基于水平井的水力喷射压裂技术的研究

徐冠军 雷金晶 后鑫

[摘要]本文在阐述水平井水力喷射分段压裂的基本原理和其特点的基础上，研究了影响水力喷射分段压裂的工艺参数，介绍了三种不同管柱的压裂工艺。

[关键词]水平井；水力喷射；压裂技术

1.水力喷射压裂的基本原理以及特点

1.1水力喷射压裂的基本原理

水力喷射压裂技术原理是借助水力喷射（压裂）工具，通过两个步骤将地层裂缝打开：第一步，将水平井水力喷射分段压裂管柱下入设定位置，进行水力喷射，利用高压射流在地层形成一个（或多个）喷射孔道；第二步，当孔道形成后，压裂液经油管由喷嘴以高速喷入孔道，同时通过环空注入基液补偿地层其他部位的漏失，维持环空压力以提高井眼压力，将孔道中的压力升高到一定程度，使孔内压力达到压开地层的水平，防止进入孔内的压裂液自孔口返出到环空，使地层产生裂缝并向深处延伸，从而实现对油气井的有效改造。

射流射入孔道实现增压的过程中，压裂液定点注入只产生局部增压，不会在井筒其他部位形成高压压开新裂缝、也不会导致已有裂缝重新张开。

水力喷射压裂工艺依靠高速射流，能够在井下产生一个低压区域，促使环空流体进入施工目的层段，实现压裂过程的密封，无需机械密封装置[3]。

1.2水力喷射压裂射流密封计算模型

通过试验数据分析，射流密封压力与射流压力、套管孔眼直径和喷嘴直径三个因素具有相关性。通过对试验数据进行多元非线性回归分析，得到水力喷射压裂射流密封计算模型为[2][3][4]：

（1）

式中：K—试验数据回归系数；

Ca—喷嘴流量系数，无量纲；

Δp—射流密封压力，Mpa；

Pd—射流压力，Mpa；

D—套管孔眼直径，mm；

d—喷嘴直径，mm。

依据式（1），结合管串摩阻优化喷嘴尺寸及射流压力，使得施工压力在允许范围内获得理想的射流密封压力。

1.3水力喷射压裂的特点

水平井水力喷射分段射孔压裂技术具有以下特点：

1）工具结构简单；2）自动隔离，可用于裸眼、套管水平井完井；3）射孔、压裂一体化工艺；4）一次管柱可进行多段压裂，施工周期短，有利于降低储层伤害；5）压井次数少，施工程序简单；6）喷射压裂可以有效降低地层破裂压力，保证高破裂压力地层的压开和压裂施工。

2.影响水力喷射分段射孔压裂技术的关键技术参数

2.1喷嘴结构

水力喷射喷嘴结构应有利于对通过其中的液体及磨料的增速作用，为此采用多级收缩组合结构设计。

水力喷砂喷嘴设计应遵循以下原则：

1）能量转换效率高；2）喷嘴的耐磨性好，寿命长；3）所产生的射流密集性好。

水力喷射喷嘴尺寸一要满足水力喷射射孔的最佳速度要求，同时要满足压裂施工中携砂液的流通要求。更要考虑施工中排量和砂比的因素，防止出现泵压过高、砂堵等情况，所以，喷嘴孔径以偏大为宜。

2.2喷射速度

研究表明，喷嘴出口流速在130-200m/s范围内均可以实现水力喷射穿孔破岩的目的。

3.水力喷射压裂管柱及施工工艺研究

3.1动管柱水力喷射分段压裂工艺管柱及工艺

动管柱根据是否有封隔器可以分为无封隔器水力喷射施工管柱和有封隔器水力喷射施工管柱，无封隔器水力喷射施工管柱用于层间压裂压力差距较小的井段，有封隔器水力喷射施工管柱用于层间压裂压力差距较大的层段。

无封隔器水力喷射分段压裂管柱结构：由安全接头、水力喷射器、单流阀、扶正器、筛管以及丝堵组成。施工前先按设计下入压裂管柱，调整好管柱长度，使喷嘴正对第一个压裂位置，工具定位后开始喷射压裂。该管柱是通过上提管柱至对应压裂层段的方式，来实现分段压裂的。

施工工艺是：首先将管柱下入到第一段设计位置，下井定位后，打开套管闸门，从油管内替入前置液后，提高排量和压力，注入携砂液进行射孔，完成后关闭套管闸门，保持油管排量，同时从套管注液，提高地层压力，形成压裂。完成后放喷、洗井，再将管柱上提到第二段设计位置，对其进行射孔、压裂。

有封隔器水力喷射分段压裂管柱结构，由悬挂器、水力喷射器、K344封隔器、单流阀、扶正器、筛管以及丝堵组成等组成，压裂施工步骤与单级水力喷射管柱施工步骤相似，单流阀可以反向洗井，利用单流阀的功能可以使封隔器坐封，利用封隔器可以加强封隔效果。该管柱也是通过上提管柱至对应压裂层段的方式，来实现分段压裂的。

3.2不动管柱水力喷射分段压裂工艺管柱及工艺

管柱结构主要由安全接头、扶正器、滑套式水力喷射器、水力喷射器、单流阀、筛管、丝堵组成。该管柱的工作原理与动管柱水力喷射分段压裂工艺管柱大体相同，區别在于该管柱在施工过程中无需上提管柱，而是通过逐级投球的方式，实现对不同层段的分段压裂改造。

管柱下井定位后，打开套管闸门，从油管内替入前置液后，提高排量和压力，注入携砂液进行射孔，完成后关闭套管闸门，保持油管排量，同时从套管注液，提高地层压力，形成压裂。完成后投球打压，打开上层滑套式水力喷射器，同时关闭下层，对上层进行射孔、压裂。

4.结论

1、水力喷射压裂工艺中，射流离开喷嘴后速度衰减较快。致使孔内压力升高，提高整体孔道内的静压大小以辅助压裂作业。

2、该技术在一次增产过程中完成水力喷射射孔和压裂，简化了工艺程序，节省了施工时间提高了作业效率。

3、水力喷射压裂技术在常规油气田增产改造试验表明，水力喷射压裂技术能够实现分段多簇改造，对非常规油气资源特别是煤层气、页岩气的增产改造具有技术可行性。

参考文献

[1]Jessica H，Rafael H.Pinpoint fracture using a multiple-cutting process[R].SPE122949，2009

[2]曲海，李根等.水力喷射分段压裂密封机理，石油学报[J].2011，32（3）：514-517.

[3]马飞，杨逸等.水力喷射压裂关键机理探讨.天然气经济与技术[J].2011，5（2）：71-73.

[4]刘永亮，王挣铎等.水平井储层改造新方法—水力喷射压裂技术.钻采工艺[J].2008，31（1）：71-73.

[5]李根生，沈忠厚等.自振空化射流理论与应用[M].东营：中国石油大学出版社，2008：1-5.

[6]李根生，牛继磊等.水力喷砂射孔机理试验研究[J].石油大学学报，2002，26（2）：31-34.