连续油管喷砂射孔环空分段压裂工具研制

孙 鑫，程智远，周晓昱，王 瑶，丁柯宇，姚卫东，徐 敏

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津300280；2.大港油田 第一采油厂，天津300280）

连续油管喷砂射孔环空分段压裂工具研制

孙 鑫1，程智远1，周晓昱2，王 瑶1，丁柯宇1，姚卫东1，徐 敏1

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津300280；2.大港油田 第一采油厂，天津300280）

连续油管喷砂射孔环空分段压裂技术可以不限次数进行多级压裂，实现较大规模储层改造。针对苏里格气田的低压、低渗、低产的特点，研制了连续油管喷砂射孔环空分段压裂工具。介绍了工艺管柱的组成，并对喷嘴、封隔器、卡瓦的关键参数进行计算。在苏25-2-2 H井进行的试验表明：该项技术的作业周期短、分层灵活并精细、封隔可靠，施工后井筒清洁。为致密气藏的多级分段改造提供了有效方法。

连续油管；喷砂射孔；分段压裂；工具

随着我国油气田开发进入中后期，储层薄、低压、低渗、高含水、储采失衡等问题日益凸现，这些薄差油气田的油层分散、层间跨距无序，普通压裂技术已无法满足高效开采的需求。近年来，喷砂射孔环空多级分段压裂工艺成为解决这一问题的核心方法［1］。

连续油管喷砂射孔环空分段压裂分为射孔和压裂2个阶段。射孔工具多采用喷枪形式，也可用压差滑套代替射孔过程。但是，当滑套无法打开时仍需采用射孔枪完成射孔作业［2］。压裂完成后只需解封连续油管封隔器便可。该项工艺技术具有工艺简单、施工周期短、作业效率高等优点。

渤海钻探工程技术研究院将措施工艺需求与理论分析相结合，研制了基于封隔器封隔适用于连续油管的喷砂射孔环空分段压裂工具，并在苏里格地区成功应用。本文将介绍该工艺管柱设计原理，并以苏里格气田苏25-2-2 H井为例介绍该工具在现场的应用情况。

1 管柱组成

组成该工艺管柱的主要工具为喷枪、卡瓦式封隔器、定位器，如图1所示。此外还包括：连续油管接头、液压丢手、反循环接头等工具。工具在整个施工过程中有入井、坐封和解封状态。在喷砂射孔和主压裂过程中，该工具处于坐封状态；在连续油管定位和转层过程中，该工具处于解封状态［2］。

图1 管柱组成

2 施工过程

1） 连续油管带着工艺管柱下至预定位置。

2） 套管接箍定位器定位、校深。

3） 下放连续油管坐封封隔器。

4） 连续油管加压验封（第1段不需要验封封隔器）。

5） 建立起液体循环。

6） 进行喷砂射孔作业。

7） 注入顶替液。

8） 进行加砂压裂作业。

9） 解封封隔器，上提连续油管至下一个施工井段。

3 工艺的优点

1） 水力喷砂射孔克服了射孔弹的压实作用，可有效解除近井地带的封堵效应，减少了对油气藏的污染和伤害。

2） 该项工艺只需下入1趟管柱、使用1个封隔器就能逐级封隔多个气层。

3） 采用环空压裂，施工排量大、加砂量大、砂比高，且大幅延长喷嘴的寿命。

4） 下1趟管柱能实现射孔和压裂作业，压裂施工周期短，减少了压后的油气层污染。

5） 起出连续油管后，井筒全通径即具备生产条件，可实现多层直接测试投产。

4 关键工具设计

4.1 喷枪

喷枪设计的关键是喷嘴的参数计算。喷嘴的几何参数决定喷射压力和喷枪寿命，根据成熟经验，采用两级收缩喷嘴，长径比为3～5［3］。多级压裂技术需要喷枪1次入井反复使用，因此喷嘴寿命是该工艺的关键技术，喷嘴几何参数、表面粗糙度和喷嘴材料是主要影响因素。该喷嘴的材料采用国外生产的特殊硬质合金，此材料具有较高的粒子结合强度，能够满足高耐磨需求，与陶瓷、梯度功能材料、复合碳材料等比较，易于加工、价格合理。

喷嘴的关键参数计算依据：

1） 液体各级压力损失

式中：Δp为压力损失，MPa／m；q为液体流量，L／min；D为管内径；mm；R e为雷诺数。

2） 喷嘴前后压差

式中：Q为流量，L／min；A 为喷嘴截面面积，mm2；ρ为流体密度，kg／m3；μ为流量系数。

3） 喷嘴直径

式中：p为喷射压力，Pa；q为喷射流量，L／min；n为喷嘴个数；η为喷嘴效率。

4） 冲蚀磨损体积损失量

式中：v0为砂砾冲击速度，m／s；r为砂砾半径，mm；ρ为砂砾密度，kg／m3；KIC为喷嘴材料的断裂韧性；Hm为喷嘴材料硬度。

依据计算的喷嘴参数设计的喷枪结构如图2所示，主要几何参数及水力试验结果如表1～2。

表1 喷枪关键参数

表2 试验参数

试验后泵压无明显下降，喷嘴磨损程度较低，因此该设计满足工艺要求。

4.2 封隔器设计

封隔器设计主要考虑膨胀比、坐封可靠、解封迅速可靠、避免砂卡［4］4个方面。采取的措施：

1） 由不同本构关系橡胶材料和金属结构组合而成。在保证密封可靠的前提下提供了足够的膨胀比例，解决了封隔器半径过大、易卡钻的问题；加快了解封速度并保证解封完全。

2） 机械力与液压混合动力坐封，可适用于连续油管。

3） 解封时封隔器外壳分段上提设计，在解封上提管柱时能够使橡胶筒内部产生拉应力，保证解封完全，避免卡钻［4］。

该封隔器的结构如图2所示。

图2 封隔器的坐封单元结构

坐封单元的基本参数如表3。

表3 封隔器坐封单元的技术参数

在模拟井内对胶筒（YS-113-15-35型）进行试验，模拟井下工作条件为加砂压裂液、150℃，进行胶筒坐封、密封、解封性能试验。胶筒坐封压力为15 MPa，密封压差为48 MPa，试验时胶筒保压稳定，经40个模拟作业试验后胶筒状态完好。结果表明，胶筒的耐油、耐压和密封性能满足喷砂射孔环空多级分段压裂作业的要求。

4.3 卡瓦设计

卡瓦设计主要考虑卡紧可靠、避免上提自锁、能与套管脱离3个方面。卡瓦牙材料选用高碳合金结构钢，经过渗碳淬火后硬度大于60 HRC，高硬度可避免由变形引起的卡瓦与套管无法解卡。卡瓦的卡紧过程是靠楔形体下移挤压，使卡瓦径向扩张而锚定套管，因此，卡瓦卡紧管柱的基本条件是楔形体下行时能否带动卡瓦牙而实现锚定作用。挤压作用越强，管柱卡紧越可靠。可靠卡紧的条件是：

式中：f1为卡瓦体与楔形体之间的摩擦因数；f2为卡瓦体与管柱之间的摩擦因数；α为楔形体的斜角度。

不自锁条件：

根据力学平衡条件，各卡瓦牙施加给管柱的径向压紧力的总和为

式中：P为卡瓦表面正压力；Q为管柱重力。

因此，卡瓦的最小接触面积S为

式中：［σy］为材料的许用挤压应力。

卡瓦的强度应按最大作用载荷并考虑25%的过载进行计算。计算时安全系数应不小于2。

5 现场应用情况

苏里格气田属于典型的“三低”气田，主要目的层属冲积平原背景下辫状河沉积体系，叠置砂体具有明显的方向性，气藏规模小，砂体展布范围有限，有效砂体连通性差，储层非均质性强［5］，仅采用水平井是达不到理想开采效果的，需要通过一系列的增产措施增加水平井的产能。2012-08，在苏里格气田苏25-2-2 H井用该连续油管喷砂射孔环空分段压裂技术进行了一趟管柱9层射孔、压裂作业。2012-11-03投产，测试产量为6.05×104m3／d。截止到2013-03-28，该井日产气量为5.3×104m3／d。

此次施工进行了9段的加砂压裂，也是该项工艺技术在苏25区块的第1次作业。主压裂施工中封隔器坐封可靠，易解封，压裂后返排快速，这一技术在该地区的成功实施，为我国非常规致密砂岩气的开发提供了切实可行的新方法。

6 结论

1） 苏25-2-2 H井采用连续油管喷砂射孔环空分段压裂技术，产量约为同区块其他井产量的2倍，且作业周期短，投产快，充分证明了该技术比常规压裂技术先进。

2） 该项分段压裂技术与常规分段压裂技术相比，无需投球，不受球径级次的影响，可以达到无限段数的压裂。

3） 此次施工过程中存在同一段多次喷射的现象，在以后的工作中应不断总结，优化出喷砂射孔的最优参数。

4） 采用该套工具及其配套技术，施工过程简单快捷，安全可靠，同时能提高作业效率，降低劳动强度和减少对地层环境的伤害，在“三低”气田的增产作业中将发挥重要作用。

5） 国外已多次成功实施连续油管水力喷射环空分段压裂，尤其在环空注入压裂方面取得了很大的进步，而国内相关的现场试验还停留在起步阶段。在四川盆地、鄂尔多斯盆地实施的几口井表明，现在国内还不能单独完成该项技术的施工，需要和国外公司进行合作。所以，国内需要加快连续油管配套工具的研制与现场试验，结合国内油田需求，配套合适的连续油管压裂作业井口装置、地面设备及连续油管车组，解决制约连续油管技术在国内应用的关键问题，尽快让这项技术国产化。

［1］ 秦玉英.连续油管喷砂射孔环空分层压裂技术在大牛地气田的应用［J］.钻采工艺，2009，32（4）：49-50.

［2］ 钱斌，朱炬辉，李建忠.连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术的现场应用［J］.天然气工业，2011，31（5）：67-69.

［3］ 李根生，沈忠厚.高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展［J］.石油勘探与开发，2005，32（1）：96-99.

［4］ 王瑶，冯强，丁柯宇.适用于连续油管的封隔器管柱结构及原理分析［J］.石油矿场机械，2013，42（1）：83-86.

［5］ 李建奇，杨志伦，陈启文，等.苏里格气田水平井开发技术［J］.天然气工业，2011，31（8）：60-64.

Desing of Coiled Tubing Abrasive Perforating and Annulus Staged Fracturing Tool

SUN Xin1，CHENG Zhi-yuan1，ZHOU Xiao-yu2，WANG Yao1，DING Ke-yu1，YAO Wei-dong1，XU Min1
（1.Engineering Technology Research Institute，CNPC Bohai Drilling Engineering Company Li mited，Tianjin，300280，China；2.No.1 Oil Production Pl ant，Dagang Oil f iel d，Tianjin 300280，China）

The technology of coiled tubing abrasive perforating and annulus staged fracturing can be an unli mited nu mber of multi-stage fract uring，which can be used in extensive reser voir i mpr ovement.In all usion to the characteristic of low pressure，low per meable，low yield in Sulige area，the coiled tubing abrasive perf orating and annul us staged fract uring tool is developed.The process pipe col u mn is intr oduced，to calculate the key parameters of the nozzle，packer and slip.The test of the Su25-2-2 H indicates that this technology wor king style is short，the layering is precise，t he packing is reliable and t he well boreis clean.The technology can solve multistage layering effectively in tight gas reservoir.

coiled t ubing；abrasive perf orating；multistage fract uring；tool

TE934.203

B

1001-3482（2014）06-0073-04

2013-12-23

孙 鑫（1985-），男，安徽亳州人，2009年毕业于西南石油大学石油工程学院石油工程专业，E-mail：sx150226＠163.co m。