PFT85-I型脈沖壓裂工具研制

邵　媛，王在強，任國富，胡相君，蒙　鑫，薛曉偉（1．長慶油田公司油氣工藝研究院，西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）①

PFT85-I型脈沖壓裂工具研制

邵媛1，2，王在強1，2，任國富1，2，胡相君1，2，蒙鑫1，2，薛曉偉1，2
（1．長慶油田公司油氣工藝研究院，西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）①

盆地致密油氣儲層的勘探開發(fā)難度大，采用常規(guī)技術(shù)的單井產(chǎn)量低，難以實現(xiàn)經(jīng)濟有效開發(fā)。為了提高單井產(chǎn)量，開展了井下脈沖壓裂工藝及工具技術(shù)攻關，形成了定型工具產(chǎn)品。介紹了PFT95-I型脈沖壓裂工具的結(jié)構(gòu)、工作原理?，F(xiàn)場應用表明，該工具耐沖蝕，射孔效果好，井底混砂均勻；通過調(diào)整地面油管及環(huán)空排量實時控制井底砂濃度，處理砂堵的能力強，施工安全、可靠，滿足脈沖壓裂技術(shù)要求?；旌掀骰焐靶阅芰己茫梢詫崿F(xiàn)油管高砂濃度液體與環(huán)空純凈流體在井底的均勻混合。

脈沖壓裂；工具；結(jié)構(gòu)

盆地致密油氣儲層的勘探開發(fā)難度大，采用常規(guī)技術(shù)的單井產(chǎn)量低，難以實現(xiàn)經(jīng)濟有效地開發(fā)，國內(nèi)外開發(fā)實踐表明，縫網(wǎng)壓裂可大幅提高致密油氣田單井產(chǎn)量。脈沖壓裂是國外近年來提出的一項新技術(shù)［1］，是實現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂的有效手段，目前國內(nèi)尚無應用。長慶油田油氣工藝研究院開展了脈沖壓裂工具技術(shù)攻關，形成了定型工具產(chǎn)品。該工藝可以實現(xiàn)油管高砂濃度液體與環(huán)空純凈液在井底混合，在p title="pagenumber_ebook=1,pagenumber_book=0" class="content">壓裂施工過程中脈沖式加砂，瞬時增加縫內(nèi)凈壓力，多次縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向壓裂，形成縫網(wǎng)復雜，增大致密油藏改造體積，提高單井產(chǎn)量。

1 技術(shù)分析

1．1 結(jié)構(gòu)［2］

脈沖壓裂工具結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由油管＋安全丟手＋扶正器＋噴射器＋合金單流閥＋混砂器＋定位器＋帶孔絲堵組成。

圖1 脈沖壓裂工具結(jié)構(gòu)示意

1．2 工藝原理［1］

1） 通井至人工井底。

2） 洗井至返出洗井液機械雜質(zhì)含量小于0．2%，并再次實探人工井底。

3） 清水試壓20 MPa，30 min壓力下降小于0．5 MPa。

4） 將工具串下放到井底，定位確定第1產(chǎn)層，上提工具串至第1產(chǎn)層，使噴砂射孔工具對準產(chǎn)層段中部。

5） 投球，泵送球至單流閥內(nèi)到位。

6） 管內(nèi)泵注射孔砂液，通過噴砂射孔工具射穿套管。

7） 反循環(huán)，將單流閥內(nèi)球洗出。

8） 油管小排量高砂濃度攜砂液經(jīng)混合器噴出與環(huán)空大排量清潔流體混合，根據(jù)壓裂井底砂濃度需求，實時控制管內(nèi)與環(huán)空排量，從而達到控制井底砂濃度的目的，脈沖式加砂，實現(xiàn)縫內(nèi)多次暫堵轉(zhuǎn)向壓裂。

8） 第一段結(jié)束后，上提管柱，打砂塞。10） 砂塞密封測試。11） 重復步驟4～8。12） 循環(huán)沖砂，起出油管。

1．3 主要技術(shù)參數(shù)

1．4 技術(shù)特點

1） 可以實現(xiàn)油管高砂濃度液體與環(huán)空高流速流體在井底混合，通過調(diào)整排量來實時控制井底裂縫和孔眼中的砂濃度。

2） 工藝具有超強的處理砂堵的能力。因為環(huán)空一直泵注清潔流體，一旦有砂堵跡象，可降低油管排量或停止注入，迅速地將砂塞替入地層，施工可以繼續(xù)。即使砂堵突然發(fā)生了，也可以進行反循環(huán)洗井解除。如果在加砂初期就發(fā)生砂堵，可以選擇頂替入裂縫或上提重新施工或放棄該段，上提到下一層繼續(xù)施工。

2 主要配套工具

2．1 混合器［2］

基于流體旋流混合的原理，通過機械端口引導流體旋流攪拌，能將油管注入的高濃度攜砂液攪動，與環(huán)空液體在進入地層前混合均勻。主要由混合腔、噴砂口組成，噴口均勻分布在內(nèi)腔切線方向，噴口與軸向呈45度斜向下布置，工具結(jié)構(gòu)如圖2。其工作原理為：油管內(nèi)高砂濃度攜砂液剛從混合器流出，由于混合器出口軸線與中軸線存在一定的偏心距和角度，產(chǎn)生旋流效應，液體混合，當混合液流至井下工具的末端時，由于流動空間增大，在光套管內(nèi)的流速相應降低，邊界層分離，由于液體的強剪切流動，在井下工具下游產(chǎn)生漩渦，同時由于密度差的影響，進一步加速液體混合效果。

圖2 混合器結(jié)構(gòu)示意

2．2 噴射器［3-7］

噴射器用于射孔，采用螺旋分布式噴嘴設計、壓帽采用硬質(zhì)合金一體成型技術(shù)，顯著提高率噴射器使用壽命，工具結(jié)構(gòu)如圖3。該噴射器外徑105 mm，本體外徑92 mm，內(nèi)徑36 mm，連接螺紋規(guī)格2UPTBG。

圖3 噴射器結(jié)構(gòu)示意

2．3 合金單流閥

單流閥用于噴射器射孔時，封堵噴射器以下空間，由于結(jié)構(gòu)尺寸的排布關系，合金單流閥的內(nèi)徑處流速很高，在高砂濃度工況下對其沖蝕磨損要嚴重的多，為解決這個問題，設計了分體式合金單流閥，顯著提升了耐沖蝕性能。工具結(jié)構(gòu)如圖4。該噴射器外徑105mm，本體外徑92mm，內(nèi)徑36mm，連接螺紋規(guī)格2UPTBG。

圖4　合金單流閥結(jié)構(gòu)示意

3　室內(nèi)試驗［2］

樣機試制完成后，主要對混合器的混砂性能和混砂距離進行了地面試驗，同時對混合器、合金單流閥球座的沖蝕情況進行觀察。按照試驗的設計流程、泵注程序連接管匯、泵注施工，根據(jù)高速攝影系統(tǒng)中慢放影像，可以得到不同參數(shù)下的混砂距離。試驗結(jié)果表明：

1） 油管凈液排量1．1m3／min，油管排量1．43m3／min，環(huán)空排量最大5m3／min，最高砂比50%（即砂質(zhì)量濃度810kg／m3），最大混砂距離0．6m。

2） 油管凈液排量0．5m3／min，油管排量0．84m3／min，環(huán)空排量最大3m3／min，最高砂比110%（即砂質(zhì)量濃度1 800kg／m3），最大混砂距離0．4m。

3） 井下混合器試驗之后，檢查工具的沖蝕情況，僅混合器出口有沖蝕痕跡，性能完好，其他工具無明顯沖蝕痕跡。如圖5～6所示。

圖5　混合器的沖蝕痕跡

圖6　合金單流閥未見沖蝕

4　現(xiàn)場應用

脈沖壓裂工具在長慶油田某井試驗成功，單層改造后獲得日產(chǎn)21．2t的高產(chǎn)油流，突破了該區(qū)致密油井試油產(chǎn)量低于10t的界限。2014年，該工具在長慶油田成功入井試驗6口井，成功率達100%，最高砂質(zhì)量濃度達1340kg／m3。壓裂后單井產(chǎn)量較同區(qū)鄰井產(chǎn)量提高30%以上，獲得了較好的增產(chǎn)效果，為進一步提高致密油單井產(chǎn)量拓展了新的途徑。

5　結(jié)論

1） 研制的脈沖壓裂工具混砂性能良好，可以實現(xiàn)油管高砂濃度液體（含砂1340kg／m3以下的工況）與環(huán)空純凈流體在井底的均勻混合。

2） 環(huán)空一直泵注清潔流體，處理砂堵的能力強，工藝施工安全、可靠。

3） 通過調(diào)整排量來實時控制井底砂濃度。能使地層產(chǎn)生復雜分支裂縫，增大改造體積。

4） 壓裂后單井產(chǎn)量較同區(qū)鄰井常規(guī)技術(shù)改造產(chǎn)量大幅提高。為長慶致密油氣資源的高效開發(fā)提供了有效的工藝手段。

［1］ Fraser Mc Neil，Klaas van Gijtenbeek，Mark van Domelen．SPE，Halliburton：New Hydraulic Fractu-ring Process Enables Far-Field Diversion in Uncon-ventional Reservoirs［R］．Presented at the SPE／EA-GE European Unconventional Resources Conference and Exhibition held in Vienna，Austria，2012（3）：20-22．

［2］ Jim B Surjaatmadja，Loyd E East．SPE，Halliburton：Efficient Coiled-Tubing Fracturing for Proppant-Placement Assurance and Assurance and Contingen-cy-Cost Mitigation［R］．Presented at the SPE Middle East Unconventional Gas Conference and Exhibition held in Abu Dhabi，UAE，2012（1）：23-25．

［3］ 謝剛?cè)澹跤狼?，向楊，等．水力噴射工具腐蝕原因及改進措施［J］．石油礦場機械，2015，44（2）：55-59．

［4］ 任勇，趙粉霞，王效明，等．水力噴射工具地面模擬試驗［J］．石油礦場機械，2011，40（8）：46-49．

［5］ Stanojcic M，Rispler K．SPE，Halliburton：How to A-chieve and Control Branch Fracturing for Unconven-tional Reservoirs：Two Novel Multistage-Stimulation Processes［R］．Presented at the Canadian Unconven-tional Resources＆International Petroleum Conference held in Calgary，Alberta，Canada，2010（10）：19-21．

［6］ Fraser McNeil，William Harbolt．SPE，Halliburton：New Multistage Fracturing Process Offers Real-Time Control of Rate and Proppant Concentration at the Perforations ［R］．Presented at the SPE Canadian Unconventional Resources Conference held in Calgary，Alberta，Cana-da，30 October-1 November 2012．

［7］ Klaas van Gijtenbeek，F(xiàn)raser Mc Neil，and Leon Mas-saras．SPE，Halliburton：New Coiled-Tubing-Deployed Multizone Hydraulic Fracturing：An Unconventional Process for Unconventional Reservoirs［R］．Presented at the SPE Russian Oil＆Gas Exploration＆Produc-tion Technical Conference and Exhibition held in Mos-cow，Russia，2012（10）：16-18．

PFT85-I Type Pulse Fracturing Tool Development

SHAO Yuan1，2，WANG Zaiqiang1，2，REN Guofu1，2，HU Xiangjun1，2，MENG Xin1，2，XUE Xiaowei1，2
（1．Oil and Gas Technology Research Institute，Changqing Oilfield Company，Xi′an 710018，China；2．National Engineering Laboratory for Ex ploration and Development of Low-permeability Oil and Gas Fields，Xi’an 710018，China）

Basin tight oil and gas reservoir，exploration and development difficult using convention-al technology，low single well production，it is difficult to realize the economic effective develop-ment，in order to improve the single well production，development of downhole pulse fracturing research technique and tool technology，forming a shaping tool products．This paper introduces the structure，working principle of PFT95-I type pulse fracturing tool．Field application shows that the tool，erosion resistant，perforating effect is good，the bottom sandmixing evenly，can achieve real-time control bottom sand concentration through the adjustment of the surface of pipe and an-nulus displacement，sand plug strong processing ability，construction safety，reliable，meet the re-quirements of the pulse fracturing technology．Mixer sandmixing performance is good and can a-chieve high sand concentration liquid tubing and annulus fluid in homogeneousmixing at the bot-tom of the pure．

impulse fracturing；tool；structure

TE934．203

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．015

1001－3482（2015）08－0001－04