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1、高压水射流在完井增产中的研究与应用进展,李根生 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 2008年4月8-10日，扬州,2008中国石化油气开采技术论坛,汇报提纲,前言 高压水射流深穿透射孔 磨料射流射孔割缝 水力喷射定向压裂 水力喷射分段压裂 水力深穿透径向水平井 水平井射流冲砂洗井 结论与认识,一、前言,60年代末70年代初，美国NSF资助了一项庞大的研究计划，寻求一种高效的切割破岩方法，提出并试验了25种新方法，电火花、激光、火焰、等离子体、电化学、高压水射流等，最后一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法。 高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的
2、一门新技术，正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工业部门，用以清洗、除垢、切割、破岩等，提高工效，降低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。 近年来，出现超高压射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流等新型射流技术。,一、前言,油气井工程 一.提高射流井底效率 二.自振空化射流钻头钻井 三.水力脉冲空化射流钻井 四.超高压射流辅助破岩钻井 五.旋转射流钻径向水平井 六.连续管洗井与小井眼钻井 七.煤层气与储气库洞穴技术,完井和增产处理 八. 旋转射流处理近井地层 九. 磨料射流射孔割缝增产 十. 高压水射流深穿透射孔 十一.水力喷射定向/分层压裂 十二.水力喷射深穿透
3、水平井 十三.水平井旋转射流冲砂洗井 十四.自激波动注水技术 十五.高油气比井射流增效,二、高压水射流深穿透射孔,常规射孔深度有限，难穿透污染带，易产生压实带及二次污染。特别是低渗特低渗油藏更严重，高效开采和动用难度很大。 高压水射流深穿透射孔，利用液压冲头冲开套管，带喷嘴的软管在高压射流作用下边破岩边前进，水平深入地层，喷射出孔深2.0-3.0m、孔径14-25mm清洁无阻通道，有效克服近井污染，新井完井、低渗增产有效技术。,2.1 问题的由来,二、高压水射流深穿透射孔,2.2 国外研究与应用,1984年，Penetrators公司开始研究水力深穿透射孔技术，到2001年底，在加拿大、美国和
4、阿曼等国油田应用600多口，平均增产13倍，最高达10倍，尤其在致密低渗透油藏效果更佳。,中国石油大学在中石化和油田资助下，10多年系统研究与实验：,二、高压水射流深穿透射孔,2.3 国内研究与应用,水力深穿透射孔理论研究 1、水力射孔方位研究：最大水平主应力方向30范围内射孔，流动效率最高 2、水力射孔密度研究：最小孔距不应小于0.3m，建议3-4孔/m。 3、渗流场与产能分析：无压实带，渗透率降低小，渗流能力高，产能高2-3倍。 4、水力射孔对套管强度影响：现有射孔密度和深度下，对套管强度无明显影响 水力深穿透射孔关键工具和装置研制 1、整体方案设计：地面控制压力、排量、软管伸进速度、深度
5、 2、室内单元实验：喷嘴材料、破岩与扩孔能力、冲头冲套管、软管优选 3、地面控制装置和地面联机试验 现场施工工艺与现场试验,二、高压水射流深穿透射孔,1、井筒准备 2、定位射孔深度 3、锚定油管，下抽油杆对接工具 4、安装井口、连接地面设备 5、冲孔打开套管，喷射射孔 6、回收软管、冲头 7、改变层位重复射孔 8、起出工具,2.3 国内研究与应用,江苏沙1942井现场施工 最大井斜：45.542125.0m336.21 射孔井深：2756m。,3.1 问题的由来,磨料射流原理，切割套管和射孔0.71.0m，穿透污染带，松弛地层，避免二次污染,为压裂创造良好井下环境。 国内6070年代拉丝模水力
6、喷砂射孔。 机理、参数、喷枪结构材质、工艺优化,三、磨料射流射孔割缝,高压纯水射流切割钢铁和钢筋混凝土等，压力极高，7001000MPa。 磨料水射流（AWJ）：在水射流中混入一定数量磨料微粒，磨粒质量大且锋利，2030MPa 即切割金属。,3.2 磨料射孔原理和影响因素,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。,三、磨料射流射孔割缝,影响因素,3.2 磨料射孔原理和影响因素,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 磨料粒度 混合管直径,工况参数 进给速度 靶距（喷距） 流道数
7、 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,三、磨料射流射孔割缝,实验装置与方法,高压泵组,磨料射流实验装置,3.3 射流参数对射孔深度影响实验,三、磨料射流射孔割缝,生产初期常规炮弹射孔并加砂6m3压裂，试油产能低（6m3/d）。 因固井质量差，常规射孔不宜进行压裂改造，故采用磨料射流射孔，提高井底完善度。 设计用3个喷枪，每枪3个喷嘴，按1200夹角排列，共射9孔。 经喷砂射孔后抽汲求产，日产油8.0 m3，不含水，施工效果
8、良好。,1. 现场施工效果-史125井,3.4 磨料射流射孔现场试验,三、磨料射流射孔割缝,郑408-8井属于东营王庄稠油油藏，储层“五敏”（酸敏、碱敏、水敏、速敏、盐敏）,非均质性严重。 由于储层存在严重的“五敏”，注水、汽补充油层能量困难，油层压力下降快，单井产能低于1t/d，动用储量的采油速度只有0.41%，采出程度仅为3.4%。 2003年11月该井不出油停产，决定采取压裂填砂增产，但由于金属棉滤砂管和地层之间的屏蔽带作用，致使施工压力过高，措施未能成功。,1. 现场施工效果-郑408-8井,3.4 磨料射流射孔现场试验,三、磨料射流射孔割缝,施工前不产液，施工后初期自喷生产， 最高产
9、液11.6t/d，产油8.7t/d，连续11 个月一直维持自喷产量1.02.5t/d 。,1. 现场施工效果-郑408-8井,3.4 磨料射流射孔现场试验,三、磨料射流射孔割缝,2.现场施工效果,现场试验11井次, 能很好解除油层污染，对油层堵塞原因引起伤害的低产井，可以起到射孔增产的目的。,不宜压裂井射孔增产 低渗透地层改造 水力喷砂割缝 水力喷射定向/分段压裂 喷砂处理水泥塞和坚硬地层,3.4 磨料射流射孔现场试验,三、磨料射流射孔割缝,4.1 问题的由来,压裂改造是油气井特别低渗增产的主要措施，占石油储量2530%产能由压裂增产。美国约40%油井、70%新气井是压裂投产。世界范围内，压裂
10、增产比例越来越高。 裂缝起裂位置及扩展方向难以控制，直接影响压裂效率和成功率，世界性难题。国家863计划支持，水力射孔应力分布、起裂压力、扩展方向、射流定向射孔/分段压裂研究， 水平井快速发展，开采不同类型油气藏（气顶/底水/稠油/裂缝等）已逐步大量应用，国外公司都开发了水平井分段改造、完井工具。,四、水力喷射定向压裂,4.2 水力射孔孔眼应力分布,1 水力射孔孔眼应力分布模型 假设地层为均质、各向同性、线弹性体，水力射孔井壁上的三个主应力分量为：,四、水力喷射定向压裂,对应2500米地层，设弹性模量4.6GPa，泊松比0.3，岩石抗压强度12MPa； 最大水平主应力为30MPa，最小水平主应
11、力为26MPa； 基体尺寸：3.0m3.0m，井筒直径为300mm 。,2 定向喷射后地应力场变化,4.2 水力射孔孔眼应力分布,四、水力喷射定向压裂,3 孔眼压力40.0MPa时等效应力云图,4.2 水力射孔孔眼应力分布,孔内压力20.0MPa, 最大最小水平主应力之比为1.5(30/20),四、水力喷射定向压裂,1 裂缝起裂和扩展模型,最大拉应力破坏准则，井壁某平面最大张应力达到井壁岩石张性破裂压力（抗张强度）时，就会在该平面起裂，逐渐延伸，依此可计算破裂压力。孔眼井壁上局部主应力最大值为：,拉伸区内裂缝以角度方向扩散：,4.3 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展,四、水力喷射定向压裂,RFPA
12、（Rock Fracture Process Analysis）软件 水平井中不同射孔参数、加载速度、地应力等条件下压裂时的起裂压力变化规律以及裂缝扩展情况； 改变孔眼直径、孔眼长度、孔眼轴线和最大水平主应力夹角、压裂液加载速度、垂直/水平应力比值,2 定向喷射对起裂压力影响数值模拟,4.3 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展,四、水力喷射定向压裂,4.4 定向喷射对起裂压力影响实验,实验装置示意图,1. 实验装置和方法,四、水力喷射定向压裂,2. 地面实验观察,4.4 定向喷射对起裂压力影响实验,定向水力射孔容易实现射孔方向与最大水平主应力方向一致，降低破裂压力和裂缝延伸压力，控制裂缝在近井地带转
13、向，起导向孔作用，有利于产生单翼或双翼裂缝，特别为低渗改造、提高压裂效率和成功率提供有效手段。,四、水力喷射定向压裂,1998年，Surjaatmadja提出水力喷射压裂方法，并应用于水平井压裂。,5.1 问题的由来,（1）机械分段压裂 （2）限流法分段压裂 （3）砂塞、暂堵剂或液胶塞 （4）水力喷射分段压裂 减少施工风险、降低伤害、 提高施工可控性,五、水力喷射分段压裂,特别适合分段、分层作业，无须机械封隔。 准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂。,水力喷射分段压裂 (HJF) 是集射孔、压裂、隔离一体化的增产措施，专用喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，形成孔眼，孔眼底部流体压力增高，超破
14、裂压力起裂，造出单一裂缝,5.2 国外应用概况 2002年7月62口井统计，裸眼水平井应用多，成功率较高。 平均增产3060%，成本与单级压裂相当或稍高。,到2005年中，应用超过130多口井。其中水力喷射环空压裂HJP-AF超过45口，平均增产4060%。使用1.75CT参数：,五、水力喷射分段压裂,五、水力喷射分段压裂,5.3 孔眼内速度及压力分布计算,五、水力喷射分段压裂,5.4 孔眼内速度及压力分布实验,数模与物模对比,白浅110井深2250m，因产量低关井停产。 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
15、入陶粒30.32 m3，单层喷压时间12h，作业跨度达到365m。施工后，第二天排液140m3，之后产气量8,000m3/d，压裂效果显著。 广安02-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，日产气由8,000m3/d增加至70,000m3/d。,5.5 国内应用白浅110井和广安002-H9,五、水力喷射分段压裂,应用扩展： 裸眼井、套管井或衬管井 水平井、大斜度井、分支井或垂直井,多种形式： 基本型：支撑剂压裂，压裂液流经喷嘴，环空无固相。环空流量为管柱流量3050%。作业管柱可用钻杆、油管、CT。 酸化压裂：压裂液为酸液，环空可是液体，也可
16、CO2、N2。 水力喷射大排量清水压裂：每一段实施多组射孔形成多个裂缝；低压大排量低固相压裂液经环空泵入。 水力喷射射孔环空压裂（HJP-AF）：射孔造缝完成后，低压大排量压裂液经环空泵入，CT作为测试管柱。,5.6 应用前景,五、水力喷射分段压裂,6.1 问题的由来,稠油、超稠油油藏 低渗或天然裂缝储层 层状地层或层状油藏 薄油藏，边际油气藏 老井更新，死井复活 压力衰竭储层增产,80年代初，常规径向水平井，套管段铣+扩孔模式 ； 近年发展套管内水力喷射深穿透径向水平井，长度达100m。,六、水力深穿透径向水平井,6.2 常规段铣模式径向水平井,常规径向井技术首先段铣一段套管0.5-1.0m，地层扩孔600mm，然后利用特殊设计的造斜器和旋转射流钻头，在老油井中对应生产层位置钻出多个超短半径（0.3m）的径向水平井眼，井眼直径80120mm，水平长度20m，可望达到60m。,六、水力深穿透径
