致密油水平井連續(xù)油管自適應(yīng)定向水力噴砂射孔改造技術(shù)的應(yīng)用

艾白布·阿不力米提， 普宏檳, 劉永紅， 麥爾耶姆古麗·安外爾，龐德新， 王一全， 郭新維

(1.中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院， 青島 257061； 2. 中國石油新疆油田公司， 克拉瑪依 834000)

致密油開發(fā)是繼頁巖油氣之后全球在非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)領(lǐng)域的又一次突破，美國憑借其在頁巖氣開發(fā)中形成的非常規(guī)開發(fā)技術(shù)積累，快速建立了一套適用于致密油開發(fā)的主體工藝技術(shù)，致使美國的致密油開發(fā)產(chǎn)量快速上升，深刻影響并改變了美國的能源供應(yīng)格局[1-3]。致密油作為一種非常規(guī)油氣資源，在中國的陸相盆地中廣泛分布，侯啟軍等[4]、賈承造等[5]研究者都作出相應(yīng)論述，可采資源量達(dá)(18～27)×108t，資源豐富。其中準(zhǔn)噶爾盆地近年更是發(fā)現(xiàn)了儲量規(guī)模達(dá)10×108t的特大型致密油田，是我國近年來重大的油氣勘探發(fā)現(xiàn)，覃建華等[6]對瑪湖致密油的油藏特性進(jìn)行了分類評價，許江文等[7]、章敬等[8]根據(jù)瑪湖致密油藏特性，對體積壓裂及一體化工程實踐進(jìn)行了相應(yīng)探索。致密油井一般無自然產(chǎn)能，大規(guī)模體積壓裂是挖掘其生產(chǎn)能力的主要手段，造成復(fù)雜體積縫網(wǎng)、改善儲層滲流能力是致密油壓裂追求的主要工程目標(biāo)。當(dāng)前致密油井壓裂射孔手段主要是炮彈射孔，該工藝較為成熟，操作簡便，但其對儲層造成壓實與污染不可忽視[9]，噴砂射孔手段可有效避免這兩種情形[10]；當(dāng)前致密油井開發(fā)射孔主要布孔方式為螺旋布孔，該方式充分考慮到了孔眼在井筒空間內(nèi)的均勻分配問題，科學(xué)性強適用性好，但王志榮等[11]、謝江鋒等[12]的研究指出射孔角度與地應(yīng)力的關(guān)系對裂縫走向有較大影響，姜滸等[13]的研究指出，基于原地應(yīng)力狀態(tài)定向布孔對降低儲層起裂壓力、形成復(fù)雜縫網(wǎng)亦有積極作用，因此將該布孔方式應(yīng)用至致密油井壓裂也有一定現(xiàn)實意義。近年來，連續(xù)油管作業(yè)設(shè)備憑借其靈活性、清潔性、安全性等獨特優(yōu)勢，在油氣田開發(fā)領(lǐng)域中尤其是井下作業(yè)領(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟[14-15]；另外，高壓水射流輔助破巖技術(shù)也在鉆井等領(lǐng)域中取得良好的應(yīng)用效果[16-17]?；谏鲜龉こ淌聦?，現(xiàn)靈活提出連續(xù)油管水力噴砂定向射孔射流誘導(dǎo)破巖水平井壓裂工藝，針對連續(xù)油管特性及水平井開發(fā)要求，配套研發(fā)一套定向裝置，并將其成功應(yīng)用至瑪湖致密油Ma1井的壓裂改造。應(yīng)用結(jié)果表明，該工藝流程簡潔、安全性高、施工效率高，配套研發(fā)的定向工具可在水平井筒中實現(xiàn)任意方位定向噴砂射孔，多次定向未發(fā)生任何故障，性能可靠，可為中國豐富的致密油資源規(guī)?；咝ч_發(fā)提供新的技術(shù)思路。

1 地質(zhì)與工程背景

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖致密油藏埋深大于3 000 m，巖性復(fù)雜，物性差、非均質(zhì)性強，地層壓力系數(shù)較高、兩向水平應(yīng)力差大、巖石塑性強，天然裂縫不發(fā)育，烏爾禾組主要參數(shù)見表1。如圖1所示為瑪湖瑪2區(qū)塊連井剖面。

目前主要依托“小井距、長水平段、密切割”的開發(fā)技術(shù)，通過小井距布井，長水平段鉆井，密集多段分段壓裂來構(gòu)建復(fù)雜縫網(wǎng)，提高單井產(chǎn)量。油層厚度展布不均勻，較薄層段甚至只有2 m，給長水平段鉆井軌跡控制帶來困難的同時，對后期體積壓裂形成有效復(fù)雜縫網(wǎng)提出更高的要求。從目前的工程實踐看，受單井地層非均質(zhì)性影響，一些井油層縱向剖面變化大或分布較薄，鉆井實鉆軌跡無法完全達(dá)到設(shè)計的軌道要求，存在井身偏離軌道，實鉆軌跡偏向油層頂部或底部的情況。

針對上述問題，利用連續(xù)油管實施自適應(yīng)定向射孔誘導(dǎo)壓裂改造，工具入井前將噴槍與定向裝置活動旋轉(zhuǎn)定向部分基準(zhǔn)位置呈預(yù)定角度連接，這個角度決定了射孔時噴嘴在井筒截面上的噴射方位角，如圖2所示為自適應(yīng)定向射孔誘導(dǎo)壓裂改造示意圖。連續(xù)油管帶工具下至第一段射孔位置，起泵循環(huán)，定向裝置在鋼球重力感應(yīng)和內(nèi)部液流壓差作用下完成定向調(diào)整；打開套管閘門，從連續(xù)油管泵入射孔液進(jìn)行射孔作業(yè)；關(guān)閉套管閘門，通過連續(xù)油管泵入壓裂液使儲層起裂形成初步的裂縫，然后連續(xù)油管和環(huán)空同時大排量依次泵入前置液、攜砂液與頂替液；連續(xù)油管在抗壓等級范圍內(nèi)以最大排量泵入對應(yīng)工作液，保證高速射流持續(xù)沖刷孔眼、誘導(dǎo)輔助破巖和延伸定向裂縫；上提連續(xù)油管至第二段待射孔改造深度，通過環(huán)空泵入人工高濃度砂塞，對已改造層段進(jìn)行填砂封堵，重復(fù)上述過程，完成所有目標(biāo)層段的改造。

表1 瑪湖烏爾禾組儲層巖石特征Table 1 Reservoir rock characteristics of Wuerhe Formation in Mahu

圖2 定向射孔誘導(dǎo)壓裂改造工具串示意圖Fig.2 Schematic diagram of directional perforation induced fracturing modification tool string

2 自適應(yīng)定向裝置設(shè)計與分析

中國頁巖、致密油氣開發(fā)的一個重點攻關(guān)方向就是核心設(shè)備、井下工具的國產(chǎn)化和自主研發(fā)，目前油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場使用的水平井定向射孔裝置種類較為有限，多使用偏心結(jié)構(gòu)進(jìn)行偏重校準(zhǔn)來實現(xiàn)水平定向，該類結(jié)構(gòu)僅靠自身重力完成定向，在井筒復(fù)雜惡劣條件下易產(chǎn)生誤差。由此，為使該工藝能成功應(yīng)用至頁巖、致密油氣壓裂改造現(xiàn)場，研發(fā)水平井自適應(yīng)定向水力射孔裝置。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

如圖3(a)所示為自適應(yīng)定向裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖，主要由上接頭、外筒、旋轉(zhuǎn)定向軌道、襯套、定位環(huán)、固定套、下接頭和鋼球等組成，圖3(b)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維示意圖，圖5(c)為定向裝置的實物外觀圖。

2.2 設(shè)計原理

如圖3(a)所示，在水平井筒內(nèi)，鋼球5受重力感應(yīng)控制，在工具繞軸線的自由空間內(nèi)始終處于截面圓空間最低點。工作時從地面泵入液體，噴槍節(jié)流作用使泵入液體在工具內(nèi)外形成壓差，旋轉(zhuǎn)定向軌道3的上端面受壓差作用向前滑動。旋轉(zhuǎn)定向軌道3向前運動過程中推動鋼球5落入定位環(huán)6內(nèi)截面最下端的限位孔內(nèi)被限位。旋轉(zhuǎn)定向軌道3繼續(xù)向前滑動，在鋼球5約束下繞軸線發(fā)生位置偏轉(zhuǎn)。

圖3 自適應(yīng)定向裝置圖Fig.3 Adaptive orientation device

當(dāng)旋轉(zhuǎn)定向軌道3持續(xù)向前滑動，走完一個旋轉(zhuǎn)距，其軌道槽底端圓孔與鋼球5同軸，位于井眼徑向截面垂直向下的方向，本裝置便完成了方向定向調(diào)整。

無論工具初始處于何種方向，自適應(yīng)定向裝置工作時其旋轉(zhuǎn)定向軌道3偏轉(zhuǎn)后軌道底端始終處于井筒截面的最低點。以此為基準(zhǔn)，地面組裝噴槍時安裝噴嘴噴射方向與基準(zhǔn)之間的夾角為目標(biāo)夾角，工作時通過自適應(yīng)定向裝置定向調(diào)整后，旋轉(zhuǎn)定向軌道偏轉(zhuǎn)帶動噴槍一起發(fā)生繞軸線旋轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)在目標(biāo)方位上的定向射孔。

2.3 力學(xué)分析

如圖4所示，該工具定位功能是由旋轉(zhuǎn)定向軌道與鋼球相互配合實現(xiàn)的，定位過程中，鋼球固定，旋轉(zhuǎn)定向軌道被迫做相對鋼球往前的螺旋轉(zhuǎn)動，最后軌道底端圓孔與鋼球同軸時，定向完成。

在定向過程中，圖5中紅色部分標(biāo)出的a、b、c三道密封圈、鋼球和旋轉(zhuǎn)定向軌道之間存在導(dǎo)向力的作用，其與結(jié)構(gòu)存在一定配合間隙，并無相互作用力，因此，對定向過程中重要部件的力學(xué)分析從以上部件的相互作用展開。

以旋轉(zhuǎn)定向軌道為分析主體，其在定向過程中的受力分析示意圖如圖6所示，定向模塊正常工作時需滿足表達(dá)式

(F-f)cosα≥f′

(1)

(2)

式中：F表示起泵后工作液壓差對旋轉(zhuǎn)定向軌道的推力，N；f表示a、b、c三道密封圈對旋轉(zhuǎn)定向軌道摩擦力的合力，N；f′表示鋼球?qū)πD(zhuǎn)定向軌道的摩擦力，N；FN表示鋼球?qū)πD(zhuǎn)定向軌道的反作用力，N；μ表示旋轉(zhuǎn)定向軌道與鋼球之間的摩擦系數(shù)；α表示旋轉(zhuǎn)定向軌道導(dǎo)軌加工角，(°)。

圖4 定向過程導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動示意圖Fig.4 Schematic diagram of guide rail rotation during positioning

圖5 定向過程中力學(xué)分析重點部位示意圖Fig.5 Schematic diagram of key parts of mechanical analysis during positioning

圖6 定位過程中旋轉(zhuǎn)定向軌道受力分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of force analysis of the rotating directional track during positioning

若要使該模塊正常工作，必須首先滿足

F≥f

(3)

聯(lián)立式(1)～式(3)，有

cotα≥μ

(4)

綜上所述，只要滿足式(3)和式(4)，該定位機構(gòu)即可正常工作。

O型密封圈對旋轉(zhuǎn)定向軌道的摩擦力[18]計算公式為

(5)

式(5)中：fO表示密封圈對旋轉(zhuǎn)定向軌道的摩擦力，N；μ′表示密封圈與旋轉(zhuǎn)定向軌道之間的摩擦系數(shù)；k表示密封圈的預(yù)壓縮率；E表示密封圈原材料的彈性模量，GPa；d表示密封圈外徑，mm；D表示圓截面直徑，mm；ε表示密封圈原材料的泊松比。

對于本設(shè)計而言，有

f=fOa+fOb+fOc

(6)

式(6)中：fOa、fOb、fOc分別表示密封圈a、b、c對旋轉(zhuǎn)定向軌道的摩擦力，N。

2.4 造縫機理

目前油氣井儲層改造方面的主要研究成果均指出，無論射孔方向和最大水平主應(yīng)力之間的夾角是多少，裂縫剛開始延展的時候總是會沿著射孔方向傳播一定的距離，然后開始往最大水平主應(yīng)力方向傾斜，最后順著最大水平主應(yīng)力方向延展。各大油田裂縫監(jiān)測技術(shù)也證實這一規(guī)律，裂縫轉(zhuǎn)向最大主應(yīng)力方向前走過弧長的半徑被稱為轉(zhuǎn)向半徑，在不同地層、不同射孔角度、不同施工參數(shù)下，該數(shù)值明顯不同。由此可以看出，射孔方向?qū)毫蚜芽p的形成及走向具有一定影響。如果射孔方向指向甚至靠近底層或蓋層等非含油區(qū)域，那么其誘導(dǎo)形成的縫網(wǎng)將更有可能延伸至非含油區(qū)域，形成無效縫網(wǎng)。

實施水力噴射孔內(nèi)增壓誘導(dǎo)裂縫延展的工程方案有助于形成更深的射孔孔眼，誘導(dǎo)裂縫向孔眼前端延展，增大轉(zhuǎn)向半徑，形成更好的有效縫網(wǎng)。若無其他外力影響，在定向壓裂的工程框架下，裂縫延展將根據(jù)地應(yīng)力分布情況按照轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)彎。引入高壓水射流之后，其對孔眼周圍及裂縫延展將產(chǎn)生三個效應(yīng)。

(1)孔內(nèi)增壓效應(yīng)：水力噴射孔內(nèi)增壓效應(yīng)是水力噴射壓裂的重要機理之一，它是由于高速射流進(jìn)入孔道后滯止，根據(jù)伯努利原理，滯止壓力會高于環(huán)空壓力，孔內(nèi)滯止壓力與環(huán)空壓力的差值即為孔內(nèi)射流增壓值。當(dāng)孔內(nèi)射流增壓值與環(huán)空壓力疊加后超過地層破裂壓力時，地層就會起裂，孔內(nèi)增壓效應(yīng)正向促進(jìn)了水力裂縫的起裂并延展(圖7A區(qū))。

(2)孔內(nèi)沖蝕效應(yīng)：傳統(tǒng)壓裂是先射孔然后直接大排量注入工作液體，本工藝在水力噴砂射孔完畢后，持續(xù)讓高壓水射流作用在孔眼處，其可持續(xù)對孔眼產(chǎn)生沖蝕作用，地層形成初始微裂縫，降低起裂壓力；另一方面，其可加深孔眼，盡量增加孔深，加大轉(zhuǎn)向半徑，促進(jìn)有效裂縫的延展(圖7B區(qū))。

(3)負(fù)壓攜液作用：高速水射流會在射流周圍形成負(fù)壓區(qū)，在壓差作用下，環(huán)空工作液會被該負(fù)壓作用攜至孔眼內(nèi)，進(jìn)而起到輔助套管加砂頂替，降低環(huán)空泵注設(shè)備壓力的作用(圖7C區(qū))。

上述水力噴射的效應(yīng)將有助于形成更深的射孔深度并有效的輔助誘導(dǎo)裂縫向孔眼前端延伸，有利于復(fù)雜有效縫網(wǎng)的延伸，提高改造效率。因此在Ma1井作業(yè)方案中，采用連續(xù)油管水力噴砂射孔，射孔后連續(xù)油管持續(xù)泵注壓裂液，油套環(huán)空大排量泵注加砂及頂替的作業(yè)方案。

圖7 水力噴射誘導(dǎo)輔助裂縫延伸示意圖Fig.7 Schematic diagram of hydraulic jet-induced auxiliary fracture extension

3 現(xiàn)場應(yīng)用

Ma1是位于瑪湖瑪2井區(qū)的一口水平開發(fā)井，鉆遇率為75%，鉆井實鉆軌跡如圖8所示，Ma1井的實鉆井眼軌跡整體位于油層頂部，靠近蓋層，最近井眼軌跡距油層頂界1.6 m。對于Ma1井的壓裂改造若采用目前常規(guī)的均勻相位射孔壓裂，井筒截面垂直向上的射孔孔眼直指儲層的上頂界，通過壓裂在射孔孔眼頂端誘導(dǎo)成縫后更容易連通上部蓋層，不利于儲層內(nèi)水平方向有效裂縫的延伸。因此，針對上述問題提出了實施連續(xù)油管定向水力噴砂射孔，誘導(dǎo)裂縫沿儲層橫向延伸形成有效復(fù)雜縫網(wǎng)的連續(xù)油管自適應(yīng)定向射流誘導(dǎo)壓裂改造工藝。

圖8 Ma1井完鉆井身剖面圖Fig.8 Well Ma1 Completion Body Profile

3.1 射孔方位確定

本工藝通過對井筒位置與油層展布之間的位置關(guān)系分析，確定最佳的射孔方位，沿井筒最佳射孔方位進(jìn)行定向射孔，通過孔眼走向誘導(dǎo)壓裂裂縫沿射孔方向向前延伸，進(jìn)一步誘導(dǎo)裂縫走向向儲層展布方向延展。避免了不當(dāng)方位射孔將裂縫延伸引向蓋層或底層等非油層區(qū)域，形成無效縫網(wǎng)，降低開發(fā)效果。

根據(jù)Ma1井鉆井軌跡及鉆遇率，確定射孔方向為井筒截面120°及240°方位，定射孔誘導(dǎo)壓裂示意圖如圖9所示。通過射孔孔眼誘導(dǎo)裂縫向油層主要分布區(qū)域延伸，形成有效縫網(wǎng)。在全井筒水平段實施多段定向射孔，形成多段密切割有效復(fù)雜縫網(wǎng)，提高開發(fā)效率。

連接自適應(yīng)水平定向裝置及角度噴槍，噴槍如圖10所示，根據(jù)射孔角度，預(yù)調(diào)節(jié)安裝角度噴槍兩個噴嘴之間的中線與定向器旋轉(zhuǎn)定向軌道底端圓槽底之間的夾角為0°，并完成與其他工具的組裝，工具串現(xiàn)場連接實物圖如圖11所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖9 定向噴射誘導(dǎo)形成有效復(fù)雜縫網(wǎng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of effective and complex slit network induced by directional jet

圖10 Ma1井水力噴砂射孔角度噴槍Fig.10 Ma1 well hydraulic sandblasting perforation angle spray gun

圖11 Ma1井現(xiàn)場自適應(yīng)定向工具射孔工具入井前照片F(xiàn)ig.11 Photo of perforating tool with adaptive directional tool on site in Well Ma1 before entering the well

表2 Ma1井入井工具結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 2 Ma1 well entry tool structure parameter table

3.2 現(xiàn)場施工參數(shù)

為對比常規(guī)射孔和水力噴砂定向射孔對起裂壓裂的影響，先對Ma1井第一段進(jìn)行了常規(guī)炮彈射孔作業(yè)，射孔彈型號為86型射孔槍，如圖12所示為槍身入井前后的實物圖，第1段2簇，每簇1 m；8孔/簇，孔密16孔/m，孔間相位60°。

射孔完成后，連續(xù)油管攜帶自適應(yīng)定向射孔工具及輔助工具下入第一段深度，關(guān)閉套管，通過連續(xù)油管泵注壓裂液進(jìn)行地層吸收性測試及地層起裂作業(yè)，施工曲線如圖13所示，第一次泵入排量0.5 m3/min，連續(xù)油管最高壓力顯示為76 MPa，套壓快速上升至63 MPa，地層無吸收性，停泵后進(jìn)行第二次測試，泵入排量為0.3 m3/min，連續(xù)油管壓力和套管壓力同時快速上升，連續(xù)油管壓力72 MPa，套管壓力55 MPa。最高套壓63 MPa地層無吸收性，地層未能形成初始的裂縫。

開啟地面管匯套管出口，啟動地面設(shè)備泵注射孔前置液后，開始泵注射孔液，持續(xù)射孔8 min后關(guān)閉套管出口，連續(xù)油管泵注0.5 m3/min排量對地層進(jìn)行吸收性測試和起裂作業(yè)，連續(xù)油管壓力62 MPa，套管壓力最高28 MPa，地層有明顯的吸收性，如圖14所示，地層初步裂縫也形成，同時啟動環(huán)空壓裂車組，按照工藝設(shè)計進(jìn)行第一段壓裂作業(yè)。第一段完成后，上提連續(xù)油管，凍膠攜帶75%～80%砂比的砂塞頂替至井底，完成對上一段的填砂封堵。封堵合格后，重復(fù)上述步驟，完成所有段的施工。Ma1井施工全過程的參數(shù)如表3所示。

圖12 Ma1井第一段射孔槍入井前后實物照片F(xiàn)ig.12 Photos of the first section of the perforating gun in Well Ma1 before and after entering the well

表3 Ma1井施工參數(shù)表Table 3 Construction parameters of well Ma1

圖13 Ma1井連續(xù)油管定向射孔填砂分段壓裂第一施工曲線Fig.13 First operation curve of coiled tubing directional perforation sand filling staged fracturing in well MA1

圖14 Ma1、Ma2、Ma3和Ma4井壓裂后產(chǎn)量曲線Fig.14 Production curves of wells Ma1, Ma2, Ma3 and Ma4 after fracturing

3.3 壓后效果

Ma1井共計完成了14段定向射流誘導(dǎo)壓裂改造，和處于同區(qū)塊、同層位、水平段長度和壓裂規(guī)模相當(dāng)?shù)娜诓捎贸Ｒ?guī)橋塞聯(lián)座+體積壓裂的鄰井產(chǎn)能對比看，該井通過定向噴砂射孔降低起裂壓力，定向射流輔助誘導(dǎo)裂縫向儲層展布方向延伸，提高裂縫的有效溝通體積，提高了單井產(chǎn)量。如圖14所示為四口井壓后6個月的產(chǎn)量動態(tài)情況。產(chǎn)量動態(tài)分析Ma1井的初期日產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)期明顯比其余三口井高。

Ma1、Ma2、Ma3和Ma4井壓裂改造后6個月日均產(chǎn)量如圖15所示，Ma1井的日產(chǎn)量高于Ma2井35.3%，高于Ma3井78.4%，高于Ma4井69.3%，有效彌補了因鉆井井身剖面符合率低而帶來的不利影響。

圖15 Ma1、Ma2、Ma3和Ma4井壓裂后日均產(chǎn)量曲線Fig.15 Average daily production curve of wells Ma1, Ma2, Ma3 and Ma4 after fracturing

4 結(jié)論

(1)一定深度的定向射孔以改變轉(zhuǎn)向半徑的方式誘導(dǎo)水力裂縫沿有益方向延展，并形成復(fù)雜縫網(wǎng)，在其他因素不變的情況下，可通過改變射孔方向與地層最大應(yīng)力之間的夾角來影響轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)而控制有效復(fù)雜縫網(wǎng)體積。

(2)自主研發(fā)的水平井自適應(yīng)定向裝置通過地面控制泵注實現(xiàn)自主定向，且一次入井可實施多次定向，在Ma1井14次定向作業(yè)中未發(fā)生任何故障，適用性強，可靠性高。

(3)全過程通過油管內(nèi)高壓射流實現(xiàn)孔內(nèi)增壓、沖蝕孔眼與負(fù)壓攜液三種作用疊加，可降低地層破裂壓力、增加孔深、增大轉(zhuǎn)向半徑，降低泵注設(shè)備壓力。