井下液力喷砂割缝技术(余金陵).doc

井下液力喷砂割缝技术
摘要：井下液力喷砂割缝技术是采用含砂高压水流喷射、喷枪沿井壁从上向下移动一段距离，将套管及周围岩层沿轴向切开，产生两条互成180o的长缝,割缝深度达到1.2米，并可根据油层厚度提升管柱切割多条裂缝，从而达到增加井筒周围地层渗透率、解除污染堵塞及增产增注的目的。经过对该技术的施工工艺、喷嘴等部件进行改进，成功地在胜利油田、中原油田推广14井次，取得了显著的社会经济效益。
关键词：液力喷砂 割缝 解除污染 增产增注
1 国外应用情况
井下液力喷砂割缝技术是前苏联岩石力学及矿山测量研究院经过长期研究和改进，到目前已基本完善的用于改善油气田地层渗透性、提高油气井生产能力的一项新技术。
2 工作原理及技术指标
液力喷砂割缝技术在现场应用只需要常用的泵车、混砂车、水罐车等设备。现场施工简单方便，工作压力约30Mpa，喷枪上下移动速度为3-5mm/min，移动距离180-200mm，井下割缝宽度12-15mm，高度200mm，缝深大于1000mm～1500mm，喷嘴流量5L/S，并随工作时间增长而增大(据胜利油田现场试验结果，割8对缝后，喷孔直径由3.2mm增大到5.5mm)。每米1对缝其有效渗流面积约相当于127射孔枪约30孔/米的渗流面积，同时不存在射孔压实带及射击孔污染，因而能够有效地增产增注。
在油水井近井地带，随着油田生产的进行，地层的各种物理化学性能在不断变化，油气压力逐渐下降，同时受到不同程度的污染堵塞，岩层缝隙减小，甚至闭合，造成生产能力下降。特别是本来就是低渗透、低地层压力的油水井，在井筒周围，产生了一圈压实带，加之泥浆污染，注水结垢等因素的影响，阻碍了油水的流动，从而造成产量降低。另外，油水井井筒周围在地应力的作用下形成应力集中区，在这个区域内的岩层由于受到较高的应力作用而产生压实效应，即为油水井近井压实带。此处的渗透率远远低于远离井筒的地层渗透率，因此解决油水井近井带是解决油水井生产能力低的关键因素。
井下套管经液力喷砂割缝后，油水井井筒周围岩层的几何形态发生了巨大变化，打破了原来地层的平衡状态，应力场重新分布,形成一对相对较深的缝隙，在强大的地应力作用下，调整了原来的应力场：在裂缝的表面区域为拉应力区，而非压应力区，使压实带的岩层发生疏松并产生新的裂纹，半径在1米以上，从而有效提高地层的渗透能力。
3 地面试验及应用情况
由于井下套管割缝技术在井筒周围形成一对相对狭长而且深的裂缝，因此而解决了地层近井带低渗透率的特点。地面试验为直径为2m，外包8mm厚钢板、中心埋有油井套管的水泥靶，施工时间20min，外包钢板被刺透，将水泥柱体剖开。
我们利用该技术在河口采油厂义4-6-14井进行了首次井下试验。
通过这口井的施工，我们已经掌握了该项技术在现场中的施工工艺，并对该井进行了井下超声波成像技术的检测，通过检测，可以看到该井的射孔情况及割缝情况（图1），基本达到了设计要求。我们在胜利、中原油田施工的情况如附表1所示。

图1井下液力喷砂割缝超声波成像检测图
4 常规射孔工艺与井下液力喷砂割缝技术的对比
目前油田采用的油水井完井工艺主要是套管完井工艺，这种工艺一般采用射孔枪聚能射孔的方式进行投产。长期以来，射孔枪的枪型、结构发生了巨大变化，从最初的60枪到现在的127枪，从炸药爆轰聚能射孔到火炸药爆燃增效射孔，其目的主要是为了使金属流的穿透深度更大，对地层的污染降到更低，然而，其作用仍然有限。另一方面，由于炸药爆炸在井筒中产生的巨大能量，使套管及水泥环受到极大冲击和破坏。
80年代后期，液力射孔方式得到了大力发展。水力喷砂射孔技术作为一种相对简单的水力射孔技术在国内外现场得到了推广应用，另外国外还有高压水射流射孔技术也在一定范围内进行了研究与推广。但是这两种方式都存在着一个极大的缺陷，即要求压力过高。喷砂射孔工作压力在50Mpa以上，高压水射流射孔工作压力达70Mpa，这为现场的使用造成极大的不便。
液力喷砂割缝技术的出现较好的解决了以上两种工艺存在的矛盾。其具有较大的穿透深度并且无污染压实效应，并能有效减小对固井质量的破坏；另一方面，能够有效地避免喷砂射孔技术中水射流回流造成穿透深度降低的现象，从而使其具有较低的工作压力，进一步降低对施工设备的要求。以上优势使其成为具有高性价比的一种完井及油层改造措施。图2显示了普通射孔与液力喷砂割缝的区别。

图2 液力喷砂割缝与普通射孔对比示意图
5 液力喷砂割缝工具喷嘴的改进
井下液力喷砂割缝技术是由俄罗斯引进的，考虑到加砂量较小，所以引进后未对喷嘴进行改进。原井下工具喷嘴采用硬质合金结构，耐磨性相对较差，影响油水井的正常施工，因此，我们及时对喷嘴材料进行了改进，利用金刚石聚晶压制了新型耐磨性材料，并制成了水嘴，根据检测的结果来看，完全能够达到并超过硬质合金水嘴的性能。表5列出了金刚石喷嘴与硬质合金喷嘴在现场使用情况的对比。
表5 金刚石喷嘴与硬质合金喷嘴使用情况对比
井号
喷嘴类型
喷嘴直径
mm
割缝数量
使用后直径
mm
备注
义4-6-14
硬质合金
3.2
4
6.1
喇叭口现象严重
义4-6-14
硬质合金
3.2
4
5.8
喇叭口现象严重
罗352-21
金刚石
3.1
8
5.6
喇叭口现象较轻
胡7-702
金刚石
3.0
11
5
加砂量较小
罗35-27
金刚石
3.2
6
5.4

从现场使用的情况看，金刚石喷嘴性能达到并超过了硬质合金喷嘴的使用寿命，对提高施工可靠性，增强施工效果具有重要的意义。但是，压制金刚石喷嘴工艺的可靠性较差，由此造成其质量上的相对不稳定，成本较高。
6 技术优势
u 相对水力压裂、喷砂射孔而言具有较低的工作压力，施工设备较少；
u 超长穿透深度，地面试验可穿透直径为2米的水泥靶，并将外覆8mm钢板击穿；
u 孔道渗流面积大，1对缝/米相当于127射孔枪30孔/米。
u 不存在射孔压实效应，裂缝内表面区域呈现拉应力状态；
u 打开油层时对套管及水泥环的冲击小，可极大地降低对水泥环的破坏作用，有利于保持固井质量，对薄油层的开发具有特殊的意义；
u 改进的超强耐磨金刚石喷嘴，可提高砂比，增加工具持续工作时间。
7 选井条件
◇ 油水井新井投产，解除钻井过程造成的大量污染；
◇ 解决油水井生产过程中地层渗流通道堵塞，提高地层渗流能力；
◇ 薄油层的开发，特别是附近有水层的油层的开发；
◇ 油水井大、小修作业时对地层造成的污染；
◇ 天然裂缝发育较完全的区域改造；
◇ 三次采油注入井改善驱替效果；
◇ 地层破裂压力异常高的区域的水力压裂预处理；
◇ 水敏、酸敏及碳酸盐地层的改造；
◇ 对坚硬致密、低渗透油气层的改造；
◇ 泥质含量较高的油气层改造
8 结论
井下割缝技术是一项增产增注新技术，在胜利油田的应用情况来看，相对于常规射孔而言，其解决了射孔深度不足、射孔压实带及污染的问题，同时增加了渗流面积；相对水力压裂而言，其施工简单，成本较低，所产生的裂缝易于控制，同时增产增住效果明显，因此，该技术有着广泛的应用前景。
△ 油层改造：该技术具有较高的穿透能力，能够穿透油层近井带的污染，相对重复射孔而言，具有较深的穿透深度，较大的渗流面积，不存在压实效应；相对水力压裂而言，能够将裂缝控制在油层范围内，避免裂缝与水层的串通，同时可作为水力压裂的预处理，从而控制压裂裂缝在地层中的走向；相对常规物理法处理油层技术而言，不仅仅在井筒内作用，同时深入到地层内部，将能量直接作用于地层。因此，该技术在低渗透油气藏的改造方面具有显著的优势。
△ 完井工艺：该技术能够割开套管及地层，因而可用于油水井完井工艺，并能进行1米以下薄油层的开发。井下套管经液力喷砂割缝后，打破了原来地层的平衡状态，应力场重新分布形成一对半径在1.5米以上的缝隙，在强大的地应力作用下，调整了原来的应力场，在裂缝的表面区域，存在着拉应力区，而非射孔过程中产生的压应力，避免出现压实污染，同时渗流面积极大增加，从而使压实带的岩层发生疏松并产生新的裂纹，有效提高地层的渗透能力。

附表1
井下液力喷砂割缝现场应用情况统计表
序号
井号
施工
地点
施工
日期
人工井底（m）
套管
规范
（mm）
层位
施工
井段
（m）
渗透
率
(×10-3μm2)
孔隙
度
(%)
含泥
量
(%)
割缝
数量
(对)
施工前
施工后
液
(t)
油
(t)
含水
(%)
动液面
(m)
液
(t)
油
(t)
含水
(%)
备注
1
义
4-6-14
河口
1999-10-21
3492.86
139.7×9.17/7.72
S371
3446-3450
27.61
14.82
5.2
4
6
1.3
81
1750
9.6
2.7
71.8
动液面
1350m
S372
3468-3470
25
16.79
11.22
2
S372
3472-3474
75.23
18.57
2.41
2
2
罗352-
21
河口
1999-12-26
2548.3
139.7×7.72
S372
2493.5-2495.5

2
供液不足关井
测不出
27.6
21
24

S372
2496.5-2498
2
S372
2500-2503.5
4
3
胡
7-702
中原
2000-1-8
2563.13
139.7×7.72
S3下4下
2238.8-2262.8

17.0

10
15.8
1.3
92

26
3
88.5

4
罗35-27
河口
2000-03-24
2691
139.7×7.72
S3
2653.5-2655
151.39
22.29
15.15
2
新井投产

24
0
100

2658-2662
233.69
21.41
6.7
4
5
河140-1
现河
2000-4-20
3065．0
139.7×9.17
S3中4
3022.5-3026.1
103.45
22.92
20
4
2.0
1.5
20

2.1
1.3
38
喷嘴掉，工艺不成功
6
单更斜52
滨南
2000-6-19；22
1194.0
127.0×9.17
S1
1170.0-1182.0
418.01
30.45
16.5
12
正常压力下注不进汽，不能正常生产
26.2
13.0
48

8
7
孤南131-21
孤岛
2000-7-19
3409．6
139.7×7.72
S1
3338.0-3395.0
17.3

43
7
正常压力下注不进水，不能正常生产，欠注严重
施工后实际注水能力为240方/天，现在控制注水量为120方/天
8
商74－6
临盘
2002.8
3076.1
139.7×7.72
火成岩
7＃
1923-1945
28
22
25
4
0.8
0.5
62
1650
3.2
1.9
60
成功
9
夏52－311
临盘
2001.8.20
3327.6
139.7×7.72
砂三中
3100-3103
78
13
20
3
10
0.3
97
测不出
42
2.4
94.2
改层