馬發(fā)明

中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院

不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂技術(shù)

馬發(fā)明

中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院

馬發(fā)明.不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂技術(shù).天然氣工業(yè),2010,30(8):25-28.

水力噴射壓裂是目前先進(jìn)的分層、分段壓裂工藝之一,但由于該工藝要靠井下作業(yè)改變其噴射位置才能實(shí)現(xiàn)多層壓裂,致使工藝推廣受到制約。為此,在水力噴射壓裂前期研究成果的基礎(chǔ)上,通過對(duì)噴嘴個(gè)數(shù)和直徑的優(yōu)化研究、井下壓力節(jié)點(diǎn)分析,從油管排量與泵壓的關(guān)系入手,建立了水力噴射無因次特性曲線,探索了環(huán)空井底壓力的大小計(jì)算方法,解決了環(huán)空補(bǔ)液量與排量的關(guān)系等設(shè)計(jì)難題,在國內(nèi)首次提出了完井不動(dòng)管柱條件下的水力噴射逐層壓裂設(shè)計(jì)方法。同時(shí),配套研制了適用于178 mm(215.9 mm裸眼)、139.7 mm(152.4 mm裸眼)和127 mm套管的3種規(guī)格一趟管柱作業(yè)4層的滑套式噴射器。通過現(xiàn)場(chǎng)4口井共13層的作業(yè),結(jié)果證明不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂技術(shù)發(fā)展和完善了水力噴射壓裂工藝,不但實(shí)現(xiàn)了射孔、壓裂、生產(chǎn)聯(lián)作,還為合層開采提供了條件。

不動(dòng)管柱 壓裂 多層 滑套式噴射器 技術(shù) 應(yīng)用

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.08.007

近年來,國內(nèi)外學(xué)者在磨料射流、脈沖射流和空化射流的研究和應(yīng)用開發(fā)中取得了一系列的研究成果,拓展了水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍。在油氣田勘探開發(fā)的應(yīng)用中形成了水力噴射輔助壓裂新技術(shù),隨著工藝的不斷改進(jìn),水力噴射壓裂技術(shù)在全世界范圍內(nèi)的多個(gè)油氣田得到迅速應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),水力噴射輔助壓裂技術(shù)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)施工了300多口井,大部分增產(chǎn)效果顯著,但在其配套工藝上還需完善。

1 工藝研究

1.1 噴嘴個(gè)數(shù)與直徑組合優(yōu)化

根據(jù)前期研究成果[127],為了保證足夠的射孔和破巖效果,一般要保證液體出噴嘴流速要在200 m/s左右,而噴嘴節(jié)流壓差一般要在20 M Pa左右。噴嘴流速越高,或節(jié)流壓差越大,射孔和破巖的效果越好,噴嘴產(chǎn)生的負(fù)壓越大,但是消耗在噴嘴上的水功率就越大,也就是施工排量就越低,低到一定程度,就不能滿足加砂壓裂需要了。因此,選擇噴嘴直徑與個(gè)數(shù)時(shí)就是要找到噴射能力、負(fù)壓值和施工排量之間的平衡點(diǎn)。研究表明:井口泵壓的計(jì)算是影響噴嘴選擇的關(guān)鍵,只有知道了泵壓隨噴嘴直徑、個(gè)數(shù)的變化關(guān)系,才能根據(jù)泵壓情況決定合適的噴嘴直徑和個(gè)數(shù)。從圖1、2可得到8×5.5 mm噴嘴組合可滿足壓裂對(duì)排量和泵壓的要求。

圖173 mm油管的排量—壓降圖

圖273 mm油管的排量—泵壓圖

1.2 油管排量設(shè)計(jì)

油管作為攜砂的通道,排量選擇主要受噴嘴直徑和個(gè)數(shù)的影響,選擇8×5.5 mm噴嘴組合可滿足要求。因此,油管排量設(shè)計(jì)應(yīng)該在保證井口不超壓的前提下,盡可能提高泵注排量。

按照節(jié)點(diǎn)方法來分析,涉及井下壓力節(jié)點(diǎn)的有以下幾個(gè)(圖32a):①裂縫延伸壓力(pp);②噴嘴前井底壓力(pb);③管路摩阻(pf);④靜水柱壓力(pH);⑤井口泵壓(pt)。

圖3 噴射過程中的壓力節(jié)點(diǎn)和水力噴射系統(tǒng)圖

如果從井底計(jì)算到井口泵壓,那么就存在以下關(guān)系:

可以得到:

根據(jù)前期研究成果,Δp可以由以下方法求得:

式中Δp為壓裂液過噴嘴前后的壓降,M Pa;Q為排量,L/s;ρ為流體密度,g/cm3;A為噴嘴總面積,mm2;C為噴嘴流量系數(shù),一般取0.9。

由于裂縫延伸壓力(pp)、管路摩阻(pf)、靜水柱壓力(pH)都是不難得到的參數(shù),因此,只要按照式(3)計(jì)算噴嘴壓降,就可以根據(jù)式(2)計(jì)算出施工時(shí)的地面泵壓。以B65井為例,得到油管泵壓—排量關(guān)系圖版(圖 4)。

圖4 B65井油管泵壓—排量關(guān)系圖

在綜合考慮了噴嘴壓降和井口泵壓的條件下,選擇油管注入排量2.2 m3/min,此時(shí)泵壓為66.9 M Pa,基本上是井口不超壓的前提下可達(dá)到的最高排量。

1.3 環(huán)空壓力計(jì)算方法

水力噴射逐層壓裂工藝不使用封隔器,就可以實(shí)現(xiàn)多層壓裂。其所依賴的機(jī)理就是在噴嘴出口處形成的負(fù)壓導(dǎo)引流體轉(zhuǎn)向,只進(jìn)入射孔孔道中而不會(huì)進(jìn)入到已經(jīng)壓開的層段。因此,環(huán)空壓力的控制是關(guān)鍵(圖32b)。

定義 M是吸入流量(q3)和噴射流量(q1)之比,記為:

定義 R是噴嘴出口截面積(A1)和射孔孔眼面積(A2)之比,記為:

水頭比(H)的物理意義為吸入液得到的能量和噴射液釋放的能量之比,其計(jì)算公式為:

式中 h為射孔位置垂深,m;λ為裂縫延伸壓力梯度,M Pa/m;Kj為噴嘴流動(dòng)阻力系數(shù);Kd為噴射流在孔道中的流動(dòng)阻力系數(shù);Ks為吸入液體在環(huán)空中的流動(dòng)阻力系數(shù);pt為井口泵壓,M Pa;pH為靜液柱壓力,M Pa;pf為油管摩阻,M Pa。

根據(jù)式(6),就可以作出如圖5所示的水力噴射無因次特性曲線。

圖5 水力噴射無因次特性圖

對(duì)于每一個(gè)尺寸的噴嘴,根據(jù)式(6)都可以作出相應(yīng)的無因次特性曲線圖版。建立特性曲線圖版以后,就可以在圖上查出不同無因次流量 M,對(duì)應(yīng)的無因次壓頭 H。在確定 M、H、p1、p2后,就可以根據(jù)式(6)計(jì)算出噴射時(shí)的環(huán)空井底壓力 p3,再減去環(huán)空液柱壓力,就可以得到不同噴嘴噴射時(shí)的地面套壓大小。

1.4 環(huán)空補(bǔ)液排量設(shè)計(jì)

在水力噴射壓裂中,施工總排量是由油管排量與環(huán)空排量之和組成。前面已經(jīng)確定了油管排量,在確定該排量后,根據(jù)壓裂所需總排量才確定環(huán)空排量。

第一步,根據(jù)壓裂需要的總排量,以及油管可以達(dá)到的排量,確定環(huán)空需要的排量范圍。

第二步,環(huán)空排量的確定是水力噴射多層壓裂成功的關(guān)鍵。如果環(huán)空排量過大,會(huì)使已壓裂層段重新開啟,出現(xiàn)“重復(fù)壓裂”;如果控制過低,又達(dá)不到施工所需排量,可能造成砂堵。因此需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出在不同環(huán)空補(bǔ)液排量下,井底的環(huán)空壓力變化情況。只要預(yù)測(cè)的環(huán)空井底壓力達(dá)到或超過了已壓裂層段裂縫開啟壓力,此時(shí)對(duì)應(yīng)的排量就是環(huán)空補(bǔ)液的排量上限。

在環(huán)空需要的排量范圍內(nèi),只要是不超過上限的環(huán)空補(bǔ)液排量都是可以選擇的環(huán)空排量。

如圖6所示,在設(shè)計(jì)B65井須六上亞段水力噴射壓裂時(shí),當(dāng)環(huán)空補(bǔ)液排量達(dá)到0.7 m3/min,井底環(huán)空壓力就超過已經(jīng)壓裂的須六下亞段的裂縫開啟壓力,因此須六上亞段的環(huán)空補(bǔ)液排量的上限就是0.7 m3/min。

2 滑套式噴射器的研制

圖6 B65井井底環(huán)空壓力隨環(huán)空補(bǔ)液排量變化預(yù)測(cè)圖

圖7 滑套式噴射器結(jié)構(gòu)示意圖

滑套式噴射器是實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱逐層加砂壓裂技術(shù)的核心部件。其結(jié)構(gòu)組成如圖7所示,主要是由噴槍本體、滑套、噴嘴、密封圈、銷釘、噴槍座組成。通過地面投球入座到滑套球座上,加壓到額定壓力剪斷銷釘,推動(dòng)滑套下移至噴槍座內(nèi),露出噴嘴,同時(shí)完成對(duì)下部管柱的密封,開展本層的工藝施工。施工完成后重復(fù)該施工步驟,逐級(jí)送球入座打開滑套壓裂該層。

表1 滑套式噴射工具系列尺寸表 mm

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在前期大量有效研究的基礎(chǔ)上,共完成了4口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:目前已經(jīng)形成了井深3 000 m以內(nèi)的不動(dòng)管柱水力噴射壓裂工藝及配套技術(shù);研制的井下工具工作壓力達(dá)到60 MPa、工作溫度達(dá)到90℃,在178、139.7 mm兩種套管和215.9、152.4 mm兩種裸眼使用。試驗(yàn)井實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱壓裂3～4條縫,單縫壓裂成功率100%。返排后,投產(chǎn)順利,其中 HC001262H1井實(shí)現(xiàn)了3段合采,B65井實(shí)現(xiàn)了3層(4段)合采(表2)。

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4 結(jié)論

1)不動(dòng)管柱水力噴射多層(多段)壓裂工藝,解決了常規(guī)水力噴射壓裂在氣井中使用時(shí)帶壓拖動(dòng)油管的井控風(fēng)險(xiǎn),并且縮短壓裂周期3～4倍,是一種全新、高效、安全的直井分層或水平井分段壓裂工藝。

2)通過不動(dòng)管柱水力噴射多層壓裂施工參數(shù)的理論研究,形成不動(dòng)管柱水力噴射壓裂施工參數(shù)的計(jì)算方法。

4)開展了4井次不動(dòng)管柱水力噴射壓裂,實(shí)現(xiàn)了不動(dòng)管柱壓裂4條縫,單縫壓裂成功率達(dá)到100%,其中GA 0022X68是國內(nèi)第1口不動(dòng)管柱噴射壓裂井。

5)不動(dòng)管柱逐層壓裂工藝管柱不僅可作為射孔和逐層壓裂管柱,也可作為多層合采管柱。

6)建議對(duì)工具進(jìn)一步優(yōu)化研究,形成5級(jí)以上的不動(dòng)分段壓裂工藝。

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2010-05-30 編輯 韓曉渝)

馬發(fā)明,1964年生,高級(jí)工程師,博士;長(zhǎng)期從事采氣工程技術(shù)研究和技術(shù)管理工作。地址:(618300)四川省廣漢市廣東路東一段2號(hào)。電話:(0838)5151475。E-mail:mafam@petrochina.com.cn