連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂工具研制

孫 鑫，程智遠(yuǎn)，周曉昱，王 瑤，丁柯宇，姚衛(wèi)東，徐 敏

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300280；2.大港油田 第一采油廠，天津300280）

連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂工具研制

孫 鑫1，程智遠(yuǎn)1，周曉昱2，王 瑤1，丁柯宇1，姚衛(wèi)東1，徐 敏1

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津300280；2.大港油田 第一采油廠，天津300280）

連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂技術(shù)可以不限次數(shù)進(jìn)行多級壓裂，實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模儲層改造。針對蘇里格氣田的低壓、低滲、低產(chǎn)的特點(diǎn)，研制了連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂工具。介紹了工藝管柱的組成，并對噴嘴、封隔器、卡瓦的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在蘇25-2-2 H井進(jìn)行的試驗(yàn)表明：該項(xiàng)技術(shù)的作業(yè)周期短、分層靈活并精細(xì)、封隔可靠，施工后井筒清潔。為致密氣藏的多級分段改造提供了有效方法。

連續(xù)油管；噴砂射孔；分段壓裂；工具

隨著我國油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，儲層薄、低壓、低滲、高含水、儲采失衡等問題日益凸現(xiàn)，這些薄差油氣田的油層分散、層間跨距無序，普通壓裂技術(shù)已無法滿足高效開采的需求。近年來，噴砂射孔環(huán)空多級分段壓裂工藝成為解決這一問題的核心方法［1］。

連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂分為射孔和壓裂2個(gè)階段。射孔工具多采用噴槍形式，也可用壓差滑套代替射孔過程。但是，當(dāng)滑套無法打開時(shí)仍需采用射孔槍完成射孔作業(yè)［2］。壓裂完成后只需解封連續(xù)油管封隔器便可。該項(xiàng)工藝技術(shù)具有工藝簡單、施工周期短、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

渤海鉆探工程技術(shù)研究院將措施工藝需求與理論分析相結(jié)合，研制了基于封隔器封隔適用于連續(xù)油管的噴砂射孔環(huán)空分段壓裂工具，并在蘇里格地區(qū)成功應(yīng)用。本文將介紹該工藝管柱設(shè)計(jì)原理，并以蘇里格氣田蘇25-2-2 H井為例介紹該工具在現(xiàn)場的應(yīng)用情況。

1 管柱組成

組成該工藝管柱的主要工具為噴槍、卡瓦式封隔器、定位器，如圖1所示。此外還包括：連續(xù)油管接頭、液壓丟手、反循環(huán)接頭等工具。工具在整個(gè)施工過程中有入井、坐封和解封狀態(tài)。在噴砂射孔和主壓裂過程中，該工具處于坐封狀態(tài)；在連續(xù)油管定位和轉(zhuǎn)層過程中，該工具處于解封狀態(tài)［2］。

圖1 管柱組成

2 施工過程

1） 連續(xù)油管帶著工藝管柱下至預(yù)定位置。

2） 套管接箍定位器定位、校深。

3） 下放連續(xù)油管坐封封隔器。

4） 連續(xù)油管加壓驗(yàn)封（第1段不需要驗(yàn)封封隔器）。

5） 建立起液體循環(huán)。

6） 進(jìn)行噴砂射孔作業(yè)。

7） 注入頂替液。

8） 進(jìn)行加砂壓裂作業(yè)。

9） 解封封隔器，上提連續(xù)油管至下一個(gè)施工井段。

3 工藝的優(yōu)點(diǎn)

1） 水力噴砂射孔克服了射孔彈的壓實(shí)作用，可有效解除近井地帶的封堵效應(yīng)，減少了對油氣藏的污染和傷害。

2） 該項(xiàng)工藝只需下入1趟管柱、使用1個(gè)封隔器就能逐級封隔多個(gè)氣層。

3） 采用環(huán)空壓裂，施工排量大、加砂量大、砂比高，且大幅延長噴嘴的壽命。

4） 下1趟管柱能實(shí)現(xiàn)射孔和壓裂作業(yè)，壓裂施工周期短，減少了壓后的油氣層污染。

5） 起出連續(xù)油管后，井筒全通徑即具備生產(chǎn)條件，可實(shí)現(xiàn)多層直接測試投產(chǎn)。

4 關(guān)鍵工具設(shè)計(jì)

4.1 噴槍

噴槍設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是噴嘴的參數(shù)計(jì)算。噴嘴的幾何參數(shù)決定噴射壓力和噴槍壽命，根據(jù)成熟經(jīng)驗(yàn)，采用兩級收縮噴嘴，長徑比為3～5［3］。多級壓裂技術(shù)需要噴槍1次入井反復(fù)使用，因此噴嘴壽命是該工藝的關(guān)鍵技術(shù)，噴嘴幾何參數(shù)、表面粗糙度和噴嘴材料是主要影響因素。該噴嘴的材料采用國外生產(chǎn)的特殊硬質(zhì)合金，此材料具有較高的粒子結(jié)合強(qiáng)度，能夠滿足高耐磨需求，與陶瓷、梯度功能材料、復(fù)合碳材料等比較，易于加工、價(jià)格合理。

噴嘴的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算依據(jù)：

1） 液體各級壓力損失

式中：Δp為壓力損失，MPa／m；q為液體流量，L／min；D為管內(nèi)徑；mm；R e為雷諾數(shù)。

2） 噴嘴前后壓差

式中：Q為流量，L／min；A 為噴嘴截面面積，mm2；ρ為流體密度，kg／m3；μ為流量系數(shù)。

3） 噴嘴直徑

式中：p為噴射壓力，Pa；q為噴射流量，L／min；n為噴嘴個(gè)數(shù)；η為噴嘴效率。

4） 沖蝕磨損體積損失量

式中：v0為砂礫沖擊速度，m／s；r為砂礫半徑，mm；ρ為砂礫密度，kg／m3；KIC為噴嘴材料的斷裂韌性；Hm為噴嘴材料硬度。

依據(jù)計(jì)算的噴嘴參數(shù)設(shè)計(jì)的噴槍結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要幾何參數(shù)及水力試驗(yàn)結(jié)果如表1～2。

表1 噴槍關(guān)鍵參數(shù)

表2 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)后泵壓無明顯下降，噴嘴磨損程度較低，因此該設(shè)計(jì)滿足工藝要求。

4.2 封隔器設(shè)計(jì)

封隔器設(shè)計(jì)主要考慮膨脹比、坐封可靠、解封迅速可靠、避免砂卡［4］4個(gè)方面。采取的措施：

1） 由不同本構(gòu)關(guān)系橡膠材料和金屬結(jié)構(gòu)組合而成。在保證密封可靠的前提下提供了足夠的膨脹比例，解決了封隔器半徑過大、易卡鉆的問題；加快了解封速度并保證解封完全。

2） 機(jī)械力與液壓混合動(dòng)力坐封，可適用于連續(xù)油管。

3） 解封時(shí)封隔器外殼分段上提設(shè)計(jì)，在解封上提管柱時(shí)能夠使橡膠筒內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，保證解封完全，避免卡鉆［4］。

該封隔器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 封隔器的坐封單元結(jié)構(gòu)

坐封單元的基本參數(shù)如表3。

表3 封隔器坐封單元的技術(shù)參數(shù)

在模擬井內(nèi)對膠筒（YS-113-15-35型）進(jìn)行試驗(yàn)，模擬井下工作條件為加砂壓裂液、150℃，進(jìn)行膠筒坐封、密封、解封性能試驗(yàn)。膠筒坐封壓力為15 MPa，密封壓差為48 MPa，試驗(yàn)時(shí)膠筒保壓穩(wěn)定，經(jīng)40個(gè)模擬作業(yè)試驗(yàn)后膠筒狀態(tài)完好。結(jié)果表明，膠筒的耐油、耐壓和密封性能滿足噴砂射孔環(huán)空多級分段壓裂作業(yè)的要求。

4.3 卡瓦設(shè)計(jì)

卡瓦設(shè)計(jì)主要考慮卡緊可靠、避免上提自鎖、能與套管脫離3個(gè)方面?？ㄍ哐啦牧线x用高碳合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過滲碳淬火后硬度大于60 HRC，高硬度可避免由變形引起的卡瓦與套管無法解卡?？ㄍ叩目ňo過程是靠楔形體下移擠壓，使卡瓦徑向擴(kuò)張而錨定套管，因此，卡瓦卡緊管柱的基本條件是楔形體下行時(shí)能否帶動(dòng)卡瓦牙而實(shí)現(xiàn)錨定作用。擠壓作用越強(qiáng)，管柱卡緊越可靠?？煽靠ňo的條件是：

式中：f1為卡瓦體與楔形體之間的摩擦因數(shù)；f2為卡瓦體與管柱之間的摩擦因數(shù)；α為楔形體的斜角度。

不自鎖條件：

根據(jù)力學(xué)平衡條件，各卡瓦牙施加給管柱的徑向壓緊力的總和為

式中：P為卡瓦表面正壓力；Q為管柱重力。

因此，卡瓦的最小接觸面積S為

式中：［σy］為材料的許用擠壓應(yīng)力。

卡瓦的強(qiáng)度應(yīng)按最大作用載荷并考慮25%的過載進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)安全系數(shù)應(yīng)不小于2。

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

蘇里格氣田屬于典型的“三低”氣田，主要目的層屬沖積平原背景下辮狀河沉積體系，疊置砂體具有明顯的方向性，氣藏規(guī)模小，砂體展布范圍有限，有效砂體連通性差，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)［5］，僅采用水平井是達(dá)不到理想開采效果的，需要通過一系列的增產(chǎn)措施增加水平井的產(chǎn)能。2012-08，在蘇里格氣田蘇25-2-2 H井用該連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂技術(shù)進(jìn)行了一趟管柱9層射孔、壓裂作業(yè)。2012-11-03投產(chǎn)，測試產(chǎn)量為6.05×104m3／d。截止到2013-03-28，該井日產(chǎn)氣量為5.3×104m3／d。

此次施工進(jìn)行了9段的加砂壓裂，也是該項(xiàng)工藝技術(shù)在蘇25區(qū)塊的第1次作業(yè)。主壓裂施工中封隔器坐封可靠，易解封，壓裂后返排快速，這一技術(shù)在該地區(qū)的成功實(shí)施，為我國非常規(guī)致密砂巖氣的開發(fā)提供了切實(shí)可行的新方法。

6 結(jié)論

1） 蘇25-2-2 H井采用連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分段壓裂技術(shù)，產(chǎn)量約為同區(qū)塊其他井產(chǎn)量的2倍，且作業(yè)周期短，投產(chǎn)快，充分證明了該技術(shù)比常規(guī)壓裂技術(shù)先進(jìn)。

2） 該項(xiàng)分段壓裂技術(shù)與常規(guī)分段壓裂技術(shù)相比，無需投球，不受球徑級次的影響，可以達(dá)到無限段數(shù)的壓裂。

3） 此次施工過程中存在同一段多次噴射的現(xiàn)象，在以后的工作中應(yīng)不斷總結(jié)，優(yōu)化出噴砂射孔的最優(yōu)參數(shù)。

4） 采用該套工具及其配套技術(shù)，施工過程簡單快捷，安全可靠，同時(shí)能提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和減少對地層環(huán)境的傷害，在“三低”氣田的增產(chǎn)作業(yè)中將發(fā)揮重要作用。

5） 國外已多次成功實(shí)施連續(xù)油管水力噴射環(huán)空分段壓裂，尤其在環(huán)空注入壓裂方面取得了很大的進(jìn)步，而國內(nèi)相關(guān)的現(xiàn)場試驗(yàn)還停留在起步階段。在四川盆地、鄂爾多斯盆地實(shí)施的幾口井表明，現(xiàn)在國內(nèi)還不能單獨(dú)完成該項(xiàng)技術(shù)的施工，需要和國外公司進(jìn)行合作。所以，國內(nèi)需要加快連續(xù)油管配套工具的研制與現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)油田需求，配套合適的連續(xù)油管壓裂作業(yè)井口裝置、地面設(shè)備及連續(xù)油管車組，解決制約連續(xù)油管技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的關(guān)鍵問題，盡快讓這項(xiàng)技術(shù)國產(chǎn)化。

［1］ 秦玉英.連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空分層壓裂技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009，32（4）：49-50.

［2］ 錢斌，朱炬輝，李建忠.連續(xù)油管噴砂射孔套管分段壓裂新技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（5）：67-69.

［3］ 李根生，沈忠厚.高壓水射流理論及其在石油工程中應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.石油勘探與開發(fā)，2005，32（1）：96-99.

［4］ 王瑤，馮強(qiáng)，丁柯宇.適用于連續(xù)油管的封隔器管柱結(jié)構(gòu)及原理分析［J］.石油礦場機(jī)械，2013，42（1）：83-86.

［5］ 李建奇，楊志倫，陳啟文，等.蘇里格氣田水平井開發(fā)技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（8）：60-64.

Desing of Coiled Tubing Abrasive Perforating and Annulus Staged Fracturing Tool

SUN Xin1，CHENG Zhi-yuan1，ZHOU Xiao-yu2，WANG Yao1，DING Ke-yu1，YAO Wei-dong1，XU Min1
（1.Engineering Technology Research Institute，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Li mited，Tianjin，300280，China；2.No.1 Oil Production Pl ant，Dagang Oil f iel d，Tianjin 300280，China）

The technology of coiled tubing abrasive perforating and annulus staged fracturing can be an unli mited nu mber of multi-stage fract uring，which can be used in extensive reser voir i mpr ovement.In all usion to the characteristic of low pressure，low per meable，low yield in Sulige area，the coiled tubing abrasive perf orating and annul us staged fract uring tool is developed.The process pipe col u mn is intr oduced，to calculate the key parameters of the nozzle，packer and slip.The test of the Su25-2-2 H indicates that this technology wor king style is short，the layering is precise，t he packing is reliable and t he well boreis clean.The technology can solve multistage layering effectively in tight gas reservoir.

coiled t ubing；abrasive perf orating；multistage fract uring；tool

TE934.203

B

1001-3482（2014）06-0073-04

2013-12-23

孫 鑫（1985-），男，安徽亳州人，2009年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院石油工程專業(yè)，E-mail：sx150226＠163.co m。