第4卷第4期
复杂油气藏
Complex Hydrocarbon Reservoirs2011年12月
高压低渗气藏水平井水力喷射分段压裂工艺技术
刘斌，任山，黄禹忠，林立世
(中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳618000)
摘要:新场上沙溪庙组气藏为典型的低孔、低渗高压致密气藏，水平井分段压裂技术是该类储层高效开发的有效手段。针对地层压力高、分段手段有限等难点，将水力喷射压裂与多级滑套分层压裂工具相结合，形成了高压低渗气藏水平井水力喷射分段压裂工艺技术。该技术具有不动管柱连续分段改造、不带封隔器、管柱容易起出等特点。在XS311H和XS21－1H 井完成了3段分段压裂施工，压后分别获天然气无阻流量16.1?104m3/d和4.3?104m3/d，取得较好的增产效果。
关键词:高压致密气藏水平井水力喷射分段压裂
中图分类号:TE357.13文献标识码:A
Hydrojet staged fracturing technology for horizontal wells in tight gas reservoir with high－pressure and low－permeability
Liu Bin，Ren Shan，Huang Yuzhong，Lin Lishi
(Engineering Technology Research Institute of Southwest Oil and Gas Co．，SINOPEC，Deyang，Sichuan618000)
Abstract:Shaximiao gasfield is a typical tight gas reservoir having low porosity and high permeability，and the staged fracturing technology for horizontal well is an effective mean for such reservoir development．Aiming at the difficulties on the high formation pressure and the limited stage separating means，etc．，the hydraulic fracturing is combined with the multi－stage sleeve stratified fracturing tool，to form a hydrojet staged fracturing technology for horizontal wells in tight gas reservoir with high pressure and low permeability．The technology has charactreristics of continuous staged stimulation with the fixed string，without packer，and easy lifting string．The technology was applied in XS311H and XS21－1H well．After fracturing，gas production reached16．1?104m3/d and4．3?104m3/d，respectively．
Key words:high pressure;tight gas reservoir;horizontal well;hydrojet;staged fracturing
新场上沙溪庙组气藏为川西中浅层主力气藏，孔隙度1.6% 13.0%，渗透率(0.0 0.8)?10－3μm2，地压系数1.70 2.05，为典型的低孔、低渗高压致密气藏。水平井分段压裂技术是该类储层高效开发的有效手段，针对地层压力高、分段手段有限等难点，将水力喷射压裂与多级滑套分层压裂工具相结合，形成了高压低渗气藏水平井水力喷射分段压裂工艺技术。该技术可实现不动管柱连续分段改造、不带封隔器、管柱容易起出，克服了常规水力喷射需带压装置、工期长、压井伤害、需回收工具、连续油管排量低等众多缺点，适合裸眼、衬管、套管多种完井方式井。在新沙311H及新沙21－1H井均完成3段分段压裂施工，压后分别获天然气无阻流量16.1?104m3/d、4.3?104m3/d，取得较好的增产效果。1水力喷射压裂机理
水力喷射压裂技术(HJF)［1－3］是借助于一种特殊的喷射/压裂工具在直井中分层或在水平井段分段压裂:通过油管把水力喷射井下装置下到指定层位，地面流体加压，通过井下装置喷嘴形成高压高速射流，在地层中形成一定直径和深度的孔眼;关闭油套环空，保持环空压力略低于地层破裂压力，继续喷
收稿日期:2011－08－23;改回日期:2011－10－13
作者简介:刘斌(1981—)，工程师，现主要从事压裂工艺及储层改造研究工作。电话:137********，E－mail:1b0557@https://www.doczj.com/doc/922043192.html,。
基金项目:国家重大专项《大型油气田及煤层气开发》(2008ZX050)二级专题:《四川盆地低渗气藏储层改造工艺技术研究》(2008ZX05002－004－04)
第4卷第4期刘斌，等.高压低渗气藏水平井水力喷射分段压裂工艺技术射，根据伯努利方程，在孔眼顶部的驻点压力将高于
地层破裂压力，此时地层中的裂缝将仅在水力喷射形成的孔眼里破裂、扩展，但水平段端部由于环空压裂液压力低于地层起裂压力而不再开裂(见图1)［4－5］
。
图1水力喷射作用机理
水力喷射压裂技术是水力喷砂射孔和水力压裂相结合的新型增产工艺，由水力喷砂射孔、水力压裂及环空挤压三个过程共同完成
［6］
，具有如下特点:
无需封隔器或桥塞等隔离工具，实现井段的自动封隔与定点压裂，水平井施工风险小且操作简便;无需单独射孔作业，实现了射孔、压裂一次完成，比常规压裂工艺节省了作业工序;一次管柱可进行多段压裂，多段压裂施工周期短，经济安全，且有利于降低储层伤害;可用于裸眼、套管、筛管等多种完井方式。
2
水平井不动管柱水力喷射压裂工艺
研究
常规的水力喷射分段压裂工艺是采用移动管柱
方式，只采用一套喷枪组合(图2)，在对某一层段完成水力喷射压裂施工后要对下一层段进行压裂时，需要移动喷射管柱使喷枪正对需要压裂的层段。此种工艺往往需要配套使用不压井装置，并且由于喷嘴寿命限制往往需要频繁起出管柱更换喷枪
。
图2常规水力喷射管柱结构图
川西气井一般具有高压特征，因此常规水力喷
射分段压裂工艺存在以下不足:1)需要拖动管柱进
行分段压裂施工，因而必须进行压井而造成压井伤
害;2)由于喷嘴寿命限制，
压完一段后往往需要提出压裂管柱更换喷嘴，施工周期长。因此，在调研国
内外水力喷射分段压裂工艺研究的基础上，克服常规水力喷射分段压裂工艺的不足，研制成功了国产化的不动管柱滑套水力喷射分段压裂工具及配套工艺技术。对川西气田而言，不动管柱水力喷射分段压裂工艺具有很强的针对性。不动管柱滑套水力喷射分段压裂工艺采用多套喷枪组合并配套滑套开关，在对某一层段完成水力喷射压裂施工后要对下一层段进行压裂时无需移动喷射管柱，而是通过投球等方式打开需要压裂层段的滑套即可对该层段进行压裂施工。不动管柱滑套水力喷射分段压裂管柱
结构见图3
。
图3
不动管柱滑套水力喷射分段压裂工具组合
2.1水力喷射压裂参数计算
通过建立水力参数计算方法，估算压裂施工最高压力，判断压裂管柱是否满足施工要求，同时优化单井水力喷射压裂设计。
2.1.1喷嘴压降与排量的关系
嘴流损失方程:
Δp =22.45ρQ 2
n 2d 2C d
2
(1)
式中:Δp 为喷嘴孔眼压差，
MPa ;ρ为喷射液密度，
g /cm 3;Q 为喷射排量，m 3/min ;n 为喷嘴孔数，个;d 为喷嘴直径，cm ;C d 为孔眼流量系数(通常取0.8 1.0)，无因次。
2.1.2喷嘴当量直径计算
已知喷嘴压力降和排量，则当量喷嘴直径(mm )可由下式求得:
d e =
0.82?10－7ρQ 2
c 2Δ[
]
p
14
(2)
式中:d e 为喷嘴当量直径，cm ;ρ为流体密度，g /cm 3。
若喷头上n 个等直径喷嘴均匀分布，则每个喷
·
77·
复杂油气藏2011年12月嘴的直径为:
d=d
e
槡n
(3)
喷嘴射流速度:
v 0=
Q
15nπd2
?106(4)
式中:Q为施工排量，m3/min;n为喷嘴孔数，个;d为喷嘴直径，mm;v0为喷射速度，m/s。
2.1.3施工压力预测计算
计算公式为:
p
预计泵压=p
预计井口延伸压力
+p
管串摩阻
+p
喷嘴压降
2.2压裂液控制技术
由于水力喷射压裂要求在高挤压裂液造缝阶段通过环空补液的方式保证环空压力和液体能满足目标层裂缝的延伸，现场施工中压裂液体系如何满足油、套同注的工艺是保证水力喷射压裂作业成功实施的关键。通过室内实验，模拟和评价现场两种压裂液体系在不同剪切条件和不同施工参数下的携砂性能，以指导现场压裂液控制工艺的操作实施。
(1)过交联体系的延迟交联时间评价实验。
(2)过交联冻胶与基液混合综合评价实验:
按冻胶(过交联)?基液=油管排量?环空排量的比例将二者混合。
(3)过交联压裂液体系耐温耐剪切性能实验:过交联压裂液体系在井筒温度、170s－1剪切速率下，连续剪切一定时间，测压裂液粘度的变化曲线。
实验目的:要求过交联压裂液体系能满足压裂液在油管中的携砂能力。
(4)过交联冻胶与基液混合性能评价:混合前过交联体系经过高速搅拌器高剪切10s后，立刻与基液在高剪切条件下按上述比例混合，同时继续剪切5s，停止剪切立即测初始粘度。
实验目的:要求过交联体系与基液混合后5s内交联不粘壁。
(5)耐温耐剪切性能实验:混合后的压裂液体系在温度为地层温度、170s－1剪切速率下，连续剪切一定时间，测压裂液粘度的变化曲线。
实验目的:要求混合后的压裂液体系能满足在施工时间范围内压裂液在储层中的携砂性能要求，最终确定出现场油管排量与环空排量的可调整比例参数范围。
2.3环空压力控制技术
川西致密储层压裂改造具有施工压力高、停泵压力高的特点，停泵压力高导致施工时环空压力控制存在安全操作风险和能否实现有效射孔、动态封隔的问题。因此环空压力控制技术也是保证水力喷射分段压裂工艺成功实施的关键之一。
2.3.1喷砂射孔阶段
喷砂射孔过程开启环空排液管线。根据已施工下层的压后关井压力，通过换算相匹配的放喷油嘴尺寸，控制环空排液的排量不小于油管进液排量，使环空压力略低于压后关井压力，以达到喷砂射孔阶段已施工层段不进液或少量返排液体的效果。环空压力控制指标见表1。
表1喷砂射孔阶段环空压力控制指标完井方式控制指标
套管完井控制井底环空压力低于下部施工段延伸压力
裸眼井控制井底环空压力低于下部施工段延伸压力和
未施工层段破裂压力
2.3.2高挤造缝阶段
喷砂射孔结束后，在连接环空的地面管线存在一定压力的情况下，通过旋塞阀(抗压70MPa)控制，关闭环空排液管线，开启环空进液管线，环空和油管同时泵注液体。此时环空排量根据套管压力调整。环空压力控制指标见表2。
表2高挤造缝阶段环空压力控制指标
完井方式控制指标适用条件
套管完井控制井底环空压力低于下部施工段延伸压力
裸眼井控制井底环空压力低于下层已施工层段延伸压力和未施工层段地层破裂压力层间应力差2 3MPa 控制井底环空压力低于下层已施工层段延伸压力层间应力差大于3 4MPa
3现场应用情况
该技术在XS311H井和XS21－1H井进行了现场试验(施工曲线分别见图4和图5)。新沙311H井分3段压裂，规模分别为40，30，30m3，总加砂量100m3，压后获天然气无阻流量16.1?104m3/d;XS21－1H井也分3段压裂，规模分别为40，30，50m3，总加砂量120m3，压后获天然气无阻流量4.3?104m3/d，取得显著的增产效果。
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第4卷第4期刘斌，等.高压低渗气藏水平井水力喷射分段压裂工艺
技术图4
XS311H 井水力喷射分段
压裂曲线
图5XS21－1H 井水力喷射分段压裂曲线
4结论
(1)形成的水平井不动管柱水力喷射压裂工
艺，对于川西高压低渗气藏具有很好的适应性，完全满足水平井压裂改造的要求。
(2)形成的水力喷射压裂井下工具及压裂液控制技术、环空压力控制技术确保了施工的成功。
(3)水平井不动管柱水力喷射压裂工艺在XS311H 、XS21－1H 井的成功应用，取得较好的改造
效果，对于不同完井方式具有很好的适应性。
参考文献:
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(上接第70页)
通过图5可以清晰地看出，随着套压值的的增加，由于泵效与产液量成正比关系，则产液量是先增大后减小，套压值在1.5 2.2MPa 之间时，产液量处于一个高产范围，最大产量位于1.74MPa 左右，与现场实际套压值实际误差为0.06MPa ，相对误差为3.33%，套压值非常接近。为了提高产液量，可以在生产过程中把套压设定在这一区间范围，同时通过多元线性回归方程得到的合理套压值范围(1.68714 2.06206)与这个区间相当吻合，说明本文采用的最小二乘曲线拟合法拟合产量和套压的公式是合理的，在实际应用中具有参考价值。
4结论
(1)通过理论分析和实际计算，所研究井的套
压最好保持在1.8MPa 左右进行生产，此时产量有保证，同时具有较高的井底流压和相对较低的气油比，减少了气体因素对生产的影响。
(2)通过相关公式和图表可以看出，套压过低
和过高都会对产量产生不利影响，同时合理套压值
不应是一个定值，因为在一段时间内，各种参数随时间发生变化，因此合理套压值应存在一个合理范围，只要设定的值在此区间就可认为合理。
(3)在进行数据拟合时，根据数据分布情况，选用合适的单项基，采用最小二乘曲线拟合法，可以得到具有一定精度的拟合关系式，存在的数据点越多，其拟合结果越精确。
(4)该方法仅适用于单口井，根据每口单井的实际参数，可以很容易得到最佳套压区间范围。
参考文献:
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