水力喷砂分段压裂

1水力喷砂分段压裂技术中国石油长庆油田分公司二○一一年六月前前言言水力喷砂分段压裂技术起源于60年代末70年代初的水力喷砂射孔技术，作为增产技术的一种，前期仅应用于射孔领域，直到1998年，Surjaatmadja提出水力喷射压裂方法，水力喷砂开始延伸到压裂领域，形成了水力喷砂压裂技术，并应用于水平井压裂，改变了裸眼水平井不能压裂的历史，在国外应用了数千口井。2005年，以长庆油田为代表的国内油田开始引入水力喷射压裂工艺，针对射流增压、喷孔形态等关键理论认识，开展了大量物模实验，许多研究成果改变了传统理论认识，根据研究成果，长庆油田改进了水力喷砂压裂技术，在油田形成了水力喷砂与小直径封隔器联作拖动压裂技术，在气田形成不动管柱多级滑套水力喷砂压裂技术，至目前，在长庆油田应用了124口井，压后增产3倍以上，在长庆气田应用47口井，增产3-5倍，目前已成为油气田水平井改造的主体技术之一。2一、原理及主要做法二、关键工具及性能三、前期试验及认识四、近年技术研究与发展五、应用情况汇报提纲汇报提纲一、原理及主要做法31、水力喷砂分段压裂的技术原理？水力喷砂分段压裂技术是通过高速水射流射开套管和地层并形成一定深度的喷孔，流体动能转化为压能，在喷孔附近产生水力裂缝，实现压裂作业。由于喷孔内的压力要高于环空压力，喷射压裂具有自动隔离的效果。压力分布示意图P油P套P入P孔P围Pc（地应力）constPghv=++221伯努利方程：其中：—表流量—液体的局部压力ρ—液体的密度C—常量42、水力喷砂压裂的技术优势及适应性①可用于裸眼、套管完井等多种完井方式；②实现射孔压裂一体化；③在一定条件下，可以实现水力自动封隔；④一趟管柱可以进行多段压裂，施工周期短，有利于降低储层伤害；⑤工艺具有降破压功能，储层易压开。现阶段，水力喷砂分段压裂工艺具有以下主要适应性：（1）适用于新井改造；（2）完井方式上，可应用于裸眼完井、筛管完井、套管完井，油田主要应用于51/2“套管井，气田应用于41/2“套管井和6“裸眼井；（3）储层改造方式上，可应用于酸压或加砂压裂；（4）井深一般小于5000m。53、水力喷砂分段压裂施工工艺过程通井洗井下喷射工具射孔压裂下层反循环洗井拖动油管射孔压裂上层反循环洗井起管柱完井水力喷砂与小直径封隔器联作拖动压裂：不动管柱多级滑套水力喷砂压裂：通井洗井下喷射工具射孔压裂下层观察裂缝闭合投球打开滑套射孔压裂上层重复直至压完最后一层完井用合适尺寸通井规通井，并用活性水将井筒清洗干净。(1)通洗井其它要求：①试压：对套管试压，确保套管完好。②油管校深：由于油管伸长量计算误差较大，因此，需对油管进行校深作业(主要对直井段)，一般在油管传输测三样时进行校深（在直井段下入校深短节，通过GR校深）。6(2)压前准备按设计要求下入压裂施工管柱，并完成压裂设备、配液等施工准备。其它要求：①油管和环空两套注入系统。②套管闸门要求带旋塞阀：方便喷砂结束后快速关井。水力喷砂压裂系统地面组成示意图套管注入系统油管注入系统7•水马力(HHP)=•附加的备用泵(50%-100%）压力(psi)x排量(BPM)40.8③为保障足够的喷射排量和射孔阶段的连续，应合理选择压裂设备，施工前对每台设备进行检查。(3)压裂施工①正循环用压裂液基液替满井筒。②射孔：砂比8-10%的20-40目石英砂。③关闭套管旋塞。④第一段压裂作业：油管和套管按设计注入。8⑤停泵关井。⑥反循环洗井，上提管柱至第二个喷射位置。⑦按设计完成第二段压裂作业。⑧依次完成全部压裂施工，最后起管柱完井。二、关键工具及性能9万向节偏心定位器喷射器单流阀眼管堵头工具组成：万向节+偏心定位器+喷射器+喷射器+单流阀+眼管+堵头水力喷砂压裂工具示意图工具实物图眼管+堵头喷射器+单流阀万向节偏心定位器调整短节接头10喷射器水力喷砂射孔压裂中的核心部件，由喷射器本体和喷嘴组成。•产生高速射流，射开套管和地层，压开地层，实现射孔、压裂施工一体化；•根据储层特点，通过调整喷嘴位置、数量、大小可实现不同方位、不同施工排量、压力下的压裂施工；•提供高速射流，实现段间水力自动封隔功能。(1)喷射器喷射器是影响喷射效果和施工效率的关键部件。主要影响因素：Ø喷嘴流道形状Ø喷嘴直径Ø喷嘴布放方式Ø喷嘴材质Ø喷射器材质Ø喷射方式喷嘴螺旋布放时孔内流速分布图11(2)偏心定位器•可实现定方位射孔；•扶正作用，保证施工时各个喷嘴的喷距相同。偏心定位器示意图当液流以较高速度流经偏心定位器时，在压力作用下，由于两个内腔不同心，流体与内腔管壁交接处会出现旋流，产生向下的力，推动定位器旋转方向。(3)万向节•提高钻具在复杂井眼井中的通过能力，易于起下管柱；•与偏心定位器配合调整喷射方位，使之与设计方位一致；•钻具活动空间增大，提高管柱起钻解卡解堵的成功率。15°功能：在一定范围内在径向上和轴向上可以自由活动。12(4)单流阀单流阀示意图•保证射孔、压裂过程中油管中液体只从喷射器喷嘴中喷出；•进行反循环洗井。单流阀实物图(5)眼管眼管示意图反循环洗井过程中防止一些大杂物进入油管，堵塞喷嘴，另外，为反循环洗井提供更大的过流通道。13(6)堵头堵头实物图•下管柱时，起着导向作用；•封堵油管，保证反循环洗井过程中液体只从喷嘴和筛管通过。三、前期试验及认识14长庆油田区域分布图吴旗油田2006-2008年，照搬国外水力喷砂压裂的做法，在以吴420长6为代表的油田开展了早期的水力喷砂压裂现场试验，其中仅吴420井区完试16口井。水平段长度：300－500m改造段数：3-5段单段加砂量：25-35m3油管排量：1.8-2.0m3/min套管排量：0.6m3/min平均砂比：30-40%支撑剂：20-40目石英砂吴平14井井下微地震监测图151、水力喷砂分段压裂较高的施工效率和安全性得到了验证，坚定了发展该项技术的信心。125354.7020406080100120140填砂+液体胶塞机械桥塞(吴平10)水力喷砂施工周期（天）长庆油田不同工艺施工周期对比图•水力喷砂分段压裂平均施工周期4.7天，与长庆油田前期施工工艺相比，施工周期大幅降低。•施工过程顺利，无卡钻等安全事故发生。2、施工曲线显示，部分段破压显示不明显，分段的有效性是否存在不确定性？破压不明显破压明显破压明显破压不明显163、投产后，水平井平均稳定产量为6-10t/d，是周围对比直井的1.6-1.8倍，效益较低，是否发挥了水平井真实的潜能？吴420区水平井与对比直井投产效果图四、近年技术研究与发展17实现水力喷射压裂的认识关键：l射流能否增压，增压多大；l真实的喷孔形态；l水力喷射能否有效射孔。为解答前期现场试验的困惑，为工艺优化提供理论依据，开展了大量的室内研究。1、地面喷射实验及成像测井在镇217-17井进行了地面模拟试验，模拟水平井不规则井眼轨迹，套管底部向上倾斜，套管采用Φ139.7mm、壁厚9.17mm、材质采用P110，喷射器双喷嘴对称分布。18施工按压裂工矿模拟，套管射孔喷射排量0.6m3/min，水力喷射时间1分30秒套管瞬时射开，压裂模拟排量0.8－1.0m3/min，砂比15％－30％，加砂13m3。射孔压裂后套管射开孔径22－24mm。试验后试验后试验前路平*第三段1477成像路平*第四段1434成像路平*第五段1394成像路平*第六段1320成像在路平2井进行了MIT成像测井，表明套管全部射开。192、水力喷射大物模实验1998年以前，美国俄克拉荷马大学、中国石油大学等少数研究机构开展过水力喷射喷孔形态的研究，前期理论认识为椭圆形。2008年长庆油田，改进了前期物模试验中试验靶件较小，与实际施工参数不符等弊端，开展了实际矿场条件下的水力喷射物模实验。实验思路p岩性的针对性：与地层对应的长6露头岩样靶p设备与工具的一致性：与现场施工相同的地面设备、喷射器p参数的一致性：与现场施工基本一致的试验参数（排量、泵注程序、时间）p完整的解剖：得到真实的孔形结构与参数20采集岩样制作靶件岩样靶1700mm×1700mm×1900mm实验条件确定采集了与地层对应的岩样露头，并制作了靶件。①露头岩样制作靶件②喷射工具和施工参数与现场施工相符③套管尺寸、钢级、固井方式、水泥环厚度与目前完井方式一致④入井材料采用长庆油田实际用料⑤采用一套2000型压裂机组实验基础数据井口：350型基液：胍胶浓度0.4%环空承压：15MPa油管承压：50MPa砂浓度：150kg/m3喷射用砂：20-40目石英砂水泥环：厚度50mm，采用G级油基水泥套管：J55-7.72-5.5〞21靶件浇注座井口、连管线讨论实验方案实验过程中靶件起裂刺水喷孔形态呈纺锤形孔眼形状呈剑形孔道，射孔深度成倍增加，最长达354mm。新认识喷孔形态得到了重新认识，为水力喷射参数优化提供了重要的研究基础。靶件起裂前：前期理论认识为椭圆形靶件产生裂缝后：水力喷射喷孔具有孔眼直径大，无压实带的特点。实验结果与认识223、室内物模实验水力喷射压裂依靠射流增压来实现分段改造，这种增压现象前期有很多的定性认识，但定量认识很少。长庆油田在2007年-2010年采用室内物模的方法，对孔内增压值进行了测量。实验台架的建立23•孔眼形状：40-60-40（纺锤形孔径）•孔深150mm•套管壁面孔眼直径：15mm、23mm•围压：10-20MPa•设置泄压阀，模拟地层滤失•孔眼壁面上传感器布置间距20mm左右建立了基于真实喷嘴和喷孔形态的试验装置。射流增压研究因素：•喷射速度•围压•喷距•喷嘴直径•套管开孔直径•孔眼方向……实验内容在不同喷嘴参数和工况组合条件下，研究水力喷射对孔眼内增压的影响。24l室内首次发现了环空低压区，进一步验证了水力喷射可以实现增压，射流速度是影响增压效果的关键因素。实验结果与认识l在目前工矿条件下，水力射流可实现4-10MPa的增压，从而保证分段压裂的实现（不会重复压开已压裂段）。234567891011100120140160180200220喷嘴喷射速度（m/s）孔内增压（MPa）4、发展形成了两项主体技术结合油气田特点，研究形成了油田水平井和气田水平井两项主体技术。油田水平井：水力喷砂与小直径封隔器联作拖动压裂技术管柱结构：喷砂器＋小直径封隔器＋单流阀＋眼管＋堵头技术指标：耐压60MPa、耐温90℃、工作套管内径51/2″气田水平井：不动管柱多级滑套水力喷砂压裂技术管柱结构：液压安全接头＋多级喷砂器＋多级工作筒＋眼管＋堵头技术指标：耐压70MPa、耐温120℃、工作套管内径41/2″喷砂器小直径封隔器单流阀眼管堵头多级喷砂器多级工作筒液压安全接头25(1)水力喷砂与小直径封隔器联作拖动压裂技术技术关键点1：针对射流增压局限性，研制了小直径封隔器，提高了封隔有效率，为在油田不同类型的储层推广应用提供了条件。通过封隔器实现封隔有效性的“双保险”，其主要结构包括上接头、中心管、胶筒座、胶筒、滤网套及下接头。1－上接头；2－密封圈；3－上胶筒座；4－中心管；5－胶筒；6－下胶筒座；7－密封圈；8－滤网内套；9－滤网外套；10－下接头30587053052.365.44305261.23304855.323045511稳压时间（min）套压（MPa）油压（MPa）序号油井90，气井120工作温度（℃）58工作压差（MPa）1.5启动压力（MPa）40内径（mm）105外径（mm）0.9长度（m）K344-105小直径封隔器技术参数机械封隔器抗压、密封能力试验数据表26罗平8井长8第四段压裂施工曲线S&S-20002009-5-4Time(min)Dischargerate[m3/min]Proppant[kg/m3]Tubingpressure[Mpa]Casingpressure[Mpa]0.029.058.087.0116.0145.00.002.004.006.008.0010.000300600900120015000.0014.0028.0042.0056.0070.000.0014.0028.0042.0056.