国内外井下作业新技术进展.ppt

,国内外井下作业新技术进展,提 纲,第一章 特殊工艺井概述第二章 水平井作业技术第三章 全过程欠平衡作业第四章 不压井作业技术第五章 连续管与微小井眼作业 第六章 可膨胀管技术第七章 高压水射流增产作业,国内外井下作业新技术进展,第一章 特殊工艺井概述,一 概述,Highly sophisticated directional drilling systems are able to probe below the surface even horizontally and for extended distances to reach prospective oil and gas reservoirs in less time and with more reliability.美国高精度定向钻井系统可以用更少的时间更可靠地探测到地下油气储集层：定向钻井、水平钻井、大位移钻井、爪型（辐射）钻井和多分支钻井。,第一章 特殊工艺井概述,二 水平井水平井井斜角等于或接近于900的井眼。近年来，水平井钻井成本已降至直井的1.52.0倍，有的甚至只是直井的1.2倍，而水平井产量是直井48倍。根据水平井造斜段造斜率的不同，水平井可分为五种类型：1.长曲率半径水平井：（2 0 6 0）/30m，R280m2.中曲率半径水平井：（6 0 20 0）/30m，R=85 280m3.中短曲率半径水平井：（30 70）/30m，R=10 80m4.短曲率半径水平井：（90）/30m，R=1 10m5.超短半径径向水平井：R1m,第一章 特殊工艺井概述,截止2003年为止，美国、加拿大和世界其他国家所钻的水平井数及美国钻机动用,美国 1,295 钻机钻井(11/25/2005)斜井 304，水平井 204(16%)加拿大 535 钻机钻井(11/25/2005)斜井 164，水平井 116(22%),第一章 特殊工艺井概述,第一章 特殊工艺井概述,第一章 特殊工艺井概述,三 多分支井,多分支井技术起源于20世纪50年代，多分支井可以更多地暴露储层和增加产量，在单一的储层采用多分支井能提高储层的泄油效率。扩大与储层的接触面积，增加油井的产能，减少开发油田所需井数，也可在不同的方向钻分支井眼，高效开发多个储层。,第一章 特殊工艺井概述,分支水平井几何形状-委内瑞拉Petrozuata,第一章 特殊工艺井概述,级别1:裸眼/无支撑连接主井眼和水平井眼都是裸眼段或在两个井眼中用悬挂器悬挂割缝衬管。级别2:主井眼下套管并固井,水平井眼或裸眼或以悬挂方式下割缝衬管。级别3:主井眼下套管并固井,水平井眼下套管但不固井。用悬挂器将水平尾管锚定在主井眼上,但不固井。级别4:主井眼和水平井眼都下套管并注水泥。主井眼和水平井眼在联接处都注水泥。级别5:在连接处进行压力密封。在不能固井的情况下,用完井方法达到密封。级别6:在连接处进行压力密封。在不能固井的情况下,用套管进行密封。,分支水平井完井,第一章 特殊工艺井概述,各种分支井完井方式统计,据不完全统计，全世界分支井完井共计2481口，其中智能完井152次，可膨胀实体管150次（30480米）；可膨胀筛管150次（45720米），如图所示。,世界分支井完井类型统计,第一章 特殊工艺井概述,大位移井开发海上油气和从陆上开发近海油气田，可大大降低开发成本。挪威北海Statfjord油田北部，用大位移井技术取代海底技术开发方案估计可使开发成本至少节约1.2亿美元。在加利福尼亚州南部近海的Pt.Pedernales油田，1989年，Unocal公司提出运用大位移井技术开发该油田的方案，5年间共钻大位移井9口，与原计划建造第二座平台相比，新方案的开发成本节约1亿美元。在英国WytchFarm油田，运用大位移井技术（已钻14口）代替原计划的人工岛开发方案，开发成本可望节约1.5亿美元，且提前3年生产。,大位移井是指水平位移与垂深之比大于2.0的井。自80年代开始在美国运用，90年代得到迅速发展，主要用于以较少的平台开发海上油气田和从陆上开发近海油气田。英国BP公司1999年7月在英国WytchFarm油田钻的M16SPZ井，水平位移达10728.4米，创下了新的水平位移世界纪录。M16SPZ井，TD11278米，TVD1637米，钻井和下套管123天。1997年6月中国南海西江243A14井的水平位移是8063米。,四 大位移井,第一章 特殊工艺井概述,国外一些大公司在大位移钻井方面，已有相当成熟的技术和经验。水平位移与垂深比值大于3.0的井已超过20口；水平位移超过4000m的井在100口井以上；水平位移超过6000m的井在30口以上；水平位移超过7000m的井在20口井以上；水平位移超过10000m的井有3口。,大位移井技术发展现状,第一章 特殊工艺井概述,国内大位移井钻井主要集中在中海油南海油田和渤海湾附近的胜利、大港、辽河等油田。到目前为止，完成的典型井为:中海油合作完成的西江24-3-A14井，斜深9238m，水平位移8063m；中石化完成的埕北21-平1井，斜深4837m，水平位移3167m；中石油完成的港深69x1井，斜深5464m，水平位移3118m。目前国内陆上已经具备了钻水平位移为4000m大位移井的技术能力。,第一章 特殊工艺井概述,一、水平井的新应用,作为注入井，提高产量 分支水平井开采多个产层 开采老油田剩余油 多目标开发产层 开采气藏或疏松砂岩油藏 水平井资料用于油藏描述 薄层油藏、注水剖面修正、持续增产,第二章 水平井作业技术,二、水平井主要完井方式,浅层疏松油层：套管固井定向射孔先期防砂分级注水泥滤砂筛管完井浅层疏松油层侧钻水平井：管外封隔器悬挂滤砂筛管中深层油层：分级注水泥筛管完井 管外封隔器悬挂滤砂筛管,第二章 水平井作业技术,三、水平井主要作业技术,水平井射流冲砂洗井水平井喷射分段压裂水平井酸化解堵水平井防砂水平井举升水平井防落物管柱,第二章 水平井作业技术,1 水平井射流冲砂洗井连续管射流,1 水平井射流冲砂洗井旋转射流,第二章 水平井作业技术,研究新型高效射流振动冲击和速度压力分布特性，解决了高压旋转速度控制的关键技术问题，首创了水平井高压旋转水射流处理近井地层增产增注新技术。将硬件设备、软件、洗井液体系和处理监测方法等进行综合利用，将有助于降低洗井作业成本和作业风险，并使油气井以更快速度恢复生产。,水力喷射压裂技术是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产措施工艺，利用一个带喷嘴的喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，并在地层中形成孔洞，随后的高速流体直接作用于孔洞底部，产生高于地层破裂压力的压力，在地层中造出一条单一的裂缝。,2 水平井喷射分段压裂,第二章 水平井作业技术,3 水平井酸化解堵难点：水平段长、渗透率差异大，造成酸液分布不均匀技术方法：水平段小于100m采用不动管柱笼统解堵水平井段大于100m采用下分段酸化管柱酸化或稠化酸多级注入均匀酸化技术,水平井分段酸化管柱示意图,第二章 水平井作业技术,1.效果对比：冀东统计可类比井30口井：（筛管完井10口，固井射孔、防砂井20口）固井射孔下管挡砂：液面下降快，长期低液面，产量稍低筛管完井：液面稳定，较前者高500m，产量较高,4 水平井防砂工艺,2.效益对比：滤砂筛管完井与射孔完井对比小井眼侧钻水平井-单井节约投资5常规水平井（150m水平段）-单井节约投资6水平井防砂58井次，成功率100,第二章 水平井作业技术,5 水平井举升,第二章 水平井作业技术,螺杆泵,运行平稳，减少地层激动，降低出砂风险，有一定抽稠、携砂能力；利用变频技术，扩大排量调节范围，48-200方/日；安装安全保护装置，防止杆断脱。,双作用泵、并联泵,适用于地层供液能力强，要求排量高的水平井和分支水平井；地面变频，节能、排量调节大、调节方便、一次投入少。日产液 110-295方/日,针对水平井不同的井身结构，冀东油田设计两套防落物管柱：下入皮碗式防落物管柱，悬挂在51/2套管上；采用Y441-114封隔器或Y211-114丢手封隔器悬挂在直井段。目前已应用了110井次以上。,6 水平井防落物管柱,第二章 水平井作业技术,欠平衡钻井概念 欠平衡压力钻井是指在裸眼井段钻进过程中，允许地层流体进入井内，循环出井并在地面得到控制的一种钻井方式。该技术是80年代后期在美国德克萨斯州奥斯汀白垩系地层钻井时得以迅速发展起来的。目前，国外已能实现全过程欠平衡钻井和完井。,第三章 全过程欠平衡作业,欠平衡钻井的优越性 1.提高机械钻速 2.减少粘卡和漏失3.延长钻头寿命 4.正确评价储层 5.减少地层损害 6.解放油气层,国内外发展和应用现状,第三章 全过程欠平衡作业,国内外发展和应用现状,第三章 全过程欠平衡作业,国内从90年代中后期开始引进旋转防喷器等主要设备，进行欠平衡钻井研究和试验，取得很大进展和突破，创造了“磨溪速度”，胜利钻井院已能自主生产关键设备。国内全过程欠平衡钻井关键设备井下压力控制阀研制取得可喜进展。,磨溪地区欠平衡钻井速度与周期变化,国内外发展和应用现状,第三章 全过程欠平衡作业,全过程欠平衡作业技术是指在不压井条件下实现过井口密封装置带压进行钻井完井作业，主要包括：欠平衡钻进不压井带压起下钻柱不压井带压测井不压井下入完井管柱等。,全过程欠平衡作业技术,第三章 全过程欠平衡作业,全过程欠平衡作业两种方式,强行起下钻法,井下隔离法,井下隔离法采用井下隔离系统进行全过程欠平衡作业。井下隔离系统主要由井下套管阀、地面液压控制装置、管线束、各种附件等组成。套管阀的主要作用是隔离井下压力，改善欠平衡作业期间的起下管柱技术。,强行起下钻法是采用强行起下钻装置进行全过程欠平衡作业。主要作用是能够产生一定的力，克服井内压力对钻柱产生的上顶力。,第三章 全过程欠平衡作业,全过程欠平衡作业关键是套管阀以深的过胶芯不压井起下钻。起下钻的过程中要始终保持井底液柱压力不变，防止地层欠压值增大，造成大量油气进入井筒，增加井控难度。,全过程欠平衡作业-不压井带压起下钻柱,不压井下完井管柱的作业程序与下钻柱基本相同，但必须安装油管内防喷工具，并解决好油管座封和井口密封油管旋转防喷器。,全过程欠平衡作业-不压井下完井管柱,第三章 全过程欠平衡作业,带压测井时，注脂密封头密封滑动的电缆，注脂头需维修时，用电缆封井器密封电缆，可以更换或维修注脂头。,欠平衡带压测井井口密封装置,全过程欠平衡作业-不压井带压电测,第三章 全过程欠平衡作业,一.不压井作业工作原理二.不压井技术发展概况三.不压井作业主要技术四.不压井作业优势与应用领域,第四章 不压井作业技术,不压井作业是在带压环境中由专业技术人员操作特殊设备起下管柱的一种作业方法，油井不用泥浆压井，水井不放喷，在井口自封防喷器的控制下强行起下油(水)管柱。目前国外已经广泛适用于欠平衡钻井、注水井、负压射孔完井、分层压裂和修井等作业中。美国和加拿大90以上的油气井采用不压井作业，每年不压井作业达40005000井次。,第四章 不压井作业技术,1.桥塞或堵塞器控制管柱内的压力2.防喷器组控制油套环形空间的压力3.举升机和卡瓦组控制管柱，实现带压起下,一、不压井作业工作原理,1929年H C.Otis提出不压井作业思想，并利用一静一动双反向卡瓦组支撑油管，通过钢丝绳和绞车控制油管升降。1960 年C C.Brown 发明了液压不压井作业设备用于油管升降，成为独立于钻机或修井机的一套完整系统。1981年VC Controlled Pressure Services Ltd 设计出车载液压不压井作业机，使不压井作业机具有高机动性。目前不压井设备在国外已比较成熟，应用于陆地和海洋，全液压不压井作业机占主导地位，卡瓦和防喷执行机构实现电液远程控制；最高提升力2669KN，最大下推力1157KN；行程多以3m左右为主，最高作业井压140Mpa。,第四章 不压井作业技术,二、不压井技术发展概况-国外,60年代，曾研制过钢丝绳式不压井装置，它利用常规通井机绞车起下管柱，靠自封封井器密封油套环空。70年代末，大庆钻采院开发出橇装式液压不压井作业装置，可用于井口压力4Mpa的修井作业。80年代，吉林油田研制了车载式液压不压井修井机，可用于井口压力不高于6Mpa不压井修井作业。目前,不压井设备分独立式、机械辅助式、液压辅助式三类 独立运作型不压井作业机 与井架(或钻机)配合使用的不压井作业机 与液压修井机配合使用的不压井作业机,第四章 不压井作业技术,二、不压井技术发展概况-国内,三、不压井作业主要技术,第四章 不压井作业技术,3.1 不压井全过程 欠平衡钻井3.2不压井射孔作业 全通径射孔 锚定射孔 井口带压电缆输送射孔3.3 不压井修井作业,全通径射孔 使用全通径射孔器,可在负压条件完成油管输送射孔作业后自动将起爆器芯子、射孔弹碎屑、枪尾丢掉,使整个射孔枪串成为全通径完井生产管柱，无需压井取管柱便可进行生产测井、压裂酸化等作业,避免了射孔后取枪或丢枪带来的诸多问题。,第四章 不压井作业技术,三、不压井作业主要技术,锚定射孔 使用专用的模块式射孔枪和配套井口电缆防喷装置捞取射孔器。模块式射孔枪是指将入井的射孔枪分解成一段一段独立的模块式单元，以便射孔后能在防喷管高度范围内进行带压、分段捞枪，从而实现整个射孔过程的不压井作业。,锚定式射孔工艺流程,第四章 不压井作业技术,三、不压井作业主要技术,井口带压电缆输送射孔 应用井口高压、大直径防喷系统，选择大直径射孔枪，采用优质射孔液，可以在井筒压力等于或低于地层压力的情况下实现带压(负压)射孔作业，从而完全避免了正压射孔对油气层的伤害，提高了油气产率。同时,这种带压作业技术也适用于在井口带压情况下进行电缆输送桥塞及测井作业。,第四章 不压井作业技术,三、不压井作业主要技术,不压井修井 国外已有了较完善的不压井修井设备，例如由美国的HRL142型液压修井机。,四、不压井作业优势与应用领域,第四章 不压井作业技术,4.1 不压井作业技术优势 1.最大限度地保持产层的原始状态 2.提高产能和采收率 3.缩短施工周期，降低作业成本 4.安全、环保 4.2 不压井作业应用领域 1.气井作业 2.低渗油藏 3.孔隙裂缝型或显裂缝型储层 4.注水井作业 5.滩海和海上油气田,技术优势：有利于保护油气层、提高钻速占地少、成本低、效率高有利于提高单井产量和难动油挖潜,发展历程：1944年，起源于“海底管线”项目20世纪60年代至70年代末，发展缓慢20世纪80年代，斜焊工艺的出现使之焕发新的生机20世纪90年代以来，迅速发展起来,第五章 连续管与微小井眼作业,一、连续管作业,世界连续油管钻井数量,Source：Spears&Associates interview with service provider and operators,第五章 连续管与微小井眼作业,世界连续油管应用的分布（Source:Maurer Engineering Co.),第五章 连续管与微小井眼作业,世界连续油管作业机数量及分布,截至2005年1月共计连续油管作业机1182台。Source：Spears&Associates,Inc.,第五章 连续管与微小井眼作业,连续油管作业机,第五章 连续管与微小井眼作业,连续油管,连续油管制管材料：碳素钢调制合金钢其他材料，如钛合金,QT-800 3-1/2连续油管技术参数,第五章 连续管与微小井眼作业,注入头,新钻定向井，推荐值60000lb老井加深作业，推荐值40000lb最大承载150000 200000 lb1-3/4-in以上CT，鹅径管最小半径为72 in,第五章 连续管与微小井眼作业,卷筒,第五章 连续管与微小井眼作业,井控系统,Quad BOP配置：盲板剪切闸板带卡瓦的闸板闸板,第五章 连续管与微小井眼作业,控制室,监控所有连续油管作业监控全部井下信息和工具控制钻具组合的方向方位监控连续油管井控设备监控泵系统和地面钻井液体积监测记录油气井和连续油管的主要参数,第五章 连续管与微小井眼作业,连续油管用于水平井冲砂洗井,第五章 连续管与微小井眼作业,砾石充填,连续油管用于清垢解堵,第五章 连续管与微小井眼作业,连续油管多分支井修井作业,第五章 连续管与微小井眼作业,水力喷射压裂技术是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产措施工艺，利用一个带喷嘴的喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，并在地层中形成孔洞，随后的高速流体直接作用于孔洞底部，产生高于地层破裂压力的压力，在地层中造出一条单一的裂缝。,水力喷射水平井分段压裂,第五章 连续管与微小井眼作业,第五章 连续管与微小井眼作业,二、连续管钻井,经过10几年的发展，下列连续管钻井技术经济上可行：深度在3000ft（914m）内的新井钻井；对安全很敏感的钻井作业；过油管重入钻井；欠平衡钻井。,第五章 连续管与微小井眼作业,动态近平衡连续油管钻井欠平衡连续油管钻井连续油管小井眼水平井钻井连续油管在侧钻水平井中应用连续油管钻井在Kuparuk油田的应用CTD技术在稠油油藏中的应用,连续管钻井技术应用实例,1.开窗侧钻水平井,第五章 连续管与微小井眼作业,三、CTD技术应用前景,1994年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出微小井眼连续油管钻井（1-3/8”2-3/8”）的概念。2003年，美国能源部启动微小井眼（Micro Hole）连续油管钻井技术可行性研究计划（3-1/2”或4-3/4”）。2005年，美国能源部正式资助第二批微小井眼钻井技术研究计划，用三年的时间资助10个新的研究项目，总投资1450万美元，预期使新型微小井眼钻井技术能达到商业化应用水平。,2.微小井眼钻井,第五章 连续管与微小井眼作业,三、CTD技术应用前景,能够大大降低作业成本和对作业环境的损害 预计将降低勘探钻井成本1/3 预计将降低开发钻井成本1/2 预计将降低海上钻井成本59%21世纪油气钻井方法的一项革命性新技术 掀起能源安全新型钻井方式的浪潮 利用钻井手段和方法提高油气采收率的新途径 应用前景广阔，将会受到越来越多的关注与重视,第五章 连续管与微小井眼作业,三、CTD技术应用前景,一、简介膨胀管技术是近年发展起来的一项实用钻井完井作业技术，是将管柱(包括实体套管和割缝管)下到井底，以机械或液压方法，由上到下或由下往上，通过拉力或压力使管柱内径扩大的技术。可膨胀管是一种机械膨胀装置，靠液体压力推进，通过井下管件，在膨胀锥体或心轴推进的过程中经过冷拔一样的塑性变形达到扩大管径的目的。膨胀管分为实体膨胀管（SET）、膨胀割缝管（EST）和膨胀防砂管（ESS）三大类。,第六章 膨胀管技术,实体膨胀管技术是膨胀锥受压或受拉从管柱中穿过，使管柱内径永久胀大的技术，可用于3-1/2至13-3/8套管的膨胀，主要采用API标准套管。其膨胀率一般为10-30%。,1.实体膨胀管(SET)技术,第六章 膨胀管技术,2.膨胀割缝管（EST）技术,管体上有一系列交错排列且相互重叠的轴向割缝，比实体管易于胀开，一般来讲,其径向膨胀率为50%左右，轴向缩短率不到1%。,第六章 膨胀管技术,3.膨胀防砂管（ESS）技术,膨胀防砂管的外层割缝基管，有保护和支撑的作用；中间是化合物多层夹层，防砂管膨胀时，层间互相滑开；内层是割缝衬管。,第六章 膨胀管技术,目前实体膨胀管99%的施工进尺是由该公司实施的。截止2004年2月15日，该公司共为全球45家公司在215口井上进行了膨胀管商业应用，膨胀套管总计长度达230000英尺，各种膨胀接头5800个，成功率96%以上。,1999年推出可膨胀防砂筛管技术。迄今为止在现场应用中一直保持100%的成功率。目前已在欧洲、中东、亚太、拉美等的油气田广泛使用，应用最多的是裸眼井和需进行砾石充填的油气井。,膨胀筛管初步解决了井壁坍塌、防砂问题。1995年在阿曼的一口直井中首次成功应用，膨胀后撑开9m长的筛管。,膨胀管技术发展,第六章 膨胀管技术,二、可膨胀管的用途,实体膨胀管主要用于：封堵漏失层和高压水层；封隔破裂带；修补损坏套管和封堵已射孔套管；取代常规尾管悬挂器和尾管悬挂器封隔器达到保持井眼尺寸的目的，并提供良好的压力密封性能；常规套管的替代产品；,割缝膨胀管主要用于：封隔破碎带；膨胀防砂网作为一种新的完井手段，提高油井产量；,第六章 膨胀管技术,三、实体膨胀管工艺过程,三种可膨胀产品：裸眼尾管系统、下套管井眼尾管系统和可膨胀尾管悬挂器。底部是一个带有膨胀锥体的“发射装置”扩管锥，目前有两种：陶瓷和钢制成。目前最大膨胀率已超过20%，应用最多的4-1/4in到13-3/8in的管件，推荐膨胀率小于20%。,壳牌公司的研究人员估计，实体膨胀管技术在降低钻井成本方面具有很大的潜力，它可以将钻机场地缩小75%，钻井液减少20%，钻屑量减少50%，固井水泥减少50%。,可膨胀管钻井工艺过程示意图,第六章 膨胀管技术,四、可膨胀管技术应用实例,第六章 膨胀管技术,1999年11月，墨西哥湾大陆架首次应用可膨胀管技术。7-5/89-5/8可膨胀尾管，在枯竭油砂层钻成8-1/2扩大井眼，并下入7常规生产尾管，克服了使用常规技术，套管和井眼尺寸收缩较大的问题，同时降低了钻井成本。2004年Kerr-Mcgee公司首次下入开窗井膨胀管，在墨西哥湾9 5/8 套管中成功下下入7 5/8 x 9 5/8 裸眼尾管OHL系统。677米的OHL系统在窗口之下膨胀了599米。,南得克萨斯，为将几个压力衰竭油砂层隔开，并尽量使达到总深的井眼尺寸收缩最小，开展了可膨胀尾管试验。为了解决深水钻井边际利润低的问题，在墨西哥湾7790ft的超深水区，安装7-5/8in9-7/8in可膨胀尾管系统试验。,Weatherford可膨胀防砂筛管应用统计,第六章 膨胀管技术,Weatherford has expanded more than 22.5 miles of ESS screen in hundreds of jobs worldwide,including a record 4,920-ft ESS installation,四、可膨胀管技术应用实例,哈里伯顿公司的PoroFlex膨胀筛管一次起下双膨胀法用于多层作业。,Halliburtons PoroFlex Expandable Screen System offers dual expansion methods on the same trip with the same tool and has been used in multiple commercial wells with no failures of base pipe,screen or connections.,第六章 膨胀管技术,四、可膨胀管技术应用实例,Enventure公司的SlimWell小井眼设计与常规套管设计的对比,A SlimWell plan illustrates the telescoping effect it avoids,compared with a conventional well plan.,第六章 膨胀管技术,四、可膨胀管技术应用实例,Baker Oil膨胀管技术,The complete line of Baker Oil Tools expandable technology includes a multilateral junction system;liner extension,hanger and packer,casing cladding;expandable packer;and expandable sand screen.,第六章 膨胀管技术,四、可膨胀管技术应用实例,五、可膨胀管的发展前景,应用无缝膨胀管技术，可以花费比常规钻井费用低的钻井成本钻出较大口径的油井，减少了套管同心管柱的层数。上部井段套管的直径不需要比下部井段套管的直径大很多，在降低钻井成本和开发成本的同时增加油井产量。,目前，对无缝膨胀管研究正向单一口径井眼（MONOBORE）方向发展，即无缝膨胀管扩张后能从井口到目的层产生一个连续不变的内径，在整个井眼中出现同一尺寸的套管柱。,第六章 膨胀管技术,下图从左至右显示的是常规套管设计、目前可以实施的嵌套式可膨胀套 管设计和未来将要达到的单管井设计。显示了套管设计经历的标准型、小井眼、细型井和单管井的发展过程。,常规套管设计与膨胀套管设计比较,膨胀套管的发展示意图,第六章 膨胀管技术,一 绪论二 旋转射流处理地层增产增注三 磨料射流射孔与割缝高压水射流深穿透射孔旋转射流钻径向水平井高压射流定向喷射辅助压裂水力喷射分层分段压裂自激波动注水高油气比井射流增效,第七章 高压水射流增产作业,一、绪论 1.高压水射流技术概况60年代末70年代初，美国NSF资助了一项庞大的研究计划，旨在寻求一种高效的切割破岩方法，提出并试验了25种新方法，如电火花、激光、火焰、等离子体、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。,第七章 高压水射流增产作业,处理地层和增产作业旋转射流处理近井地层磨料射流射孔割缝高压水射流深穿透射孔旋转射流钻径向水平井高压射流定向喷射辅助压裂水力喷射分层分段压裂自激波动注水高油气比井射流增效,油气井工程高压喷射钻井技术提高射流井底效率新型高效射流研究水力和机械联合破岩超高压射流辅助钻井水力能量提高深井钻速,2.石油工程水射流技术,第七章 高压水射流增产作业,一、绪论,1.自振空化射流,根据瞬态流和水声学理论建立了流体自激振动调制机理和喷嘴设计理论模型，研究成功了新型高效自振空化射流，实验研究得出了各参数影响规律。,二 旋转射流处理地层增产增注,第七章 高压水射流增产作业,处理地层是稳产增产重要措施，物理法-振动和波清洁解堵降粘。首创高压旋转射流处理地层新技术，低频水力冲击、高频水力振荡、空化噪声超声波三种物理作用全方位处理地层，物理法处理地层技术突破性发展。全国13个油田应用1700多口油水井，平均单井增油20-30%，单井增注30-130%，有效率90%以上，工艺简单、成本低、无污染、效果显著。国家科技部重点成果推广计划项目。,2.处理近井地层技术与应用,二 旋转射流处理地层增产增注,第七章 高压水射流增产作业,常规炮弹射孔深度有限，难穿透污染带，且易产生压实带及二次污染。新井产能低，特别稠油、低渗油藏等更严重，高效开采和动用难度很大。磨料水射流（Abrasive Water Jet,简称AWJ）：在水射流中混入一定数量磨料微粒，磨粒质量大且锋利，切割能力比水射流大得多，2030MPa 即可切割金属和岩石。,利用高压磨料射流射孔原理，可射入地层约1.0米，穿透近井污染带，且松弛地层，大幅度提高射孔深度和质量，在产层创造出清洁的油气通道，避免炮弹射孔二次污染。磨料射流井下无污染射孔割缝增产，低渗油藏开采。,三 磨料射流射孔割缝,第七章 高压水射流增产作业,研究磨料射流切割套管和地层射孔割缝机理，实验得到磨料射流压力、排量、磨料、岩性、围压、时间等8个参数对射孔深度的影响规律，优化磨料射流射孔参数设计。实验结果表明：磨料射流在压力2122Mpa，时间8.59.5min条件下，套管上射孔直径达1011mm，天然砂岩上最大孔径3060mm，射孔深度可达到780 1000mm。,三 磨料射流射孔割缝,第七章 高压水射流增产作业,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，可以起到射孔解堵增产的双重目的。,1.不宜压裂井射孔增产2.低渗透地层改造3.水力喷砂割缝4.定向水力喷射压裂5.喷砂处理水泥塞和坚硬地层,三 磨料射流射孔割缝,第七章 高压水射流增产作业,利用高压水射流破岩钻孔原理，在生产层创造出较大深度的清洁无阻的油气通道，射孔深度达2.0-3.0米，孔径达14-25毫米，可有效克服近井地层污染，是新井完井、低渗改造有效新技术。工作压力：50-70 MPa 工作介质：清水或射孔液 喷嘴直径：2.0-3.0 mm 孔眼直径：14.025.0 mm 孔眼长度：2.03.0 m,四 高压水射流深穿透射孔,第七章 高压水射流增产作业,五 旋转射流钻径向水平井,研究新型高效旋转射流，使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（0.3米）的径向水平井网，使老井更新、死井复活，有效地开发稠油藏、薄油藏，大幅度提高原油采收率。,第七章 高压水射流增产作业,旋转射流具有三维速度，其能量集中在距射流轴心一定距离的圆环上。旋转射流综合运用剪切、拉伸、冲蚀和磨削等多种形式高效快速地进行破岩。利用旋转射流在喷嘴直径为6mm、压力为50-60MPa、岩石可钻性3-4级的条件下可以钻出直径120mm的连续孔眼，机械钻速可达10米/小时。该技术已在辽河、南阳、江苏等油田钻出6口超短半径径向水平井，水平井眼直径100-120mm，水平段长19.3m，取得了良好的增油效果。,五 旋转射流钻径向水平井,第七章 高压水射流增产作业,六 高压射流定向喷射辅助压裂,1 问题的由来,压裂改造是油气井特别低渗地层增产的主要措施。美国有30%原油产量是通过压裂获得的。低渗地层起裂压力较高，裂缝起裂位置及扩展方向难以控制，易水串水淹，直接影响着压裂施工成败，是国内外未解决的世界性难题。高压射流定向喷射辅助压裂：从分析射孔孔眼的应力分布入手，计算孔眼处水力裂缝的起裂压力、延伸压力，预测起裂位置和扩展方向，降低起裂压力，探讨射流定向射孔辅助压裂的可行性。得到国家863计划支持。,第七章 高压水射流增产作业,按最大拉应力破坏准则，井壁上某一个平面最大张应力达到井壁岩石的张性破裂压力（即抗张强度）时，就会在该平面起裂，逐渐延伸。让该最大拉应力等于岩石拉伸破裂应力，就可计算出破裂压力。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：,2 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展,六 高压射流定向喷射辅助压裂,第七章 高压水射流增产作业,3 水力定向射孔辅助压裂可行性,计算不同方向破裂压力可以看出，平行于最小水平主应力方向射孔，地层的破裂压力较大；平行于最大水平主应力方向射孔，地层的破裂压力较低，即沿着最大水平主应力方向射孔，有助于辅助压裂。,高压水射流定向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，而且喷射出来的孔道较深，可以控制压裂裂缝在近井筒地带的转向，在裂缝的扩展过程中起到导向孔作用，有利于产生单翼或双翼裂缝，为油田增产增注，特别是低渗透油藏开发提供一种有效手段。,六 高压射流定向喷射辅助压裂,第七章 高压水射流增产作业,水力喷射分层压裂（HJF）是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产措施，利用专用喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，形成孔眼，随后流体在孔眼底部产生高于破裂压力的压力，造出单一裂缝。,特别适合分段、分层作业，无须机械封隔。施工周期短、造缝位置准确、作业成本低。,第七章 高压水射流增产作业,七 水力喷射分层分段压裂,7.1 发展背景,优化压裂设计：设计模型由二维发展到全三维；压裂液体系设计与选择；压裂液与支撑剂的研究与筛选。监测与检测技术：施工参数的实时监测、裂缝延伸过程的实时监测与跟踪、压后裂缝几何形态的检测。裂缝缝高控制技术：用于薄层和弱阻挡层。压裂新技术：端部脱砂压裂技术、重复压裂技术、清水压裂技术。,第七章 高压水射流增产作业,七 水力喷射分层分段压裂,7.1 发展背景,封隔器分层压裂：单封隔器只能处理最下一层双封隔器、桥塞+封隔器、滑套封隔器可处理多层限流法分层压裂：层数不宜过多，各层压力差异不能过大。堵塞球和蜡球选择性压裂：可控制性差，产生无效裂缝的机率大，压裂液利用率低。砂塞、暂堵剂或液体胶塞：工序复杂、封隔效果不确定。共性问题：一般采用常规射孔，作业前需清孔，增加了起下 次数和成本，且射孔摩阻大。,第七章 高压水射流增产作业,七 水力喷射分层分段压裂,7.1 发展背景,HJF的目的：最初主要针对低渗透地层裸眼水平井的增产改造，降低作业成本、改善作业效果HJF的基础：高压水射流的发展与应用，特别是水力喷射射孔、割缝技术的应用，喷射系统耐磨、耐腐蚀能力的提高和高寿命喷嘴HJF的关键：准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂、成本低、风险小,第七章 高压水射流增产作业,七 水力喷射分层分段压裂,7.1 问题的由来,射孔过程：Pv+PhFIP，起裂射流卷吸井底液流产生的推进压力可达到约2.0MPa环空压力低于FEP，不会在井筒的其它部位产生新裂缝，也不会使先前产生的裂缝扩展。环空压力与推进压力叠加超过FEP，裂缝持续延伸调整环空压力，可适应不同地层压裂。射流在孔口抽吸作用，强化封隔效果。,控制环空流量保持合适的环空压力至为关键（补偿井眼漏失、补充裂缝、维持压力）,7.2 水力喷射诱导压裂机理,第七章 高压水射流增产作业,水力喷射时孔眼内速度及压力分布计算结果,套管壁上孔径10mm、喷射压力40MPa、孔眼最大直径100mm、孔深500mm 时孔眼内速度和压力分布。,7.2 水力喷射诱导压裂机理,第七章 高压水射流增产作业,套管壁上孔径15mm、喷射压力45MPa、孔眼最大直径100mm、孔深500mm 时孔眼内速度和压力分布。,水力喷射时孔眼内速度及压力分布计算结果,7.2 水力喷射诱导压裂机理,第七章 高压水射流增产作业,7.3 基本作业过程,工具入井定位油管内加压，射孔维持喷嘴压降、环空加压，孔内起裂、裂缝延伸回拉工具定位，第二段裂缝射孔、压裂重复4，完成多段压裂喷嘴压降：约30MPa环空压力：接近于FEP,1、2,3,4、5,第七章 高压水射流增产作业,7.4 国内外应用情况-国外2002年7月62口井的统计表明，截至当时，裸眼水平井内的应用最多，成功率较高。平均增产3060%，成本与单级压裂相当或稍高。,到2005年中期，水力喷射压裂技术应用超过130多口井。其中水力喷射射孔环空压裂技术HJP-AF应用超过45口井，平均增产4060%。使用1.75CT时总体作业参数见表：,第七章 高压水射流增产作业,2005.12.9进行水力喷射压裂分段改造首次试验，2段压裂靖安油田一口水平采油井，水平段长361.7m，套管固井完井，井眼方向垂直于最大主应力方向。改造效果不佳。开采时间长、地层能量亏空、液体漏失严重。,7.4 国内外应用情况-靖平1井,第七章 高压水射流增产作业,庄平3井为一口水平采油井，位于水平注水井庄平2与庄平5之间，井距120m，渗透率0.110-3 m2。该井采用水力喷射压裂技术进行分段改造。共压裂四段，分两次施工。平均日产纯油39m3，取得了良好的改造效果。,7.4 国内外应用情况-庄平3井,第七章 高压水射流增产作业,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,多种技术形式：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。,7.5 技术特点与应用前景,第七章 高压水射流增产作业,7.5 技术特点与应用前景不需封隔器和桥塞即可有效实施分段压裂；射孔压裂一体，可准确控制造缝位置、方位井底破裂压力低，无效裂缝少，可采用高砂比双流道作业；每段分别作业，规模缩小、周期短、成本低适应性广。适应裸眼水平井等多种井况，多种压裂方式可使用常规尺寸的CT实施压裂（1.52）,低渗透地层水平井作业 低渗透未动用储量的经济开采 老油田薄差油层开采 低成本分层