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水力喷砂射孔工艺及在现场的应用
前 　言
随着低渗透油藏开发力度不断加大 ,越来越多的储量得到动用。可是由于储层地质特征或井身结构不适宜直接进行水力压裂或酸化改造 ,如对于固井质量不好、 上下有水层、 地层压力过高而不能进行压裂改造的极小薄层、 薄互层等要求射孔位置精度较高的井 ,为了实现有效挖潜目的层 ,水力喷砂射孔是一种行之有效的技术手段。水力喷砂射孔是用地面压裂车将混有一定浓度石英砂的水浆加压, 经过油管泵送至井下, 水砂浆经过井下射孔工具的喷嘴喷射出高速射流, 刺穿套管和近井地层, 形成一定直径和深度的射孔孔眼, 水力喷砂射孔能够产生比常规射孔更大更深的射孔孔眼, 高度可由地面调节, 特别是水力喷砂射孔能够避免常规射孔产生的压实带, 而且应力松弛带动井筒裂缝的张开和孔隙度渗透率得到提高, 同时孔跟不会上下延伸沟通水层, 因此水力喷射具有很强的技术特色, 对底水或者气顶等特殊油藏改造尤为适宜。
1工作原理及特点
1.1 工作原理
由动量-冲量定律可知 ,高压泵将带有磨料(一般是石英砂)的液体 ,从油管经特制的喷嘴将压头转换为速度 ,即给液流中的砂粒以动量 ,该动量与套管、 岩层或其它障碍物接触时,动量的速度突然降为0 ,此时含砂射流以冲量做功 ,于是便产生了水力喷砂射孔技术。
1.2 特点
喷砂射孔与普通射孔相比具有以下特点:穿透深 ,对污染半径小的储层能够起到射孔、 解堵的双重目的;在孔眼周围形成清洁通道 ,不会形成压实带造成储层伤害;射孔孔径较大;能够根据不同的井身结构和层段有选择地进行射孔。
2喷砂射孔方案设计方法
2.1 喷射参数的设计
(1) 喷射排量。
喷砂射孔过程首先需要确定最小的施工排量 ,确保喷射过程砂浆的顺利排出。根据理论分析及现场经验 ,应用密度2.65g/cm3的石英砂进行喷射施工, 10%砂比顺利返出 ,一般要求流速大于1.2 m/ s。在设计时首先需要根据井身结构确定最低施工排量 ,例如对于内径 124.26 mm套管 ×外径73 mm油管 ,要保证砂浆的顺利返出 ,至少要求排量大于0.3m3/min ,现场一般采用0.5 m3/ min。
(2) 喷射层位及喷枪个数。
喷枪一般长度为35～40cm ,能够根据地质要求及油层厚度确定下入喷枪的位置及个数。一般来讲, 排量1.0m3/min ,对于喷嘴直径3.8m左右的工具能够保证8孔孔眼压差20MPa。例如,对于3000 m以内的油井 ,在地面设备许可的条件下排量达到3.0 m3/min ,能够下入8只喷枪 ,共24孔。
根据试验及理论分析 ,水力喷砂射孔过程的喷射时间、 喷射深度及压力之间存在如下关系:
V0=240Q/nπd2 (1)
Lmax=6.4dV0/(Vth+ΔVP) (2)
t = 2.535 × 105×H{6.4dV0/(2.18H +ΔVP)2ln[6.4 dV0/6.4 dV02(2.184H+ΔVP)L]-L/(2.184H+ΔVP)} (3)
Lt = 0
Lt →∞= Lmax
式中: Q 为喷射排量 ,m3/min ; n 为喷嘴孔数 ,个; d为喷嘴直径 ,mm; Cd为孔眼流量系数; V0为喷射速度 ,m/s ;Lmax为最大喷射深度 ,mm; Vth为临界喷射速度 ,m/s ;ΔVp为在喷射孔由于回流导致的速度损失 ,m/s;H为材料的洛氏硬度; t 为喷射时间,s。对于上述方程能够采取数值方法求解 ,为方便预测有关参数 ,列出了不同材料的硬度及临界喷射速度(表1)。
表1　不同材料的硬度及临界喷射速
材料名称
硬度(洛氏硬度)
临界喷射速度/ (m/ s)
碳化钨
93
63.2
J55不锈钢
20
13.3
石英岩
19
12.6
页岩(含硅)
17
11.3
砂岩(含铁)
页岩(白云岩)
14
9.3
大理石(钙质)
11
7.3
大理石(含硅)
8
5.3
砂岩(沥青质)
6
4.0
页岩(沥青质)
3
2.0
根据上述方法计算 ,孔眼压差在20MPa时,对于含铁砂岩喷射时间在20～30min液体利用率最高。
2.2 磨料的选择
实验表明 ,在一定压力和排量下 ,射孔深度不随磨料的浓度和磨料直径的增加而增加 ,相反在磨料粒径增加到一定程度时射孔深度反而有下降趋势。这说明在一定压力和排量下磨料有一最佳浓度值和粒径值。根据实验结果 ,最佳浓度范围为6 %～8 % ,适用浓度 4 %～10 % ,最佳粒径为 0.4～0.6 mm ,现场推荐采用5 %～8 % ,0.4～0.8mm的石英砂。
2.3 喷射工作液
工作液选用具有一定携砂能力、 沿程阻力较小的液体 ,而且要特别重视油层的保护工作。经过室内实验 ,决定采用 0.2 %～0.5 %HPG或 HPS ,粘度要求达到 20～40MPa·s 以上 ,以保证携砂性能。推荐的施工配方:稠化剂 HPG的浓度为 0.2 %～0.5 %;防膨剂KCl的浓度为 1 %～2 %或DTE浓度为 0.2 %～0.3 % ,根据不同情况可加入杀菌剂、 破乳剂等。
2.4 喷射管柱强度校核
喷枪位置的准确程度对于喷砂射孔是至关重要的 ,同时由于管柱承受较高的内压 ,管柱强度的校核是极为重要的。根据工艺过程 ,经过井筒温度场的计算、 压力场的计算、 油管柱的受力分析、 管柱的应力计算等建立了一套适合喷砂射孔的高压作业管柱设计分析方法。
3 现场应用
3月19日, 我机组对镇98井长3 1, 2053.5-2054.5m进行了水力喷砂射孔作业。
镇98井位于甘肃省庆城县土桥乡, 是鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的一口预探井。长3 1层为油水同层( 油层数据如下图所示) , 故采用水力喷砂射孔。
层位
井 段
( m)
厚度
( m)
电阻率
(Ωm)
视孔隙度(%)
视水饱
(%)
时差
(us/m)
密度
(g/cm3)
解释
结果
长3
2053.4-2056.0
2.6
9.66
16.95
52.01
236.08
2.41
油水层
2056.0-2059.9
3.9
6.95
16.44
63.42
233.94
2.42
含油水层
在磨料的选择方面, 选用了0.425-0.85mm的石英砂, 真密度为2.64g/cm2,视密度为1.62g/cm2。
施工管柱为: 堵头+眼管+节箍+单流阀+喷射器+2"7/8外加厚油管至井口。
施工过程:
1、 作业队技术员认真检查钻具, 用油管规对入井油管逐根进行试通, 合格后按10-20m/min的速度平稳下完施工钻具后由测井站校深, 调整好钻具位置, 坐井口, 联结好放喷管线。
2、 备液前清洗储液罐, 按设计配制好合格的工作液体。
3、 摆好施工车辆及辅助车辆, 联接好地面管线油管注入系统试泵45Mpa, 无刺漏。
4、 用活性水正循环灌满井筒, 套管返水, 泵压正常后换液施工( 泵注程序如下) 。
工作内容
液性
注入液量m3
油管注液排量m3/min
加砂量
含砂浓度Kg/ m3
砂比%
液氮排量m3/min
泵注时间 min
Kg
m3
低替
活性水
8.0
1.0

8.0
基液
2.0
1.0

2.0
喷砂射孔
基液
10.0
1.8
1296
0.8
120
7.4

5.8
基液
20.0
2.0
2786
1.7
140
8.6

10.5
基液
15.0
2.2
2398
1.5
160
9.9

7.2
顶替
基液
8.0
2.0

4.0
水力喷射后, 关闭环空蹩开地层, 若压力超过30MPa, 则先泵注3m3酸液降压; 若破压较低, 压开地层后把酸液全部挤入地层, 酸液排量控制在0.5m3/min以下。
5、 停泵后, 用活性水+基液40m3正循环冲砂, 然后抽汲。
施工结果:
3月21日至3月30日对该井长31: 2053.5-2054.5m压裂后抽汲求产, 抽深2050m, 动液面1950- m, 日产油为0t, 日产水4.9 m3。与其它该层位非水力喷砂射孔井相比, 产量有较大提高。
4 存在的问题
水力喷射施工过程中, 施工管柱内外的温度和压力都会随着施工色进行发生较大变化, 温度降低必然导致油管的收缩, 油管内压力则可引起其膨胀并使管柱缩短, 这些变化将引起油管的伸缩, 从而 影响喷嘴定位的准确性, 可是考虑到水力喷射阶段嘴喷射位置, 实现准确喷射对薄互层改造尤为必要。
5 结 　论
(1)水力喷砂射孔对于油气井增产及压裂改造是一项重要的支撑技术 ,能够作为直接改造措施和压裂工作的预处理 ,能够有效降低地层破裂压力和生产压差。特别适用于由于固井质量不好及邻近水层等原因无法进行压裂酸化增产措施的井。
(2)喷砂射孔对于小薄层、 薄互层能够起到射孔和解堵的双重目的 ,射孔精度控制在0.1 m的范围内。
(3)经过现场试验 ,形成了一套喷砂射孔现场方案的设计方法 ,能够根据不同的油气井身结构、 喷射层位参数、 喷射工具 ,设计喷射过程的施工排量、 预测施工过程的压力及喷射深度 ,优化施工时间。
(4)水力喷射是一新型的射孔和初步改造储层的工艺方式, 当前技术状况下能够达到沟通油气层和制造一定深度裂缝的工程效果:
(5)相对于压裂, 水力喷射射孔沟通范围有限, 渗流半径较小, 同时考虑到施T时温度压力对油管的影响, 水力喷射射孔喷嘴的准确定位技术有待解决, 一定程度上影响了改造效果:
(6)水力喷射射孔不导致裂缝的上下延伸, 不会沟通上下产层, 对储层物性较好, 泄流面积大的底水、 气顶等复杂油气藏较为适合, 具有较强的开采针对性和增产稳产效果:
( 7) 水力喷射射孔没有常规射孔的破碎带和压实带, 裂缝切割后的缺失具有对井筒附近的应力集中后的应力松弛作用, 可变相提高储层连通性能, 可用于降低地层破裂压力、 小型改造等工程目 的。
参考文献:
[1 ] 巩志荣 水力喷砂射孔(切割)工艺技术的实验研究及其应用[J];石油钻采工艺 ,1985 ,8(4)
[2 ] 沈忠厚 水射流理论与技术[M];山东:石油大学出版社 ,1998;