水力沖擊工具優(yōu)化及井下試驗(yàn)

孫 林，張 磊，李旭光，楊軍偉，熊培祺

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

海上油田受作業(yè)日費(fèi)高、平臺(tái)作業(yè)空間受限等因素限制，存在增產(chǎn)措施有限及受限的難題[1-3]。水力沖擊技術(shù)是一項(xiàng)具有低成本、施工簡(jiǎn)便優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，與海上油田主要應(yīng)用的酸化技術(shù)相比，只需增加水力沖擊工具即可作業(yè)，基本不占平臺(tái)空間，并具有與酸化聯(lián)作增效的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)起源于蘇聯(lián)，中原油田于1982年首次在國(guó)內(nèi)研制了技術(shù)配套工具[4]，根據(jù)“水擊”理論，進(jìn)行了模擬計(jì)算，并在衛(wèi)74井首次進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，日產(chǎn)油量由4.4 t提高為31.7 t。1992—2013年，吉林油田260口油井應(yīng)用了該技術(shù)，其中紅崗油田應(yīng)用223口井，有效率達(dá)76%，單井平均增產(chǎn)油量80.4 t[5-6]；此外，大慶油田、遼河油田、河南油田、長(zhǎng)慶油田、勝利油田和大港油田均進(jìn)行了水力沖擊技術(shù)研究及應(yīng)用，并研制了配套工具[7-10]。目前，陸上油田研發(fā)的配套工具適用于φ139.7 mm套管，對(duì)于海上油田的φ177.8 mm和φ244.5 mm等大尺寸套管，存在工具性能不滿足要求的問(wèn)題；同時(shí)，工具采用的常規(guī)沖擊片存在破裂壓力誤差較大等問(wèn)題。在機(jī)理研究方面，目前國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為該工具是根據(jù)“水擊”理論所產(chǎn)生壓力增加值壓裂地層和壓力脈沖解堵，但未對(duì)技術(shù)機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者基于海上油田油藏特征、工程施工等條件，對(duì)水力沖擊工具進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并在儲(chǔ)層條件接近的長(zhǎng)慶油田3口井進(jìn)行了井下試驗(yàn)，驗(yàn)證了工具的穩(wěn)定性，特別是改進(jìn)后沖擊片破裂壓力值的準(zhǔn)確性，同時(shí)檢測(cè)到多個(gè)脈沖壓力波。3口試驗(yàn)井的增產(chǎn)效果顯著，驗(yàn)證了壓力脈沖解堵的機(jī)理，為水力沖擊技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 水力沖擊工具優(yōu)化

水力沖擊技術(shù)是根據(jù)流體的“水擊”理論，借助井筒中流體的重力勢(shì)能、可壓縮性和慣性，通過(guò)地面泵對(duì)配套工具加壓在井下產(chǎn)生的多個(gè)脈沖壓力波對(duì)油水井進(jìn)行解堵或壓裂的增產(chǎn)技術(shù)，可用于油水井解堵[8-9]和中低滲油藏中小規(guī)模儲(chǔ)層改造[10]。

水力沖擊技術(shù)的關(guān)鍵是配套的水力沖擊工具，主要包括導(dǎo)流短節(jié)、沖擊短節(jié)、沖擊室、柱塞短節(jié)和尾管等部件（見(jiàn)圖1）。其中，沖擊片、柱塞為單獨(dú)部件，沖擊片由具有可抗一定壓力值的金屬片焊接而成，通過(guò)螺紋及密封圈方式嵌入沖擊短節(jié)中，柱塞通過(guò)密封圈方式嵌入柱塞短節(jié)；沖擊短節(jié)中的沖擊片和柱塞短節(jié)中的柱塞密封沖擊室，形成封閉環(huán)境。

圖1 水力沖擊工具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a hydraulic impact tool

水力沖擊工具的工作原理為：將工具通過(guò)油管下入生產(chǎn)井中，井口連接地面泵加壓，當(dāng)井下壓力大于沖擊片的破裂壓力時(shí)沖擊片破裂，井筒中液流通過(guò)油管和導(dǎo)流短節(jié)快速進(jìn)入沖擊室中，高速液流推動(dòng)柱塞至尾管底部時(shí)瞬間靜止，根據(jù)“水擊”理論，井下會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)水力沖擊高壓，隨后壓力不斷振蕩并衰減，形成多個(gè)壓力波，從而對(duì)油水井儲(chǔ)層產(chǎn)生正壓沖擊和負(fù)壓解堵作用，以提高單井產(chǎn)能。

根據(jù)海上油田儲(chǔ)層及工程特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有水力沖擊工具進(jìn)行了優(yōu)化：

1）優(yōu)化水力沖擊工具尺寸。有別于陸上油田多采用φ139.7 mm套管，海上油田多為φ177.8 mm和φ244.5 mm套管，為了更好地發(fā)揮工具性能，研發(fā)了φ88.9 mm～φ130.0 mm等尺寸的水力沖擊工具。

2）優(yōu)化工具材質(zhì)及抗壓強(qiáng)度。為更好地發(fā)揮作業(yè)效果和適應(yīng)儲(chǔ)層更深井況，海上油田需要將該項(xiàng)技術(shù)與常規(guī)酸化技術(shù)聯(lián)作，因此工具材質(zhì)采用35CrMo鋼材，并進(jìn)行防腐處理。此外，工具設(shè)計(jì)壁厚達(dá)21.0 mm，抗外擠壓力可達(dá)100 MPa。

3）改進(jìn)沖擊片結(jié)構(gòu)。沖擊片抗壓值的準(zhǔn)確性關(guān)系到技術(shù)的穩(wěn)定性和實(shí)施效果，海上油田技術(shù)試驗(yàn)初期曾出現(xiàn)過(guò)沖擊片實(shí)際抗壓值與設(shè)計(jì)破裂壓力值偏差過(guò)大的情況，導(dǎo)致下井過(guò)程中提前破裂或壓不破。因此，海上油田將成熟應(yīng)用的破裂盤(pán)改成沖擊片[11-14]，采用316L不銹鋼材質(zhì)，表面采用“十”字形或“O”字形刻槽方式，使沖擊片破裂后斷面充分暴露，以減少摩阻影響。

2 水力沖擊工具井下試驗(yàn)

2.1 井下試驗(yàn)

為了驗(yàn)證工具的穩(wěn)定性，特別是改進(jìn)后沖擊片破裂壓力的準(zhǔn)確性，同時(shí)檢驗(yàn)該技術(shù)的作業(yè)效果，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下壓力變化，考慮安全性和作業(yè)成本，優(yōu)選了儲(chǔ)層條件較為接近海上儲(chǔ)層的長(zhǎng)慶油田3口井進(jìn)行井下試驗(yàn)。

3口試驗(yàn)井均為φ139.7 mm套管和φ73.0 mm油管（工具大部分部件的直徑為88.9 mm，沖擊室采用φ73.0 mm油管），儲(chǔ)層孔隙度6.92%～13.91%，滲透率0.26～1.46 mD，屬于典型低孔、低滲儲(chǔ)層，由于低產(chǎn)低效，均為大修待作業(yè)井，其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水力沖擊井下試驗(yàn)井參數(shù)Table 1 Downhole parameters for hydraulic impact test wells

試驗(yàn)器材包括水力沖擊工具、托桶（放P-T測(cè)試儀）、托桶轉(zhuǎn)換接頭、減振塊、頂絲、彈簧、擋板和托桶堵頭等；壓力測(cè)試工具包括P-T測(cè)試儀、銅柱測(cè)壓器?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有400型水泥車(chē)；閥門(mén)、地面管線、接頭、三通、活動(dòng)彎頭等沖洗工具；洗井液等，φ108 mm通井規(guī)；φ73.0 mm EU油管2 000 m；350型井口一套；30 m3罐車(chē)2輛，清水60 m3，供洗井使用。

將水力沖擊井下試驗(yàn)器材按順序連接好，下入油井中，安裝好井口，用400型水泥車(chē)加壓，記錄水泥車(chē)泵壓和排量變化情況，待水力沖擊試驗(yàn)完成后（泵車(chē)壓力表突降、地面管線抖動(dòng)），起出管柱，觀察沖擊片狀態(tài)、記錄銅柱測(cè)壓器和P-T測(cè)試儀相關(guān)參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

3口井進(jìn)行井下試驗(yàn)時(shí)，工具在井筒中起下鉆及停留時(shí)間合計(jì)分別為8，13和26 h，其中Z44井井筒壓力最大達(dá)到36.5 MPa，期間經(jīng)過(guò)了多次壓力脈沖變化；起出工具后，各部件完好。此外，B31和Z44井檢測(cè)到?jīng)_擊片的破裂壓力分別為24.24和30.50 MPa（吻合精度分別為96.96%和98.33%），沖擊片破裂明顯，說(shuō)明工具優(yōu)化后性能穩(wěn)定，改進(jìn)后的沖擊片破裂壓力精度高。

H25井施工時(shí)考慮導(dǎo)流短節(jié)可能導(dǎo)致地面泵無(wú)法加壓而將其去掉，且井下P-T測(cè)試儀因調(diào)試故障未采集到實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)，但通過(guò)銅柱測(cè)壓器有19.2 MPa壓力顯示。沖擊片破裂后井下壓力衰減較快，同時(shí)地面泵在沖擊片破裂后管線抖動(dòng)，且地面壓力瞬間降為0 MPa。

B31井和Z44井進(jìn)行井下試驗(yàn)時(shí)改進(jìn)安裝了導(dǎo)流短節(jié)，P-T測(cè)試儀監(jiān)測(cè)到明顯的水力沖擊壓力變化，監(jiān)測(cè)軟件顯示2口井均有明顯的水力沖擊壓力脈沖現(xiàn)象。其中，B31井共采集到20余個(gè)水力沖擊波形，持續(xù)時(shí)間60 s以上；沖擊片在壓力達(dá)24.24 MPa時(shí)破裂，壓力降至13.88 MPa，第1個(gè)波形的峰值壓力為23.15 MPa，隨后峰值逐漸遞減。

B31井作業(yè)后仍無(wú)法正常注水，分析認(rèn)為，原因是該井歷史關(guān)聯(lián)性好的受效井Z3井實(shí)施卡堵水因無(wú)法泄壓待大修，受效井憋壓無(wú)法有效泄壓；井下壓力也監(jiān)測(cè)到，停泵后30 min井下壓力不釋放，證明井下連通性不好。從試驗(yàn)效果來(lái)看，B31井試驗(yàn)結(jié)束后立即停泵，井底壓力保持在21.37～21.54 MPa，30 min后壓力無(wú)法下降至地層靜壓18.86 MPa。這是因?yàn)槭苄Ь飰海貙訅毫o(wú)法擴(kuò)散，水力沖擊壓力脈沖的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但衰減較快。

Z44井共采集到6個(gè)水力沖擊波形，持續(xù)20 s左右，沖擊片在壓力達(dá)30.5 MPa時(shí)破裂，壓力降至22.0 MPa，6個(gè)沖擊波的峰值壓力分別為28.9，29.3，28.9，29.7，29.3和29.2 MPa。

Z44井試驗(yàn)前試注壓力為22.3 MPa，排量為60 L/min；試驗(yàn)后試注壓力為19.5 MPa，排量為195 L/min，注入能力大幅提高，增注效果較為明顯；同時(shí)，該井作業(yè)后井下壓力充足，起管柱多次存在溢流現(xiàn)象，且托桶中橡膠減振塊受壓后破裂、燃燒現(xiàn)象嚴(yán)重。Z44井試驗(yàn)后未停泵，井底壓力保持在28.9～29.7 MPa，壓力脈沖時(shí)間較短，且壓力未衰減，表明作業(yè)效果較好。

2.3 結(jié)果分析

B31井和Z44井安裝導(dǎo)流短節(jié)后，最大峰值壓力均高于H25井壓力，且地面泵未出現(xiàn)壓力降低為0 MPa的情況，說(shuō)明導(dǎo)流短節(jié)對(duì)于減緩壓力衰減具有關(guān)鍵作用。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，安裝導(dǎo)流短節(jié)后，井下峰值壓力衰減相對(duì)較小。分析認(rèn)為，加裝導(dǎo)流短節(jié)后，地面泵加壓時(shí)整個(gè)油套空間是一個(gè)大壓力環(huán)境，提供的沖擊液量和能量都遠(yuǎn)比僅只有油管的大，且地層為吸液飽和環(huán)境，破裂后地面泵壓基本不會(huì)下降，試驗(yàn)結(jié)果也充分說(shuō)明此現(xiàn)象。

此外，3口井井下試驗(yàn)未采集到“水擊”理論所產(chǎn)生壓力增加值，但是有顯著的水力沖擊脈沖效果。例如，B31井的沖擊片破裂壓力為25.0 MPa，“水擊”理論模擬的最大峰值壓力為39.20 MPa，但實(shí)測(cè)最大峰值壓力僅為23.15 MPa；除最大峰值壓力不一致外，壓力脈沖數(shù)值和頻率與實(shí)測(cè)值基本一致。

分析認(rèn)為，陸上油田多采用φ73.0 mm油管作業(yè)，其內(nèi)徑為62.0 mm，氣液摩阻較大，同時(shí)地層吸液，峰值壓力有較大損耗；但水力沖擊脈沖效果較好，持續(xù)時(shí)間20～60 s。因此，該技術(shù)的主要機(jī)理應(yīng)為水力脈沖作用，在井下能產(chǎn)生多個(gè)壓力波，若使井下產(chǎn)生大于地層破裂壓力的波形，裂縫將不斷延伸并產(chǎn)生新裂縫，提高導(dǎo)流能力，同時(shí)具有負(fù)壓脈沖解堵效果。此外，若在沖擊短節(jié)上部配備多個(gè)投球式?jīng)_擊短節(jié)，使工具一次下井具備重復(fù)脈沖作用，效果應(yīng)該更為顯著。

鑒于對(duì)于該技術(shù)機(jī)理的重新分析，若需要發(fā)揮壓裂改造效果，建議后續(xù)井況采用高壓力沖擊片作業(yè)，滿足主要波形峰值壓力大于地層破裂壓力，同時(shí)配備合適的抗壓井口。例如，Z44井地層破裂壓力為28.1 MPa，采用破裂壓力30.0 MPa的沖擊片，井下實(shí)測(cè)的主要波形峰值壓力均在此之上；同時(shí)，作業(yè)后未停泵，井口壓力最高達(dá)19.5 MPa，作業(yè)后取得明顯效果。

3 結(jié)論與建議

1）優(yōu)化后的水力沖擊工具性能穩(wěn)定，沖擊片破裂壓力精度高，適合于φ177.8 mm和φ244.5 mm等大尺寸套管，并具有耐酸材質(zhì)及抗壓強(qiáng)度，可用于深井和與酸化聯(lián)合作業(yè)施工。

2）通過(guò)井下試驗(yàn)首次驗(yàn)證了水力沖擊技術(shù)的壓力脈沖解堵機(jī)理，試驗(yàn)共采集6～20個(gè)脈沖波形，持續(xù)時(shí)間20～60 s，波形和持續(xù)時(shí)間跟作業(yè)井況有關(guān)。該技術(shù)可顯著增強(qiáng)注水井的增注效果；若采用大于地層破裂壓力的沖擊片，同時(shí)配備合適的抗壓井口，可達(dá)到微壓裂改造效果。

3）為了提高作業(yè)效率和強(qiáng)化技術(shù)作用效果，建議優(yōu)選連通性相對(duì)較好的井況，并采用與酸化直接聯(lián)作的方式；為了延長(zhǎng)水力脈沖作用，建議繼續(xù)研發(fā)具有重復(fù)脈沖作用的多級(jí)水力沖擊工具。