摘要：为解决深层低渗水平井压裂问题, 引进水力喷射压裂技术, 针对储层特点研制出适用于水平井压裂的抗剪切、携砂能力强、性能稳定的压裂液应用体系, 结合水平井完井方式研发了水力喷射压裂工具, 并在实际压裂施工中对水力喷射压裂工艺、管柱、设备、流程等进行优化、改进、完善, 形成了适合油田的水平井水力喷射分段压裂技术。
一、引言
水平井已成为新油田开发、老油田挖潜、提高采收率的重要技术。我国油田具有构造破碎、油气埋藏深、渗透率低, 高温、高压、高盐的地质特点。我国油田已完钻水平井主要分布在低渗透、边水、薄油层中, 产能很低, 压裂是提高低渗透油气田水平井产能的唯一有效的途径。常规水平井压裂裂缝一般在两端, 大部分水平井段得不到改造; 限流压裂分段针对性差, 各裂缝启裂和延伸不均衡; 液体胶塞分段压裂作业周期长、冲胶塞易造成伤害; 机械工具分段压裂施工周期长,易卡管柱; 水力喷射压裂是集水力射孔、压裂、隔离一体化的技术, 具有自动封隔、定点压裂、准确造缝的优势, 避免了封隔器失效、卡管柱, 适用裸眼、筛管、套管井。
某油田水平井主要采用筛管完井, 其次为套管和套管+ 筛管混合完井, 机械工具分段压裂应用难度大, 水力喷射压裂是该油田最佳的水平井压裂方式。为使水力喷射压裂能在该油田水平井中应用达到好的效果, 在水力喷射工具研制、水平井压裂液选择、配套压裂技术改进、水平井压裂优化设计等。
二、水力喷射工具研制
1.喷嘴研制
喷嘴是水力喷射压裂工具的关键部分, 使用时磨损严重, 喷射返流会对喷射工具表面造成损伤, 需要设计优化新型喷嘴。选择合适的喷嘴材料和耐返溅本体材料, 延长喷射工具的使用寿命, 单孔过砂量达到5m3。通过增加喷嘴个数及优化喷嘴尺寸满足不同施工规模、施工排量要求。
1.1喷嘴结构优化
对现有的圆柱型直孔、锥口、文丘里、组合式4 种喷嘴结构分析结果表明, 锥口喷嘴结构带有导流作用的锥状进口和起集束作用的平直段, 磨料进入喷嘴相对容易, 且在喷嘴截面上分布更均匀。因此,选择锥口喷嘴结构为水力喷射喷嘴。
1.2喷嘴设计
喷嘴流道前段设计为圆滑锥形, 后段为圆柱形, 其优点: 一是流道内径相同, 截面收缩系数为1, 喷嘴流量系数等于速度系数, 提高了喷嘴的流量系数和能量转换效率; 二是圆柱流道使磨料得到充分加速,提高射流冲击力; 三是流道前段发生磨损时, 只要剩余圆柱段存在, 磨料射流的出口直径保留原有尺寸。
1.3喷嘴材料配方研究与优选
对比国内外广泛应用的各种喷嘴材料的特点, 优选碳化钨和碳化硼两种材料主体及添加剂, 优化烧结工艺, 研制开发了硬质合金 WC/ Co 喷嘴和B4C 陶瓷喷嘴。
1.4喷嘴流体力学计算
假设同一流体在油管内与喷嘴处的粘度相同, 压裂液在油管和喷嘴内密度均为1.0g/cm3, 喷嘴内径6mm、油管总长2000m、压裂处垂深2000m。压裂时流经喷嘴的流速150~210m/ s。根据单相流体的流动特点, 结合工程流体力学, 计算出喷嘴在各流速下, 所需流量、喷嘴压力损失及喷嘴受力情况 (表1) , 为喷嘴装配及后续试验提供依据。计算得出喷嘴前后压差最大31.1MPa, 对喷嘴产生的外推力5 .4kN。
2.喷射器主体研制
根据水力喷射压裂工艺特点及管柱尺寸要求, 选35CrMo 为喷射器主体材料, 并对材料 35CrMo 进行调质处理, 工具内外表面渗氮处理, 深度0.8~1.2mm, 硬度HB255~ 302, 进一步提高耐冲蚀性能。为满足多级水力喷射要求, 研制出带滑套喷射器主体, 压裂时根据需要下入多个带滑套的喷射器, 油层段1 压裂完成后可投球打开滑套, 同时堵塞下行流道, 进行多层喷砂射孔、压裂。
3.水力喷射压裂井下工具串
井下工具串由接箍、短接、扶正器、筛管、引鞋、单向阀组成。单向阀的作用是水力喷射和压裂时, 不允许流体从底部向环空中流出; 反洗时, 流体可通过该装置从环空流进油管, 返到地面。
三、水平井压裂液选择
由于水平井压裂水平段传输距离较远, 且形成多条裂缝, 裂缝之间相互形成干扰。因次, 控制支撑剂的沉降特别重要。针对水平井的施工特点, 采用不同阶段使用不同粘度的压裂液, 建议在低砂比使用中粘压裂液, 高砂比使用耐温性能好的高粘压裂液。达到压裂液既有好的携砂性能又能降低摩阻的目的, 通过室内研究优选出的适应水平井压裂施工压裂液配方体系如表2 所示。
1.压裂液的耐温能力
水平井压裂要求压裂液在一定温度和剪切速率下保持较高的粘度, 压开地层并延伸裂缝和携带支撑剂。实验结果表明中粘压裂液140℃、170s-1、初始粘度400~500mPa?s, 剪切2h 后粘度 160mPa?s左右; 高粘压裂液150℃、170s-1、初始粘度600~700mPa℃s , 2h后粘度300mPa?s 左右, 满足水平井的施工要求。
2.压裂液的抗剪切能力
在100、120下进行压裂液的抗剪切试验, 结果表明, 在100℃剪切速率 1550s-1剪切5min, 剪切速率恢复到170s- 1后剪切90min 后粘度211mPa?s。在120℃、剪切速率1550s- 1剪切5min, 剪切速率恢复到170s-1后剪切90min 粘度 101mPa?s, 该压裂液体系完全满足水平井压裂水力喷射技术的要求。
四、配套压裂技术改进
受储层埋藏深、岩性致密、地层应力异常和喷嘴压力损失影响, 造成施工压力高。为降低施工风险、能耗, 提高压裂成功率, 在实施过程中, 从工艺、工具、施工等方面对水力喷射压裂技术进行总结分析, 找出存在的问题, 并进行优化、改进、完善。
1.施工管柱优化
5in 喷枪扣型由2in 平式扣改为加大扣, 直接与2in 加大油管连接, 省去变扣, 提高喷射工具强度。用 BG150 钢级、直径为 89mm 油管, 代替N80钢级直径89mm 的外加厚油管, 提高管柱抗内压强度, 增加环空过流面积, 环空摩阻降低到40%左右。
2.施工设备配套完善
针对喷嘴摩阻大, 油管施工压力高的情况, 将连接井口用的大小头替换为高压法兰盘, 提高了高压区的安全性。2500 型混砂车在吸入泵与混砂罐之间增加一路旁通, 代替酸泵为套管补液, 供液系统由2套改为1 套, 简化地面流程, 降低对井场要求。
3.施工工艺改进
压裂投产水平井, 用 2 台压裂车替浆, 保证井筒干净, 不堵塞喷嘴; 套管完井水平井, 喷砂射孔前, 用基液替满井筒, 降低射孔压力; 筛管完井分压两段水平井, 第一段施工完成后, 彻底洗井, 避免射孔磨料堵塞筛管。
五、结论
1.研发出喷嘴内装、外装两种水力喷射工具和带滑套喷射器主体, 形成4n、5in 两种工具系列, 满足了油田深层低渗水平井水力喷射分段压裂需要。
2.研究出适用于水平井压裂的耐高温、抗高剪切、携砂能力强的压裂液体系, 满足水平井水力喷射压裂要求。
3.水力喷射压裂现场试验及应用取得成功, 填补了油田水平井压裂的空白, 为水平井开发提供了技术支撑。
4.经过水力喷射压裂工艺技术的改进与完善, 解决了部分技术难题, 仍存在一些问题需研究攻关。