水力喷射分段压裂工具施工效率提高方法

侯世红，李典虹，张德华（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）

水力喷射分段压裂工具施工效率提高方法

侯世红，李典虹，张德华
（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249）

水力喷射分段压裂技术应用于水平井压裂是一项比较成熟的压裂技术，但在施工过程中出现的问题较多，施工效率低。为了提高现场施工效率，根据水力喷射压裂工具在长庆油田的使用情况，分析了现场出现问题的形成原因，针对性地对工艺和工具进行改进，取得了良好的效果，施工过程更加顺利，施工效率不断提高。

水力喷射；分段压裂技术；水平井压裂；施工效率

Improvement of Construction Efficiency of Hydraulic Jet Fracturing Tools

随着油田开采的发展，物性好、渗透率高的储层越来越少，对现有储层的改造，比去探明新的储层更具有实际意义［1］。水平井技术作为主要增产技术，在国内各大油田有着广泛的应用，而水力喷射分段压力技术以其管柱结构简单，易于操作，坐封可靠，施工安全，适用范围广等优点［2］，在水平井改造过程中具有很好的优势。该技术在国内应用已经非常成熟，效果显著，成为国内水平井改造的基本技术。

1　水力喷射工艺原理

水力喷射分段压裂技术是将水力喷砂射孔和水力压裂工艺相结合，喷点定位准确，裂缝起裂位置明确。长庆油田水力喷射分段压裂工艺，在传统的液体自封隔基础上，加入机械封隔器，保证坐封可靠，同时具有施工压力低、排量大、砂比高、砂量大、施工效率高的优点。水力喷砂射孔主要采用高强度水力喷射器，在指定喷点位置将高压液体从水力喷射器中高速射出，射开套管跟水泥环，同时在岩石进井带射出孔眼，便于压裂施工和确定裂缝的起裂位置。如图1所示。

图1　水力喷砂射孔示意

水力喷砂射孔基于伯努利方程：

式中：p为流体所受的压力，MPa；ρ为流体密度，kg／m3；v为流动速度，m／s；g为重力加速度，m／s2；z为流体所在平面铅直高度，m；C为常数。

由上式可知，液体密度与平面高度固定的情况下，液体所受的压力可以转化为液体的速度［3］。

水力喷砂射孔完成后，进行水力压裂工艺，关闭套放闸门，开始憋压，高压液体造缝，裂缝从射孔孔眼尖端起裂，并随着压力的存在得以延伸，随后从套管或者油管泵入携砂液。停止泵入后，关井、放喷、洗井，随后将工具提至下1段，开始下1段压裂。

2　水力喷射分段压裂工艺管柱

水力喷射分段压裂工艺管柱如图2所示。

图2　水力喷射分段压裂工艺管柱

管柱工艺组合为导向丝堵+筛管+单流阀+小直径封隔器+水力喷射器+安全丢手。其中导向丝堵起导向作用，利于管柱顺利下入井中；筛管在反洗井时液体进入的通道，同时起过滤作用；单流阀保证在射孔阶段，液体只从喷射器中流出，在压裂过程中，形成节流压差，保证封隔器坐封；封隔器在压裂过程中将压裂段与已完成压裂段封隔，保证压裂段顺利实施；水力喷射器为水力喷砂射孔的主要工具，其上装配高强度喷嘴；安全丢手是在遇到卡井等问题时，管柱无法起出，通过投球，剪短丢手销钉，使管柱与工具分离，从而起出管柱［4-5］。

3　常见的施工问题

3.1卡钻

卡钻是水力喷射分段压裂过程中最容易出的问题，主要有砂卡与工具卡。砂卡是在压裂施工完成后，地层吐砂过于严重，导致井下压裂工具被埋，无法上提或者下放管柱。工具卡是施工完成后封隔器不解封，从而无法活动钻具。此外还有异常卡钻，如井底有异物等引起的卡钻。

3.2工具失效

工具失效也是水力喷射分段压裂过程中容易出现的问题之一，包括喷射器失效与封隔器失效，如图3～4所示。喷射器失效的主要原因是喷射器喷嘴脱落，喷嘴脱落，导致节流面积增大，从而压力减小，无法顺利射孔，此外当施工压力过大，或者施工段数过多，喷射器所受反溅伤害严重，可能导致喷射器被刺穿。封隔器失效是指封隔器无法正常坐封或者解封，以及所受反溅或者蠕动伤害过大，从而失去施工能力。

图3　喷射器失效

图4　封隔器失效

3.3地层压不开

对于一些致密地层，施工中会出现憋压数次，而地层依然无法起裂的情况。这种情况一般处理方法就是挤酸处理或者打段塞，若依然无法起裂，则考虑重新射孔，换喷点位置压裂，或者放弃该段压裂。

4　提高施工效率方法

4.1改变加砂方式

从以前的油管加砂，套管补液，改为环空加砂、油管补液。其一减小喷嘴过液量，套管加砂后，油管过夜量减小，对喷射器喷嘴起到很好的保护作用；其二环空体积大，节流压差小，施工压力大大减小，可以实现大排量以及大砂量施工。

4.2优化压裂工具

4.2.1提高喷射器质量

针对目前喷射器在水平井压裂中的施工情况，主要存在2方面的问题。一是喷射器主体强度较弱，在水力喷砂射孔时，射孔水流经套管反溅至喷射器主体，对喷射器造成较大反溅伤害。轻者可以在喷射器喷嘴周围冲出漩涡状，重者则会导致喷射器刺穿，或者将喷嘴周围的喷射器主体以及压帽冲击形成较大的坑，导致喷嘴与压帽间的接触面积减小，从而在施工时可能导致喷嘴脱落，导致整套工具失去施工能力，同时存在卡钻风险。二是喷射器喷嘴脱落。在正常施工中，有将近10%～20%的工具，在反洗井过程中因为喷射器喷嘴脱落导致整套工具失效而失去工作能力。如图5～6所示。

图5　喷射器受反溅伤害严重

图6　喷射器喷嘴脱落

针对现场使用过程中出现的以上问题，采用3方面的改进办法。

1）提高喷射器本体的材质，改进喷射器的热处理工艺，从而提高喷射器主体表面的强度，降低喷射器的反溅伤害程度。

2）改进喷射器结构，现场使用喷射器结构组成如图7所示。喷嘴与压帽连接用粘接胶粘接。2014年，将粘接胶从乐泰638改进为进口JBWELD胶，减少了喷嘴掉落的数量，但是无法从根本上进行控制。后期可从固定方式入手，将胶粘接改为机械固定连接，可从根本上解决问题，但是出于结构受限以及高强度要求的考虑，目前正在研究当中。

图7　喷射器结构示意

3）采用硬质合金压帽代替普通的压帽。反溅主要是在喷射器周围区域内，采用硬质合金压帽后可以大幅度减小喷嘴周围的反溅伤害程度，同时有利于减少喷嘴掉落的数量。压帽改进前后的对比如图8～9所示。

图8　施工6段后的普通压帽

图9　施工8段后的合金压帽

4.2.2提高封隔器质量

封隔器是压裂工艺管柱中最关键、最核心的部分，封隔器质量严重制约着施工效率的提高。对于封隔器质量的改进，主要是通过改进封隔器质量以及更换封隔器型号。2014年在长庆油田通过将K344-108型钢丝式封隔器改进为钢带式封隔器，施工效率从每趟钻平均2段左右提升至4段左右；此后将钢带式封隔器不断改进，通过提高钢带钢材质量，以及提高胶筒质量和加长胶筒长度，获得了良好稳定的性能，并在施工中创造了最高一趟钻施工12段的记录。2015年年初，通过引进Y211型压缩式封隔器，施工效率再次得到提升，一趟钻施工最高为11段，且起出工具仍具有施工能力，平均施工效率达到每趟钻5.1段，且一趟钻施工完整口井的比例达到40%以上。

4.3压后施工控制

压裂完成后的关井、放喷、洗井等工作，对于施工效率的提高尤为关键。首先保证关井时间充分，地层压力得到彻底释放，在此后放喷过程中，会大幅降低地层吐砂量，也会降低液体反冲蚀对压裂工具的损伤。当放喷过程排量适宜时，可立即反洗井，以免返排液排量过低造成砂沉积，导致卡钻等；且反洗井排量及压力不宜过高，以免导致喷射器喷嘴脱落。2014年年初在长庆油田陕北区块的YX10-25井压裂段数10段，使用工具5套，以及YX8-24井压裂段数12段，使用工具6套，YX8-22井压裂段数10段，使用工具5套，平均施工效率仅为每套工具2段，施工效率低，起下钻工作任务繁重，试油周期长，主要原因是关井时间不充分，同时采用700型水力车洗井，排量低，洗井不彻底。此后通过延长关井时间，控制放喷排量，采用2000型主压车洗井，在同一区块施工的3口井YX10-24、YX16-9以及YX7-22，平均施工效率为每套工具5.2段，一套工具最高段数为7段，效果显著，压裂周期从之前的40 d减少为15 d左右。

5　结语

近年来，长庆油田在水平井压裂过程中采用改进压裂工具质量、优化压裂工艺和施工过程，使施工效率不断提高，降低了试油周期与成本，减小了试油劳动强度，降低了井控风险，提高了油田产量。

［1］孙聪聪，檀朝东，宋健，等.国内外水平井压裂工艺技术综述［J］.中国石油和化工，2014（10）：50-52.

［2］李玉宝，吕玮.水平井水力喷射分段压裂技术研究与应用［J］.内蒙古石油化工，2011（3）：26-28.

［3］郝增贤，孙泽贞，冉风华，等.水力喷砂压裂工艺在水平井中的应用［J］.油气井测试，2014，23（5）：56-58.

［4］朱正喜，曹会，陈沙沙.国内水力喷射压裂工艺技术应用研究进展［J］.石油矿场机械，2014，43（12）：82-87.

［5］任勇，冯长青，胡相君，等.长庆油田水平井体积压裂工具发展浅析［J］.中国石油勘探，2015，20（2）：75-81.

HOU Shihong，LI Dianhong，ZHANG Dehua
（College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China ）

Hydraulic fracturing technique applied to horizontal well fracturing is a basic and applied basic fracturing technology in horizontal wells.With the development of the technology，the con-struction problems，the problem of low efficiency of the construction of the tool is gradually coming out.In order to improve the efficiency of construction site，According to hydraulic jet frac-turing tools used in Changqing oil field，analysis of site prone to the basic problems and causes were made，aiming at the improvement of technology and tool，so as to have a good effect，so as to continuously improve the construction efficiency，and construction process more smoothly，gradu-ally to meet the requirements of construction site.

hydraulic jeting；piecewise fracturing technology；horizontal well；construction efficiency

TE934.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.012

1001-3482（2015）12-0048-04

2015-06-29

侯世红（1994-），男，甘肃天水人，硕士研究生，主要从事压裂技术的研究，Email：694293972＠qq.com。