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(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)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(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

水力噴射分段壓裂技術(shù)應(yīng)用于水平井壓裂是一項(xiàng)比較成熟的壓裂技術(shù)，但在施工過程中出現(xiàn)的問題較多，施工效率低。為了提高現(xiàn)場施工效率，根據(jù)水力噴射壓裂工具在長慶油田的使用情況，分析了現(xiàn)場出現(xiàn)問題的形成原因，針對性地對工藝和工具進(jìn)行改進(jìn)，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(shù)；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(fā)展，物性好、滲透率高的儲層越來越少，對現(xiàn)有儲層的改造，比去探明新的儲層更具有實(shí)際意義［1］。水平井技術(shù)作為主要增產(chǎn)技術(shù)，在國內(nèi)各大油田有著廣泛的應(yīng)用，而水力噴射分段壓力技術(shù)以其管柱結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，坐封可靠，施工安全，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［2］，在水平井改造過程中具有很好的優(yōu)勢。該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，效果顯著，成為國內(nèi)水平井改造的基本技術(shù)。

1　水力噴射工藝原理

水力噴射分段壓裂技術(shù)是將水力噴砂射孔和水力壓裂工藝相結(jié)合，噴點(diǎn)定位準(zhǔn)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(tǒng)的液體自封隔基礎(chǔ)上，加入機(jī)械封隔器，保證坐封可靠，同時(shí)具有施工壓力低、排量大、砂比高、砂量大、施工效率高的優(yōu)點(diǎn)。水力噴砂射孔主要采用高強(qiáng)度水力噴射器，在指定噴點(diǎn)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(huán)，同時(shí)在巖石進(jìn)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(shù)。

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(zhuǎn)化為液體的速度［3］。

水力噴砂射孔完成后，進(jìn)行水力壓裂工藝，關(guān)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)向絲堵起導(dǎo)向作用，利于管柱順利下入井中；篩管在反洗井時(shí)液體進(jìn)入的通道，同時(shí)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(jié)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(shí)施；水力噴射器為水力噴砂射孔的主要工具，其上裝配高強(qiáng)度噴嘴；安全丟手是在遇到卡井等問題時(shí)，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(yán)重，導(dǎo)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?？ㄣ@，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(xiàn)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(dǎo)致節(jié)流面積增大，從而壓力減小，無法順利射孔，此外當(dāng)施工壓力過大，或者施工段數(shù)過多，噴射器所受反濺傷害嚴(yán)重，可能導(dǎo)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(xiàn)憋壓數(shù)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(diǎn)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(bǔ)液，改為環(huán)空加砂、油管補(bǔ)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(hù)作用；其二環(huán)空體積大，節(jié)流壓差小，施工壓力大大減小，可以實(shí)現(xiàn)大排量以及大砂量施工。

4.2優(yōu)化壓裂工具

4.2.1提高噴射器質(zhì)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(qiáng)度較弱，在水力噴砂射孔時(shí)，射孔水流經(jīng)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(dǎo)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(dǎo)致噴嘴與壓帽間的接觸面積減小，從而在施工時(shí)可能導(dǎo)致噴嘴脫落，導(dǎo)致整套工具失去施工能力，同時(shí)存在卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。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?yàn)閲娚淦鲊娮烀撀鋵?dǎo)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(yán)重

圖6　噴射器噴嘴脫落

針對現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)的以上問題，采用3方面的改進(jìn)辦法。

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

2）改進(jìn)噴射器結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場使用噴射器結(jié)構(gòu)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(jìn)為進(jìn)口JBWELD膠，減少了噴嘴掉落的數(shù)量，但是無法從根本上進(jìn)行控制。后期可從固定方式入手，將膠粘接改為機(jī)械固定連接，可從根本上解決問題，但是出于結(jié)構(gòu)受限以及高強(qiáng)度要求的考慮，目前正在研究當(dāng)中。

圖7　噴射器結(jié)構(gòu)示意

3）采用硬質(zhì)合金壓帽代替普通的壓帽。反濺主要是在噴射器周圍區(qū)域內(nèi)，采用硬質(zhì)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(shí)有利于減少噴嘴掉落的數(shù)量。壓帽改進(jìn)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(zhì)量

封隔器是壓裂工藝管柱中最關(guān)鍵、最核心的部分，封隔器質(zhì)量嚴(yán)重制約著施工效率的提高。對于封隔器質(zhì)量的改進(jìn)，主要是通過改進(jìn)封隔器質(zhì)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(jìn)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(jìn)，通過提高鋼帶鋼材質(zhì)量，以及提高膠筒質(zhì)量和加長膠筒長度，獲得了良好穩(wěn)定的性能，并在施工中創(chuàng)造了最高一趟鉆施工12段的記錄。2015年年初，通過引進(jìn)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(dá)到每趟鉆5.1段，且一趟鉆施工完整口井的比例達(dá)到40%以上。

4.3壓后施工控制

壓裂完成后的關(guān)井、放噴、洗井等工作，對于施工效率的提高尤為關(guān)鍵。首先保證關(guān)井時(shí)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(dāng)放噴過程排量適宜時(shí)，可立即反洗井，以免返排液排量過低造成砂沉積，導(dǎo)致卡鉆等；且反洗井排量及壓力不宜過高，以免導(dǎo)致噴射器噴嘴脫落。2014年年初在長慶油田陜北區(qū)塊的YX10-25井壓裂段數(shù)10段，使用工具5套，以及YX8-24井壓裂段數(shù)12段，使用工具6套，YX8-22井壓裂段數(shù)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(wù)繁重，試油周期長，主要原因是關(guān)井時(shí)間不充分，同時(shí)采用700型水力車洗井，排量低，洗井不徹底。此后通過延長關(guān)井時(shí)間，控制放噴排量，采用2000型主壓車洗井，在同一區(qū)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(shù)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(jié)語

近年來，長慶油田在水平井壓裂過程中采用改進(jìn)壓裂工具質(zhì)量、優(yōu)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(qiáng)度，降低了井控風(fēng)險(xiǎn)，提高了油田產(chǎn)量。

［1］孫聰聰，檀朝東，宋健，等.國內(nèi)外水平井壓裂工藝技術(shù)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(shù)研究與應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2011（3）：26-28.

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

［4］朱正喜，曹會，陳沙沙.國內(nèi)水力噴射壓裂工藝技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)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(fā)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(shù)的研究，Email：694293972＠qq.com。