超深碳酸盐岩水平井水力喷射定点深度酸化压裂技术

周林波，刘红磊，解皓楠，王 洋，李奎为(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101；

2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；3.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；4.中国石化西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

塔里木盆地深层碳酸盐岩油藏非均质性强，零散分布的缝洞体是主要的储集空间，通过钻井或储层改造技术准确沟通有利缝洞体，是实现高产稳产的关键。当钻井未能命中目标，但通过地球物理等技术确定井筒附近有利储集体的位置后，通过定点改造来沟通这类储集体，具有重要意义。对于浅、中深裸眼井，目前主要有2种方式可以实现对特定井段的改造[1-4]：一是封隔器卡封技术，通过2个封隔器来隔离非目标层段，从而实现对封隔器之间目标层段的改造。但对于超深裸眼井，封隔器的下入、座封和解封都存在较大风险。二是水力喷射自封隔技术，通过喷嘴高速射流实现定点射孔、起裂和自封隔。由于喷嘴节流压差高，主压裂阶段施工排量难以提升，该技术在深井应用受限。针对上述问题，研发了超深井新型水力喷射酸化压裂技术。

1 技术思路

定点深度酸化压裂技术的目标是在超深裸眼井中实现对某一确定目标储集体的酸蚀裂缝深度沟通，既要避免低效率的酸液随机分布模式，又要克服酸液大量进入非目标位置造成的沟通失败。为了实现这一目标，提出了一种新的定点改造工艺组合，既利用水力喷射技术完成定点射孔和预破裂，又克服了深井施工排量受限的问题，满足大排量、大规模施工的需要，最终实现对目标储集体的深度沟通。新技术主要包括水力喷射定点射孔起裂和深穿透酸化压裂两部分，通过2趟管柱完成。

第1趟管柱完成定点射孔、起裂：①下入水力喷射工具至目标位置深度；②采用加重压裂液完成水力喷射射孔，在地层中定点形成孔眼并产生微裂缝，降低破裂压力；③在孔眼处憋压起裂，初步延伸裂缝。水力喷射射孔后，液体压力直接作用在岩石壁面上，孔眼的周向应力增加，地层破裂压力降低，迫使裂缝在孔眼处起裂[5]。射孔、起裂后，将形成明显的应力薄弱区。

由于射孔管柱喷嘴节流压差高达23.6～53.0 MPa，管柱摩阻高，如果起裂后直接进行酸化压裂施工，则井口油压、套压都将超过安全范围，深度酸化压裂无法实现。因此，设计更换第2趟管柱完成深穿透酸化压裂：①起换管柱，更换Φ88.9 mm或Φ114.3 mm油管下至油层上部适当位置，消除喷嘴节流压差和部分管柱摩阻；②酸化压裂施工排量提高至6 m3/min以上，注入前置压裂液造缝，注入酸液刻蚀裂缝。在地层破裂压力明显降低和裂缝起裂以后，裂缝继续扩展的压力将降低5.0～14.0 MPa[6-7]，有效保证了主裂缝仍然沿着起裂点扩展，达到定点深穿透沟通的目的。

2 水力喷射定点射孔起裂工艺

P5井位于塔里木盆地阿克库勒凸起西南斜坡，目标层位为奥陶系一间房组油藏。P5井完钻井深为6 315.0 m，目标层位裸眼段深度为5 950.0～6 315.0 m，裸眼段长365.0 m。预计地层温度约为158 ℃，地层压力为72.3 MPa。前期自喷、机抽生产累计产油638.1 t，后因产能低关井。预计该井控制石油地质储量为8×104t，采出程度低，具有较大潜力。

通过对测录井资料和地球物理解释结果的综合分析，认为在6 155.0～6 170.0 m井段周围存在一个规模可观的有利储集体，距井筒最小距离为103 m。裸眼井段平均破裂压力为112.0 MPa，其中，目标深度破裂压力值为110.0 MPa。在目标段上部存在一个薄弱点，破裂压力为107.0 MPa，如果采用常规笼统酸化压裂技术，极易在该点最先起裂，从而造成改造失败。为此，采用新型定点深穿透酸化压裂技术方法，降低目标点的破裂压力并定点起裂，以准确沟通储集体。

2.1 喷射施工管柱

设计施工管柱为：Ф88.9 mm×6.45 mm油管+安全接头+扶正器+喷射器+单向阀+多孔管+导向头的管柱组合(图1)。其中，井下喷射器是形成高速射流的核心部件，下入深度为6 162.0 m。通过优化喷嘴直径、数量和布置相位可满足不同施工排量、不同喷射相位的压裂酸化施工要求。研究表明，岩样破坏符合最小能量原理[8-9]，即岩体动力破坏总是沿着能量消耗最小的方向展开。沿着最大水平主应力射孔时起裂压力最小，随着射孔轴线与最大水平应力夹角的增大，岩样起裂压力几乎呈线性上升。因此，推荐采用60 °相位、交错螺旋布孔，喷嘴组合为6×Ф6.0 mm，射孔孔眼轴线与最大水平主应力方向基本一致。

图1 第1趟入井管柱示意图

2.2 射孔液

为了降低换管柱作业的井控风险，设计采用加重压裂液作为射孔液，其密度和对应井段钻井液密度接近，当量密度为1.45。优化射孔时间为12～15 min，射孔液量为30.0～37.5 m3。射孔液中磨料类型优选碳酸钙颗粒，如果射孔过程中发生磨料沉降，则可以利用酸液进行溶解，降低施工风险；磨料体积浓度为8%。

2.3 施工压力预测

射孔阶段施工压力主要与喷嘴压降和管柱摩阻相关[10]：

pt=pa+pb+pft+pfa

(1)

式中：pt为地面油管施工压力，MPa；pa为地面环空施工压力，MPa；pb为喷嘴压降，MPa；pft为油管摩阻，MPa；pfa为环空摩阻，MPa。

达到最佳射孔效果的射流速度为240.0～260.0 m/s以上[11-13]，因此，推荐射孔排量为2.5 m3/min，预计油管施工压力为74.1 MPa。

在定点起裂阶段，施工压力还和液体密度、地层破裂压力等参数有关：

pt≥pfrac+pb+pft-ph

(2)

式中：pfrac为破裂压力，MPa；ph为静液柱压力，MPa。

施工压力预测见表1。采用105.0 MPa级别井口和施工设备可以满足射孔和起裂要求，但是达不到深穿透酸化压裂所需施工排量。

表1 水力喷射施工压力预测

3 深穿透酸化压裂工艺

裂缝定点起裂后，更换第2趟酸化压裂管柱，继续完成深穿透酸化压裂施工。优化施工排量，优选耐高温压裂液和清洁地面交联酸体系，采用非均匀刻蚀工艺，实现对目标储集体的高效沟通。

3.1 施工排量优化

Ф88.9 mm×6.45 mm油管下入深度相对较浅，为5 050.0 m(套管悬挂器位置为4 944.0 m)，同时下入耐温为177 ℃、耐压差为70.0 MPa的可取式套管封隔器封隔环空，保护上部套管(图2)。

第2趟管柱的长度比第1趟管柱减少了约1 000.0 m，同时没有喷嘴产生节流压差，因此，管柱压力损失大幅降低，在不同压裂液密度的情况下，酸化压裂施工时井口预测压力见表2。由表2可知：在不超过井口和施工设备耐压(105.0 MPa)的情况下，不加重压裂液施工排量可以达到8.0 m3/min；若加重压裂液当量密度至1.20，施工排量可达到10.0 m3/min。

图2 第2趟入井管柱示意图

3.2 酸化压裂液体系优选

P5井储层温度为158 ℃，对前置液和酸液的耐温能力要求较高。优选耐高温、低伤害压裂液为前置液体系，配方为：0.6%稠化剂+1.0%破乳剂+1.0%助排剂+1.0%温度稳定剂+0.5%增效剂+0.5%交联剂A+0.3%交联剂B。在160 ℃、170 r/s条件下剪切120 min，黏度平均值超过50 mPa·s。

由于目标储集体到井筒距离为103 m，对高温条件下酸液的深穿透能力提出了挑战。同时，该井储层微裂缝发育，优选黏度高、酸岩反应速度慢、穿透能力强的清洁地面交联酸体系，有利于提高酸蚀裂缝穿透距离。优化酸液配方为：20.0%HCl +1.0%稠化剂+2.0%缓蚀剂+1.0%助排剂+1.0%破乳剂+1.0%铁离子稳定剂。实验测定了交联酸和地层岩石的反应参数(表3)。由表3可知，交联酸的反应速度常数为0.721 8×10-6mol/(s·cm2)，同胶凝酸相比，反应速度约低一个数量级[14]，在超深高温储层中，有利于提高酸液作用距离，实现深度改造。

表3 交联酸酸岩反应参数测定结果

3.3 非均匀刻蚀工艺

P5井储层有效闭合应力达到47.0 MPa，酸蚀裂缝导流能力保持困难[15-16]。非均匀刻蚀工艺利用非均匀酸液分布和非均匀酸岩反应强度的双重作用，在水力压裂裂缝面形成较强的、明显的非均匀刻蚀形态，提高裂缝在高闭合应力状态下的抗闭合能力[17-18]。采用交联酸+胶凝酸组合刻蚀工艺，在闭合应力为50.0 MPa时导流能力可提高37%。

4 应用效果

P5井定点深穿透酸化压裂施工实际泵注数据见表4。定点射孔起裂阶段共使用当量密度为1.45的加重压裂液基液100 m3，加20～40目磨料2.4 m3，射孔阶段最高施工压力为67.8 MPa，憋压起裂阶段最高施工压力达到89.7 MPa。起换管柱后进行酸化压裂施工，前置液为400 m3，酸液为380 m3，通过2级“交联酸+胶凝酸”交替注入，强化非均匀刻蚀效果，在深穿透的同时提高裂缝长期导流能力。最高注酸排量达到9.0 m3/min，最高泵压为93.5 MPa，在注酸阶段后期，明显观察到井口压力降低，降低幅度达到30.7 MPa，说明酸蚀裂缝已经有效沟通了目标缝洞体。P5井改造后生产效果显著，压裂后初期自喷日产油为107 t/d，井口压力为32.0 MPa，生产90 d累计产油8 852.3 t，油压稳定在28 MPa左右。

表4 P5井定点深度酸化压裂施工泵注数据

5 结 论

(1) 通过水力喷射技术实现超深裸眼井的定点射孔、起裂，产生人工应力薄弱区，是实现定点酸化压裂，沟通储集体的关键。

(2) 新型水力喷射定点深度酸化压裂技术通过2种工艺组合、2趟施工管柱来实现。第1趟管柱完成水力喷射定点射孔起裂；第2趟管柱完成大排量深度酸化压裂，裂缝沿着薄弱区继续延伸，实现对目标点的深穿透沟通，优化第2趟管柱下入深度和压裂液密度等参数，最高施工排量可达到10.0 m3/min，解决了常规水力喷射方式深井应用受限的问题。

(3) P5超深水平井采用新型水力喷射定点射孔起裂工艺和非均匀刻蚀深度酸化压裂工艺，准确沟通了目标储集体，压裂后初期日产油为107 t/d。