謝 鵬， 向 剛， 盧秀德， 宋 丹， 劉佳林

（川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司， 成都610213）

0 前 言

隨著我國頁巖氣勘探技術(shù)的不斷發(fā)展， 目前多級分段壓裂技術(shù)已成為開采頁巖氣的主要手段[1]。 目前投入現(xiàn)場應(yīng)用的分段壓裂工藝包括電纜橋塞分段壓裂、 裸眼封隔器分段壓裂、 不動管柱水力噴射分段壓裂和連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空填砂壓裂等一系列技術(shù)[2-4]， 都取得了不錯的應(yīng)用效果。

四川盆地海相古生界頁巖氣的開采， 由于儲層地應(yīng)力復(fù)雜， 且層間干擾嚴重， 現(xiàn)場壓裂施工時井筒易發(fā)生變形[5-7]， 影響后續(xù)的分段壓裂以及通井投產(chǎn)。 而且傳統(tǒng)分段壓裂采用至少3 簇連做壓裂， 壓裂層位較厚。 因此集射孔、 分段和壓裂為一體的連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂技術(shù)在四川盆地頁巖氣的開采中顯得愈發(fā)重要。 在昭通頁巖氣示范區(qū)投入現(xiàn)場應(yīng)用的連續(xù)油管噴砂射孔逐簇環(huán)空加砂壓裂技術(shù)， 將該井水平段分成70 層后實現(xiàn)了精確噴砂射孔， 然后逐簇加砂壓裂以及壓裂完后迅速返排投產(chǎn)。 該技術(shù)的成功應(yīng)用， 為四川頁巖氣的開采提供了新的思路， 而現(xiàn)場施工時的風(fēng)險也有助于改良完善該項技術(shù)的應(yīng)用。

1 連續(xù)管噴砂射孔逐簇環(huán)空壓裂工藝原理和特點

1.1 工藝原理

圖1 連續(xù)油管水力噴射和環(huán)空壓裂工藝示意圖

連續(xù)油管水力噴射和環(huán)空壓裂工藝如圖1 所示。 連續(xù)油管攜帶未開滑套的噴槍通洗井至指定射孔層位， 地面投球打開滑套露出噴嘴， 地面泵車將水砂漿加壓高速壓入井下， 利用伯努利原理， 通過噴嘴節(jié)流高速射出， 如圖1 （a） 所示。 水射流高速擊向套管壁， 屬于高攻角沖蝕[8-10]， 當(dāng)入射沙礫的速度足夠大， 就能在套管表面造成塑性變形， 當(dāng)超過了套管材料的延伸極限后， 唇形壓坑邊緣凸起處開始產(chǎn)生裂紋， 之后裂紋擴展， 套管材料開始呈片狀脫落， 在射穿套管壁和近井地帶形成一個直徑為25 mm 以上的孔眼[11-12]。 完成噴砂射孔后， 連續(xù)油管下放一段距離， 避免噴射工具串環(huán)空壓裂時形成節(jié)流壓差。 地面壓裂車隨后進行環(huán)空壓裂， 如圖1 （b） 所示。 壓裂完畢后通過優(yōu)化設(shè)計人工縫內(nèi)填砂暫堵階段支撐劑濃度和泵送排量來實施縫內(nèi)暫堵以實現(xiàn)分段， 隨后連續(xù)油管上提至下一射孔層段進行下層噴砂射孔和壓裂改造。

1.2 工藝特點

連續(xù)油管噴砂射孔逐簇環(huán)空加砂壓裂工藝同傳統(tǒng)電纜橋塞射孔后壓裂工藝相比， 施工效率高， 其工藝特點為： ①該工藝井筒適應(yīng)性強， 能有效解除近井地帶污染， 大幅增加儲層滲透率， 降低地層破裂壓力， 提高水力壓裂的安全性； ②射孔后不起出油管直接環(huán)空壓裂，節(jié)約起下時間， 然后快速轉(zhuǎn)層繼續(xù)下簇射孔壓裂改造， 同時， 全井改造完成后， 連續(xù)油管一次起下通井沖砂投產(chǎn)， 縮短試氣周期； ③逐簇加砂壓裂， 能保證儲層最大限度接受壓裂改造， 相比常規(guī)的三簇一層的壓裂改造， 逐簇加砂避免了因儲層滲流能力差異造成的各簇進液量不同， 從而避免了一層內(nèi)三簇的壓裂效果差異； ④使用縫內(nèi)填砂暫堵分段， 既節(jié)約了橋塞的使用和后期鉆塞的費用， 又避免了壓裂過程中井筒變形導(dǎo)致的井下復(fù)雜情況的風(fēng)險； ⑤該工藝施工期間全井筒處于全通徑狀態(tài)， 施工靈活， 施工過程中根據(jù)監(jiān)測結(jié)果， 可以在任意順序、 任意位置對儲層井段進行選擇性分段， 一切以最優(yōu)改造效果來靈活調(diào)整施工層序。

2 工藝現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 基本井況

WX1 水平井位于昭通國家級頁巖氣示范區(qū)，地處臺坳川南低陡褶帶南緣， 南與滇黔北坳陷相鄰。 該井完鉆層位為志留系龍馬溪組， 采用139.7 mm 油層套管完井， 完鉆井深度為4 210 m，垂直井深2 621.69 m， 其中水平段長1 655 m。本井儲層優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率較高， 達到100%， 水平段儲層力學(xué)特征平面分布差異不大， 最大、 最小水平主應(yīng)力差別大， 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力強。

2.2 噴射工具串和參數(shù)分析

連續(xù)油管噴砂射孔工具串參數(shù)見表1， 現(xiàn)場組合工具照片如圖2 所示。

表1 連續(xù)油管噴砂射孔工具串參數(shù)

圖2 現(xiàn)場組合工具串

現(xiàn)場使用的噴槍噴嘴直徑可根據(jù)需要調(diào)整，共計6 孔。 根據(jù)McDaniel 和Surjaatmadja 等[13-15]的研究， 噴砂射孔穿透套管等的噴嘴射流速度一般在152 m/s 以上。 根據(jù)噴射速度計算公式（1）， 計算噴嘴Φ4 mm×5 孔和Φ4 mm×6 孔兩種組合下噴射速度隨施工排量的變化曲線（如圖3 所示）。

式中： v——噴嘴出口流速， m/s；

Q——施工排量， m3/min；

N——噴嘴個數(shù)；

db——噴嘴直徑， m。

圖3 兩種噴嘴組合下噴射速度和排量的關(guān)系曲線

由圖3 可知， 為達到噴射效果， 使用Φ4 mm×5 孔的噴嘴組合， 施工排量須大于560 L/min；使用Φ4 mm×6 孔的噴嘴組合， 施工排量須大于690 L/min。

2.3 施工流程及分析

連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂施工流程如圖4 所示。 從該井的72 簇壓裂改造中， 選出一簇施工曲線來做分析。 在WX1 井第7 簇壓裂施工改造過程中， Φ50.8 mm 連續(xù)油管帶93 mm 噴槍下入到井下4 010 m 進行噴砂射孔， 圖5 是泵壓、套壓、 混合砂濃度以及排量隨時間的變化曲線。從圖5 中可以看出， 此次噴射共耗時約30 min，混合砂濃度120 kg/m3， 地面回壓控制在高位的35 MPa， 避免了地層出砂。 而施工排量保持在650 L/min， 此時Φ4 mm×5 孔的噴嘴組合的噴嘴流速達到173 m/s， 達到射穿套管和儲層的流速要求。 施工泵壓開始時高達68.5 MPa， 而隨著噴射的進行， 套管逐漸破裂， 地層被打開后， 泵壓呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

圖4 連續(xù)油管噴砂射孔環(huán)空加砂壓裂施工流程

圖5 WX1 井第7 簇噴砂射孔排量、泵注壓力和混合砂濃度隨時間變化曲線

噴砂射孔完成5 min 內(nèi)， 開始進行不起出連續(xù)油管的環(huán)空加砂壓裂， 加砂壓裂的施工曲線如圖6 所示。 圖6 中的油壓表示連續(xù)油管壓力， 在環(huán)空壓裂過程中， 隨時保持連續(xù)油管內(nèi)壓力與環(huán)空壓力平衡， 防止套管擠毀。 排量升至6 m3/min后開始加入粉砂以及主壓裂加砂， 套壓控制在70 MPa 以內(nèi)。 在主壓裂完成后， 將砂濃度逐漸提高至360 kg/m3， 泵壓瞬時達到75 MPa， 超壓停泵， 完成該簇縫內(nèi)砂堵分段。 該簇施工總共注入壓裂液636.95 m3， 100 目粉砂9.62 t， 40/70 目陶粒20.48 t。

2.4 實施效果

利用連續(xù)油管噴砂射孔逐簇環(huán)空壓裂技術(shù)對WX1 井總共實施分簇改造72 層， 共耗時22 d，平均每天壓裂改造3.27 層。 平均每層主壓裂時的施工壓力為62～68 MPa， 比縫內(nèi)填砂超壓75 MPa低了7～13 MPa， 證明了縫內(nèi)砂堵分層的可靠性。同時， 層均注入地層凈液量達到了635 m3， 平均加砂量為29.6 t。 在全部壓裂完成后， 用9 mm 油嘴放噴， 套壓9.5 MPa， 測試產(chǎn)量為8.6×104m3/d。表明該工藝為近井筒地帶提供了有效的導(dǎo)流能力，有效溝通了頁巖氣儲層和井筒。

圖6 WX1 井第7 簇環(huán)空壓裂時排量、泵注壓力和混合砂濃度隨時間變化曲線

3 風(fēng)險分析

3.1 連續(xù)油管砂埋風(fēng)險

在每簇環(huán)空加砂壓裂后， 倘若縫內(nèi)砂堵， 砂濃度過高， 頂替不充分， 則會有部分砂礫未能進入人造縫， 在井筒沉降造成油管及管串砂埋的風(fēng)險。 在該井第四簇加砂壓裂后， 上起連續(xù)油管射孔時遇卡， 下放遇阻， 開泵沖砂， 反復(fù)上提下放， 懸重最高提至15 t 解卡通過（正常懸重8 t）。施工曲線如圖7 所示。

圖7 WX1 井連續(xù)油管遇卡過提施工曲線

油管砂埋的風(fēng)險除了起不出油管之外， 在地面加大上提解卡時會造成機械丟手意外丟手。 在對之前施工后取出的機械丟手地面拉力測試中，僅5 t 拉力就能實現(xiàn)丟手， 而此次遇砂卡時， 連油過提達到7 t （此部分過提噸位不完全作用于丟手， 還有部分是摩擦力）。

3.2 連續(xù)油管壓裂穿孔風(fēng)險

連續(xù)油管在完成單簇射孔后， 需要往下放一段距離。 因為工具串的最大外徑 （92 mm） 要大于油管外徑（50.8 mm）， 所以工具串和套管之間的環(huán)空間隙小。 壓裂液流過變窄的間隙則會產(chǎn)生節(jié)流壓差， 影響壓裂效果， 同時對連續(xù)油管管串造成沖擊。 倘若連續(xù)油管下放過多， 水平段內(nèi)彎曲的連續(xù)油管可能會緊貼在已射開孔眼上， 環(huán)空壓裂時高壓泵注液進入射孔孔眼， 通過伯努利原理可知， 此時的壓裂液轉(zhuǎn)化為高速的攜砂液沖擊孔眼并造縫， 緊貼在孔眼邊上的連續(xù)油管就會遭到不斷沖蝕導(dǎo)致穿孔。

在該井第9 段施工后， 起出連續(xù)油管發(fā)現(xiàn)油管穿孔， 如圖8 所示。 由這些坑洼以及疲勞監(jiān)測結(jié)果可以判定， 連續(xù)油管穿孔并非疲勞造成的，而是砂礫沖蝕形成的孔眼， 同時， 所有坑洼全是靠近套管壁一側(cè)， 可以判定是油管緊貼人造縫遭沖蝕穿孔。

圖8 連續(xù)油管穿孔照片

3.3 連續(xù)油管擠毀風(fēng)險

滑溜水加砂必須具備足夠的流速才能攜帶支撐劑， 因此排量越大越有利于加砂造縫。 但是， 井筒內(nèi)高速流動的攜砂液不僅會對連續(xù)油管產(chǎn)生較大的沖蝕， 還會造成較高的環(huán)空壓力。 此井主壓裂施工排量控制在6 m3/min 左右時， 井口壓力最高達到75 MPa。 以現(xiàn)場使用的Φ50.8 mm CT100 連續(xù)油管為例， 橢圓度以2%計算， 擠毀壓力的上限值僅為58 MPa。 因此， 環(huán)空壓裂時連續(xù)油管內(nèi)外壓差達到58 MPa就有被擠毀的風(fēng)險。 該井施工時配備了雙機泵在環(huán)空壓裂時往油管內(nèi)小排量泵送， 保持油管內(nèi)外壓力均衡。 但是在施工過程中， 若雙機泵和地面主壓裂設(shè)備的節(jié)奏不一致， 或者雙機泵出現(xiàn)故障等導(dǎo)致無法泵注， 都會帶來連續(xù)油管擠毀的風(fēng)險。

4 施工建議

（1） 針對逐簇壓裂完成后砂埋風(fēng)險， 需要在設(shè)計階段精確計算施工參數(shù)， 施工階段準(zhǔn)確控制支撐劑濃度和泵送排量， 而壓裂完成后以足夠的清水代替水平段沉砂。 壓裂完后一旦發(fā)現(xiàn)有相應(yīng)的砂埋卡鉆現(xiàn)象， 應(yīng)避免高噸位過提造成意外機械丟手。

（2） 對于環(huán)空壓裂時連續(xù)油管沖蝕穿孔的風(fēng)險， 壓裂前根據(jù)連續(xù)油管的彎度， 合理控制噴射工具串往下壓的深度， 保證節(jié)流壓差既不影響造縫壓裂， 同時又能利用工具串的居中扶正作用，使油管不緊貼射孔孔眼。 根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗， 連續(xù)油管射孔后往下下入1～2 m， 能夠安全進行后續(xù)壓裂。 后期還可以考慮優(yōu)化工具串組合， 加入扶正器， 避免連續(xù)油管緊貼套管壁。

（3） 為了避免環(huán)空壓裂時連續(xù)油管被擠毀，需在施工設(shè)計時根據(jù)油管疲勞性能、 抗壓強度和地層特性設(shè)計安全排量。 此外， 現(xiàn)場施工時隨時保持各方有效溝通， 密切監(jiān)控井口和連續(xù)油管內(nèi)壓力變化情況， 保持候補雙機泵的待命狀態(tài)， 降低連續(xù)油管擠毀風(fēng)險。

5 結(jié) 論

（1） 連續(xù)油管水力噴射逐簇環(huán)空壓裂技術(shù)具有施工效率高、 可靈活調(diào)整施工層位、 最大限度溝通儲層、 試氣周期短、 節(jié)約橋塞使用成本和規(guī)避井筒變形帶來的施工風(fēng)險等優(yōu)點。

（2） 連續(xù)油管噴砂射孔工具串一趟起下管柱就能實現(xiàn)通井沖砂、 分簇射孔和定點注酸等多個功能， 一體化管柱簡化了施工流程。

（3） 根據(jù)WX1 井的實踐證明， 利用連續(xù)油管噴砂射孔效果穩(wěn)定， 縫內(nèi)填砂也能成功分段，直接拖動連續(xù)油管進行下簇射孔能夠節(jié)約施工時間， 工藝實施效果良好， 對于壓裂施工時井筒易變形的四川盆地頁巖氣開采應(yīng)用性較高。

（4） 該工藝仍有環(huán)空壓裂時連續(xù)油管擠毀、壓裂穿孔、 壓裂后砂埋等風(fēng)險， 需要現(xiàn)場采取相應(yīng)措施降低施工風(fēng)險。

（5） 該工藝在頁巖氣改造中具有較強的適應(yīng)性和較好的儲層改造能力。