连续油管压裂技术资料

第３０卷第１期 开　发　工　程 ·１·

连续油管水力喷射环空压裂技术


王腾飞　胥云　蒋建方　田助红　丁云宏

中国石油勘探开发研究院廊坊分院

王腾飞等．连续油管水力喷射环空压裂技术．天然气工业，２０１０，３０（１）：６５‐６７．

摘　要　连续油管水力喷射压裂是解决我国纵向多层压裂难题的有效手段，为深入了解国外连续油管技术，提高国
内现有尺寸连续油管应用范围，在连续油管传输压裂与环空压裂两种方式对比分析的基础上，对连续油管水力喷射环空
压裂技术的原理、施工工序、摩阻计算、优越性与局限性等进行了全方位的分析。结果认为这种环空压裂方式通过喷砂
射孔与环空加砂配合可以拓宽连续油管应用深度，提高国内现有小尺寸连续油管设备利用率，提高喷嘴寿命，增大施工
排量，从而具有更高的现场适用性及可操作性。研究成果为引入国外连续油管解决国内多层气藏分压改造难题，以及转
变观念进行连续油管水力喷射环空大规模压裂奠定了基础。

关键词　连续油管　水力喷射压裂　环空注入　油管注入　摩阻　排量

DOI：１０．３７８７／
j．issn．１０００‐０９７６．２０１０．０１．０１８


0　引言1　环空压裂施工工序

低渗透油气田是我国石油工业稳定发展的重要资 环空压裂施工工序：①置放喷射工具到目的层；
源，水力压裂技术是经济有效开发低渗透油气藏的重②对第一段喷砂射孔直至裂缝起裂；③压裂（环空注携
要手段，川渝气田、鄂尔多斯气田等多数油气藏纵向多砂液＋连续油管内小排量供液）；④填砂；⑤上提管柱

层，跨距大，气、水关系复杂，采用常规压裂手段难以实到第二射孔层；冲洗管柱，清理管内残余支撑剂，准备
现逐层改造，不能提高小层动用程度进而提高产量。进行第二次射孔；⑥多次重复
②～
⑥道工序，实现多层

为此，连续油管压裂技术逐渐引起石油技术人员的关分压；⑦冲砂清理井筒，准备投产。
注，该技术整合了水力喷射射孔定点压裂的优越性与2　优越性
连续油管的拖动灵活性，为解决纵向多层改造难题提 水力喷射环空压裂技术与油管压裂方法相比，优
供了新的途径。到目前为止，国内有关水力喷射工具越性如下。
的研究日趋成熟，而对水力喷射连续油管组合压裂技2．1　降低摩阻，提高排量
术的认识才刚刚起步，而且仅停留在常规的油管传输 总摩阻＝管柱摩阻＋喷嘴摩阻
压裂技术上［１‐６］，这

种方式对连续油管的尺寸以及井的 根据伯努利方程
v２＋
p
＝
C（式中
v为速度；p为
要求过于苛刻而难以应用至深层。因此，需进一步发
２ρ

压力；ρ为液体密度；C为常数），得到喷嘴压力降


展与完善。笔者比较分析了油管压裂与环空压裂两种
∝
Q２


２


模式，认为采用环空压裂模式可以拓宽连续油管管柱Δ
p喷嘴
∝
vA（式中
Q为排量；A为过流面积）。因
所能允许的深度，可以提高喷嘴寿命，增大施工排量，此，对试验测定结果进行平方拟合即可得到喷嘴压降
因具有更高的现场适用性及可操作性，有望得到大范与排量的关系，对常用碬６
mm喷嘴进行拟合（图１）得
围推广应用。
到如下关系式：


基金项目：中国石油天然气股份有限公司先导性项目
“四川盆地须家河组低渗砂岩气藏开发先导试验
”的部分研究成果。

作者简介：王腾飞，１９８１年生，工程师，博士；２００７毕业于西南石油大学石油工程学院；主要从事低渗透油气藏增产改造技术研究
工作。地址：（０６５００７）河北省廊坊市万庄４４号信箱。电话：（０１０）６９２１３１８２，１３４７２３６６８９７。
E‐mail：wangpfei６９＠
petrochina．com．cn


·２· 天　然　气　工　业 ２０１０年１月
图
1　喷嘴压降与排量拟合曲线图


y＝２１７．５
x２＋９．８５
x－１．５３５（１）

知道喷嘴的节流摩阻后，针对油管与环空施工分
别计算总摩阻如下：
碬４４．４５
mm连续油管，总长为４０００
m；套管为
碬１３９．７
mm；６个碬６
mm喷嘴，压裂液摩阻系数为０．３。

１）油管注入。通过模拟计算得到油管注入摩阻
（见图２）：若采用油管传输压裂，即便全程采用１．５
m３／min的排量，总摩阻将高达６６
M
Pa，假定处理层深
为３０００
m，地层破裂压力梯度为０．０１９
M
Pa／m，则要
使地层破裂井口压力必须达到如下条件：
p井口＋
p液柱－p摩阻＞
pF（２）
式中：p井口为井口压力；p液柱为液柱压力；p摩阻为管柱
摩阻压力；pF为地层破裂压力。
由此得到：p井口＞９３
M
Pa


图
2　连续油管注入时摩阻压力随排量变化关系曲线图

上述计算比较简单，且水力喷射成缝机理与常规
压裂造缝机理有较大差异，但也能说明深井中采用连
续油管传输压裂摩阻必将异常高，这对井口设备以及
连续油管尺寸提出了严格挑战，同时低排量使得加砂
浓度、规模受到限制，不能

对储层进行充分改造。

２）环空注入。环空注入压裂是在地层破裂后通过
油管、套管环空注入携砂液进行后续作业，同时降低
（或关闭）连续油管排量进行井底压力检测。环形空间
的流动通道远远大于连续油管，同时由于携砂液不再
流经喷嘴而不存在节流摩阻，从而大大降低了摩阻损
失，具体计算结果见图３。即使排量为８
m３／min，
３０００
m管柱环空摩阻也仅为１６
MPa左右，排量较低
时基本可以忽略摩阻影响，这为大排量施工奠定了
基础。


图
3　环空注入时摩阻随排量变化关系曲线图


2．2　环空压裂可大大提高喷嘴寿命
水力喷射压裂主要的问题之一是喷嘴的使用寿
命。国外在该设备开发初期，仅１２．５～１５
t支撑剂通
过喷嘴后即发生过几次喷嘴故障。随着工程设计的不
断改进，现在的预期寿命是每个喷嘴可处理２５～３０
t
支撑剂（国内则更少）。因此，在多层压裂或压裂规模
较大的情况下，喷嘴寿命仍然是一个限制因素。采用
油管传输压裂时所有支撑剂是通过喷嘴进入地层，再
加上施工排量低，携砂液长时间打磨、切割喷嘴，通常
在施工两段后必须要上提管柱检测更换，这样就会大
大延长非生产时间。而使用环空压裂时，仅最初的
１２０
kg／m３的射孔液是通过喷射器泵入的，且只在处
理过程的喷射起裂阶段，所以喷嘴被腐蚀的情形大大
减轻。大多数情况下，利用环空法延长工具寿命能将
起下管柱非生产时间减少５０％～１００％。
2．3　支撑剂的粒径和浓度
大粒径、高浓度支撑剂容易使压裂处理过程中孔
眼处形成颗粒桥堵。水力喷射射孔产生的大孔眼可使
极高浓度的液体通过，发生堵塞的风险极小。持续油
管输砂使得喷嘴处存在砂堵风险（高砂比携砂液通过
小尺寸喷嘴时易发生），采用环空压裂方式可消除这种
风险。
2．4　降低了对压裂液的性能要求
１）摩阻。环形空间大的流动通道使得对压裂液的
摩阻性能要求不在苛刻，常规压裂液摩阻性能可以满
足施工需要。
２）耐高剪切性。油管压裂时，所有的压裂液必须

第３０卷第１期 开　发　工　程 ·３·

高速通过只有几毫米的喷嘴。因此，会受到剧烈的剪
切破坏，压裂液的耐高剪切性能显得尤为重要，尤其是
在携砂过程中，较差的耐剪切性能会导致砂堵造成施
工失败。采用环空压裂时仅在前期喷砂射孔时受到高
剪切影响，且因砂比很低（１２０
kg／m３）而不易脱砂，一
旦裂缝起裂后环空注液不再

受到射流的高剪切影响，
这就大大拓宽了压裂液的选择范围。


3　局限性与限制因素


3．1　不适宜于裸眼井
通过环空注入携砂液时，裸眼井的漏泄和低效的
固体颗粒输送就会有风险。
3．2　井口设备的腐蚀
携砂液会对作业管柱的外表面造成冲击。此问题
可以通过下列方法解决：在连续油管和套管的环空中
设置多个吸液口；在地面设备附近用大直径井口装置
将速度降至最低；或者上述两种方法兼用。


3．3　压降测试
有效的压降测试只适用于水力喷射射孔后的第一
条裂缝。在连续的操作过程中，第一段压裂完成后，各
个层位不具有压力完整性来提供有效的压力衰减数
据。然而由于环空压裂施工过程中连续油管具有类似
死管柱的作用，施工人员可以获得实时有效的井底压
力数据，从而极大地减弱了压前注入试验的重要性。
此外，压前注入试验主要是为了测量由于孔眼迂曲或
者多裂缝造成的井筒附近压力问题，而这些问题通过
水力射孔工艺在很大程度上得到解决。
3．4　套管压力的限制因素
大多数井套管承压较差，采用环空通路进行水力
喷射压裂需要通过带封隔器的油管工作管柱来提供暂
时性的高压环空，使套管免受造缝压力的影响。带封
隔器的油管下到最顶层施工层段上，或放在井的垂直
剖面上（如果是水平完井）。


4　国外应用情况

国外使用连续油管［３］水力喷射环空压裂的井深范
围为４５７～３０１７
m，加砂规模范围从１．５
t产生小裂
缝（为避免井筒伤害）到６０
t产生大裂缝，泵注最高支

撑剂浓度为１６８０
kg／m３。在致密地层气藏中，最小
的目标生产层可达０．６１～０．９１
m的透镜层。施工排
量变化范围为０．９５～８．７５
m３／min，环空注入使得施
工排量调节范围更加宽裕。该技术有望在连续油管设
备限制条件下（即尺寸、水力条件、长度、压力、拉力等）
推广连续油管管柱所能允许的深度及改造规模。


5　结论

１）采用环空压裂可以大幅度地增加流动通道，降
低管柱摩阻，提高施工排量，增加加砂强度与规模，这
些优点拓宽了连续油管的应用范围，使之可以应用于
深井大规模加砂或者多层分压。
２）采用环空压裂减少了流经喷嘴的砂量，同时由
于排量较高减少了作业时间，喷嘴寿命大大延长，减少
了作业中途上提管柱换喷嘴的次数，缩短了施工周期，
降低了压裂液长时滞留地层造成的伤害。
３）环空压裂降低了对压裂液摩阻性能、耐高剪切
性能的要求，拓宽了压裂液的选择范围。

４）国外已多次成功实施连续油管水力喷射压裂，
尤其在环空注入压裂方面取得了很大的进步，而国内
还没有相关的现场试验，如何实施环空注入压裂施工
还停留在初步阶段，需要进一步研究与现场试验，同时
相应配套工具和设施有待进一步改进与完善。
参　考　文　献

［１］马发明，桑宇．连续油管水力喷射压裂关键参数优化研究
［J］．天然气工业，２００８，２８（１）：７６‐７８．
［２］田守嶒，李根生，黄中伟，等．连续油管水力喷射压裂技术
［J］．天然气工业，２００８，２８（８）：６１‐６３．
［３］苏新亮，李根生，沈忠厚，等．连续油管钻井技术研究与应
用进展［J］．天然气工业，２００８，２８（８）：５５‐５７．
［４］林英松，蒋金宝，刘兆年，等．连续油管压裂新技术［J］．断块
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［５］赵广慧，梁政．连续油管内流体压力损失研究进展［J］．钻采
工艺，２００８，３１（６）：４１‐４４．
［６］金亚杰编译，马颖洁审校．不下封隔器的多层压裂增产新
技术［J］．国外油田工程，２００６，２２（１０）：１８‐２２．
（收稿日期　２００９‐０９‐２８　编辑　钟水清）