mm；

d—噴嘴直徑，mm。

依據(jù)式（1），結(jié)合管串摩阻優(yōu)化噴嘴尺寸及射流壓力，使得施工壓力在允許范圍內(nèi)獲得理想的射流密封壓力。

1.3水力噴射壓裂的特點(diǎn)

水平井水力噴射分段射孔壓裂技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1）工具結(jié)構(gòu)簡單；2）自動(dòng)隔離，可用于裸眼、套管水平井完井；3）射孔、壓裂一體化工藝；4）一次管柱可進(jìn)行多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲(chǔ)層傷害；5）壓井次數(shù)少，施工程序簡單；6）噴射壓裂可以有效降低地層破裂壓力，保證高破裂壓力地層的壓開和壓裂施工。

2.影響水力噴射分段射孔壓裂技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.1噴嘴結(jié)構(gòu)

水力噴射噴嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于對(duì)通過其中的液體及磨料的增速作用，為此采用多級(jí)收縮組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

水力噴砂噴嘴設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

1）能量轉(zhuǎn)換效率高；2）噴嘴的耐磨性好，壽命長；3）所產(chǎn)生的射流密集性好。

水力噴射噴嘴尺寸一要滿足水力噴射射孔的最佳速度要求，同時(shí)要滿足壓裂施工中攜砂液的流通要求。更要考慮施工中排量和砂比的因素，防止出現(xiàn)泵壓過高、砂堵等情況，所以，噴嘴孔徑以偏大為宜。

2.2噴射速度

研究表明，噴嘴出口流速在130-200m/s范圍內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)水力噴射穿孔破巖的目的。

3.水力噴射壓裂管柱及施工工藝研究

3.1動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱及工藝

動(dòng)管柱根據(jù)是否有封隔器可以分為無封隔器水力噴射施工管柱和有封隔器水力噴射施工管柱，無封隔器水力噴射施工管柱用于層間壓裂壓力差距較小的井段，有封隔器水力噴射施工管柱用于層間壓裂壓力差距較大的層段。

無封隔器水力噴射分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)：由安全接頭、水力噴射器、單流閥、扶正器、篩管以及絲堵組成。施工前先按設(shè)計(jì)下入壓裂管柱，調(diào)整好管柱長度，使噴嘴正對(duì)第一個(gè)壓裂位置，工具定位后開始噴射壓裂。該管柱是通過上提管柱至對(duì)應(yīng)壓裂層段的方式，來實(shí)現(xiàn)分段壓裂的。

施工工藝是：首先將管柱下入到第一段設(shè)計(jì)位置，下井定位后，打開套管閘門，從油管內(nèi)替入前置液后，提高排量和壓力，注入攜砂液進(jìn)行射孔，完成后關(guān)閉套管閘門，保持油管排量，同時(shí)從套管注液，提高地層壓力，形成壓裂。完成后放噴、洗井，再將管柱上提到第二段設(shè)計(jì)位置，對(duì)其進(jìn)行射孔、壓裂。

有封隔器水力噴射分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)，由懸掛器、水力噴射器、K344封隔器、單流閥、扶正器、篩管以及絲堵組成等組成，壓裂施工步驟與單級(jí)水力噴射管柱施工步驟相似，單流閥可以反向洗井，利用單流閥的功能可以使封隔器坐封，利用封隔器可以加強(qiáng)封隔效果。該管柱也是通過上提管柱至對(duì)應(yīng)壓裂層段的方式，來實(shí)現(xiàn)分段壓裂的。

3.2不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱及工藝

管柱結(jié)構(gòu)主要由安全接頭、扶正器、滑套式水力噴射器、水力噴射器、單流閥、篩管、絲堵組成。該管柱的工作原理與動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱大體相同，區(qū)別在于該管柱在施工過程中無需上提管柱，而是通過逐級(jí)投球的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層段的分段壓裂改造。

管柱下井定位后，打開套管閘門，從油管內(nèi)替入前置液后，提高排量和壓力，注入攜砂液進(jìn)行射孔，完成后關(guān)閉套管閘門，保持油管排量，同時(shí)從套管注液，提高地層壓力，形成壓裂。完成后投球打壓，打開上層滑套式水力噴射器，同時(shí)關(guān)閉下層，對(duì)上層進(jìn)行射孔、壓裂。

4.結(jié)論

1、水力噴射壓裂工藝中，射流離開噴嘴后速度衰減較快。致使孔內(nèi)壓力升高，提高整體孔道內(nèi)的靜壓大小以輔助壓裂作業(yè)。

2、該技術(shù)在一次增產(chǎn)過程中完成水力噴射射孔和壓裂，簡化了工藝程序，節(jié)省了施工時(shí)間提高了作業(yè)效率。

3、水力噴射壓裂技術(shù)在常規(guī)油氣田增產(chǎn)改造試驗(yàn)表明，水力噴射壓裂技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)分段多簇改造，對(duì)非常規(guī)油氣資源特別是煤層氣、頁巖氣的增產(chǎn)改造具有技術(shù)可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]Jessica H，Rafael H.Pinpoint fracture using a multiple-cutting process[R].SPE122949，2009

[2]曲海，李根等.水力噴射分段壓裂密封機(jī)理，石油學(xué)報(bào)[J].2011，32（3）：514-517.

[3]馬飛，楊逸等.水力噴射壓裂關(guān)鍵機(jī)理探討.天然氣經(jīng)濟(jì)與技術(shù)[J].2011，5（2）：71-73.

[4]劉永亮，王掙鐸等.水平井儲(chǔ)層改造新方法—水力噴射壓裂技術(shù).鉆采工藝[J].2008，31（1）：71-73.

[5]李根生，沈忠厚等.自振空化射流理論與應(yīng)用[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2008：1-5.

[6]李根生，牛繼磊等.水力噴砂射孔機(jī)理試驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，26（2）：31-34.