孫 林，張 磊，李旭光，楊軍偉，熊培祺

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

海上油田受作業(yè)日費高、平臺作業(yè)空間受限等因素限制，存在增產(chǎn)措施有限及受限的難題[1-3]。水力沖擊技術是一項具有低成本、施工簡便優(yōu)勢的技術，與海上油田主要應用的酸化技術相比，只需增加水力沖擊工具即可作業(yè)，基本不占平臺空間，并具有與酸化聯(lián)作增效的優(yōu)勢。該技術起源于蘇聯(lián)，中原油田于1982年首次在國內(nèi)研制了技術配套工具[4]，根據(jù)“水擊”理論，進行了模擬計算，并在衛(wèi)74井首次進行工業(yè)性試驗，日產(chǎn)油量由4.4 t提高為31.7 t。1992—2013年，吉林油田260口油井應用了該技術，其中紅崗油田應用223口井，有效率達76%，單井平均增產(chǎn)油量80.4 t[5-6]；此外，大慶油田、遼河油田、河南油田、長慶油田、勝利油田和大港油田均進行了水力沖擊技術研究及應用，并研制了配套工具[7-10]。目前，陸上油田研發(fā)的配套工具適用于φ139.7 mm套管，對于海上油田的φ177.8 mm和φ244.5 mm等大尺寸套管，存在工具性能不滿足要求的問題；同時，工具采用的常規(guī)沖擊片存在破裂壓力誤差較大等問題。在機理研究方面，目前國內(nèi)普遍認為該工具是根據(jù)“水擊”理論所產(chǎn)生壓力增加值壓裂地層和壓力脈沖解堵，但未對技術機理進行試驗驗證。

針對以上問題，筆者基于海上油田油藏特征、工程施工等條件，對水力沖擊工具進行了優(yōu)化改進，并在儲層條件接近的長慶油田3口井進行了井下試驗，驗證了工具的穩(wěn)定性，特別是改進后沖擊片破裂壓力值的準確性，同時檢測到多個脈沖壓力波。3口試驗井的增產(chǎn)效果顯著，驗證了壓力脈沖解堵的機理，為水力沖擊技術的現(xiàn)場應用提供了依據(jù)。

1 水力沖擊工具優(yōu)化

水力沖擊技術是根據(jù)流體的“水擊”理論，借助井筒中流體的重力勢能、可壓縮性和慣性，通過地面泵對配套工具加壓在井下產(chǎn)生的多個脈沖壓力波對油水井進行解堵或壓裂的增產(chǎn)技術，可用于油水井解堵[8-9]和中低滲油藏中小規(guī)模儲層改造[10]。

水力沖擊技術的關鍵是配套的水力沖擊工具，主要包括導流短節(jié)、沖擊短節(jié)、沖擊室、柱塞短節(jié)和尾管等部件（見圖1）。其中，沖擊片、柱塞為單獨部件，沖擊片由具有可抗一定壓力值的金屬片焊接而成，通過螺紋及密封圈方式嵌入沖擊短節(jié)中，柱塞通過密封圈方式嵌入柱塞短節(jié)；沖擊短節(jié)中的沖擊片和柱塞短節(jié)中的柱塞密封沖擊室，形成封閉環(huán)境。

圖1 水力沖擊工具結構Fig.1 Structure of a hydraulic impact tool

水力沖擊工具的工作原理為：將工具通過油管下入生產(chǎn)井中，井口連接地面泵加壓，當井下壓力大于沖擊片的破裂壓力時沖擊片破裂，井筒中液流通過油管和導流短節(jié)快速進入沖擊室中，高速液流推動柱塞至尾管底部時瞬間靜止，根據(jù)“水擊”理論，井下會產(chǎn)生瞬時水力沖擊高壓，隨后壓力不斷振蕩并衰減，形成多個壓力波，從而對油水井儲層產(chǎn)生正壓沖擊和負壓解堵作用，以提高單井產(chǎn)能。

根據(jù)海上油田儲層及工程特點，對現(xiàn)有水力沖擊工具進行了優(yōu)化：

1）優(yōu)化水力沖擊工具尺寸。有別于陸上油田多采用φ139.7 mm套管，海上油田多為φ177.8 mm和φ244.5 mm套管，為了更好地發(fā)揮工具性能，研發(fā)了φ88.9 mm～φ130.0 mm等尺寸的水力沖擊工具。

2）優(yōu)化工具材質(zhì)及抗壓強度。為更好地發(fā)揮作業(yè)效果和適應儲層更深井況，海上油田需要將該項技術與常規(guī)酸化技術聯(lián)作，因此工具材質(zhì)采用35CrMo鋼材，并進行防腐處理。此外，工具設計壁厚達21.0 mm，抗外擠壓力可達100 MPa。

3）改進沖擊片結構。沖擊片抗壓值的準確性關系到技術的穩(wěn)定性和實施效果，海上油田技術試驗初期曾出現(xiàn)過沖擊片實際抗壓值與設計破裂壓力值偏差過大的情況，導致下井過程中提前破裂或壓不破。因此，海上油田將成熟應用的破裂盤改成沖擊片[11-14]，采用316L不銹鋼材質(zhì)，表面采用“十”字形或“O”字形刻槽方式，使沖擊片破裂后斷面充分暴露，以減少摩阻影響。

2 水力沖擊工具井下試驗

2.1 井下試驗

為了驗證工具的穩(wěn)定性，特別是改進后沖擊片破裂壓力的準確性，同時檢驗該技術的作業(yè)效果，并實時監(jiān)測井下壓力變化，考慮安全性和作業(yè)成本，優(yōu)選了儲層條件較為接近海上儲層的長慶油田3口井進行井下試驗。

3口試驗井均為φ139.7 mm套管和φ73.0 mm油管（工具大部分部件的直徑為88.9 mm，沖擊室采用φ73.0 mm油管），儲層孔隙度6.92%～13.91%，滲透率0.26～1.46 mD，屬于典型低孔、低滲儲層，由于低產(chǎn)低效，均為大修待作業(yè)井，其參數(shù)見表1。

表1 水力沖擊井下試驗井參數(shù)Table 1 Downhole parameters for hydraulic impact test wells

試驗器材包括水力沖擊工具、托桶（放P-T測試儀）、托桶轉(zhuǎn)換接頭、減振塊、頂絲、彈簧、擋板和托桶堵頭等；壓力測試工具包括P-T測試儀、銅柱測壓器。現(xiàn)場設備有400型水泥車；閥門、地面管線、接頭、三通、活動彎頭等沖洗工具；洗井液等，φ108 mm通井規(guī)；φ73.0 mm EU油管2 000 m；350型井口一套；30 m3罐車2輛，清水60 m3，供洗井使用。

將水力沖擊井下試驗器材按順序連接好，下入油井中，安裝好井口，用400型水泥車加壓，記錄水泥車泵壓和排量變化情況，待水力沖擊試驗完成后（泵車壓力表突降、地面管線抖動），起出管柱，觀察沖擊片狀態(tài)、記錄銅柱測壓器和P-T測試儀相關參數(shù)。

2.2 試驗結果

3口井進行井下試驗時，工具在井筒中起下鉆及停留時間合計分別為8，13和26 h，其中Z44井井筒壓力最大達到36.5 MPa，期間經(jīng)過了多次壓力脈沖變化；起出工具后，各部件完好。此外，B31和Z44井檢測到?jīng)_擊片的破裂壓力分別為24.24和30.50 MPa（吻合精度分別為96.96%和98.33%），沖擊片破裂明顯，說明工具優(yōu)化后性能穩(wěn)定，改進后的沖擊片破裂壓力精度高。

H25井施工時考慮導流短節(jié)可能導致地面泵無法加壓而將其去掉，且井下P-T測試儀因調(diào)試故障未采集到實時壓力數(shù)據(jù)，但通過銅柱測壓器有19.2 MPa壓力顯示。沖擊片破裂后井下壓力衰減較快，同時地面泵在沖擊片破裂后管線抖動，且地面壓力瞬間降為0 MPa。

B31井和Z44井進行井下試驗時改進安裝了導流短節(jié)，P-T測試儀監(jiān)測到明顯的水力沖擊壓力變化，監(jiān)測軟件顯示2口井均有明顯的水力沖擊壓力脈沖現(xiàn)象。其中，B31井共采集到20余個水力沖擊波形，持續(xù)時間60 s以上；沖擊片在壓力達24.24 MPa時破裂，壓力降至13.88 MPa，第1個波形的峰值壓力為23.15 MPa，隨后峰值逐漸遞減。

B31井作業(yè)后仍無法正常注水，分析認為，原因是該井歷史關聯(lián)性好的受效井Z3井實施卡堵水因無法泄壓待大修，受效井憋壓無法有效泄壓；井下壓力也監(jiān)測到，停泵后30 min井下壓力不釋放，證明井下連通性不好。從試驗效果來看，B31井試驗結束后立即停泵，井底壓力保持在21.37～21.54 MPa，30 min后壓力無法下降至地層靜壓18.86 MPa。這是因為受效井憋壓，地層壓力無法擴散，水力沖擊壓力脈沖的持續(xù)時間較長，但衰減較快。

Z44井共采集到6個水力沖擊波形，持續(xù)20 s左右，沖擊片在壓力達30.5 MPa時破裂，壓力降至22.0 MPa，6個沖擊波的峰值壓力分別為28.9，29.3，28.9，29.7，29.3和29.2 MPa。

Z44井試驗前試注壓力為22.3 MPa，排量為60 L/min；試驗后試注壓力為19.5 MPa，排量為195 L/min，注入能力大幅提高，增注效果較為明顯；同時，該井作業(yè)后井下壓力充足，起管柱多次存在溢流現(xiàn)象，且托桶中橡膠減振塊受壓后破裂、燃燒現(xiàn)象嚴重。Z44井試驗后未停泵，井底壓力保持在28.9～29.7 MPa，壓力脈沖時間較短，且壓力未衰減，表明作業(yè)效果較好。

2.3 結果分析

B31井和Z44井安裝導流短節(jié)后，最大峰值壓力均高于H25井壓力，且地面泵未出現(xiàn)壓力降低為0 MPa的情況，說明導流短節(jié)對于減緩壓力衰減具有關鍵作用。試驗驗證表明，安裝導流短節(jié)后，井下峰值壓力衰減相對較小。分析認為，加裝導流短節(jié)后，地面泵加壓時整個油套空間是一個大壓力環(huán)境，提供的沖擊液量和能量都遠比僅只有油管的大，且地層為吸液飽和環(huán)境，破裂后地面泵壓基本不會下降，試驗結果也充分說明此現(xiàn)象。

此外，3口井井下試驗未采集到“水擊”理論所產(chǎn)生壓力增加值，但是有顯著的水力沖擊脈沖效果。例如，B31井的沖擊片破裂壓力為25.0 MPa，“水擊”理論模擬的最大峰值壓力為39.20 MPa，但實測最大峰值壓力僅為23.15 MPa；除最大峰值壓力不一致外，壓力脈沖數(shù)值和頻率與實測值基本一致。

分析認為，陸上油田多采用φ73.0 mm油管作業(yè)，其內(nèi)徑為62.0 mm，氣液摩阻較大，同時地層吸液，峰值壓力有較大損耗；但水力沖擊脈沖效果較好，持續(xù)時間20～60 s。因此，該技術的主要機理應為水力脈沖作用，在井下能產(chǎn)生多個壓力波，若使井下產(chǎn)生大于地層破裂壓力的波形，裂縫將不斷延伸并產(chǎn)生新裂縫，提高導流能力，同時具有負壓脈沖解堵效果。此外，若在沖擊短節(jié)上部配備多個投球式?jīng)_擊短節(jié)，使工具一次下井具備重復脈沖作用，效果應該更為顯著。

鑒于對于該技術機理的重新分析，若需要發(fā)揮壓裂改造效果，建議后續(xù)井況采用高壓力沖擊片作業(yè)，滿足主要波形峰值壓力大于地層破裂壓力，同時配備合適的抗壓井口。例如，Z44井地層破裂壓力為28.1 MPa，采用破裂壓力30.0 MPa的沖擊片，井下實測的主要波形峰值壓力均在此之上；同時，作業(yè)后未停泵，井口壓力最高達19.5 MPa，作業(yè)后取得明顯效果。

3 結論與建議

1）優(yōu)化后的水力沖擊工具性能穩(wěn)定，沖擊片破裂壓力精度高，適合于φ177.8 mm和φ244.5 mm等大尺寸套管，并具有耐酸材質(zhì)及抗壓強度，可用于深井和與酸化聯(lián)合作業(yè)施工。

2）通過井下試驗首次驗證了水力沖擊技術的壓力脈沖解堵機理，試驗共采集6～20個脈沖波形，持續(xù)時間20～60 s，波形和持續(xù)時間跟作業(yè)井況有關。該技術可顯著增強注水井的增注效果；若采用大于地層破裂壓力的沖擊片，同時配備合適的抗壓井口，可達到微壓裂改造效果。

3）為了提高作業(yè)效率和強化技術作用效果，建議優(yōu)選連通性相對較好的井況，并采用與酸化直接聯(lián)作的方式；為了延長水力脈沖作用，建議繼續(xù)研發(fā)具有重復脈沖作用的多級水力沖擊工具。