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(1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300280；2.大港油田 灘海開(kāi)發(fā)公司，天津 300280)

水力噴射分層壓裂技術(shù)是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產(chǎn)措施改造技術(shù)，具有一趟管柱壓裂多段，節(jié)省作業(yè)時(shí)間，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]。該技術(shù)由美國(guó)哈里伯頓公司1998年首次提出，并投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，至今已應(yīng)用上千口井，取得了良好的增產(chǎn)效果。在國(guó)內(nèi)，該技術(shù)在長(zhǎng)慶、江蘇、冀東等油氣田應(yīng)用比較廣泛，增產(chǎn)效果顯著，已成為一項(xiàng)比較成熟的措施改造技術(shù)。但是，在水力噴射壓裂施工過(guò)程中廣泛出現(xiàn)射孔效率低，工具失效等問(wèn)題。筆者總結(jié)了水力噴射壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題和原因，優(yōu)化了工藝管柱方案、配套工具及施工方案。在蘇A井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明改進(jìn)后的工藝管柱方案合理、工具性能大幅提升，施工效率明顯提高。

1 水力噴射壓裂技術(shù)存在的問(wèn)題

1.1 工藝管柱問(wèn)題

水力噴射壓裂工藝管柱問(wèn)題主要表現(xiàn)為第1層水力噴砂射孔時(shí)出現(xiàn)異常高壓，導(dǎo)致無(wú)法建立射孔排量，射不開(kāi)地層。水力噴砂射孔階段施工壓力預(yù)測(cè)公式[2]

pf=pt+ph+pm

(1)

式中：pf為地面壓力；pt為油管摩阻；ph為環(huán)空摩阻；pm為噴嘴摩阻。

由式(1)可知，第1層水力噴砂射孔異常高壓，射孔失敗的可能原因有以下幾點(diǎn)。

1) 噴嘴摩阻pm異常高壓。

水力噴砂射孔時(shí)噴嘴摩阻pm異常高壓的主要原因?yàn)閲娮炜籽鄱氯Ｓ捎趪娮炷ψ鑠m與噴嘴出口總面積的平方成反比，噴嘴堵塞的可能原因?yàn)橛凸苌峡蹠r(shí)絲扣油或油管內(nèi)壁殘留物堆積到第1級(jí)噴槍球座上，導(dǎo)致噴嘴孔眼堵塞。

2) 環(huán)空摩阻ph異常高壓。

水力噴砂射孔時(shí)環(huán)空摩阻ph異常高壓的主要原因?yàn)樗娚鋲毫压苤c套管環(huán)空堵塞。常用噴槍及配套壓裂油管參數(shù)如表1，壓裂噴槍外徑或油管接箍與套管環(huán)空間隙小，井筒臟物易造成環(huán)空堵塞。

表1 常用套管內(nèi)水力噴槍及配套壓裂油管參數(shù) mm

3) 壓裂液摩阻大。

壓裂液摩阻大，導(dǎo)致油管摩阻pt和環(huán)空摩阻ph異常，導(dǎo)致水力噴砂射孔異常高壓，不能建立射孔排量，噴砂射孔失敗。

1.2 工具失效問(wèn)題

水力噴射壓裂工具失效主要表現(xiàn)為在水力噴射壓裂施工過(guò)程中，噴槍本體刺壞和噴嘴脫落，如圖1～2所示。

1) 噴槍本體刺壞。

噴槍本體刺壞的主要原因?yàn)楹吧淇滓后w流經(jīng)噴嘴加速后，高速噴射流束沖擊到井筒套管內(nèi)壁后，反濺回來(lái)沖擊到噴射器本體上，由于噴槍本體材質(zhì)抗返濺能力差，噴槍本體刺壞。

2) 噴嘴脫落。

油氣田現(xiàn)場(chǎng)使用的水力噴砂射孔壓裂用水力噴槍噴嘴和壓帽之間是通過(guò)專用膠粘接固定[3]。含砂高速噴射流束沖擊到套管壁或井壁反濺至噴嘴，或者壓裂出現(xiàn)砂堵時(shí)需進(jìn)行反洗，當(dāng)噴嘴組件受反向力大于密封膠粘結(jié)力時(shí)，噴嘴掉落。

圖1 噴槍本體刺壞

圖2 噴嘴脫落

2 水力噴射壓裂工藝優(yōu)化

針對(duì)水力噴射壓裂工藝管柱問(wèn)題及工具失效問(wèn)題，進(jìn)行工藝管柱優(yōu)化研究、配套工具優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工方案優(yōu)化改進(jìn)。

2.1 水力噴射壓裂工藝管柱優(yōu)化

2.1.1工藝管柱優(yōu)化

為避免水力噴砂射孔超壓?jiǎn)栴}，壓裂工藝管柱優(yōu)化從優(yōu)化噴嘴摩阻、油管液體摩阻和環(huán)空摩阻3方面進(jìn)行。①在保證噴砂射孔流速和壓降條件下，優(yōu)選噴嘴尺寸、噴嘴數(shù)量、射孔排量和壓裂管柱組合，得出最優(yōu)的油管摩阻和噴嘴摩阻；②在滿足壓裂造縫、攜砂等基本條件下，優(yōu)選摩阻小的壓裂液，得出最優(yōu)的壓裂液體摩阻；③針對(duì)常用壓裂油管接箍與套管環(huán)空間隙小，井筒較大固體顆粒易造成環(huán)空堵塞，在確保施工抗內(nèi)壓條件下，優(yōu)選接箍尺寸小油管，降低環(huán)空堵塞可能性，得出最優(yōu)的環(huán)空摩阻。

2.1.2第1級(jí)噴槍優(yōu)選

常用水力噴射壓裂工藝管柱主要有2種。第1種，水力噴射壓裂工藝管柱為導(dǎo)錐+篩管+單流閥+底部噴槍+滑套噴射器+安全接頭+油管至井口；第2種，水力噴射壓裂工藝管柱為導(dǎo)錐+篩管+滑套噴槍+安全接頭+油管至井口。兩種工藝管柱的區(qū)別在于第1級(jí)噴槍，第1種工藝管柱的第1級(jí)噴槍為?95 mm噴槍(無(wú)滑套)，配合單流閥使用，噴嘴個(gè)數(shù)為6個(gè)，噴嘴直徑6.3 mm。第2種工藝管柱的第1級(jí)噴槍為?108 mm滑套噴槍，噴嘴個(gè)數(shù)為8個(gè)，噴嘴直徑5.5 mm。

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)兩種第1級(jí)噴槍進(jìn)行分析。設(shè)置相同邊界條件：入口排量150 L/min；射孔液密度1.04 g/cm3；套管外徑為?139.7 mm，內(nèi)徑為121.36 mm，得出兩種噴槍噴嘴處流速分布矢量云圖，如圖3～4所示。由圖3得出，?108 mm滑套噴槍上部噴嘴處流速快，速度損失大；由圖4得出，?95 mm噴槍上6個(gè)噴嘴處流速均等且為?108 mm噴槍噴嘴流速最高值。由此可判斷?108 mm滑套噴槍噴嘴處流速核變短，速度衰減快，孔間干擾大，影響其水力切割能力。最終優(yōu)選第1級(jí)噴槍為?95 mm噴槍，噴嘴個(gè)數(shù)為6個(gè)，噴嘴直徑6.3 mm。

圖3 ?108 mm噴槍噴嘴處流速矢量云圖

圖4 ?95 mm噴槍噴嘴處流速矢量云圖

2.2 水力噴射壓裂工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

1) 噴槍本體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)使用的水力噴射壓裂噴槍本體大都存在深淺不一的損傷，為提高噴槍本體抗反濺能力，避免壓裂施工過(guò)程中高壓流體刺壞噴槍本體。噴槍本體優(yōu)化主要從提高噴槍本體的材質(zhì)和改進(jìn)噴槍本體的熱處理工藝兩方面進(jìn)行，進(jìn)而提高噴射器主體表面的強(qiáng)度，降低噴射器的反濺傷害程度。最終材料優(yōu)選為42CrMo，工具內(nèi)外表面滲氮處理，深度不小于2 mm，提高其耐沖蝕性能。

2) 噴嘴組件優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了確保壓裂施工過(guò)程中噴嘴不脫落，優(yōu)化噴嘴和壓帽連接方式，將傳統(tǒng)噴嘴和壓帽之間采用專用膠粘結(jié)方式優(yōu)化為噴嘴和壓帽之間采用高溫焊接方式，噴嘴組件抗反向力遠(yuǎn)高于專用膠粘結(jié)力，大幅度提高了噴嘴反洗的能力，解決了壓裂施工過(guò)程中噴嘴脫落問(wèn)題。

2.3 水力噴射壓裂工具現(xiàn)場(chǎng)施工方案優(yōu)化

1) 井筒準(zhǔn)備。

為了避免水力噴砂射孔時(shí)壓裂管柱與套管環(huán)空堵塞導(dǎo)致環(huán)空摩阻異常，降低水力噴砂射孔時(shí)施工壓力，在常規(guī)井筒準(zhǔn)備過(guò)程中增加刮削器刮削套管施工工序，下水力噴射壓裂工具前對(duì)全井筒進(jìn)行刮削，水力噴砂射孔位置刮削3遍，刮削完畢后，大排量洗井，保證井筒干凈。

2) 壓裂施工。

水力噴砂射孔前，開(kāi)啟套管閘門，壓裂車大排量(1.5～2.0 m3/min)洗井，降低噴嘴堵塞及壓裂管柱與套管環(huán)空堵塞可能性，盡可能降低水力噴砂射孔壓力。若施工過(guò)程中射孔壓力仍異常高壓，混砂車加射孔用石英砂，砂比3%～5%，沖洗噴嘴堵塞部位及環(huán)空堵塞地帶，盡可能降低第1段噴砂射孔壓力。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 應(yīng)用井概況

蘇A井為于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡一口氣井，完鉆井深3 381 m，最大井斜角25.83°，?139.7 mm套管固井完井。根據(jù)地質(zhì)及測(cè)井解釋，采用水力噴射壓裂方式分二段進(jìn)行改造，優(yōu)化噴槍位置分別為3 261、3 275 m。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

為了降低環(huán)空施工摩阻，壓裂管柱采用?88.9 mm×1500 m N80外加厚油管和?73 mm ×1 775 m N80外加厚油管的組合管柱進(jìn)行壓裂施工，管柱結(jié)構(gòu)(自下而上)：導(dǎo)錐+篩管+單流閥×+噴槍1(無(wú)滑套)+油管+滑套噴槍2+油管+安全丟手接頭+校深短節(jié)+油管至井口。兩級(jí)噴槍本體材料均為42CrMo，工具內(nèi)外表面滲氮處理，深度不小于2 mm，噴嘴和壓帽連接方式采用高溫焊接方式，第1級(jí)噴槍選用?95 mm噴槍(無(wú)滑套)，噴嘴6個(gè)，直徑6.3 mm。第2級(jí)噴槍選用?108 mm滑套式噴槍，噴嘴8個(gè)，直徑5.5 mm。為了滿足噴砂射孔壓裂流速及施工車組要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)各層射孔排量為2.0～2.2 m3/min，加砂排量2.1～2.4 m3/min，套管補(bǔ)液排量1.0 m3/min。壓裂液選用中溫羥丙基瓜膠壓裂液體系。

3.3 施工過(guò)程

2018-04-22，蘇A井進(jìn)行壓裂施工，試壓合格后，油管排量(0.8 m3/min)低替1個(gè)油管容積，油管排量增加至1.8 m3/min，大排量洗井至1個(gè)井筒容積。然后，調(diào)節(jié)油管排量至2.0 m3/min，通過(guò)噴槍1(無(wú)滑套)進(jìn)行第1層噴砂射孔壓裂。第1層壓裂停砂頂替5 m3后，通過(guò)投球器向油管內(nèi)投與滑套噴槍2相匹配的球，頂替到位后，油管降排量至1.0 m3/min送球入座，打開(kāi)滑套噴槍2，滑套打開(kāi)壓力16 MPa。停泵等待40 min，按照泵注程序順利完成第2段噴砂射孔壓裂施工。整個(gè)施工過(guò)程中，注入地層總液量533.4 m3，共加砂33.5 m3。

4 結(jié)論

1) 在保證噴砂射孔流速和壓降條件下，為了降低射孔摩阻，優(yōu)選噴嘴尺寸、噴嘴數(shù)量、射孔排量和壓裂管柱組合。在確保施工抗內(nèi)壓條件下，優(yōu)選接箍尺寸小的油管，降低環(huán)空堵塞可能性。

2) 考慮到噴嘴處流速核變衰減程度及水力切割能力，優(yōu)選第1級(jí)噴槍的噴嘴個(gè)數(shù)為6個(gè)，噴嘴直徑6.3 mm。

3) 為提高噴槍本體耐沖蝕性能，優(yōu)選噴槍本體材料為42CrMo，工具內(nèi)外表面滲氮處理，深度不小于2 mm。

4) 優(yōu)化噴嘴和壓帽組件，采用高溫焊接方式，提高噴嘴抗反向力能力，避免壓裂施工過(guò)程中噴嘴脫落問(wèn)題。

5) 為了避免壓裂管柱與套管環(huán)空堵塞及噴嘴孔眼堵塞，建議井筒準(zhǔn)備時(shí)增加刮削器刮削套管施工工序，水力噴砂射孔前增加壓裂車大排量洗井施工工序，盡可能降低水力噴砂射孔施工壓力。