水力喷射压裂技术在水平井压裂中的应用

【摘 要】川西新场气田下沙溪庙组气藏为致密砂岩储层，常规直井单井产量低，加砂压裂后增产效果有限，气藏开发效益低；采用水平井钻井可大大增加泄气面积，提高气产量，改善气藏开发效果；该区下沙溪庙组气藏的水平井开采模式尚处于尝试阶段，本井采用了水力喷射分段加砂压裂工艺技术对水平段进行改造，现场试验表明该改造工艺对水平段储层实施了有效的改造，提高了低渗透致密气藏的压裂效果，为下步该区域水平井储层改造指明了方向。

【关键词】新场气田；水平井；水力喷射；分段压裂

Abstract: The western Sichuan Xinchang Gas Field under new Shaximiao gas reservoir for the tight sandstone reservoir, the conventional vertical wells with low output single well, after fracturing sand yield limited, low-efficiency gas reservoir development; the use of horizontal wells can be greatly increased drilling discouraged area, to raise gas output to improve the effect of gas reservoir development; the area under the Shaximiao gas reservoir exploitation pattern of horizontal wells is still in the attempt to stage, the wells using hydraulic fracturing sand sub-jet technology for the transformation of the horizontal segment , field experiments show that the transformation process on the level of the reservoir above the implementation of an effective transformation, improved low-permeability tight gas fracturing effect, for the next step reservoir horizontal wells in the region specified in the direction of the transformation.

Keywords: Xinchang Gas Field, Under the Shaximiao gas reservoir, Horizontal Well, Water jet, Sub-fracturing.

前 言

新场气田下沙溪庙组气藏由于埋藏较深（2600-3000m），压实作用强且胶结物中方解石含量较多，储层总体上表现为致密砂岩；储层非均质性严重，储层孔隙喉道小，孔喉比差，具有大孔小喉的配置特点。该气藏要获得工业产能必须经过加砂压裂改造，改造所需压裂规模较大，采用常规直井或定向井单井产量低，加砂压裂后增产效果有限，气藏开发效益低。采用水平井钻井可大大增加泄气面积，提高气产量，改善气藏开发效果。该区下沙溪庙组气藏的水平井开采模式尚处于尝试阶段，本井将为水平井开发新场地区下沙溪庙致密气藏摸索经验和技术。

一、水力喷射射孔技术[1-2]

水力喷射射孔技术是一种利用水压机构在套管上以冲孔的方式开窗，利用高压水射流在地层中钻孔，从而实现井筒与地层间有效连通，达到油气生产井增产的新技术。

当前国内外采用较多的水力喷射原理都是基于伯努利(Bernoulli)方程式，从水力喷射工具喷出的水射流冲击物体后射流改变了方向和速度，损失的动量以作用力的形式传递到被冲击物体的表面。根据动量定理，理论上连续射流作用在物体表面的力为：

Fj=cρQv (1)

式中:c-无因次系数，与射流方向变量有关；

ρ-水的密度，kg／m3；

Q-射流流量，m3／s；

ν-射流平均速度，m／s。

二、水力喷射压裂技术[1-2]

水力喷射压裂是一种新的增产作业措施，通过喷嘴完成水力射孔后，射流连续作用在喷射通道中形成增压，超过破裂压力后将地层压破。同时，射流中携带的石英砂、陶粒进人地层对裂缝形成有效支撑，完成压裂过程。

在压裂过程中保持比较低的环空压力很重要，根据射流工作原理，在喷出流体边界层的内表面上，其速度等于喷出速度，在外面表面上速度等于零，所以边界层内的流速自内向外由喷出速度逐渐下降为零，因此射流边界的速度降低，产生负压。从周围进入射流边界内的液体，被射流带动进入地层，边界层液体减少，这时要向套管环空补充液体，以保证套管环空的压力和能量。

三、现场应用

1、试验井基本情况[4]

新沙311H井是部署在四川盆地新场构造T21地震反射层构造北翼的一口以沙溪庙JS31砂体为主要目的层的开发水平井（井身立体空间轨迹图如图1）；完井方式为后期衬管完井。

2、分段条数及位置的确定[4]

新沙311H井JS31储层2634.0-2965.0m井段解释了共14个储层，包括6层气层、3层差气层、5层含气层。因此综合考虑产能模拟、水平井压裂工艺、井下工具情况，新沙311H井水平段压裂分段数设计为3段。为了确保3段改造后裂缝获得最大的含气控制面积，分段位置分别选在显示较好的水平段的A靶点附近2645.0-2650.0m、水平段中部2788.0-2795.0m和显示相对较差的B靶点附近2960.0-2965.0m。

3、射孔方案[3-4]

考虑到新沙311H井最大水平主应力方向与水平段井筒的方向不一致，压裂将产生横切裂缝，所以采用滑套喷枪（如图2）进行水力喷砂射孔。

滑套喷抢是在面喷枪的基础上，在喷嘴内加滑套，由剪钉固定。喷枪共分三级，自下而上为：普通面喷枪，下接球座，滑套内径为Φ28mm喷枪，滑套内径为Φ34mm喷枪；自下而上逐次喷射，各级喷射前分别投入相应大小的钢球，剪断剪钉，将滑套推至阻挡短节，每一级喷射又可根据喷嘴磨损情况，喷射多点。这种工具大大提高了工效，平均提高施工速度3倍[3]。

三只喷枪均采用6×φ6.0mm喷嘴、60度相位角组合。每只喷枪的喷嘴平面横向距离为6cm，将有利于减少多裂缝的产生。

射孔井段位置应考虑显示较好的储层井段进行射孔，因此确定新沙311H井的射孔段位置（如图3）。

4、裂缝延伸分析[4]

新场沙溪庙组气藏的最大主应力方向（裂缝延伸方向，如图4）为N-E90-120度，而新沙311井水平段井眼轨迹闭合方位为N-E45度左右，裂缝延伸方向与水平段井眼轨迹两者成大约45-75度夹角。

5、现场施工[5]

（1）喷砂射孔阶段：油管注入正循环泵注，利用高压水射流携带石英砂套管开孔，排量控制在3.0m3/min，砂量为1.6m3，射孔结束后关套管闸门，根据压力变化情况，判断射孔效果。

（2）压裂阶段：套管注入系统开泵，按设计注入平衡液体，排量为1.0m3/min；同时正循环打前置液，排量为3.0m3/min，按泵注程序加砂直至结束。

（3）施工分析：根据施工曲线反映的数据，水力喷射压裂施工压力对排量比较敏感，提升排量时压力有明显的上升，说明喷嘴节流效应明显。三段施工后期压力都出现了突然下降（15-18MPa），分析主要是喷枪出现了严重冲蚀现象。

6、效果评价

经水力喷射压裂改造后，新沙311H井测试天然气无阻流量8.84885×104m3/d，获得了较好的增产效果。

四、结论与认识

1、采用水力喷射射孔大大降低了由于多条裂缝竞争减小裂缝宽度、主裂缝难以形成而造成的施工压力过高，易发生砂堵的几率，为本次水平段水力喷射分段加砂压裂施工的成功实施创造了条件。

2、本井是川西新场气田第一口实施水力喷射分段压裂的水平井，取得了水力喷射分段压裂技术先导性试验的成功，为新场下沙溪庙组气藏水平井致密储层的开发提供了一种有效的技术措施。

3、加砂阶段后期，施工压力都出现大幅度下降现象，说明射孔枪在加砂阶段后期都出现了严重冲蚀现象，未完全实现水力喷射加砂压裂施工的要求；建议进一步提高喷射枪的强度，提高喷射孔抗冲刷能力。

参考文献

[1]袁超金等.水力喷射压裂可提高裸眼水平井的完井效率[J].国外油田工程,2004,20（7）,13-14.

[2]王希友等.水力喷射压裂技术在火山岩水平井压裂中的应用[J],石油地质与工程，2009,23（5）,84-85.

[3]长庆油田规划院矿机所.水力喷射工具的发展[J].81-84.

[4]向丽等.四川省德阳市新场构造新沙311H井JS31水力喷射分段加砂压裂施工设计.

[5]曾晓建等.四川省德阳市新场构造新沙311H井分段加砂压裂成果报告.

作者简介

第一作者介绍：陈冬林，工程师，1980年生，男，汉族，2004年获西南石油学院应用化学硕士学位，现在中国石化西南石油局井下作业公司长庆项目部从事技术管理工作。

第二作者介绍：张保英，工程师，1980年生，女，汉族，2003年获西华师范大学化学教育学士学位，现在中国石化西南石油局井下作业公司井下工艺技术研究所从事油气开发研究工作。