水力喷射压裂在大斜度井薄夹层中的研究应用

孔凡楠

辽河油田钻采工艺研究院 辽宁盘锦 124010

油田采用水力喷射压裂技术，也会出现射孔时射出油、气层的问题。为解决该问题，研制了由定向喷枪、重力定向器、密封旋转悬挂器等主要工具组成的定向水力喷射压裂技术，实现了在大斜度井中依靠重力作用，实现喷枪的自然定位，避免了射孔时射穿薄夹层的问题。

1 大斜度井薄夹层水力喷射压裂工艺管柱

为了避免水力喷射裂缝穿出储层，借鉴定向射孔的思路，研制出一种适用与大斜度井薄夹层定向水力喷射压裂工艺管柱。该技术由弹性扶正器、密封旋转悬挂器、定向喷枪、管柱锚定器、重力定向器、球座、小孔筛管、倒锥组成。对于穿过薄层的大斜度井来说，由于井眼与地层斜交，而喷射射孔方向始终与井眼垂直，则在一定范围内，可能会出现射孔出层的问题[1]。本文研究的定向水力喷射压裂工艺管柱，利用重力始终垂直向下的原理，通过将重力定向器的偏心重力砣加重在“喷射会出层的反方向”，然后将喷射喷嘴对称设置在与偏心重力砣。所在方向垂直的方向，实现了对喷射方向的控制。由立体几何学知识可知，若此方向与地层顶面发生切割，则说明喷射假想圆（垂直于井筒中轴线，以喷射深度为半径所假想出来的圆平面）与地层顶面完全重合或喷射假想圆一半面积均出地层顶面，前者在大斜度井中不会出现，后者属于射孔深度选择失误，完全可避免。因此该方法完全可以确保避免发生喷射出层现象。

2 水力喷砂射孔压裂增产技术

2.1 一趟管柱实现“无限次”射孔

水力喷砂射孔工艺较常规TCP 射孔传统工艺相比，其射孔孔径25-29mm 大于目前海上所在应用射孔弹最大孔径21-25mm，且不受长隔层的限制，可不分井下位置、不分次数、不分时机射孔，具有很高的机动性。对比于多趟射孔和单独负压返涌可节省多趟管柱作业，显著提高作业时效。该技术不受海上火工品禁运限制，避免了地面装配、火工品存放，以及炸枪、断爆、点火失败等风险。水力喷砂射孔有效改善了近井筒摩阻和由此产生的砂堵问题，使用更加方便、安全，且效果较好，同时在孔眼周围没有形成压实带污染，使得近井筒地带的应力集中情况得到缓解[2]。

2.2 压裂造缝点与射流孔眼一体化

液流经过喷嘴后，产生高速射流喷射，此时动能与势能相互转换。由伯努利效应可知，喷嘴周围会产生低压区，更有利于地层破裂、裂缝延伸和分布。因此，水力喷砂喷嘴对应的位置即为裂缝的初始起裂位置。在裂缝延伸方向已知的前提下，可根据地层情况合理布局多条裂缝，保证主裂缝形成宽度，避免施工压力过高和降低砂堵风险几率。

2.3 油套同注

无机械封隔器阻隔，环空无阻碍，压裂施工期间，环空可同时泵注。油套同注的独特方式，满足了压裂作业的大排量需求，有效降解决了在压裂作业过程中井筒滤失量大而影响施工规模的问题，使得施工规模增大；而且，不动管柱可实现正反循环随时切换，防止砂堵等复杂情况发生，作业安全更有保障。

3 配套工具的设计

3.1 定向喷枪的设计

（1）工作原理。定向喷枪的结构其主要由枪体、压帽、喷嘴等结构组成。其工作原理为：定向喷枪的对称喷嘴与重力定向器的偏心重力砣垂直，重力定向器受重力的作用，重力砣始终向下，就确保了与重力砣垂直的定向喷嘴的定向。

（2）性能及技术指标。耐温：150℃；耐压：60MPa

（3）工具创新点。该工具喷嘴采用对称设计，即能消除喷射反作用力，防止喷枪旋转，又能配合重力定向器实现定向喷射；枪体表面进行耐磨涂层处理，抗反溅能力强。

3.2 重力定向器的设计

（1）工作原理及结构。其工作原理为重力定向器上的偏心重力砣由于受到重力的作用，重力砣始终朝着地球引力方向。扶正体确保偏心重力砣的悬空，利用轴承确保偏心重力砣与扶正体之间可自由转动。偏心重力砣与上、下接头通过螺纹连接为一体，可向上下与其相连的工具传递转向力。

（2）性能及技术指标。耐温：150℃；耐压：60MPa；配重可调。

（3）工具创新点。该工具设计了偏心重力砣能产生旋转动力，设计了扶正体确保了偏心重力砣的悬空，设计了上下两级轴承确保了偏心重力砣与扶正体之间可自由转动。结构简单，原理可行。

3.3 密封旋转悬挂器的设计

密封旋转悬挂器是为了让管柱的螺纹死连接变为悬挂活连接，让定向喷枪旋转灵活。耐温：150℃；耐压：60MPa；旋转摩擦力：12kg。

4 现场应用情况

2019 年利用定向水力喷射压裂技术对辽河油田WB 2-9-7 井和WB 2-43-1 井这2 口大斜度井中的薄夹层进行了压裂。该技术有效避免了射穿薄夹层，达到了预期的储层改造增产效果。

4.1 WB 2-9-7 井地质情况WB 2-9-7 井完钻井深833.0m

最大井斜深度730．93m，斜度65．36°。根据地质要求对646．5-648．5 m储层进行压裂改造。由于646．5-648．5m 储层上下都有层里缝，一旦连通层里缝，施工压力将会降低，压裂液和支撑剂会大量进入层里缝，从而达不到改造油层的目的。通过压裂软件模拟，如果采用常规水力喷射压裂，至少有两道裂缝会连通层里缝。因此该井决定采用定向水力喷射压裂工艺[3]。

4.2 WB 2-9-7 井喷射压裂施工情况

通过对WB 2-9-7 井压裂监测曲线分析，该井在施工过程中，油压一直保持在35MPa 左右，套压一直保持在7MPa 左右，和压裂设计数据油压36MPa，套压8MPa 基本吻合。未出现异常突变，因此基本可以判断没有连通上下层里缝。

4.3 效果

通过两口井的压裂改造后增产效果看，增产明显，因此也基本可以判断压裂过程中没有连通上下层里缝。实现了对油层的有效造缝和铺砂。

5 结语

定向水力喷射压裂技术实现了在大斜度井中依靠重力作用，实现喷枪的自然定位，避免了射孔时射穿薄夹层的问题。