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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1.2m/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124.26mm套管×外径73mm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0.5m3/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3000m以内的油井,在地面设备许可的条件下排量达到3.0m3/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[6.4dV0/6.4dV02(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9363.2J55不锈钢2013.3石英岩1912.6页岩(含硅)1711.3砂岩(含铁)页岩(白云岩)149.3大理石(钙质)117.3大理石(含硅)85.3砂岩(沥青质)64.0页岩(沥青质)32.0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0.4～0.6mm,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