2011水力喷砂射孔压裂联作技术研究与应用

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42006AA06A106-05国家863计划课题连续管技术与装备-射流增产技术研究5350774089国家自然科学基金项目高压水射流喷射压裂机理研究62005AA615020国家863计划滚动课题高压水射流辅助定向压裂技术22002AA615090国家863计划课题高压水射流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00.10.20.30.40.50.605001000150020002500环空压耗（MPa）井深（m）500L/min1000L/min1500Lmin2000L/min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Pa3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3～7mm、喷距在0～70mm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10～20mm3.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4.7％～20％。4mm喷嘴在入口压力为30MPa时，不同围压下，相差4.3％～20％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）、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σH夹角的增大，起裂压力增加；平行于σH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α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σH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0.7～1.0m，压实带二次污染小，为压裂创造良好井下环境国内60～70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010203040202530354045压力(MPa)射孔深度（cm）5分钟10分钟15分钟2022242628303234363840100150200250300排量（l/min）孔深（cm）5分钟10分钟5分钟10分钟2022242628303234051015时间（min）孔深（cm）石英砂石榴石23272622232425262728粒度深度实测线趋势线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、水力喷射分段压裂机理与参数5水力喷射射孔参数优化15～30min2021222324252627280%5%10%15%浓度深度（cm）5分钟10分钟0102030400102030时间（min)孔深（cm）25MPa30MPa35MPa40MPa45678910110510152025围压(MPa)深度(cm)泵压30MPa泵压39.5MPa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：28~35MPa磨料粒度选择：20~40目石英砂最优磨料体积浓度：6~8%最优喷砂射孔时间：10~15min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计研制滑套方案设计——5½″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——5½″套管八级喷枪名称第七级第六级第五级第四级第三级第二级第一级单向阀内孔60型滑套5046423834302622低密度钢球2.0～2.65549-4845-4441-4037-3633-3229-2825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50474441383532292622钢球55494643403734312825滑套工具尺寸5½″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4″～95/8″套管，～6000m井深材料和处理：喷嘴工作寿命6h以上地面泵压力：40～90MPa，排量：1.0～4.5m3/min施工层段数：1～10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，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30.32m3，单层喷压时间1～2h，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27/8”油管拖动喷射压裂2段，填砂50m3，工具寿命达６h，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、φ139.7mm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0.25mdAB新沙311HⅠ、Ⅱ类储量三、现场施工工艺设计与应用TitleSubtitleDescriptionDateTime(min)地面压力[油管](MPa)地面压力[环空](MPa)支撑剂浓度(kg/m?环空排量(m?min)携砂液排量(m?min)115.0188.0261.0334.0407.0480.00.0016.0032.0048.0064.0080.000.0016.0032.0048.0064.0080.0004008001200160020000.004.008.0012.0016.0020.000.004.008.0012.0016.0020.00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3.0～3.3m3/min，最高砂浓度700kg/m3，泵压65～76MPa，环空排量0.9～1.5m3/min。完井仅0.3×104m3/d，压裂后测试天然气无阻流量16.1×104m3/d，增产倍比达到50倍以上，高于邻井单层压裂11.4×104m3/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