水力喷砂射孔压裂.ppt

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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三、现场施工工艺设计与应用四、应用推广和社会经济效益五、知识产权情况与查新报告六、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,压裂改造是低渗油气井增产主要措施 美国约40%油井、70%新气井压裂投产 直井分层水平井分段压裂是发展趋势 1998年，Surjaatmadja提出水力喷射压裂方法，并应用于水平井压裂,（1）机械分段压裂（2）限

2、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,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）,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38MPa 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,一

3、、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,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1020mm3.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,数模与物模对比,一、水力喷射分段压裂机理与参数,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）、

4、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

5、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

6、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 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

7、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,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,压力影响,排量影响,磨料类型影响,磨料粒度影响,一、水力喷射分段压裂机理与参数,5 水力喷射射孔参数优化,1530min,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：

8、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）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

9、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,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,滑套工具尺寸,5 套管不动管柱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

10、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，35MPa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、水力喷射压裂工具设计研制,施工工艺与参数,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、裂缝延伸第二段裂缝射孔、压裂重复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

11、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 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

12、。,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,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。

13、完井仅0.3104m3/d，压裂后测试天然气无阻流量16.1104m3/d，增产倍比达到50倍以上，高于邻井单层压裂11.4104m3/d的平均水平。,衬管裸眼完井水平井喷射分段压裂XS311H井,三、现场施工工艺设计与应用,常规钻井、套管完井，完钻井深2940.0 m，JS21难动用储量。投球滑套工具完成不动管柱水力喷射分3段压裂(2525-2527m、2695-2697m、2880-2882m)，规模120m3（分别为40m3、30m3、50m3）。完井仅0.2104m3/d，压裂后测试在油压17.5MPa、套压18.7MPa下配产3.2104m3/d，获天然气无阻流量4.3104m3/d

14、，增产倍比达到22倍以上，是邻井直井单层压裂效果的2.0倍。,套管完井水平井喷射分段压裂XS21-1H井,套管完井,由于井筒条件较差，封隔器分层压裂3次未能顺利座封。改造目的层为JS21、JS22、JS23层,不动管柱常规油管水力喷射分3段压裂,喷枪位置：2656m、2581m、2415m,分别完成40m3、30m3、35m3陶粒的施工在井口8.5MPa下测试天然气产量6.1104m3/d,三、现场施工工艺设计与应用,套管完井水平井喷射分段压裂CX601-2H井,X5-4-PB092井1960m,水平段746m,施工前产液11t/d，油2t/d，含水84.3%。2009年7月滑套水力喷射加砂压

15、裂三层，加砂120m3,油814t/d，是压裂施工前的47倍,含水降为45%。微地震监测,三段裂缝走向明显,均垂直裂缝,长50-101m,高14-29m.,套管完井水平井喷射分段压裂X5-4-PB092井,三、现场施工工艺设计与应用,大庆Z66-P21井2205m，套管139.7mm，施工前产油4.5t/d四级喷枪压裂4段：1538、1830、1951、2060m加砂量22323222108m3，产油8.5t/d，日增油4.0t,5 套管完井水平井喷射4段压裂Z66-P21井,三、现场施工工艺设计与应用,大庆杏13-55-平40井 1635m，套管139.7mm四级喷枪压裂5段：1546.4、

16、1466.4、1386.4、1306.4、1226.4m,5 套管完井水平井喷射5段压裂杏13-55-平40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,套管完井水平井喷射分段压裂W92-P2井,W92-P2井深3584 m，水平段290 m，经两次酸化、两次补孔作业未见效果，产液0.81.5t/d，油0.51.0t/d，含水40%58%。2009年8月5日水力喷射加砂压裂层（3496m），加陶粒砂20m3，重大突破。产液2530t/d，油1516t/d，是压裂前15倍，含水降为30%。,3层套管完井目的层实施水力喷射压裂试验,喷枪本体86mm420mm，扶正器外径92mm，安装

17、66.0mm的喷嘴组合；在常规射孔难以有效穿透的情况下该技术提供了一种新的增产途径；,图 压裂施工曲线,图 井身结构及喷射工具管串结构示意图,三、现场施工工艺设计与应用,开窗侧钻井、4套管完井，完钻井深3663.0 m，悬挂器深度3008.6m。完成水力喷射压裂1段施工(3565.8-3595.8m)，加陶粒26m3。压裂前无产量，压后自喷三天，含水95%，后转抽生产。,4套管水平井水力喷射压裂W13-C356井,三、现场施工工艺设计与应用,ND7-9井井深1900m。气举、全井段酸化、常规压裂（加砂47.9m3）后无产量。2009年6月30日关井。关井前日产液0.78m3，日产油0.55t。

18、对1480m、1503m层段拖动管柱喷射压裂，加入陶粒20.0m3和30.1m3，日产油14t。,衬管直井动管柱现场试验火成岩ND7-9井,三、现场施工工艺设计与应用,NDP2井是吐哈三塘湖割缝管水平井，割缝管长596m。施工前产液不足 2.0 m3/d。割缝管完井难以实施常规压裂。水力喷射分段加砂压裂，分别在2103-2105m、两层加陶粒18.1m3和17.8m3，日产油13-19m3，是压裂施工前6.5倍以上。,割缝管完井水平井喷射分段压裂NDP2、NP16-12井,三、现场施工工艺设计与应用,NP16-12压前日产液0.3m3，日产油0.1t。喷射压裂后日产液11.6m3，日产油9.7

19、t，日增油9t以上，不含水。,大邑7井为直井，井深5481m，喷射位置5410m喷砂阶段共用3.6m3，实际射孔时间24min，泵压稳定在63-64MPa，喷砂射孔顺利完成。,深井喷砂射孔现场试验西南油气田,三、现场施工工艺设计与应用,哈122H井为水平井，井深6996m，水平段587m，5寸套管完井四级喷枪压裂4段：6880.48m、6858.47m、6837.37m、6819.54m 整个施工持续近11小时，四段酸压共加入胶凝酸240m3，施工泵压55-70MPa，施工油管排量3/min，套管排量3/min井下工具工作正常，保证了施工的连续性。,深井水力喷射酸化压裂4段-塔里木油田,三、现

20、场施工工艺设计与应用,YM2-H26井不压井拖动喷射多段酸压现场试验,完钻井深6428.00m，垂深5897.70m，井温127.2 5”悬挂套管完井，长862m 水平段长564m4月14日4月18日，三级喷枪拖动共酸压七段，总注酸量618m3，喷砂9.4m3,喷射酸压工具实物图,三、现场施工工艺设计与应用,施工压力及停泵压力分析,实际油管排量2.602.64m3/min，套管排量0.801.10m3/min喷砂射孔油压：5465MPa喷射酸压油压：5868MPa，套压1927MPa,各层段停泵压力不同，说明各层段形成了有效的人工裂缝 储层级别越高，停泵压力越低，与测井解释结果相吻合,三、现场

21、施工工艺设计与应用,完钻井深:2245m 完钻垂深：1840m 水平段长：398m 压裂井段:1830-2205m 油层套管：51/2 压裂管柱：27/8,水平井不动管柱8段加砂压裂AE3P21,三、水力喷射压裂工具设计研制,图 井身结构及喷射工具管串结构示意图,油管排量2.6-3.4 m3/min，套管排量0.5-1.0 m3/min，油管压力40-50MPa，套管压力12-20MPa单枪最大过砂量45m3，8层共加砂340m3，使用原胶液2800m3AE3P15:单段（66.0mm喷嘴）过砂量55+257 m3,第一层,第二层,第三层,第四层,第五层,第六层,第七层,第八层,三、水力喷射压

22、裂工具设计研制,水平井不动管柱8段加砂压裂AE3P21,煤层气井水力喷射压裂H3-4-094井,施工井段为408.9416.5m/7.6m全部采用活性水作工作液（射孔液、携砂液、前置液、顶替液）喷砂射孔支撑剂2.3+2.7方喷砂射孔阶段，3.95 m3/min地面泵压47.8MPa压裂时（前置液阶段）油套排量分别为3.95 m3/min和 2.0m3/min，压力分别为51.3MPa和28.5MPa,三、现场施工工艺设计与应用,注：水平井97口，直井78口，斜井27口；油井174口，气井28口,四、应用推广和社会经济效益,水平井分段压裂方法对比,四、应用推广和社会经济效益,863课题验收评价,

23、中国石油报-吐哈,中国石化新闻网-中原,中国石化报西南分公司,石油商报-四川,四、应用推广和社会经济效益,国际合作与交流,美国IES公司Mr.Wayne Henderson水力喷射压裂技术交流,美国OKLAHOMA大学Shah教授完井和增产技术交流,在日本召开第九届环太平洋国际水射流会议上作完井与增产主题报告,日本大学清水诚二和彭国义教授关于高压水射流与磨料射流技术交流,四、应用推广和社会经济效益,应用前景,低渗透复杂油气藏高效开采技术,煤层气高效改造增产开采技术,海洋、海外复杂油气藏高效开采技术,四、应用推广和社会经济效益,五、知识产权情况与查新报告,（1）发表论文37篇，国际会议报告4篇，

24、特邀报告1篇,发表论文38篇，SCI、EI收录21篇美国Petroleum Science and Technology中国Petroleum Science石油勘探与开发石油学报等刊物4次在SPE、美国水射流WJTA、环太平洋国际水射流PRIC-WJT会议等报告2009 PRIC-WJT(日本)特邀报告 完井工程高等学校教材，2009水力喷射压裂机理与技术书稿2010,起领先作用played a leading part,独创性工作an original subject,（2）国家发明专利4项，计算机软件著作权登记4项,五、知识产权情况与查新报告,发明专利,软件登记,（3）查新报告主要结论,

25、五、知识产权情况与查新报告,委托教育部科学技术情报查新站，共查阅19822010年10个国内数据库，19502010年10个国外数据库共检索到相关文献50篇，密切相关文献3篇，一般相关文献9篇经分析对比，本课题研究内容系统、全面，研究范围广国内外未通过数值模拟和室内实验方法研究水力喷砂射孔与分段压裂机理 未见相关文献报道投球滑套式水力喷砂射孔压裂联作技术井下工具,六、结论与展望,运用数值模拟和实验研究手段，系统研究了水力喷砂射孔压裂机理。首次开展了水力射孔孔内压力与速度分布规律实验研究，揭示了射流孔内增压机理和水力封隔机理；首次开展了水力喷砂射孔参数影响规律实验研究，实验揭示了8个关键参数对水

26、力喷砂射孔效率的影响规律，得到了喷砂射孔参数最优范围，为水力喷砂射孔参数优化设计提供了依据；数值模拟和实验研究了射孔眼内射流压力和速度分布规律，以及射孔孔径、孔深、孔眼轴线和最大水平主应力夹角对起裂压力的影响；,研制成功了拖动管柱和不动管柱投球滑套式水力喷砂射孔压裂联作井下工具，建立了动管柱和不动管柱施工工艺，成功应用于直井、水平井、定向井等不同完井方式的油气井压裂改造，增产效果显著；水力喷射分层压裂集射孔、压裂、分段一体化，无须机械封隔，一趟管柱多段压裂，为低渗油气藏压裂改造提供了一种新型增产措施，丰富和发展了高压水射流和水力喷射压裂理论与技术。,六、结论与展望,六、结论与展望,1、不动管柱式水力喷射压裂技术已完成6-8级压裂改造，并取得较理想增产效果，单级喷枪喷嘴过砂量取得突破；2、改进后的适用于5 套管完井的10级压裂工具已加工完毕，准备现场试验；3、三层套管完井目的层成功实施水力喷射压裂，进一步拓展了此技术的适用范围；4、研制设计连续油管环空加砂压裂工具，准备现场试验。,谢谢欢迎批评指正,