连续油管喷砂射孔技术在页岩气井的应用*

李源源，李剑秋，裴楚洲，罗 鹏，汪海涛

（1.川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都610051；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008）

连续油管喷砂射孔技术在页岩气井的应用*

李源源1，李剑秋1，裴楚洲1，罗 鹏1，汪海涛2,3

（1.川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都610051；2.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008；3.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008）

为了避免复合桥塞分级技术在页岩气井等复杂工矿开采中出现的桥塞下放不到位、常规磨鞋不能通过变形点、电缆断裂、卡钻等风险，采用连续油管喷砂射孔技术与缝内暂堵相结合代替传统桥塞—射孔技术。介绍了水力喷射原理、喷嘴水力学参数的设计以及连续油管喷砂射孔施工配套技术的优化措施。采用连续油管喷砂射孔技术对昭通地区一口页岩气井进行了分段改造，结果表明，该技术在页岩气储层改造中的应用可行且高效，具有能够实现灵活分层、不受井筒变形限制、施工后井筒清洁和便于后期修井作业等特点。

连续油管；喷砂射孔技术；页岩气

Abstract:In order to avoid some risks of composite bridge plug classification technique in complex industrial and mining exploitation,such as the bridge plug does not reach the designated position,conventional grinding shoes cannot pass the deformation points,cable breakage,jamming of a drilling tool and so on,it adopted coiled tubing abrasive perforation technology and temporary plug instead of the traditional bridge plug-perforation technology.In this article,it introduced the principle of hydraulic jet,the hydraulic parameters design of nozzle,and the optimization measure of the matching technology of coiled tubing abrasive perforation.Using coiled tubing abrasive perforation technology to conduct subsection transform for a gas well in Zhaotong area,the results showed that the application of this technology in shale gas reservoir reconstruction was feasible and efficient,and can realize flexible layered,without being limited by the shaft deformation.The wellbore was clean after construction;It was convenient for later repair work.

Key words:coiled tubing;abrasive perforation;shale gas

川渝地区页岩气藏具有埋藏深、水平段长的特点，一般分级数在15级以上。传统的桥塞—射孔技术受井筒条件影响很大，井筒缩径或者变形会带来桥塞下放不到位、正常磨鞋不能通过变形点、电缆断裂、钻磨过程中卡钻等系列风险，从而影响后续试修作业，降低时效。连续油管喷砂射孔技术是一种既能实现大规模改造，又能达到分层压裂、精细压裂的成熟分级压裂技术。这一技术通过连续油管携带喷射工具，利用投球打开滑套露出喷枪，喷砂射孔后随之通过套管进行主压裂，可实现较大规模改造；通过连续油管的精确定位，实施缝内暂堵，可对储层纵向的多个薄互层进行灵活分层，达到精细压裂的目的。连续油管喷砂射孔技术结合了射孔、套管大排量注入和连续油管精确定位的优势，对于纵向多个产层的油气藏分层压裂，特别是薄互层压裂具有显著优势。该技术分级不受限制、作业周期短、分层灵活精细且施工后可直接多层测试投产。因此，连续油管喷砂射孔技术在页岩气开发中的应用对我国（特别是川渝地区）页岩气开发有很好的启发和借鉴意义。

1 水力喷砂射孔技术原理

水力喷砂射孔技术是通过地面上的压裂车将有一定浓度的混合磨料经过液体加压，通过油管泵送到井下，经过加压后的混合磨料液体通过喷射工具的喷嘴，将其拥有的高压势能转换为动能，形成高速射流，磨料液体通过这种方式做功，射穿套管和近井地层，从而打出一定深度和直径的孔眼。水力喷砂射孔相比常规的聚能炮弹射孔，没有形成压实带污染，能够减轻近井筒地带的应力集中，相应提高近井筒地带的渗透率，穿透近井筒污染带。伴随着泄油面积的增大，有助于降低生产中的压降，增大渗流速度，提高未污染地层流向井筒中的量度，从而提高整个油井的产量。射流过程如图1所示。

图1 射流过程示意图

2 喷嘴水力学参数设计

喷嘴是形成高速水射流的核心元件，喷嘴尺寸直接影响流速、压差、排量等参数，进而决定着连续油管喷砂射孔作业的成功与否。因此，喷嘴结构设计是整个工艺研究的重点。

水力喷砂射孔技术原理基于伯努利能量守恒方程，即

若忽略喷嘴两个截面的高度差，且假设内外截面均为圆形，由两截面间的伯努利方程可得

式中：p1—喷嘴内静压力，MPa；

p2—喷嘴外静压力，MPa；

v1—喷嘴内流体平均速度，m/s；

v2—喷嘴外流体平均速度，m/s；

ρ—流体密度，kg/m3。

前后截面的连续性方程为

喷嘴流道为圆管结构，截面A=πd2/4，且ρ1=ρ2， 由式（2）和式（3）联立可得

式中：v—射流流速，m/s；

p—射流压力，MPa。由出口速度×截面积=总流量，可得排量q=vA=v·πd2/4，因此，流速、排量和喷嘴尺寸的关系为

式中：v—射流流速，m/s；

q—排量，m3/min；

d—喷嘴等效直径，m。

Φ50.8 mm（2 in）连续油管不同排量时各尺寸喷嘴对应压力差数据见表1，对应流速见表2。实际使用结果表明，喷嘴直径太小容易堵塞，而且压力集中使得喷嘴易于损坏；直径太大流速又达不到要求，无法射穿套管；喷嘴数量过少无法保证每段孔数。综合考虑，选用4.5 mm直径喷嘴，数量5个，排量在700～800 L/min时，效果较好。

表1 Φ50.8 mm（2 in）连续油管不同排量时各尺寸喷嘴对应压力差

表2 Φ50.8 mm（2 in）连续油管不同排量时各尺寸喷嘴对应流速

3 泵注压力

连续油管的泵注压力由3个因素共同决定，即连续油管摩阻压力、喷嘴压降和井口回压。

（1）连续油管摩阻压力

式中：Δp—压力损失，MPa；

Q—泵注排量，m3/min；

D—管内径，mm；

L—连续油管长度，m。

值得注意的是，连续油管内泵注滑溜水的摩阻只有泵注清水摩阻的30%。

（2）喷嘴压降

式中：p喷嘴—喷嘴压降，MPa；

Q—排量，m3/min；

ρ—流体密度，kg/m3；

A—喷嘴总面积，cm2；

C—喷嘴流量系数，一般取0.92～0.97。

（3）井口回压

根据井口压力，选择不同的油嘴，以控制井口回压。

式中：p回压—井口回压，MPa；

Q—排量，m3/min；

ρ—流体密度，kg/m3；

D—油嘴内径，mm；

Cd—油嘴流量系数，一般取0.9。

综上，泵注压力为

4 800 m长度Φ50.8 mm（2 in）连续油管选用9 mm油嘴时，不同排量对应的各压力参数见表3。

表3 Φ50.8 mm（2 in）连续油管选用9 mm油嘴时的排量与压力对应关系

4 施工配套技术优化

连续油管喷砂射孔技术在现场应用中，工艺程序与常规压裂有明显不同，具体体现在：①底端滑套需要投球打开喷枪，对连续油管操作要求高；②工艺采取喷砂射孔方式射开套管，压裂后进行缝内暂堵，因此需要从工具和工艺上防止砂卡；③射孔过程、主压裂过程中，为了控制泵注压力（不能过高），要特别关注地面回压的控制。

连续油管喷砂射孔施工过程中，一般要采取地面回压控制和防砂卡措施。

4.1 地面回压控制

在喷砂射孔过程中，通过地面流程放喷油嘴进行回压控制，应急时可用针阀控制回压。目的是防止已施工层段缝内堵塞失效，影响下段压裂液体的流向。

4.2 防砂卡措施

若井筒存在一定残砂，可能会导致连续油管起下困难，通过两种方法解决这一问题：①从第二段开始，每次喷砂射孔前，先正冲砂到施工段以下5～15 m，再投球打开喷枪滑套，进行分簇射孔；②连续油管上起过程中，泵注设备连续泵注。

4.3 人工井底校深

从已知的人工井底校深，然后上起至第1簇进行射孔，起至第2段第1簇进行井深标示，为第2段射孔校深。

5 现场应用

5.1 施工概况

以昭通地区一口页岩气井为例，该井设计分13段进行储层改造，实际完成13段施工，每段3簇射孔，每簇平均射时9 min，每段排量在700～800 L/min之间，除了第1段泵压在42～44 MPa，其余各段泵压集中在60～65 MPa。施工共挤入地层液量254 m3，20/40石英砂砂量24.64 t。作业井喷砂射孔压裂参数汇总见表4。整个施工过程喷砂射孔及环空加砂顺利，石英砂经过喷枪射穿套管时连续油管压力出现明显降低，射开储层响应显著。第3段喷砂射孔曲线如图2所示，施工时所用喷枪实物照片如图3所示。

表4 作业井喷砂射孔压裂参数汇总表

图2 第三段喷砂射孔曲线图

图3 喷枪实物图片

5.2 效果分析

钻井过程中，该试验井工况复杂，造成水平段存在3个井眼：①原井眼，钻进至2 954.25 m处遇卡，钻具断裂落井，注水泥塞；②侧钻井眼，于2 760 m处定向侧钻，钻进至4 090 m处完钻；③完井井眼，后续下钻过程中遇阻，划眼，开启新井眼至3 134.6 m，注水泥塞，塞面2 954 m，钻塞至3 132 m，在3 132 m～3 330 m旋转导向尝试连通老井眼未果，下套管完井。经过连续油管喷砂射孔分段改造后，目前用10 mm油嘴排液，折算日产气4万m3，说明该技术在页岩气储层改造中应用是可行且高效的。

6 结 论

（1）连续油管喷砂射孔多级分簇套管压裂技术是应用水力喷砂射孔、水力压裂以及缝内分隔等多种工艺于一体的综合型技术。具有简化井下作业程序、无需机械封隔、降低作业风险等优点，适用于薄层、多产层的水平井逐层压裂改造。

（2）相较于钻磨复合桥塞多次起下更换磨鞋以及卡钻、电缆断裂风险，喷砂射孔一次起下可实现一次分级射孔和压裂，作业时效显著提高。

（3）Φ50.8 mm（2 in）连续油管可实现较大排量和较大规模的主压裂改造，在页岩气储层改造中具有较强的实用性。

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编辑：谢淑霞

Application of Coiled Tubing Abrasive Perforation Technology in Shale Gas Well

LI Yuanyuan1,LI Jianqiu1,PEI Chuzhou1,LUO Peng1,WANG Haitao2，3
（1.Downwhole Service Company,Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610051,China;2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China）

TE257.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.008

国家重大科技专项“36—煤层气钻井工程技术及装备研制（二期）”（项目编号2011ZX05036）。

李源源（1983—），硕士，主要从事连续油管作

业技术方案设计及项目管理工作。

2017-04-07