連續(xù)管逐簇噴射環(huán)空壓裂工藝現(xiàn)場應(yīng)用*

謝 鵬， 向 剛， 盧秀德， 宋 丹， 劉佳林

（川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司， 成都610213）

0 前 言

隨著我國頁巖氣勘探技術(shù)的不斷發(fā)展， 目前多級(jí)分段壓裂技術(shù)已成為開采頁巖氣的主要手段[1]。 目前投入現(xiàn)場應(yīng)用的分段壓裂工藝包括電纜橋塞分段壓裂、 裸眼封隔器分段壓裂、 不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂和連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空填砂壓裂等一系列技術(shù)[2-4]， 都取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

四川盆地海相古生界頁巖氣的開采， 由于儲(chǔ)層地應(yīng)力復(fù)雜， 且層間干擾嚴(yán)重， 現(xiàn)場壓裂施工時(shí)井筒易發(fā)生變形[5-7]， 影響后續(xù)的分段壓裂以及通井投產(chǎn)。 而且傳統(tǒng)分段壓裂采用至少3 簇連做壓裂， 壓裂層位較厚。 因此集射孔、 分段和壓裂為一體的連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂技術(shù)在四川盆地頁巖氣的開采中顯得愈發(fā)重要。 在昭通頁巖氣示范區(qū)投入現(xiàn)場應(yīng)用的連續(xù)油管噴砂射孔逐簇環(huán)空加砂壓裂技術(shù)， 將該井水平段分成70 層后實(shí)現(xiàn)了精確噴砂射孔， 然后逐簇加砂壓裂以及壓裂完后迅速返排投產(chǎn)。 該技術(shù)的成功應(yīng)用， 為四川頁巖氣的開采提供了新的思路， 而現(xiàn)場施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)也有助于改良完善該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

1 連續(xù)管噴砂射孔逐簇環(huán)空壓裂工藝原理和特點(diǎn)

1.1 工藝原理

圖1 連續(xù)油管水力噴射和環(huán)空壓裂工藝示意圖

連續(xù)油管水力噴射和環(huán)空壓裂工藝如圖1 所示。 連續(xù)油管攜帶未開滑套的噴槍通洗井至指定射孔層位， 地面投球打開滑套露出噴嘴， 地面泵車將水砂漿加壓高速壓入井下， 利用伯努利原理， 通過噴嘴節(jié)流高速射出， 如圖1 （a） 所示。 水射流高速擊向套管壁， 屬于高攻角沖蝕[8-10]， 當(dāng)入射沙礫的速度足夠大， 就能在套管表面造成塑性變形， 當(dāng)超過了套管材料的延伸極限后， 唇形壓坑邊緣凸起處開始產(chǎn)生裂紋， 之后裂紋擴(kuò)展， 套管材料開始呈片狀脫落， 在射穿套管壁和近井地帶形成一個(gè)直徑為25 mm 以上的孔眼[11-12]。 完成噴砂射孔后， 連續(xù)油管下放一段距離， 避免噴射工具串環(huán)空壓裂時(shí)形成節(jié)流壓差。 地面壓裂車隨后進(jìn)行環(huán)空壓裂， 如圖1 （b） 所示。 壓裂完畢后通過優(yōu)化設(shè)計(jì)人工縫內(nèi)填砂暫堵階段支撐劑濃度和泵送排量來實(shí)施縫內(nèi)暫堵以實(shí)現(xiàn)分段， 隨后連續(xù)油管上提至下一射孔層段進(jìn)行下層噴砂射孔和壓裂改造。

1.2 工藝特點(diǎn)

連續(xù)油管噴砂射孔逐簇環(huán)空加砂壓裂工藝同傳統(tǒng)電纜橋塞射孔后壓裂工藝相比， 施工效率高， 其工藝特點(diǎn)為： ①該工藝井筒適應(yīng)性強(qiáng)， 能有效解除近井地帶污染， 大幅增加儲(chǔ)層滲透率， 降低地層破裂壓力， 提高水力壓裂的安全性； ②射孔后不起出油管直接環(huán)空壓裂，節(jié)約起下時(shí)間， 然后快速轉(zhuǎn)層繼續(xù)下簇射孔壓裂改造， 同時(shí)， 全井改造完成后， 連續(xù)油管一次起下通井沖砂投產(chǎn)， 縮短試氣周期； ③逐簇加砂壓裂， 能保證儲(chǔ)層最大限度接受壓裂改造， 相比常規(guī)的三簇一層的壓裂改造， 逐簇加砂避免了因儲(chǔ)層滲流能力差異造成的各簇進(jìn)液量不同， 從而避免了一層內(nèi)三簇的壓裂效果差異； ④使用縫內(nèi)填砂暫堵分段， 既節(jié)約了橋塞的使用和后期鉆塞的費(fèi)用， 又避免了壓裂過程中井筒變形導(dǎo)致的井下復(fù)雜情況的風(fēng)險(xiǎn)； ⑤該工藝施工期間全井筒處于全通徑狀態(tài)， 施工靈活， 施工過程中根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果， 可以在任意順序、 任意位置對(duì)儲(chǔ)層井段進(jìn)行選擇性分段， 一切以最優(yōu)改造效果來靈活調(diào)整施工層序。

2 工藝現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 基本井況

WX1 水平井位于昭通國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)，地處臺(tái)坳川南低陡褶帶南緣， 南與滇黔北坳陷相鄰。 該井完鉆層位為志留系龍馬溪組， 采用139.7 mm 油層套管完井， 完鉆井深度為4 210 m，垂直井深2 621.69 m， 其中水平段長1 655 m。本井儲(chǔ)層優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率較高， 達(dá)到100%， 水平段儲(chǔ)層力學(xué)特征平面分布差異不大， 最大、 最小水平主應(yīng)力差別大， 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)。

2.2 噴射工具串和參數(shù)分析

連續(xù)油管噴砂射孔工具串參數(shù)見表1， 現(xiàn)場組合工具照片如圖2 所示。

表1 連續(xù)油管噴砂射孔工具串參數(shù)

圖2 現(xiàn)場組合工具串

現(xiàn)場使用的噴槍噴嘴直徑可根據(jù)需要調(diào)整，共計(jì)6 孔。 根據(jù)McDaniel 和Surjaatmadja 等[13-15]的研究， 噴砂射孔穿透套管等的噴嘴射流速度一般在152 m/s 以上。 根據(jù)噴射速度計(jì)算公式（1）， 計(jì)算噴嘴Φ4 mm×5 孔和Φ4 mm×6 孔兩種組合下噴射速度隨施工排量的變化曲線（如圖3 所示）。

式中： v——噴嘴出口流速， m/s；

Q——施工排量， m3/min；

N——噴嘴個(gè)數(shù)；

db——噴嘴直徑， m。

圖3 兩種噴嘴組合下噴射速度和排量的關(guān)系曲線

由圖3 可知， 為達(dá)到噴射效果， 使用Φ4 mm×5 孔的噴嘴組合， 施工排量須大于560 L/min；使用Φ4 mm×6 孔的噴嘴組合， 施工排量須大于690 L/min。

2.3 施工流程及分析

連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂施工流程如圖4 所示。 從該井的72 簇壓裂改造中， 選出一簇施工曲線來做分析。 在WX1 井第7 簇壓裂施工改造過程中， Φ50.8 mm 連續(xù)油管帶93 mm 噴槍下入到井下4 010 m 進(jìn)行噴砂射孔， 圖5 是泵壓、套壓、 混合砂濃度以及排量隨時(shí)間的變化曲線。從圖5 中可以看出， 此次噴射共耗時(shí)約30 min，混合砂濃度120 kg/m3， 地面回壓控制在高位的35 MPa， 避免了地層出砂。 而施工排量保持在650 L/min， 此時(shí)Φ4 mm×5 孔的噴嘴組合的噴嘴流速達(dá)到173 m/s， 達(dá)到射穿套管和儲(chǔ)層的流速要求。 施工泵壓開始時(shí)高達(dá)68.5 MPa， 而隨著噴射的進(jìn)行， 套管逐漸破裂， 地層被打開后， 泵壓呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

圖4 連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂施工流程

圖5 WX1 井第7 簇噴砂射孔排量、泵注壓力和混合砂濃度隨時(shí)間變化曲線

噴砂射孔完成5 min 內(nèi)， 開始進(jìn)行不起出連續(xù)油管的環(huán)空加砂壓裂， 加砂壓裂的施工曲線如圖6 所示。 圖6 中的油壓表示連續(xù)油管壓力， 在環(huán)空壓裂過程中， 隨時(shí)保持連續(xù)油管內(nèi)壓力與環(huán)空壓力平衡， 防止套管擠毀。 排量升至6 m3/min后開始加入粉砂以及主壓裂加砂， 套壓控制在70 MPa 以內(nèi)。 在主壓裂完成后， 將砂濃度逐漸提高至360 kg/m3， 泵壓瞬時(shí)達(dá)到75 MPa， 超壓停泵， 完成該簇縫內(nèi)砂堵分段。 該簇施工總共注入壓裂液636.95 m3， 100 目粉砂9.62 t， 40/70 目陶粒20.48 t。

2.4 實(shí)施效果

利用連續(xù)油管噴砂射孔逐簇環(huán)空壓裂技術(shù)對(duì)WX1 井總共實(shí)施分簇改造72 層， 共耗時(shí)22 d，平均每天壓裂改造3.27 層。 平均每層主壓裂時(shí)的施工壓力為62～68 MPa， 比縫內(nèi)填砂超壓75 MPa低了7～13 MPa， 證明了縫內(nèi)砂堵分層的可靠性。同時(shí)， 層均注入地層凈液量達(dá)到了635 m3， 平均加砂量為29.6 t。 在全部壓裂完成后， 用9 mm 油嘴放噴， 套壓9.5 MPa， 測(cè)試產(chǎn)量為8.6×104m3/d。表明該工藝為近井筒地帶提供了有效的導(dǎo)流能力，有效溝通了頁巖氣儲(chǔ)層和井筒。

圖6 WX1 井第7 簇環(huán)空壓裂時(shí)排量、泵注壓力和混合砂濃度隨時(shí)間變化曲線

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 連續(xù)油管砂埋風(fēng)險(xiǎn)

在每簇環(huán)空加砂壓裂后， 倘若縫內(nèi)砂堵， 砂濃度過高， 頂替不充分， 則會(huì)有部分砂礫未能進(jìn)入人造縫， 在井筒沉降造成油管及管串砂埋的風(fēng)險(xiǎn)。 在該井第四簇加砂壓裂后， 上起連續(xù)油管射孔時(shí)遇卡， 下放遇阻， 開泵沖砂， 反復(fù)上提下放， 懸重最高提至15 t 解卡通過（正常懸重8 t）。施工曲線如圖7 所示。

圖7 WX1 井連續(xù)油管遇卡過提施工曲線

油管砂埋的風(fēng)險(xiǎn)除了起不出油管之外， 在地面加大上提解卡時(shí)會(huì)造成機(jī)械丟手意外丟手。 在對(duì)之前施工后取出的機(jī)械丟手地面拉力測(cè)試中，僅5 t 拉力就能實(shí)現(xiàn)丟手， 而此次遇砂卡時(shí)， 連油過提達(dá)到7 t （此部分過提噸位不完全作用于丟手， 還有部分是摩擦力）。

3.2 連續(xù)油管壓裂穿孔風(fēng)險(xiǎn)

連續(xù)油管在完成單簇射孔后， 需要往下放一段距離。 因?yàn)楣ぞ叽淖畲笸鈴?（92 mm） 要大于油管外徑（50.8 mm）， 所以工具串和套管之間的環(huán)空間隙小。 壓裂液流過變窄的間隙則會(huì)產(chǎn)生節(jié)流壓差， 影響壓裂效果， 同時(shí)對(duì)連續(xù)油管管串造成沖擊。 倘若連續(xù)油管下放過多， 水平段內(nèi)彎曲的連續(xù)油管可能會(huì)緊貼在已射開孔眼上， 環(huán)空壓裂時(shí)高壓泵注液進(jìn)入射孔孔眼， 通過伯努利原理可知， 此時(shí)的壓裂液轉(zhuǎn)化為高速的攜砂液沖擊孔眼并造縫， 緊貼在孔眼邊上的連續(xù)油管就會(huì)遭到不斷沖蝕導(dǎo)致穿孔。

在該井第9 段施工后， 起出連續(xù)油管發(fā)現(xiàn)油管穿孔， 如圖8 所示。 由這些坑洼以及疲勞監(jiān)測(cè)結(jié)果可以判定， 連續(xù)油管穿孔并非疲勞造成的，而是砂礫沖蝕形成的孔眼， 同時(shí)， 所有坑洼全是靠近套管壁一側(cè)， 可以判定是油管緊貼人造縫遭沖蝕穿孔。

圖8 連續(xù)油管穿孔照片

3.3 連續(xù)油管擠毀風(fēng)險(xiǎn)

滑溜水加砂必須具備足夠的流速才能攜帶支撐劑， 因此排量越大越有利于加砂造縫。 但是， 井筒內(nèi)高速流動(dòng)的攜砂液不僅會(huì)對(duì)連續(xù)油管產(chǎn)生較大的沖蝕， 還會(huì)造成較高的環(huán)空壓力。 此井主壓裂施工排量控制在6 m3/min 左右時(shí)， 井口壓力最高達(dá)到75 MPa。 以現(xiàn)場使用的Φ50.8 mm CT100 連續(xù)油管為例， 橢圓度以2%計(jì)算， 擠毀壓力的上限值僅為58 MPa。 因此， 環(huán)空壓裂時(shí)連續(xù)油管內(nèi)外壓差達(dá)到58 MPa就有被擠毀的風(fēng)險(xiǎn)。 該井施工時(shí)配備了雙機(jī)泵在環(huán)空壓裂時(shí)往油管內(nèi)小排量泵送， 保持油管內(nèi)外壓力均衡。 但是在施工過程中， 若雙機(jī)泵和地面主壓裂設(shè)備的節(jié)奏不一致， 或者雙機(jī)泵出現(xiàn)故障等導(dǎo)致無法泵注， 都會(huì)帶來連續(xù)油管擠毀的風(fēng)險(xiǎn)。

4 施工建議

（1） 針對(duì)逐簇壓裂完成后砂埋風(fēng)險(xiǎn)， 需要在設(shè)計(jì)階段精確計(jì)算施工參數(shù)， 施工階段準(zhǔn)確控制支撐劑濃度和泵送排量， 而壓裂完成后以足夠的清水代替水平段沉砂。 壓裂完后一旦發(fā)現(xiàn)有相應(yīng)的砂埋卡鉆現(xiàn)象， 應(yīng)避免高噸位過提造成意外機(jī)械丟手。

（2） 對(duì)于環(huán)空壓裂時(shí)連續(xù)油管沖蝕穿孔的風(fēng)險(xiǎn)， 壓裂前根據(jù)連續(xù)油管的彎度， 合理控制噴射工具串往下壓的深度， 保證節(jié)流壓差既不影響造縫壓裂， 同時(shí)又能利用工具串的居中扶正作用，使油管不緊貼射孔孔眼。 根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)， 連續(xù)油管射孔后往下下入1～2 m， 能夠安全進(jìn)行后續(xù)壓裂。 后期還可以考慮優(yōu)化工具串組合， 加入扶正器， 避免連續(xù)油管緊貼套管壁。

（3） 為了避免環(huán)空壓裂時(shí)連續(xù)油管被擠毀，需在施工設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)油管疲勞性能、 抗壓強(qiáng)度和地層特性設(shè)計(jì)安全排量。 此外， 現(xiàn)場施工時(shí)隨時(shí)保持各方有效溝通， 密切監(jiān)控井口和連續(xù)油管內(nèi)壓力變化情況， 保持候補(bǔ)雙機(jī)泵的待命狀態(tài)， 降低連續(xù)油管擠毀風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

（1） 連續(xù)油管水力噴射逐簇環(huán)空壓裂技術(shù)具有施工效率高、 可靈活調(diào)整施工層位、 最大限度溝通儲(chǔ)層、 試氣周期短、 節(jié)約橋塞使用成本和規(guī)避井筒變形帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

（2） 連續(xù)油管噴砂射孔工具串一趟起下管柱就能實(shí)現(xiàn)通井沖砂、 分簇射孔和定點(diǎn)注酸等多個(gè)功能， 一體化管柱簡化了施工流程。

（3） 根據(jù)WX1 井的實(shí)踐證明， 利用連續(xù)油管噴砂射孔效果穩(wěn)定， 縫內(nèi)填砂也能成功分段，直接拖動(dòng)連續(xù)油管進(jìn)行下簇射孔能夠節(jié)約施工時(shí)間， 工藝實(shí)施效果良好， 對(duì)于壓裂施工時(shí)井筒易變形的四川盆地頁巖氣開采應(yīng)用性較高。

（4） 該工藝仍有環(huán)空壓裂時(shí)連續(xù)油管擠毀、壓裂穿孔、 壓裂后砂埋等風(fēng)險(xiǎn)， 需要現(xiàn)場采取相應(yīng)措施降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

（5） 該工藝在頁巖氣改造中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較好的儲(chǔ)層改造能力。