水力喷砂射孔压裂联作技术.

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1、黄中伟 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室 石油工程教育部重点实验室 CNPC钻井重点实验室高压水射流研究室 水平井水力喷射分段压裂技术研究与应用 技术交流2011 前言前言 一、水力喷射分段压裂机理与参数一、水力喷射分段压裂机理与参数 二、水力喷射压裂工具设计研制二、水力喷射压裂工具设计研制 三、现场施工工艺设计与应用三、现场施工工艺设计与应用 四、应用推广和社会经济效益四、应用推广和社会经济效益 五、知识产权情况与查新报告五、知识产权情况与查新报告 六、结论与展望六、结论与展望 提 纲 水力喷射分段压裂是射孔、压裂、隔离一体化增产措施 压裂改造是压裂改造是低渗低渗油气井增产

2、主要措施油气井增产主要措施 美美国约国约40%40%油井、油井、70%70%新气井压裂投产新气井压裂投产 直井分层水平井分段压裂是发展趋势直井分层水平井分段压裂是发展趋势 19981998年，年，SurjaatmadjaSurjaatmadja提出水力喷射提出水力喷射 压裂方法，并应用于水平井压裂压裂方法，并应用于水平井压裂 （1）机械分段压裂 （2）限流法分段压裂 （3）砂塞或液胶塞 （4）投球法 水力喷射分段压裂 (MHJF) 是集射 孔、压裂、隔离一体化新型增产措施 ，无需封隔器、一趟管柱多段压裂, 提高效率和安全性，减少施工风险、 降低伤害和成本 前 言 压裂液 喷射压裂工 具 喷砂射

3、孔参 数效率 喷射起裂及 水力封隔 关键技术难点： 喷砂射孔参数及效率 喷射起裂、水力封隔 喷射压裂工具（喷嘴） 连 续 资 助 2008ZX05045-003国家重大专项示范专题大牛地气田连续分层压裂工艺技术研究 2009ZX05009-04A 国家油气重大专项专题水力射孔与分段压裂一体化改造增产技术 4 2006AA06A106-05国家863计划课题连续管技术与装备-射流增产技术研究 5 3 50774089 国家自然科学基金项目高压水射流喷射压裂机理研究 6 2005AA615020国家863计划滚动课题高压水射流辅助定向压裂技术2 2002AA615090国家863计划课题高压水射流

4、辅助水平井定向压裂研究1 批准号项目来源项目名称序号 前 言 1 水力喷射分段压裂机理 一、水力喷射分段压裂机理与参数 高压低压 高压：高速射流在孔内增压3 8MPa 低压：喷嘴出口局部低压区 环空卷吸作用，强化封隔效果 关键：控制喷射压力和环空压力排量 喷射排量和射流冲击力计算 管内流体压降损失计算 环空流体压降损失计算 2 管内和环空水力参数计算 不同排量环空压耗与井深关系曲线不同排量环空压耗与井深关系曲线 一、水力喷射分段压裂机理与参数 调整排量，精确控制Pv和Pa 3 孔眼内速度及压力分布-数值计算 套管壁孔径10mm、喷射压力40MPa 孔眼最大直径100mm、孔深500mm 套管壁

5、孔径15mm、喷射压力45MPa 孔眼最大直径100mm、孔深500mm 一、水力喷射分段压裂机理与参数 1. 喷嘴直径在37mm、喷距在070mm内调节； 2. 模拟孔眼长度在600mm内有级调节，每级长度40mm，套管孔径1020mm 3. 测量孔眼壁面压力和轴心压力随喷嘴压力、排量、喷距、直径、围压等分布 4. 模拟“环空加液、射孔裂缝渗流”物理过程。 3 孔眼内速度及压力分布-室内实验 一、水力喷射分段压裂机理与参数 4mm喷嘴在入口压力为25MPa时，不同 围压下，相差4.720。 4mm喷嘴在入口压力为30MPa时，不同 围压下，相差4.320 数模与物模对比 一、水力喷射分段压裂

6、机理与参数 3 孔眼内速度及压力分布-室内实验 国家863计划支持，RFPA软件数值模拟 改变射孔参数（孔眼直径、孔眼长度 ）、地应力（孔眼轴线和最大水平主 应力夹角、垂直/水平应力比值）等 条件 起裂压力变化规律以及裂缝扩展情况 一、水力喷射分段压裂机理与参数 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展 （1）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响-模拟计算 （1）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响-模拟计算 孔径越大，起裂压力降低； 射孔长度增大，裂缝延伸压力降低。 射孔方向与H夹角的增大，起裂压力增加； 平行于H方向射孔，破裂压力最低，有助于辅助压裂。 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展 一、水

7、力喷射分段压裂机理与参数 实验装置示意图 一、水力喷射分段压裂机理与参数 （2）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响室内实验 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展 室内实验结果与数值模拟规律基本一致 起裂压力随孔径和孔深增加而降低 角由900降到00 ，起裂压力由30.2MPa降到25.8MPa, 降低14.5% 一、水力喷射分段压裂机理与参数 （2）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响室内实验 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展 一、水力喷射分段压裂机理与参数 （3）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响地面实验 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展 定向水力射孔容易实现射孔方向与H方向一致，降低

8、破裂压力和裂 缝延伸压力，控制裂缝在近井地带转向。 在水射流中混入一定数量磨料微粒， 可大幅度提高射流切割效率 射孔深度0.71.0m，压实带二次污染 小，为压裂创造良好井下环境 国内6070年代开始水力喷砂射孔， 机理、参数、喷枪结构材质、工艺优化 等方面研究较少 5 水力喷射射孔参数优化 一、水力喷射分段压裂机理与参数 根据水动力学动量-冲量原理，固体颗粒受水载体加速 ，高速冲击套管和岩石，产生切割作用。 一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化 影 响 因 素 流体参数 射流压力 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率 流速 流量 流体性质 射流反冲力 磨料参数 磨料类型 磨料流量

9、 磨料粒度 混合管直径 工况参数 进给速度 靶距（喷距） 流道数 入喷射角 切割体积 切深或切宽 比能 靶件参数 靶件强度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件渗透率 1. 压力 2. 排量 3. 磨料类型 4. 磨料浓度 5. 磨料粒度 6. 岩性 7. 围压 8. 时间 实 验 参 数 一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化 实验装置与方法 高压泵组 磨料射流实验装置 磨料加砂系统磨料加砂系统 喷嘴 岩样 一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化 0.4-0.6mm 压 力 影 响 排 量 影 响 磨 料 类 型 影 响 磨 料 粒 度 影 响 一、水力喷射分段压裂

10、机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化 1530min 磨 料 浓 度 影 响 喷 射 时 间 影 响 岩 性 影 响 一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化 磨料射孔和炮弹射孔对比 射穿双层/三层套管 一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化 一、水力喷射分段压裂机理与参数 最优喷嘴压降：2835MPa 磨料粒度选择：2040目石英砂 最优磨料体积浓度：68% 最优喷砂射孔时间：1015min 已登记国家计算机软件著作权 已完成石油天然气行业标准建议稿 5 水力喷射射孔参数优化 二、水力喷射压裂工具设计研制 1 喷射压裂工具整体方案设计 2 滑套设计研制 （1

11、）滑套结构设计、材料优选 （2）各级滑套与喷枪体滑动密封 3 喷枪喷嘴及防溅体设计研制 （1）喷枪本体结构设计研制 （2）喷嘴结构设计、材料与布置 （3）防溅体参数设计与加工 4 单向阀、扶正器、多孔管等附件 5 二四级滑套销钉连接方案设计 （1）滑套和喷枪销钉连接方案设计 （2）销钉材料优选及加工 二、水力喷射压裂工具设计研制 喷射压裂工具整体方案设计 二、水力喷射压裂工具设计研制 滑套方案设计5 套管四级喷枪 第一级滑套内径50mm 第二级滑套内径45mm 第三级滑套内径40mm 第四级喷枪无滑套 使用后滑套基本无磨损 水力喷射分段压裂工具5 套管八级喷枪 名称第七级级第六级级第五级级第四

12、级级第三级级第二级级第一级级单单向阀阀内孔 60型滑套5046423834302622 低密度 钢球 2.02.6 5549-4845-4441-4037-3633-3229-2825 滑套工具尺寸 二、水力喷射压裂工具设计研制 二、水力喷射压裂工具设计研制 名称 第九级 滑套内 孔 第八 级滑 套内 孔 第七级 滑套内 孔 第六级 滑套内 孔 第五级 滑套内 孔 第四级 滑套内 孔 第三级 滑套内 孔 第二级 滑套内 孔 第一级 滑套内 孔 单向 阀内 孔 60型滑套5047 44 41 38 35 32292622 钢球55494643 403734312825 滑套工具尺寸 p 5 套管

13、不动管柱10段加砂压裂工具已加工完毕 喷枪结构及滑套材质改进提高硬质合金 销钉剪切力提高 改进 喷射器本体 二、水力喷射压裂工具设计研制 适用于495/8套管， 6000m井深 材料和处理：喷嘴工作寿命6h以上 地面泵压力：4090MPa，排量：1.04.5m3/min 施工层段数：110层， 单层最大加砂量：50m3 拖动式喷射器滑套式喷射器 连续油管+安全接头+喷枪+小直 径胀封式封隔器+扶正器+导向头 封隔器外径96mm， 35 MPa 下反复胀封10次，外径扩大到 114mm 水力喷砂射孔，环空携砂液+喷 枪喷射基液 停泵、拖动 水力喷射分段压裂工具连续油管环空压裂(CTAF) 二、水

14、力喷射压裂工具设计研制 施 工 工 艺 与 参 数 1.工具入井定位 2.油管内加压，射孔 3.维持喷嘴压降、环空加压 ， 孔内起裂、裂缝延伸 4.第二段裂缝射孔、压裂 5.重复4，完成多段压裂 自主工具工艺完成近百井次现场试验 井型：直井、水平井、定向井，油井、气井 完井：套管射孔、割缝筛管、裸眼 管柱：油管、连续管，拖动管柱与滑套不动管柱 自主：参数软件、井下工具、工艺设计 三、现场施工工艺设计与应用 工艺设计与现场试验 BQ110井深2250m，2007年7月27日首次 应用2连续管水力喷砂逐层压裂、一天 成功连续压裂3层。 试验层位1105m延续到749m，3层共加入 陶粒30.32

15、m3，单层喷压时间12h，工 具寿命达6h，作业跨度达到365m。 施工前产气量0，施工后产气量 8,000m3/d，稳产1年以上。 直井分层压裂现场试验BQ110井 三、现场施工工艺设计与应用 GA002-H9垂深1700m，水平段500m，用2 7/8”油管拖动 喷射压裂2段，填砂50 m3，工具寿命达h，日产气由 8,000m3/d 增加至70,000m3/d。 自主工具和工艺试验取得成功，压裂增产效果显著。 水平井拖动管柱现场试验GA002-H9井 三、现场施工工艺设计与应用 三、现场施工工艺设计与应用 衬管裸眼完井水平井喷射分段压裂XS311H井 气体/液体欠平衡钻井、139.7mm衬管完井 完钻井深3010m，垂深2480m，水平段长385m 层位：JS31 孔隙度13.6%、渗透率0.25md A B 新沙311H 、类储量 三、现场施工工艺设计与应用 采用投球滑套工具，不动管柱常规油管水力喷射分段压裂技术8h完成 三段压裂，衬管完井（裸眼）水平井首次试验成功。 分别完成40m3、30m3、30m3陶粒的施工，油管排量3.03.3m3/min， 最高砂浓度700kg/m3，泵压6576MPa，环空排量0.91.5m3/min。