徐冠軍 雷金晶 后鑫

[摘要]本文在闡述水平井水力噴射分段壓裂的基本原理和其特點的基礎上，研究了影響水力噴射分段壓裂的工藝參數(shù)，介紹了三種不同管柱的壓裂工藝。

[關(guān)鍵詞]水平井；水力噴射；壓裂技術(shù)

1.水力噴射壓裂的基本原理以及特點

1.1水力噴射壓裂的基本原理

水力噴射壓裂技術(shù)原理是借助水力噴射（壓裂）工具，通過兩個步驟將地層裂縫打開：第一步，將水平井水力噴射分段壓裂管柱下入設定位置，進行水力噴射，利用高壓射流在地層形成一個（或多個）噴射孔道；第二步，當孔道形成后，壓裂液經(jīng)油管由噴嘴以高速噴入孔道，同時通過環(huán)空注入基液補償?shù)貙悠渌课坏穆┦?，維持環(huán)空壓力以提高井眼壓力，將孔道中的壓力升高到一定程度，使孔內(nèi)壓力達到壓開地層的水平，防止進入孔內(nèi)的壓裂液自孔口返出到環(huán)空，使地層產(chǎn)生裂縫并向深處延伸，從而實現(xiàn)對油氣井的有效改造。

射流射入孔道實現(xiàn)增壓的過程中，壓裂液定點注入只產(chǎn)生局部增壓，不會在井筒其他部位形成高壓壓開新裂縫、也不會導致已有裂縫重新張開。

水力噴射壓裂工藝依靠高速射流，能夠在井下產(chǎn)生一個低壓區(qū)域，促使環(huán)空流體進入施工目的層段，實現(xiàn)壓裂過程的密封，無需機械密封裝置[3]。

1.2水力噴射壓裂射流密封計算模型

通過試驗數(shù)據(jù)分析，射流密封壓力與射流壓力、套管孔眼直徑和噴嘴直徑三個因素具有相關(guān)性。通過對試驗數(shù)據(jù)進行多元非線性回歸分析，得到水力噴射壓裂射流密封計算模型為[2][3][4]：

（1）

式中：K—試驗數(shù)據(jù)回歸系數(shù)；

Ca—噴嘴流量系數(shù)，無量綱；

Δp—射流密封壓力，Mpa；

Pd—射流壓力，Mpa；

D—套管孔眼直徑，mm；

d—噴嘴直徑，mm。

依據(jù)式（1），結(jié)合管串摩阻優(yōu)化噴嘴尺寸及射流壓力，使得施工壓力在允許范圍內(nèi)獲得理想的射流密封壓力。

1.3水力噴射壓裂的特點

水平井水力噴射分段射孔壓裂技術(shù)具有以下特點：

1）工具結(jié)構(gòu)簡單；2）自動隔離，可用于裸眼、套管水平井完井；3）射孔、壓裂一體化工藝；4）一次管柱可進行多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲層傷害；5）壓井次數(shù)少，施工程序簡單；6）噴射壓裂可以有效降低地層破裂壓力，保證高破裂壓力地層的壓開和壓裂施工。

2.影響水力噴射分段射孔壓裂技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.1噴嘴結(jié)構(gòu)

水力噴射噴嘴結(jié)構(gòu)應有利于對通過其中的液體及磨料的增速作用，為此采用多級收縮組合結(jié)構(gòu)設計。

水力噴砂噴嘴設計應遵循以下原則：

1）能量轉(zhuǎn)換效率高；2）噴嘴的耐磨性好，壽命長；3）所產(chǎn)生的射流密集性好。

水力噴射噴嘴尺寸一要滿足水力噴射射孔的最佳速度要求，同時要滿足壓裂施工中攜砂液的流通要求。更要考慮施工中排量和砂比的因素，防止出現(xiàn)泵壓過高、砂堵等情況，所以，噴嘴孔徑以偏大為宜。

2.2噴射速度

研究表明，噴嘴出口流速在130-200m/s范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)水力噴射穿孔破巖的目的。

3.水力噴射壓裂管柱及施工工藝研究

3.1動管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱及工藝

動管柱根據(jù)是否有封隔器可以分為無封隔器水力噴射施工管柱和有封隔器水力噴射施工管柱，無封隔器水力噴射施工管柱用于層間壓裂壓力差距較小的井段，有封隔器水力噴射施工管柱用于層間壓裂壓力差距較大的層段。

無封隔器水力噴射分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)：由安全接頭、水力噴射器、單流閥、扶正器、篩管以及絲堵組成。施工前先按設計下入壓裂管柱，調(diào)整好管柱長度，使噴嘴正對第一個壓裂位置，工具定位后開始噴射壓裂。該管柱是通過上提管柱至對應壓裂層段的方式，來實現(xiàn)分段壓裂的。

施工工藝是：首先將管柱下入到第一段設計位置，下井定位后，打開套管閘門，從油管內(nèi)替入前置液后，提高排量和壓力，注入攜砂液進行射孔，完成后關(guān)閉套管閘門，保持油管排量，同時從套管注液，提高地層壓力，形成壓裂。完成后放噴、洗井，再將管柱上提到第二段設計位置，對其進行射孔、壓裂。

有封隔器水力噴射分段壓裂管柱結(jié)構(gòu)，由懸掛器、水力噴射器、K344封隔器、單流閥、扶正器、篩管以及絲堵組成等組成，壓裂施工步驟與單級水力噴射管柱施工步驟相似，單流閥可以反向洗井，利用單流閥的功能可以使封隔器坐封，利用封隔器可以加強封隔效果。該管柱也是通過上提管柱至對應壓裂層段的方式，來實現(xiàn)分段壓裂的。

3.2不動管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱及工藝

管柱結(jié)構(gòu)主要由安全接頭、扶正器、滑套式水力噴射器、水力噴射器、單流閥、篩管、絲堵組成。該管柱的工作原理與動管柱水力噴射分段壓裂工藝管柱大體相同，區(qū)別在于該管柱在施工過程中無需上提管柱，而是通過逐級投球的方式，實現(xiàn)對不同層段的分段壓裂改造。

管柱下井定位后，打開套管閘門，從油管內(nèi)替入前置液后，提高排量和壓力，注入攜砂液進行射孔，完成后關(guān)閉套管閘門，保持油管排量，同時從套管注液，提高地層壓力，形成壓裂。完成后投球打壓，打開上層滑套式水力噴射器，同時關(guān)閉下層，對上層進行射孔、壓裂。

4.結(jié)論

1、水力噴射壓裂工藝中，射流離開噴嘴后速度衰減較快。致使孔內(nèi)壓力升高，提高整體孔道內(nèi)的靜壓大小以輔助壓裂作業(yè)。

2、該技術(shù)在一次增產(chǎn)過程中完成水力噴射射孔和壓裂，簡化了工藝程序，節(jié)省了施工時間提高了作業(yè)效率。

3、水力噴射壓裂技術(shù)在常規(guī)油氣田增產(chǎn)改造試驗表明，水力噴射壓裂技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)分段多簇改造，對非常規(guī)油氣資源特別是煤層氣、頁巖氣的增產(chǎn)改造具有技術(shù)可行性。

參考文獻

[1]Jessica H，Rafael H.Pinpoint fracture using a multiple-cutting process[R].SPE122949，2009

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[3]馬飛，楊逸等.水力噴射壓裂關(guān)鍵機理探討.天然氣經(jīng)濟與技術(shù)[J].2011，5（2）：71-73.

[4]劉永亮，王掙鐸等.水平井儲層改造新方法—水力噴射壓裂技術(shù).鉆采工藝[J].2008，31（1）：71-73.

[5]李根生，沈忠厚等.自振空化射流理論與應用[M].東營：中國石油大學出版社，2008：1-5.

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