水平井猫鼬分段加砂压裂技术研究及应用

刘斌，王兴文，黄禹忠，慈建发

（中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川 德阳 618000）

水平井猫鼬分段加砂压裂技术研究及应用

刘斌，王兴文，黄禹忠，慈建发

（中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川 德阳 618000）

为解决川西套管封隔器水平井分段压裂分段数受限、压后作业困难的难题，文中在通过室内实验优选喷砂射孔磨料，优化磨料粒径、磨料体积分数及喷砂排量等参数的基础上，优化配套大通径井口装置、压裂液体系及冲砂工艺，形成了适用于川西中浅层的水平井猫鼬分段压裂技术。与邻井对比分析表明，采用猫鼬压裂方式的改造效果与采用常规压裂的相差不大，其优点在于提供了全通径水平井井筒，有利于后期作业。

水平井；猫鼬分段压裂；改造效果；川西

0 引言

川西中浅层水平井分段压裂主要采用套管封隔器分段压裂工艺，该工艺采用封隔器统一坐封投球开滑套方式实现多段改造。目前，水平井分段压裂管柱最多可实现12段压裂，压裂管柱最小内通径仅23.5 mm。压裂管柱级差既限制了分段压裂的分段数，又增加了压后作业及后期采气的难度，主要体现在以下3个方面：1）压裂后排液过程中，如果出现支撑剂回流，则连续油管下不到井底进行冲砂，无法保证井筒的通畅，进而影响单井产量；2）由于测量工具下入困难，无法对气井的产气剖面进行生产测井，进而影响压裂效果评价及气井的动态分析；3）如果气井后期出现出水等情况，则增加了后期作业的难度。

为克服以上不足，针对川西中浅层致密气藏及水平井特点，在适应性分析的基础上，通过室内实验优化施工参数，并配套大通径井口装置，形成了猫鼬分段压裂技术，实现了川西中浅层水平井压后的全通径，为后期作业提供了良好的井筒条件。

1 工艺原理

猫鼬分段压裂技术采用连续油管喷砂射孔环空压裂实现水平井分段压裂，压后起出井内带工具的连续油管即可实现井筒的全通径。

该技术的工艺原理为：在井口将连接好的连续油管与猫鼬多级压裂工具下入水平井内预定井深以下10 m左右，上提管柱通过组合工具的MCCL机械定位器实现精确定位，然后坐封封隔器，通过连续油管和喷枪进行喷砂射孔，从环空注入压裂液对该段进行压裂；单段压裂完成后，上提管柱解封封隔器，并向上拖动管柱至另一待改造井段后，重复坐封、喷射、环空加砂压裂，直至压完所有设计井段后提出连续油管及工具，从而实现多段压裂。

该技术理论上具有不限级数分段压裂能力，但连续油管拖动猫鼬多级压裂工具在国外已完成单井40级压裂改造作业，在美国页岩气作业中单井作业最高达50级。

2 磨料材质优选及参数优化

影响猫鼬分段压裂的主要因素对喷砂射孔同样至关重要，若喷砂射孔无法喷开套管及水泥环，就会导致整个施工的失败［1-5］。通过室内实验，对喷射材质进行优选，对参数进行了优化［6-9］。

2.1 磨料材质优选

磨料材质对冲击深度影响的实验分析结果见图1。可以看出，在相同压力和排量下，硬度较小的石英砂的冲击深度比硬度较大的石榴石的冲击深度要小得多。根据已经得到证实的切割理论，磨料的切割能力与硬度呈正相关关系，而且磨料表面越不规则，喷射效果越好，结合压裂改造常用材料，最终选用圆球度较差的石英砂为喷砂射孔的磨料。

图1 磨料材质对射孔能力的影响

2.2 参数优化

2.2.1 磨料体积分数

喷射深度与磨料体积分数关系的实验分析结果见图2。可以看出，喷射深度并不是随着磨料体积分数的增加而持续增加，而是存在一个拐点。实验表明，在磨料体积分数为6%～8%时，喷射效果较优。

2.2.2 磨料粒径

磨料粒径对喷射深度影响的实验分析结果见图3。可以看出，喷射深度开始随着磨料粒径的增加而增加，在增加到一定程度后呈下降趋势。这表明存在一个最优磨料粒径，优选磨料粒径为0.4～0.6 mm。

图2 喷射深度与磨料体积分数的关系

图3 喷射深度与磨料粒径的关系

2.2.3 喷射排量

射流排量与喷嘴压降成正比［6-9］，关系式为

式中：Δp为喷嘴孔眼压降，MPa；ρ为喷射液密度，g/ cm3；Q为喷射排量，m3/min；n为喷嘴孔数；d为喷嘴直径，cm；Cd为孔眼流量系数，通常取0.8～1.0。

较大的喷射速度易导致喷嘴失效，这就对井口及喷嘴质量提出了更高的要求，为节约成本，喷射深度达到常规喷射深度30 cm即可。室内实验结果表明，喷射速度为260 m/s左右时，喷射深度可达30 cm以上，因此，260 m/s是较合适的喷射速度（见表1）。

表1 不同喷射速度下的喷射深度

根据喷嘴组合、尺寸数据，对施工排量进行计算。猫鼬喷砂射孔工具孔眼直径4.762 5 mm，喷嘴孔眼数为4，当喷嘴压降分别为30，35，40 MPa时，对应的排量分别为1.10，1.28，1.46 m3/min。结合井口限压情况，最终优化喷射排量为1.10 m3/min。

2.2.4 喷嘴压降及射孔时间

不同射孔时间下，喷射深度与喷嘴压降的关系［10-12］见图4。可以看出，随着压降的升高，喷射深度明显增加，在达到最大喷射深度前，喷射深度随时间的增加呈线性增加，当时间达到10 min时，孔深不再增加。通过岩样观察可以看出，孔径也随着压力的升高而明显变大，当达到最大喷射深度后，继续增加压降只能增加孔径，而对喷射深度影响不大。因此，推荐水力喷射喷砂射孔在喷嘴压降30 MPa下，保持喷射10 min。

图4 喷射深度与压降的关系

3 配套工艺技术

3.1 井口配套技术

猫鼬工具外径为117.9 mm，而川西中浅层水平井井口内通径一般仅78 mm，因此，为保证工具顺利下放需配套形成130 mm的大通径井口装置。同时考虑压裂施工要求，配套形成了从连续油管的操作窗至井口的大通径装置（见图5）。

图5 猫鼬压裂井口配套装置示意

3.2 压裂液

以8段施工为例，正常情况下猫鼬压裂施工时间是常规压裂的2倍左右。压裂液长时间滞留会增加对储层的伤害，因此需优化压裂液配方。通过降低压裂液中胍胶浓度、优化压裂液中防水锁剂及添加剂的加量，从而形成了低伤害防水锁压裂液。形成的压裂液体系与常规压裂液性能指标对比见表2。

表2 低伤害压裂液体系与常规压裂液性能指标对比

3.3 冲砂工艺技术

由于猫鼬压裂压后采用光套管排液，流动面积增加导致排液过程中流速变慢，易出现井筒积砂情况，因此，在下入生产管柱之前，需对井筒进行冲砂，保证井筒的通畅［13-15］。

采用胍胶液冲砂液、连续油管＋接头+喷嘴冲砂管柱、正冲方式进行作业。优选冲砂作业的喷嘴、介质及排量，形成了冲砂作业参数（见表3）。表中型号A，B，C，D分别为φ31.75，38.10，44.50，50.80 mm的连续油管。

表3 水平井冲砂参数

4 现场应用

SF38-1HF井采用猫鼬分段压裂技术，分8段进行加砂压裂，排量3.60～4.50 m3/min，压力31～42 MPa，入地液量1 751.2 m3，支撑剂209 m3，液氮61 m3，石英砂5.58 t，酸24 m3。该井施工结束后采用套管排液。排液初期出砂1 m3，返排压裂液895 m3（入地1 751.2 m3），返排率51.1%。稳定套压18.0 MPa、上流压力1.35 MPa、上流温度2℃条件下，计算日产气量3.094 6×104m3。

目前，已在该地区3口井应用了该技术，最大分段数为10，压后井下工具取出井筒实现了井筒的全通径。与邻井对比分析表明，采用猫鼬压裂与常规压裂方式改造后的产气量相差不大，说明采用猫鼬压裂对提高改造效果的贡献不大（见表4）。

表4 猫鼬分段压裂与常规压裂改造效果对比

5 结论

1）通过室内实验，优选石英砂为喷砂射孔的磨料。优化磨料体积分数为6%～8%，磨料粒径为0.4～0.6 mm，喷射排量为1.10 m3/min，喷嘴压降为30 MPa，喷射时间10 min。

2）猫鼬分段压裂可以实现压后的井筒全通径，为压后作业及压裂评估提供了良好的井筒条件，但在提高单井产量方面作用有限。

［1］严玉中.水力喷砂射孔机理及参数优选研究［D］.北京：中国地质大学，2006.

［2］牛继磊，马利成.水力喷砂射孔参数实验研究［J］.石油钻探技术，2003，31（2）：14-16.

［3］马飞，杨逸，宋燕高，等.水力喷射压裂关键机理探讨［J］.天然气技术与经济，2011，5（2）：40-42.

［4］盛茂，李根生，黄中伟，等.水力喷射孔内射流增压规律数值模拟研究［J］.钻采工艺，2011，34（2）：42-45.

［5］李根生，夏强，黄中伟，等.深井水力喷射压裂可行性分析及设计计算［J］.石油钻探技术，2011，39（5）：58-62.

［6］刘晓敏，侯树刚，蒋金宝，等.高压喷射钻井技术及其应用［J］.断块油气田，2013，20（6）：128-131.

［7］王建麾，王成旺，余兴国，等.PSK多级滑套水力喷射分段压裂技术的应用：以镇北油田水平井为例［J］.断块油气田，2014，21（1）：107-109.

［8］朱爱梅.水力喷射环空加砂压裂在薄互层水平井的应用［J］.大庆石油地质与开发，2014，33（3）：101-104.

［9］马发明.不动管柱水力喷射逐层压裂技术［J］.天然气工业，2010，30（8）：25-28.

［10］田守增，李根生，黄中伟，等.连续油管水力喷射压裂技术［J］.天然气工业，2008，28（8）：61-63.

［11］李根生，刘丽，黄中伟，等.水力射孔对地层破裂压力的影响研究［J］.中国石油大学学报：自然科学版，2006，30（5）：42-45.

［12］Mahadevan J，Sharma M M.Clean-up of water blocks in low permeability formations［R］.SPE 84216，2003.

［13］胡昌德，赵元才，包慧涛，等.涩北气田连续油管冲砂作业分析［J］.天然气工业，2009，29（7）：85-88.

［14］李文彬，刘彦龙，叶赛，等.连续油管冲砂作业参数优化［J］.石油矿场机械，2O11，40（11）：58-61.

［15］付钢旦，王晓荣，赵粉霞.气井连续油管冲砂试验及分析［J］.低渗透油气田，2005，10（1）：29-32.

（编辑 朱丽）

Research and application of mongoose staged sand fracturing technology for horizontal well

Liu Bin,Wang Xingwen,Huang Yuzhong,Ci Jianfa
(Research Institute of Engineering Technology,Southwest Oil and Gas Company,SINOPEC,Deyang 618000,China)

In order to solve the problems of the limit of staged numbers for the staged fracturing and the operation difficulty of horizontal well after fracturing in western Sichuan and through the indoor experiment,the sand blasting perforation abrasive is selected and the abrasive size,abrasive volume fraction and perforation displacement are optimized.Based on this,the matching wellhead equipment with large diameter,the fracturing fluid system and sand washing process are optimized,forming the mongoose staged fracturing technology suitable for the middle-shallow layer of horizontal well in western Sichuan.The comparison result with the adjacent well after fracturing shows that the stimulation effect difference is not big using mongooses fracturing and using conventional fracturing.The advantage of mongooses fracturing is providing full size horizontal wellbore and easy to late operation.

horizontal well;mongoose staged fracturing;stimulation effect;western Sichuan

国家科技重大专项课题“四川盆地低渗气藏储层改造工艺技术研究”（2008ZX05002-004-04）

TE357.1+3

：A

10.6056/dkyqt201501028

2014-09-25；改回日期：2014-11-18。

刘斌，男，1981年生，高级工程师，硕士，2007年毕业于中国石油大学（华东）油气田开发工程专业，现从事压裂工艺及储层改造研究工作。E-mail：lb0557@163.com。

刘斌，王兴文，黄禹忠，等.水平井猫鼬分段加砂压裂技术研究及应用［J］.断块油气田，2015，22（1）：126-129.

Liu Bin，Wang Xingwen，Huang Yuzhong，et al.Research and application of mongoose staged sand fracturing technology for horizontal well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：126-129.