水力冲击工具优化及井下试验

孙 林，张 磊，李旭光，杨军伟，熊培祺

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

海上油田受作业日费高、平台作业空间受限等因素限制，存在增产措施有限及受限的难题[1-3]。水力冲击技术是一项具有低成本、施工简便优势的技术，与海上油田主要应用的酸化技术相比，只需增加水力冲击工具即可作业，基本不占平台空间，并具有与酸化联作增效的优势。该技术起源于苏联，中原油田于1982年首次在国内研制了技术配套工具[4]，根据“水击”理论，进行了模拟计算，并在卫74井首次进行工业性试验，日产油量由4.4 t提高为31.7 t。1992—2013年，吉林油田260口油井应用了该技术，其中红岗油田应用223口井，有效率达76%，单井平均增产油量80.4 t[5-6]；此外，大庆油田、辽河油田、河南油田、长庆油田、胜利油田和大港油田均进行了水力冲击技术研究及应用，并研制了配套工具[7-10]。目前，陆上油田研发的配套工具适用于φ139.7 mm套管，对于海上油田的φ177.8 mm和φ244.5 mm等大尺寸套管，存在工具性能不满足要求的问题；同时，工具采用的常规冲击片存在破裂压力误差较大等问题。在机理研究方面，目前国内普遍认为该工具是根据“水击”理论所产生压力增加值压裂地层和压力脉冲解堵，但未对技术机理进行试验验证。

针对以上问题，笔者基于海上油田油藏特征、工程施工等条件，对水力冲击工具进行了优化改进，并在储层条件接近的长庆油田3口井进行了井下试验，验证了工具的稳定性，特别是改进后冲击片破裂压力值的准确性，同时检测到多个脉冲压力波。3口试验井的增产效果显著，验证了压力脉冲解堵的机理，为水力冲击技术的现场应用提供了依据。

1 水力冲击工具优化

水力冲击技术是根据流体的“水击”理论，借助井筒中流体的重力势能、可压缩性和惯性，通过地面泵对配套工具加压在井下产生的多个脉冲压力波对油水井进行解堵或压裂的增产技术，可用于油水井解堵[8-9]和中低渗油藏中小规模储层改造[10]。

水力冲击技术的关键是配套的水力冲击工具，主要包括导流短节、冲击短节、冲击室、柱塞短节和尾管等部件（见图1）。其中，冲击片、柱塞为单独部件，冲击片由具有可抗一定压力值的金属片焊接而成，通过螺纹及密封圈方式嵌入冲击短节中，柱塞通过密封圈方式嵌入柱塞短节；冲击短节中的冲击片和柱塞短节中的柱塞密封冲击室，形成封闭环境。

图1 水力冲击工具结构Fig.1 Structure of a hydraulic impact tool

水力冲击工具的工作原理为：将工具通过油管下入生产井中，井口连接地面泵加压，当井下压力大于冲击片的破裂压力时冲击片破裂，井筒中液流通过油管和导流短节快速进入冲击室中，高速液流推动柱塞至尾管底部时瞬间静止，根据“水击”理论，井下会产生瞬时水力冲击高压，随后压力不断振荡并衰减，形成多个压力波，从而对油水井储层产生正压冲击和负压解堵作用，以提高单井产能。

根据海上油田储层及工程特点，对现有水力冲击工具进行了优化：

1）优化水力冲击工具尺寸。有别于陆上油田多采用φ139.7 mm套管，海上油田多为φ177.8 mm和φ244.5 mm套管，为了更好地发挥工具性能，研发了φ88.9 mm～φ130.0 mm等尺寸的水力冲击工具。

2）优化工具材质及抗压强度。为更好地发挥作业效果和适应储层更深井况，海上油田需要将该项技术与常规酸化技术联作，因此工具材质采用35CrMo钢材，并进行防腐处理。此外，工具设计壁厚达21.0 mm，抗外挤压力可达100 MPa。

3）改进冲击片结构。冲击片抗压值的准确性关系到技术的稳定性和实施效果，海上油田技术试验初期曾出现过冲击片实际抗压值与设计破裂压力值偏差过大的情况，导致下井过程中提前破裂或压不破。因此，海上油田将成熟应用的破裂盘改成冲击片[11-14]，采用316L不锈钢材质，表面采用“十”字形或“O”字形刻槽方式，使冲击片破裂后断面充分暴露，以减少摩阻影响。

2 水力冲击工具井下试验

2.1 井下试验

为了验证工具的稳定性，特别是改进后冲击片破裂压力的准确性，同时检验该技术的作业效果，并实时监测井下压力变化，考虑安全性和作业成本，优选了储层条件较为接近海上储层的长庆油田3口井进行井下试验。

3口试验井均为φ139.7 mm套管和φ73.0 mm油管（工具大部分部件的直径为88.9 mm，冲击室采用φ73.0 mm油管），储层孔隙度6.92%～13.91%，渗透率0.26～1.46 mD，属于典型低孔、低渗储层，由于低产低效，均为大修待作业井，其参数见表1。

表1 水力冲击井下试验井参数Table 1 Downhole parameters for hydraulic impact test wells

试验器材包括水力冲击工具、托桶（放P-T测试仪）、托桶转换接头、减振块、顶丝、弹簧、挡板和托桶堵头等；压力测试工具包括P-T测试仪、铜柱测压器。现场设备有400型水泥车；阀门、地面管线、接头、三通、活动弯头等冲洗工具；洗井液等，φ108 mm通井规；φ73.0 mm EU油管2 000 m；350型井口一套；30 m3罐车2辆，清水60 m3，供洗井使用。

将水力冲击井下试验器材按顺序连接好，下入油井中，安装好井口，用400型水泥车加压，记录水泥车泵压和排量变化情况，待水力冲击试验完成后（泵车压力表突降、地面管线抖动），起出管柱，观察冲击片状态、记录铜柱测压器和P-T测试仪相关参数。

2.2 试验结果

3口井进行井下试验时，工具在井筒中起下钻及停留时间合计分别为8，13和26 h，其中Z44井井筒压力最大达到36.5 MPa，期间经过了多次压力脉冲变化；起出工具后，各部件完好。此外，B31和Z44井检测到冲击片的破裂压力分别为24.24和30.50 MPa（吻合精度分别为96.96%和98.33%），冲击片破裂明显，说明工具优化后性能稳定，改进后的冲击片破裂压力精度高。

H25井施工时考虑导流短节可能导致地面泵无法加压而将其去掉，且井下P-T测试仪因调试故障未采集到实时压力数据，但通过铜柱测压器有19.2 MPa压力显示。冲击片破裂后井下压力衰减较快，同时地面泵在冲击片破裂后管线抖动，且地面压力瞬间降为0 MPa。

B31井和Z44井进行井下试验时改进安装了导流短节，P-T测试仪监测到明显的水力冲击压力变化，监测软件显示2口井均有明显的水力冲击压力脉冲现象。其中，B31井共采集到20余个水力冲击波形，持续时间60 s以上；冲击片在压力达24.24 MPa时破裂，压力降至13.88 MPa，第1个波形的峰值压力为23.15 MPa，随后峰值逐渐递减。

B31井作业后仍无法正常注水，分析认为，原因是该井历史关联性好的受效井Z3井实施卡堵水因无法泄压待大修，受效井憋压无法有效泄压；井下压力也监测到，停泵后30 min井下压力不释放，证明井下连通性不好。从试验效果来看，B31井试验结束后立即停泵，井底压力保持在21.37～21.54 MPa，30 min后压力无法下降至地层静压18.86 MPa。这是因为受效井憋压，地层压力无法扩散，水力冲击压力脉冲的持续时间较长，但衰减较快。

Z44井共采集到6个水力冲击波形，持续20 s左右，冲击片在压力达30.5 MPa时破裂，压力降至22.0 MPa，6个冲击波的峰值压力分别为28.9，29.3，28.9，29.7，29.3和29.2 MPa。

Z44井试验前试注压力为22.3 MPa，排量为60 L/min；试验后试注压力为19.5 MPa，排量为195 L/min，注入能力大幅提高，增注效果较为明显；同时，该井作业后井下压力充足，起管柱多次存在溢流现象，且托桶中橡胶减振块受压后破裂、燃烧现象严重。Z44井试验后未停泵，井底压力保持在28.9～29.7 MPa，压力脉冲时间较短，且压力未衰减，表明作业效果较好。

2.3 结果分析

B31井和Z44井安装导流短节后，最大峰值压力均高于H25井压力，且地面泵未出现压力降低为0 MPa的情况，说明导流短节对于减缓压力衰减具有关键作用。试验验证表明，安装导流短节后，井下峰值压力衰减相对较小。分析认为，加装导流短节后，地面泵加压时整个油套空间是一个大压力环境，提供的冲击液量和能量都远比仅只有油管的大，且地层为吸液饱和环境，破裂后地面泵压基本不会下降，试验结果也充分说明此现象。

此外，3口井井下试验未采集到“水击”理论所产生压力增加值，但是有显著的水力冲击脉冲效果。例如，B31井的冲击片破裂压力为25.0 MPa，“水击”理论模拟的最大峰值压力为39.20 MPa，但实测最大峰值压力仅为23.15 MPa；除最大峰值压力不一致外，压力脉冲数值和频率与实测值基本一致。

分析认为，陆上油田多采用φ73.0 mm油管作业，其内径为62.0 mm，气液摩阻较大，同时地层吸液，峰值压力有较大损耗；但水力冲击脉冲效果较好，持续时间20～60 s。因此，该技术的主要机理应为水力脉冲作用，在井下能产生多个压力波，若使井下产生大于地层破裂压力的波形，裂缝将不断延伸并产生新裂缝，提高导流能力，同时具有负压脉冲解堵效果。此外，若在冲击短节上部配备多个投球式冲击短节，使工具一次下井具备重复脉冲作用，效果应该更为显著。

鉴于对于该技术机理的重新分析，若需要发挥压裂改造效果，建议后续井况采用高压力冲击片作业，满足主要波形峰值压力大于地层破裂压力，同时配备合适的抗压井口。例如，Z44井地层破裂压力为28.1 MPa，采用破裂压力30.0 MPa的冲击片，井下实测的主要波形峰值压力均在此之上；同时，作业后未停泵，井口压力最高达19.5 MPa，作业后取得明显效果。

3 结论与建议

1）优化后的水力冲击工具性能稳定，冲击片破裂压力精度高，适合于φ177.8 mm和φ244.5 mm等大尺寸套管，并具有耐酸材质及抗压强度，可用于深井和与酸化联合作业施工。

2）通过井下试验首次验证了水力冲击技术的压力脉冲解堵机理，试验共采集6～20个脉冲波形，持续时间20～60 s，波形和持续时间跟作业井况有关。该技术可显著增强注水井的增注效果；若采用大于地层破裂压力的冲击片，同时配备合适的抗压井口，可达到微压裂改造效果。

3）为了提高作业效率和强化技术作用效果，建议优选连通性相对较好的井况，并采用与酸化直接联作的方式；为了延长水力脉冲作用，建议继续研发具有重复脉冲作用的多级水力冲击工具。