沟通碳酸盐岩储集体的酸液定向喷射造孔工具研制

戴文潮， 程光明， 王 超， 马兰荣

1中国地质大学(北京) 2中国石化石油工程技术研究院

0 前言

碳酸盐岩油气藏是全世界最重要的油气勘探开发领域之一，占全球己探明石油储量的52%，据统计30%以上的碳酸盐岩储层为缝洞型碳酸盐岩油藏，我国西部碳酸盐岩缝洞型油藏约占探明储量的2/3，是石油增储上产的重要领域之一[1- 2]。目前针对该种油气藏开发以笼统酸压工艺为主，但因缝洞、缝隙发育以及储层非均质性等因素影响，压裂造缝方向不能有效控制，导致裂缝容易沿主应力方向、缝洞方向发展，其它方向的储集体难以沟通，同时由于造缝高度难以控制，压开水层、气层，导致水、气早侵影响施工效果[3- 7]。为实现缝洞型碳酸盐岩储藏储集体精确沟通，实现油气井增产，本文开展定点定向喷射造孔工具研制，为碳酸盐岩油气井增产提供一种新的技术手段。

1 技术原理

预置管定点定向喷射钻进的技术原理如图1所示，将工具连接在油管或钻杆柱下方，工具内部预置一定长度的分支管，送入管柱将工具准确送到目的层位(定点)，管内下入陀螺至坐落短节处，根据陀螺测定数据转动管柱，调整喷射角度至设计作业方位(定向)[8- 12]，循环洗井后管内泵注酸液，采用酸液射流方式在碳酸盐岩地层中实现破岩造孔，同时在预置毛细管前端喷头液力牵引下将预置毛细管打入储层，造孔钻进过程中毛细管及其形成的孔道连通井周储集体，管柱作业完成后可提出，工具内再次预置分支管后可在不同位置重复作业，增加井轴油气通道数量，达到油气井增产目的。

图1 定点定向喷射钻进技术原理

2 工具设计及关键参数

2.1 工具结构

图2为预置管定点喷射造孔工具结构组成，主要由预置毛细管、外壳、射流喷头、导向器及浮鞋组成，通过外壳上端螺纹扣，工具连接在完井管柱末端，外壳上加工有喷射窗口，陀螺摆工具面工艺确定喷射窗口至作业方位，射流喷头牵引预置毛细管从此处喷出，预置毛细管穿过导向器内设计的轨道，且与导向器间通过组合密封实现压力隔离，导向器与外壳间通过密封圈实现管内管外压力隔离，液体仅能从毛细管内流过经喷头射出。

图2 预置管定点喷射造孔工具结构组成

2.2 工具设计参数

工具主要适用于Ø149 mm裸眼井，表1为预置管定点定向喷射工具的主要设计技术参数。

表1 预置管定点定向喷射主要设计技术参数

3 工艺管柱及作业流程

定点定向喷射造孔工艺管柱如图3所示，其具体作业流程大致为以下几个阶段：

图3 工艺管柱及作业流程

(1)在井口将喷射造孔工具连接至送入管柱(油管/钻杆)末端、标定陀螺坐落短节与喷射窗口初始方位角偏差。

(2)连接K344封隔器、水力锚后作业管柱送到作为位置后，再次下入定向陀螺至坐落短节处，转动作业管柱结合初始方位角偏出，将喷射窗口调整至设计方位角后循环洗井，替完井液。

(3)管内投放封堵球，替酸液至球到位后，起压，坐封封隔器、坐挂水力锚。

(4)小排量泵注酸液，预置管酸液喷射造孔作业。

(5)待泵压出现骤降，表明预置毛细管完全钻入储层，停泵。

(6)拆井口，起管柱，喷射造孔工具内再次预置毛细管后，再次下入至另一设计位置重复作业。

4 喷射造孔力学模型分析及计算

预置管酸液射流耦合钻进过程涉及较复杂的受力变化过程，预置管稳定钻进过程中其牵引力及阻力是影响其造孔深度的主要方面，造孔深度是该技术关键性指标。

4.1 预置管喷射钻进受力分析

预置管喷射钻进受力分析如图4所示，预置毛细管通过密封机构实现与工具间的密封，液体仅能从预置毛细管前端喷头流出，预置管钻进驱动力P主要有预置管末端推力Pt、液体流动与管壁的摩擦力Pgf、喷头前端节流推力Pp；钻进阻力F主要有：密封机构摩擦力f1、工具接触动摩擦力f2、裸眼环空阻力fm(含环空液体摩擦阻力)，以及射流反推力Ff。

图4 预置管喷射钻进受力示意图

4.2 造孔极限深度

由预置管喷射钻进受力分析可知预置管稳定钻进条件下，钻进极限条件为：P=F，由流体动力学可求解[13- 16]：

P=Pt+Pgf+Pp

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ρ—酸液密度，kg/m3；Q—泵注排量，L/min；C—喷嘴流量系数；dp—喷嘴孔径，m；ΔSp—喷嘴截面积，m2；l—预置管长度，m；d—预置管内径，m；ε—流量系数；λ—沿程损失系数。

F=f1+f2+fm+Fr

(5)

其中，f1，f2可由预置管喷射外伸压力直接测出:

Fr=ρv2AP

(6)

式中:v—喷射速度，m/s;AP—射流孔径面积，m2。

考虑孔眼弯曲度、持续泵注酸液对井眼扩径影响，且作业排量较小，预置毛细管重量轻等因素，在预置毛细管稳定钻进条件下环空阻力fm及Fr相对较小，喷头处于受压状态，随着造孔深度的加深，沿程压耗增加，地面泵车组的水马力是影响造孔深度的主要因素。按70 MPa限压，毛细管外径8 mm，内径6 mm，喷嘴孔径1.5 mm，泵注排量22 L/min，在孔道壁面光滑的理想孔眼条件下，计算钻进极限深度为89 m。

5 工具测试

为验证工具在灰岩中喷射钻进性能开展了地面模拟试验。因试验场地限制，灰岩采用0.5 m×0.5 m×0.5 m露头，表2为岩心三轴力学测试条件及结果。将喷射短节及灰岩固定，短节内预置2 m×Ø8 mm×Ø6 mm毛细管，喷射作业口对准露头一侧面中央，连接高压射流泵，进行喷射造孔测试，测试参数如下：

表2 灰岩力学性能

(1)泵注排量22 L/min，喷孔射速200 m/s。

(2)介质20%HCl溶液，加热至80 ℃。

测试结果表明，预置毛细管沿起始喷射方向呈直线路径钻穿灰岩露头，并从孔内喷出，喷射钻进进尺46.3 cm，喷射成孔孔径大于18 mm，泵压25 MPa，钻进用时约16 min，钻速约为1.74 m/h，工具达到设计要求。

6 结论

(1)定点定向喷射造孔技术及工具可为缝洞型碳酸盐岩储集体精确改造提供新的技术手段，具有经济、高效的技术优势，在深层、超深层油气井增产方面优势显著。

(2)喷射造孔管柱力学模型计算分析表明，预置管钻进驱动力P主要在预置管末端及前端喷头处，阻力F主要有管体与装置间的动摩擦，射流反作用力及管体与孔道壁面的动摩擦，当驱动力与阻力达到平衡时即为预置毛细管造孔极限深度。

(3)地面试验表明，喷射造孔工具能实现在灰岩露头中的有效钻进，等效钻速达1.74 m/h，形成孔道直径大于18 mm，达到了工具设计使用要求。