劉斌，王興文，黃禹忠，慈建發(fā)

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000）

水平井貓鼬分段加砂壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用

劉斌，王興文，黃禹忠，慈建發(fā)

（中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng) 618000）

為解決川西套管封隔器水平井分段壓裂分段數(shù)受限、壓后作業(yè)困難的難題，文中在通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選噴砂射孔磨料，優(yōu)化磨料粒徑、磨料體積分?jǐn)?shù)及噴砂排量等參數(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化配套大通徑井口裝置、壓裂液體系及沖砂工藝，形成了適用于川西中淺層的水平井貓鼬分段壓裂技術(shù)。與鄰井對(duì)比分析表明，采用貓鼬壓裂方式的改造效果與采用常規(guī)壓裂的相差不大，其優(yōu)點(diǎn)在于提供了全通徑水平井井筒，有利于后期作業(yè)。

水平井；貓鼬分段壓裂；改造效果；川西

0 引言

川西中淺層水平井分段壓裂主要采用套管封隔器分段壓裂工藝，該工藝采用封隔器統(tǒng)一坐封投球開(kāi)滑套方式實(shí)現(xiàn)多段改造。目前，水平井分段壓裂管柱最多可實(shí)現(xiàn)12段壓裂，壓裂管柱最小內(nèi)通徑僅23.5 mm。壓裂管柱級(jí)差既限制了分段壓裂的分段數(shù)，又增加了壓后作業(yè)及后期采氣的難度，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：1）壓裂后排液過(guò)程中，如果出現(xiàn)支撐劑回流，則連續(xù)油管下不到井底進(jìn)行沖砂，無(wú)法保證井筒的通暢，進(jìn)而影響單井產(chǎn)量；2）由于測(cè)量工具下入困難，無(wú)法對(duì)氣井的產(chǎn)氣剖面進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)井，進(jìn)而影響壓裂效果評(píng)價(jià)及氣井的動(dòng)態(tài)分析；3）如果氣井后期出現(xiàn)出水等情況，則增加了后期作業(yè)的難度。

為克服以上不足，針對(duì)川西中淺層致密氣藏及水平井特點(diǎn)，在適應(yīng)性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化施工參數(shù)，并配套大通徑井口裝置，形成了貓鼬分段壓裂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了川西中淺層水平井壓后的全通徑，為后期作業(yè)提供了良好的井筒條件。

1 工藝原理

貓鼬分段壓裂技術(shù)采用連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空壓裂實(shí)現(xiàn)水平井分段壓裂，壓后起出井內(nèi)帶工具的連續(xù)油管即可實(shí)現(xiàn)井筒的全通徑。

該技術(shù)的工藝原理為：在井口將連接好的連續(xù)油管與貓鼬多級(jí)壓裂工具下入水平井內(nèi)預(yù)定井深以下10 m左右，上提管柱通過(guò)組合工具的MCCL機(jī)械定位器實(shí)現(xiàn)精確定位，然后坐封封隔器，通過(guò)連續(xù)油管和噴槍進(jìn)行噴砂射孔，從環(huán)空注入壓裂液對(duì)該段進(jìn)行壓裂；單段壓裂完成后，上提管柱解封封隔器，并向上拖動(dòng)管柱至另一待改造井段后，重復(fù)坐封、噴射、環(huán)空加砂壓裂，直至壓完所有設(shè)計(jì)井段后提出連續(xù)油管及工具，從而實(shí)現(xiàn)多段壓裂。

該技術(shù)理論上具有不限級(jí)數(shù)分段壓裂能力，但連續(xù)油管拖動(dòng)貓鼬多級(jí)壓裂工具在國(guó)外已完成單井40級(jí)壓裂改造作業(yè)，在美國(guó)頁(yè)巖氣作業(yè)中單井作業(yè)最高達(dá)50級(jí)。

2 磨料材質(zhì)優(yōu)選及參數(shù)優(yōu)化

影響貓鼬分段壓裂的主要因素對(duì)噴砂射孔同樣至關(guān)重要，若噴砂射孔無(wú)法噴開(kāi)套管及水泥環(huán)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)施工的失?。?-5］。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)噴射材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化［6-9］。

2.1 磨料材質(zhì)優(yōu)選

磨料材質(zhì)對(duì)沖擊深度影響的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯谙嗤瑝毫团帕肯?，硬度較小的石英砂的沖擊深度比硬度較大的石榴石的沖擊深度要小得多。根據(jù)已經(jīng)得到證實(shí)的切割理論，磨料的切割能力與硬度呈正相關(guān)關(guān)系，而且磨料表面越不規(guī)則，噴射效果越好，結(jié)合壓裂改造常用材料，最終選用圓球度較差的石英砂為噴砂射孔的磨料。

圖1 磨料材質(zhì)對(duì)射孔能力的影響

2.2 參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 磨料體積分?jǐn)?shù)

噴射深度與磨料體積分?jǐn)?shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯瑖娚渖疃炔⒉皇请S著磨料體積分?jǐn)?shù)的增加而持續(xù)增加，而是存在一個(gè)拐點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，在磨料體積分?jǐn)?shù)為6%～8%時(shí)，噴射效果較優(yōu)。

2.2.2 磨料粒徑

磨料粒徑對(duì)噴射深度影響的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，噴射深度開(kāi)始隨著磨料粒徑的增加而增加，在增加到一定程度后呈下降趨勢(shì)。這表明存在一個(gè)最優(yōu)磨料粒徑，優(yōu)選磨料粒徑為0.4～0.6 mm。

圖2 噴射深度與磨料體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖3 噴射深度與磨料粒徑的關(guān)系

2.2.3 噴射排量

射流排量與噴嘴壓降成正比［6-9］，關(guān)系式為

式中：Δp為噴嘴孔眼壓降，MPa；ρ為噴射液密度，g/ cm3；Q為噴射排量，m3/min；n為噴嘴孔數(shù)；d為噴嘴直徑，cm；Cd為孔眼流量系數(shù)，通常取0.8～1.0。

較大的噴射速度易導(dǎo)致噴嘴失效，這就對(duì)井口及噴嘴質(zhì)量提出了更高的要求，為節(jié)約成本，噴射深度達(dá)到常規(guī)噴射深度30 cm即可。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴射速度為260 m/s左右時(shí)，噴射深度可達(dá)30 cm以上，因此，260 m/s是較合適的噴射速度（見(jiàn)表1）。

表1 不同噴射速度下的噴射深度

根據(jù)噴嘴組合、尺寸數(shù)據(jù)，對(duì)施工排量進(jìn)行計(jì)算。貓鼬噴砂射孔工具孔眼直徑4.762 5 mm，噴嘴孔眼數(shù)為4，當(dāng)噴嘴壓降分別為30，35，40 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的排量分別為1.10，1.28，1.46 m3/min。結(jié)合井口限壓情況，最終優(yōu)化噴射排量為1.10 m3/min。

2.2.4 噴嘴壓降及射孔時(shí)間

不同射孔時(shí)間下，噴射深度與噴嘴壓降的關(guān)系［10-12］見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，隨著壓降的升高，噴射深度明顯增加，在達(dá)到最大噴射深度前，噴射深度隨時(shí)間的增加呈線性增加，當(dāng)時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，孔深不再增加。通過(guò)巖樣觀察可以看出，孔徑也隨著壓力的升高而明顯變大，當(dāng)達(dá)到最大噴射深度后，繼續(xù)增加壓降只能增加孔徑，而對(duì)噴射深度影響不大。因此，推薦水力噴射噴砂射孔在噴嘴壓降30 MPa下，保持噴射10 min。

圖4 噴射深度與壓降的關(guān)系

3 配套工藝技術(shù)

3.1 井口配套技術(shù)

貓鼬工具外徑為117.9 mm，而川西中淺層水平井井口內(nèi)通徑一般僅78 mm，因此，為保證工具順利下放需配套形成130 mm的大通徑井口裝置。同時(shí)考慮壓裂施工要求，配套形成了從連續(xù)油管的操作窗至井口的大通徑裝置（見(jiàn)圖5）。

圖5 貓鼬壓裂井口配套裝置示意

3.2 壓裂液

以8段施工為例，正常情況下貓鼬壓裂施工時(shí)間是常規(guī)壓裂的2倍左右。壓裂液長(zhǎng)時(shí)間滯留會(huì)增加對(duì)儲(chǔ)層的傷害，因此需優(yōu)化壓裂液配方。通過(guò)降低壓裂液中胍膠濃度、優(yōu)化壓裂液中防水鎖劑及添加劑的加量，從而形成了低傷害防水鎖壓裂液。形成的壓裂液體系與常規(guī)壓裂液性能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 低傷害壓裂液體系與常規(guī)壓裂液性能指標(biāo)對(duì)比

3.3 沖砂工藝技術(shù)

由于貓鼬壓裂壓后采用光套管排液，流動(dòng)面積增加導(dǎo)致排液過(guò)程中流速變慢，易出現(xiàn)井筒積砂情況，因此，在下入生產(chǎn)管柱之前，需對(duì)井筒進(jìn)行沖砂，保證井筒的通暢［13-15］。

采用胍膠液沖砂液、連續(xù)油管＋接頭+噴嘴沖砂管柱、正沖方式進(jìn)行作業(yè)。優(yōu)選沖砂作業(yè)的噴嘴、介質(zhì)及排量，形成了沖砂作業(yè)參數(shù)（見(jiàn)表3）。表中型號(hào)A，B，C，D分別為φ31.75，38.10，44.50，50.80 mm的連續(xù)油管。

表3 水平井沖砂參數(shù)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

SF38-1HF井采用貓鼬分段壓裂技術(shù)，分8段進(jìn)行加砂壓裂，排量3.60～4.50 m3/min，壓力31～42 MPa，入地液量1 751.2 m3，支撐劑209 m3，液氮61 m3，石英砂5.58 t，酸24 m3。該井施工結(jié)束后采用套管排液。排液初期出砂1 m3，返排壓裂液895 m3（入地1 751.2 m3），返排率51.1%。穩(wěn)定套壓18.0 MPa、上流壓力1.35 MPa、上流溫度2℃條件下，計(jì)算日產(chǎn)氣量3.094 6×104m3。

目前，已在該地區(qū)3口井應(yīng)用了該技術(shù)，最大分段數(shù)為10，壓后井下工具取出井筒實(shí)現(xiàn)了井筒的全通徑。與鄰井對(duì)比分析表明，采用貓鼬壓裂與常規(guī)壓裂方式改造后的產(chǎn)氣量相差不大，說(shuō)明采用貓鼬壓裂對(duì)提高改造效果的貢獻(xiàn)不大（見(jiàn)表4）。

表4 貓鼬分段壓裂與常規(guī)壓裂改造效果對(duì)比

5 結(jié)論

1）通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選石英砂為噴砂射孔的磨料。優(yōu)化磨料體積分?jǐn)?shù)為6%～8%，磨料粒徑為0.4～0.6 mm，噴射排量為1.10 m3/min，噴嘴壓降為30 MPa，噴射時(shí)間10 min。

2）貓鼬分段壓裂可以實(shí)現(xiàn)壓后的井筒全通徑，為壓后作業(yè)及壓裂評(píng)估提供了良好的井筒條件，但在提高單井產(chǎn)量方面作用有限。

［1］嚴(yán)玉中.水力噴砂射孔機(jī)理及參數(shù)優(yōu)選研究［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2006.

［2］牛繼磊，馬利成.水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31（2）：14-16.

［3］馬飛，楊逸，宋燕高，等.水力噴射壓裂關(guān)鍵機(jī)理探討［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2011，5（2）：40-42.

［4］盛茂，李根生，黃中偉，等.水力噴射孔內(nèi)射流增壓規(guī)律數(shù)值模擬研究［J］.鉆采工藝，2011，34（2）：42-45.

［5］李根生，夏強(qiáng)，黃中偉，等.深井水力噴射壓裂可行性分析及設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（5）：58-62.

［6］劉曉敏，侯樹(shù)剛，蔣金寶，等.高壓噴射鉆井技術(shù)及其應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2013，20（6）：128-131.

［7］王建麾，王成旺，余興國(guó)，等.PSK多級(jí)滑套水力噴射分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用：以鎮(zhèn)北油田水平井為例［J］.斷塊油氣田，2014，21（1）：107-109.

［8］朱愛(ài)梅.水力噴射環(huán)空加砂壓裂在薄互層水平井的應(yīng)用［J］.大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2014，33（3）：101-104.

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

［10］田守增，李根生，黃中偉，等.連續(xù)油管水力噴射壓裂技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（8）：61-63.

［11］李根生，劉麗，黃中偉，等.水力射孔對(duì)地層破裂壓力的影響研究［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，30（5）：42-45.

［12］Mahadevan J，Sharma M M.Clean-up of water blocks in low permeability formations［R］.SPE 84216，2003.

［13］胡昌德，趙元才，包慧濤，等.澀北氣田連續(xù)油管沖砂作業(yè)分析［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（7）：85-88.

［14］李文彬，劉彥龍，葉賽，等.連續(xù)油管沖砂作業(yè)參數(shù)優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2O11，40（11）：58-61.

［15］付鋼旦，王曉榮，趙粉霞.氣井連續(xù)油管沖砂試驗(yàn)及分析［J］.低滲透油氣田，2005，10（1）：29-32.

（編輯 朱麗）

Research and application of mongoose staged sand fracturing technology for horizontal well

Liu Bin,Wang Xingwen,Huang Yuzhong,Ci Jianfa
(Research Institute of Engineering Technology,Southwest Oil and Gas Company,SINOPEC,Deyang 618000,China)

In order to solve the problems of the limit of staged numbers for the staged fracturing and the operation difficulty of horizontal well after fracturing in western Sichuan and through the indoor experiment,the sand blasting perforation abrasive is selected and the abrasive size,abrasive volume fraction and perforation displacement are optimized.Based on this,the matching wellhead equipment with large diameter,the fracturing fluid system and sand washing process are optimized,forming the mongoose staged fracturing technology suitable for the middle-shallow layer of horizontal well in western Sichuan.The comparison result with the adjacent well after fracturing shows that the stimulation effect difference is not big using mongooses fracturing and using conventional fracturing.The advantage of mongooses fracturing is providing full size horizontal wellbore and easy to late operation.

horizontal well;mongoose staged fracturing;stimulation effect;western Sichuan

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“四川盆地低滲氣藏儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)研究”（2008ZX05002-004-04）

TE357.1+3

：A

10.6056/dkyqt201501028

2014-09-25；改回日期：2014-11-18。

劉斌，男，1981年生，高級(jí)工程師，碩士，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事壓裂工藝及儲(chǔ)層改造研究工作。E-mail：lb0557@163.com。

劉斌，王興文，黃禹忠，等.水平井貓鼬分段加砂壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2015，22（1）：126-129.

Liu Bin，Wang Xingwen，Huang Yuzhong，et al.Research and application of mongoose staged sand fracturing technology for horizontal well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：126-129.