溝通碳酸鹽巖儲集體的酸液定向噴射造孔工具研制

戴文潮， 程光明， 王 超， 馬蘭榮

1中國地質(zhì)大學(北京) 2中國石化石油工程技術(shù)研究院

0 前言

碳酸鹽巖油氣藏是全世界最重要的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域之一，占全球己探明石油儲量的52%，據(jù)統(tǒng)計30%以上的碳酸鹽巖儲層為縫洞型碳酸鹽巖油藏，我國西部碳酸鹽巖縫洞型油藏約占探明儲量的2/3，是石油增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域之一[1- 2]。目前針對該種油氣藏開發(fā)以籠統(tǒng)酸壓工藝為主，但因縫洞、縫隙發(fā)育以及儲層非均質(zhì)性等因素影響，壓裂造縫方向不能有效控制，導(dǎo)致裂縫容易沿主應(yīng)力方向、縫洞方向發(fā)展，其它方向的儲集體難以溝通，同時由于造縫高度難以控制，壓開水層、氣層，導(dǎo)致水、氣早侵影響施工效果[3- 7]。為實現(xiàn)縫洞型碳酸鹽巖儲藏儲集體精確溝通，實現(xiàn)油氣井增產(chǎn)，本文開展定點定向噴射造孔工具研制，為碳酸鹽巖油氣井增產(chǎn)提供一種新的技術(shù)手段。

1 技術(shù)原理

預(yù)置管定點定向噴射鉆進的技術(shù)原理如圖1所示，將工具連接在油管或鉆桿柱下方，工具內(nèi)部預(yù)置一定長度的分支管，送入管柱將工具準確送到目的層位(定點)，管內(nèi)下入陀螺至坐落短節(jié)處，根據(jù)陀螺測定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)動管柱，調(diào)整噴射角度至設(shè)計作業(yè)方位(定向)[8- 12]，循環(huán)洗井后管內(nèi)泵注酸液，采用酸液射流方式在碳酸鹽巖地層中實現(xiàn)破巖造孔，同時在預(yù)置毛細管前端噴頭液力牽引下將預(yù)置毛細管打入儲層，造孔鉆進過程中毛細管及其形成的孔道連通井周儲集體，管柱作業(yè)完成后可提出，工具內(nèi)再次預(yù)置分支管后可在不同位置重復(fù)作業(yè)，增加井軸油氣通道數(shù)量，達到油氣井增產(chǎn)目的。

圖1 定點定向噴射鉆進技術(shù)原理

2 工具設(shè)計及關(guān)鍵參數(shù)

2.1 工具結(jié)構(gòu)

圖2為預(yù)置管定點噴射造孔工具結(jié)構(gòu)組成，主要由預(yù)置毛細管、外殼、射流噴頭、導(dǎo)向器及浮鞋組成，通過外殼上端螺紋扣，工具連接在完井管柱末端，外殼上加工有噴射窗口，陀螺擺工具面工藝確定噴射窗口至作業(yè)方位，射流噴頭牽引預(yù)置毛細管從此處噴出，預(yù)置毛細管穿過導(dǎo)向器內(nèi)設(shè)計的軌道，且與導(dǎo)向器間通過組合密封實現(xiàn)壓力隔離，導(dǎo)向器與外殼間通過密封圈實現(xiàn)管內(nèi)管外壓力隔離，液體僅能從毛細管內(nèi)流過經(jīng)噴頭射出。

圖2 預(yù)置管定點噴射造孔工具結(jié)構(gòu)組成

2.2 工具設(shè)計參數(shù)

工具主要適用于?149 mm裸眼井，表1為預(yù)置管定點定向噴射工具的主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)。

表1 預(yù)置管定點定向噴射主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)

3 工藝管柱及作業(yè)流程

定點定向噴射造孔工藝管柱如圖3所示，其具體作業(yè)流程大致為以下幾個階段：

圖3 工藝管柱及作業(yè)流程

(1)在井口將噴射造孔工具連接至送入管柱(油管/鉆桿)末端、標定陀螺坐落短節(jié)與噴射窗口初始方位角偏差。

(2)連接K344封隔器、水力錨后作業(yè)管柱送到作為位置后，再次下入定向陀螺至坐落短節(jié)處，轉(zhuǎn)動作業(yè)管柱結(jié)合初始方位角偏出，將噴射窗口調(diào)整至設(shè)計方位角后循環(huán)洗井，替完井液。

(3)管內(nèi)投放封堵球，替酸液至球到位后，起壓，坐封封隔器、坐掛水力錨。

(4)小排量泵注酸液，預(yù)置管酸液噴射造孔作業(yè)。

(5)待泵壓出現(xiàn)驟降，表明預(yù)置毛細管完全鉆入儲層，停泵。

(6)拆井口，起管柱，噴射造孔工具內(nèi)再次預(yù)置毛細管后，再次下入至另一設(shè)計位置重復(fù)作業(yè)。

4 噴射造孔力學模型分析及計算

預(yù)置管酸液射流耦合鉆進過程涉及較復(fù)雜的受力變化過程，預(yù)置管穩(wěn)定鉆進過程中其牽引力及阻力是影響其造孔深度的主要方面，造孔深度是該技術(shù)關(guān)鍵性指標。

4.1 預(yù)置管噴射鉆進受力分析

預(yù)置管噴射鉆進受力分析如圖4所示，預(yù)置毛細管通過密封機構(gòu)實現(xiàn)與工具間的密封，液體僅能從預(yù)置毛細管前端噴頭流出，預(yù)置管鉆進驅(qū)動力P主要有預(yù)置管末端推力Pt、液體流動與管壁的摩擦力Pgf、噴頭前端節(jié)流推力Pp；鉆進阻力F主要有：密封機構(gòu)摩擦力f1、工具接觸動摩擦力f2、裸眼環(huán)空阻力fm(含環(huán)空液體摩擦阻力)，以及射流反推力Ff。

圖4 預(yù)置管噴射鉆進受力示意圖

4.2 造孔極限深度

由預(yù)置管噴射鉆進受力分析可知預(yù)置管穩(wěn)定鉆進條件下，鉆進極限條件為：P=F，由流體動力學可求解[13- 16]：

P=Pt+Pgf+Pp

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ρ—酸液密度，kg/m3；Q—泵注排量，L/min；C—噴嘴流量系數(shù)；dp—噴嘴孔徑，m；ΔSp—噴嘴截面積，m2；l—預(yù)置管長度，m；d—預(yù)置管內(nèi)徑，m；ε—流量系數(shù)；λ—沿程損失系數(shù)。

F=f1+f2+fm+Fr

(5)

其中，f1，f2可由預(yù)置管噴射外伸壓力直接測出:

Fr=ρv2AP

(6)

式中:v—噴射速度，m/s;AP—射流孔徑面積，m2。

考慮孔眼彎曲度、持續(xù)泵注酸液對井眼擴徑影響，且作業(yè)排量較小，預(yù)置毛細管重量輕等因素，在預(yù)置毛細管穩(wěn)定鉆進條件下環(huán)空阻力fm及Fr相對較小，噴頭處于受壓狀態(tài)，隨著造孔深度的加深，沿程壓耗增加，地面泵車組的水馬力是影響造孔深度的主要因素。按70 MPa限壓，毛細管外徑8 mm，內(nèi)徑6 mm，噴嘴孔徑1.5 mm，泵注排量22 L/min，在孔道壁面光滑的理想孔眼條件下，計算鉆進極限深度為89 m。

5 工具測試

為驗證工具在灰?guī)r中噴射鉆進性能開展了地面模擬試驗。因試驗場地限制，灰?guī)r采用0.5 m×0.5 m×0.5 m露頭，表2為巖心三軸力學測試條件及結(jié)果。將噴射短節(jié)及灰?guī)r固定，短節(jié)內(nèi)預(yù)置2 m×?8 mm×?6 mm毛細管，噴射作業(yè)口對準露頭一側(cè)面中央，連接高壓射流泵，進行噴射造孔測試，測試參數(shù)如下：

表2 灰?guī)r力學性能

(1)泵注排量22 L/min，噴孔射速200 m/s。

(2)介質(zhì)20%HCl溶液，加熱至80 ℃。

測試結(jié)果表明，預(yù)置毛細管沿起始噴射方向呈直線路徑鉆穿灰?guī)r露頭，并從孔內(nèi)噴出，噴射鉆進進尺46.3 cm，噴射成孔孔徑大于18 mm，泵壓25 MPa，鉆進用時約16 min，鉆速約為1.74 m/h，工具達到設(shè)計要求。

6 結(jié)論

(1)定點定向噴射造孔技術(shù)及工具可為縫洞型碳酸鹽巖儲集體精確改造提供新的技術(shù)手段，具有經(jīng)濟、高效的技術(shù)優(yōu)勢，在深層、超深層油氣井增產(chǎn)方面優(yōu)勢顯著。

(2)噴射造孔管柱力學模型計算分析表明，預(yù)置管鉆進驅(qū)動力P主要在預(yù)置管末端及前端噴頭處，阻力F主要有管體與裝置間的動摩擦，射流反作用力及管體與孔道壁面的動摩擦，當驅(qū)動力與阻力達到平衡時即為預(yù)置毛細管造孔極限深度。

(3)地面試驗表明，噴射造孔工具能實現(xiàn)在灰?guī)r露頭中的有效鉆進，等效鉆速達1.74 m/h，形成孔道直徑大于18 mm，達到了工具設(shè)計使用要求。