05-李根生-水平井水力噴射壓裂技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)

1、水平井水力噴射分段壓裂技術(shù)研究與試驗(yàn),李根生中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2009年5月,匯報提綱,一、前言二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù) 水力噴射分段壓裂機(jī)理 管內(nèi)和環(huán)空水力參數(shù)計算 孔眼壓力分布數(shù)模與物模 水力射孔孔眼應(yīng)力與起裂 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)三、水力噴射分段壓裂工具研制四、現(xiàn)場施

2、工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn)五、結(jié)論與展望,,,1.1 問題的由來,壓裂改造是油氣井特別低滲增產(chǎn)的主要措施，占石油儲量25～30%產(chǎn)能由壓裂增產(chǎn)。美國約40%油井、70%新氣井是壓裂投產(chǎn)。世界范圍內(nèi)，壓裂增產(chǎn)比例越來越高。 低滲起裂壓力和驅(qū)動壓力高,裂縫起裂位置及擴(kuò)展方向難以控制，直接影響壓裂效率和成功率，世界性難題。國家863計劃支持，水力射孔應(yīng)力分布、起裂壓力、擴(kuò)展方向、射流定向射孔/分段壓裂研究，水平井快速發(fā)展，開采不同類型油氣藏（

3、氣頂/底水/稠油/裂縫等）已逐步大量應(yīng)用，國外公司都在研究水平井分段改造、完井工具。自主的水力射孔/分段/壓裂一體化技術(shù)。,,一、前 言,一、前 言,,60年代末70年代初，美國NSF資助了一項(xiàng)龐大的研究計劃，尋求一種高效的切割破巖方法，提出并試驗(yàn)了25種新方法，電火花、激光、火焰、等離子體、電化學(xué)、高壓水射流等，最后一致公認(rèn)最可行有效的是高壓水射流破巖方法。高壓水射流技術(shù)是近二、三十年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，正越來越廣泛地應(yīng)用于

4、煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工業(yè)部門，用以清洗、除垢、切割、破巖等，提高工效，降低成本，減輕勞動強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。近年來，出現(xiàn)超高壓射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流等新型射流技術(shù)。,一、前 言,油氣井工程一.提高射流井底效率二.自振空化射流鉆頭鉆井三.水力脈沖空化射流鉆井四.超高壓射流輔助破巖鉆井五.旋轉(zhuǎn)射流鉆徑向水平井六.連續(xù)管洗井與小井眼鉆井七.煤層氣與儲氣庫洞穴技術(shù),完井和增產(chǎn)處理八

5、. 旋轉(zhuǎn)射流處理近井地層九. 磨料射流射孔割縫增產(chǎn)十. 高壓水射流深穿透射孔十一.水力噴射定向/分層壓裂十二.水力噴射深穿透水平井十三.水平井旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井十四.自激波動注水技術(shù)十五.高油氣比井射流增效,,1998年，Surjaatmadja提出水力噴射壓裂方法，并應(yīng)用于水平井壓裂。,,（1）機(jī)械分段壓裂（2）限流法分段壓裂（3）砂塞、暫堵劑或液膠塞 （4）水力噴射分段壓裂 減少施工風(fēng)險、降低傷害、 提

6、高施工可控性,特別適合分段、分層作業(yè)，無須機(jī)械封隔。準(zhǔn)確造縫、有效隔離、一趟管柱多段壓裂。,水力噴射分段壓裂 (HJF) 是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產(chǎn)措施，專用噴射工具產(chǎn)生高速流體穿透套管、巖石，形成孔眼，孔眼底部流體壓力增高，超破裂壓力起裂，造出單一裂縫,一、前 言,1.1 問題的由來,控制環(huán)空流量保持合適的環(huán)空壓力至為關(guān)鍵（補(bǔ)償井眼漏失、補(bǔ)充裂縫、維持壓力）,射孔過程：Pv+PhFIP，起裂 射流卷吸井底液流產(chǎn)生的推進(jìn)壓

7、力可達(dá)到約2.0MPa 環(huán)空壓力<FEP，井筒其它部位不起裂也不會使先前的裂縫擴(kuò)展。環(huán)空壓力與推進(jìn)壓力疊加超過FEP，裂縫持續(xù)延伸 調(diào)整環(huán)空壓力，適應(yīng)不同地層壓裂射流孔口抽吸作用，強(qiáng)化封隔效果,,1.2 水力噴射分段壓裂機(jī)理,一、前 言,1.3 國外應(yīng)用概況2002年7月62口井統(tǒng)計，裸眼水平井應(yīng)用多，成功率較高。 平均增產(chǎn)30～60%以上，成本與單級壓裂相當(dāng)或稍高。,到2005年中，應(yīng)用超過130多口井。其中水力噴射

8、環(huán)空壓裂HJP-AF超過45口，平均增產(chǎn)40～60%。使用1.75CT參數(shù)：,,一、前 言,匯報提綱,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù) 水力噴射分段壓裂機(jī)理 管內(nèi)和環(huán)空水力參數(shù)計算 孔眼壓力分布數(shù)模與物模 水力射孔孔眼應(yīng)力與起裂 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),,射孔過程流場速度矢量,壓裂過程流場速度矢量,2.1 水力噴射分段壓裂機(jī)理,,二、水力噴射分段壓

9、裂機(jī)理與參數(shù),噴射排量和射流沖擊力計算 管內(nèi)流體壓降損失計算 環(huán)空流體壓降損失計算,2.2 管內(nèi)和環(huán)空水力參數(shù)計算,,不同排量環(huán)空壓耗與井深關(guān)系曲線,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,2.3 孔眼內(nèi)速度及壓力分布計算,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),1. 噴嘴直徑在3～7mm、噴距在0～70mm內(nèi)調(diào)節(jié)；2. 模擬孔眼長度在600mm內(nèi)有級調(diào)節(jié)，每級長度40mm，套管孔徑10～20mm3. 可測量孔眼壁面壓力和軸心壓力隨噴嘴壓力、

10、排量、噴距、直徑、圍壓等分布 4. 還可模擬“環(huán)空加液、射孔裂縫滲流”物理過程。,,2.4 孔眼內(nèi)速度及壓力分布實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,2.4 孔眼內(nèi)速度及壓力分布實(shí)驗(yàn),數(shù)模與物模對比,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,2.5 水力射孔孔眼應(yīng)力分布,,1 水力射孔孔眼應(yīng)力分布模型 假設(shè)地層為均質(zhì)、各向同性、線彈性體，水力射孔井壁上的三個主應(yīng)力分量為：,,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,1 裂縫起裂和擴(kuò)展模型,,最大

11、拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，井壁某平面最大張應(yīng)力達(dá)到井壁巖石張性破裂壓力（抗張強(qiáng)度）時，就會在該平面起裂，逐漸延伸，依此可計算破裂壓力。孔眼井壁上局部主應(yīng)力最大值為：,拉伸區(qū)內(nèi)裂縫以角度γ方向擴(kuò)散：,,2.6 水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴(kuò)展,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),RFPA（Rock Fracture Process Analysis）軟件 水平井中不同射孔參數(shù)、加載速度、地應(yīng)力等條件下壓裂時的起裂壓力變化規(guī)律以及裂縫擴(kuò)展情況；改變孔眼直

12、徑、孔眼長度、孔眼軸線和最大水平主應(yīng)力夾角、壓裂液加載速度、垂直/水平應(yīng)力比值,2 定向噴射對起裂壓力影響數(shù)值模擬,,2.6 水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴(kuò)展,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,3 水力射孔直徑和深度對起裂壓力影響,孔徑越大，泵注排量越大，孔內(nèi)流動阻力減小，起裂壓力降低射孔長度增大，有利于裂縫沿射孔方向延伸和擴(kuò)展，且裂縫延伸壓力降低。,2.6 水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴(kuò)展,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,4 定向噴射角度

13、對起裂壓力影響,隨射孔方向與最大水平主應(yīng)力方向夾角的增大，起裂壓力增加；平行于最大水平主應(yīng)力方向射孔，破裂壓力最低，有助于輔助壓裂。,2.6 水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴(kuò)展,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),2.7 定向噴射對起裂壓力影響實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,,1. 實(shí)驗(yàn)裝置和方法,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,,起裂壓力隨射孔直徑和射孔深度增加而降低，射孔深度由30mm變到50mm，起裂壓力由29.21MPa降到2

14、5.77MPa，下降11.8％。,2.7 定向噴射對起裂壓力影響實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),起裂壓力/時間--夾角α,2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,隨α角增加，起裂壓力和起裂時間都隨之增加，且改變α角時，裂縫總是在射孔端部開裂、擴(kuò)展，從而避免裂縫在近井地帶轉(zhuǎn)向。,,隨α角由900降到00 ，起裂壓力由30.2MPa下降到25.8MPa, 降低4.4MPa，降幅14.5%,2.7 定向噴射對起裂壓力影響實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù)

15、,,3. 地面實(shí)驗(yàn)觀察,定向水力射孔容易實(shí)現(xiàn)射孔方向與最大水平主應(yīng)力方向一致，降低破裂壓力和裂縫延伸壓力，控制裂縫在近井地帶轉(zhuǎn)向，起導(dǎo)向孔作用，有利于產(chǎn)生單翼或雙翼裂縫，特別為低滲改造、提高壓裂效率和成功率提供有效手段。,2.7 定向噴射對起裂壓力影響實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,,,,,,磨料射流原理，切割套管和射孔0.7～1.0m，穿透污染帶，松弛地層，避免二次污染,為壓裂創(chuàng)造良好井下環(huán)境。國內(nèi)60～70年代拉絲模水力噴

16、砂射孔。機(jī)理、參數(shù)、噴槍結(jié)構(gòu)材質(zhì)、工藝優(yōu)化,,2.8 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),高壓純水射流切割鋼鐵和鋼筋混凝土等，壓力極高，700～1000MPa。磨料水射流（AWJ）：在水射流中混入一定數(shù)量磨料微粒，磨粒質(zhì)量大且鋒利，20～30MPa 即切割金屬。,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,,,,,,,根據(jù)水動力學(xué)動量-沖量原理，固體顆粒受水載體加速，高速沖擊套管和巖石，產(chǎn)生切割作用。,,2.8 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分

17、段壓裂機(jī)理與參數(shù),,,,,,,,影響因素,流體參數(shù) 射流壓力 噴嘴直徑 噴嘴型式 射流功率 流速 流量 流體性質(zhì) 射流反沖力 磨料參數(shù) 磨料類型 磨料流量 磨料粒度 混合管直徑,工況參數(shù) 進(jìn)給速度 靶距（噴距） 流道數(shù) 入噴射角 切割體積 切深或切寬 比能 靶件參數(shù) 靶件強(qiáng)度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件滲透率,,1. 壓力2. 排量3. 磨料類型4. 磨料濃度5. 磨料粒度6.

18、 巖性7. 圍壓8. 時間,實(shí)驗(yàn)參數(shù),,,2.8 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,,,,,,,實(shí)驗(yàn)裝置與方法,高壓泵組,磨料射流實(shí)驗(yàn)裝置,,2.8 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,0.4-0.6mm,壓力影響,排量影響,磨料類型影響,磨料粒度影響,2.8 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn),二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,,,,,,,,15～30min,2.8 水力噴射射孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

19、,二、水力噴射分段壓裂機(jī)理與參數(shù),,三、水力噴射壓裂工具設(shè)計研制,（1）噴射壓裂工具整體方案設(shè)計（2）滑套設(shè)計研制 1）滑套結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料優(yōu)選、研制加工 2）各級滑套與噴槍本體之間滑動密封設(shè)計（3）噴槍噴嘴及防濺體設(shè)計研制 1）噴槍本體結(jié)構(gòu)設(shè)計研制 2）噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計、布置方案、材料與加工 3）防濺體參數(shù)設(shè)計與加工（4）單向閥、扶正器、多孔管等配套附件（5）二級滑套銷

20、釘連接方案設(shè)計 1）滑套和噴槍銷釘連接方案設(shè)計 2）銷釘材料優(yōu)選及加工,噴射器本體,,三、水力噴射壓裂工具設(shè)計研制,本體總長660mm、最大外徑108mm，適用于51/2“ ～95/8“套管每級噴槍6～8只噴嘴，噴嘴直徑 5.0～6.0mm，相位角60°材料和處理：噴嘴工作壽命6h以上。,拖動式噴射器,滑套式噴射器,,三、水力噴射壓裂工具設(shè)計研制,工具串組成,施工工藝與參數(shù),工具入井定位油管內(nèi)加壓

21、，射孔維持噴嘴壓降、環(huán)空加壓，孔內(nèi)起裂、裂縫延伸第二段裂縫射孔、壓裂重復(fù)4，完成多段壓裂,自主工具工藝完成12井次現(xiàn)場試驗(yàn)井型：直井、水平井、定向井，油井、氣井完井：套管射孔、割縫篩管、裸眼管柱：油管、連續(xù)管，拖動管柱與滑套不動管柱自主：參數(shù)軟件、井下工具、工藝設(shè)計,,四、現(xiàn)場施工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),BQ110井深2250m，因產(chǎn)量低關(guān)井停產(chǎn) 2007年7月27日首次應(yīng)用2”連續(xù)管水力噴砂逐層壓裂、

22、一天成功連續(xù)壓裂3層。 試驗(yàn)層位1105m延續(xù)到749m，3層共加入陶粒30.32 m3，單層噴壓時間1～2h，工具壽命達(dá)６h，作業(yè)跨度達(dá)到365m。施工后，第二天排液140m3，之后產(chǎn)氣量8,000m3/d，已穩(wěn)產(chǎn)１年，壓裂效果顯著。,直井分層壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)—BQ110井,,四、現(xiàn)場施工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),GA002-H9垂深1700m，水平段500m，用2 7/8”油管拖動噴射壓裂2段，填砂50 m3，工具壽命達(dá)６h，日產(chǎn)氣由8,

23、000m3/d 增加至70,000m3/d。工具和工藝試驗(yàn)取得成功，壓裂增產(chǎn)效果顯著。,水平井動管柱現(xiàn)場試驗(yàn)—GA002-H9井,,四、現(xiàn)場施工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),GA002-X68井是新完成的一口定向井，井深2430m，井斜角430，該井地層低孔低滲，孔隙度僅3.6% ～10%。用2 7/8”油管下入滑套式噴射壓裂工具，噴射壓裂2段，單層填砂50 m3，單層打液約500 m3 ，單層施工時間2～3h。水力射孔、投球打開滑套、分層

24、壓裂按設(shè)計要求施工順利，工具和工藝試驗(yàn)取得成功。,定向井不動管柱現(xiàn)場試驗(yàn)—GA002-X68井,,四、現(xiàn)場施工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),,四、現(xiàn)場施工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),牛東平2井是吐哈三塘湖盆地一口割縫管開發(fā)井，井深2404m，水平位移996m，割縫管長度596m。氣舉投產(chǎn)后供液不足，日產(chǎn)液不足 2.0 m3/d。技術(shù)難題。 實(shí)施水力噴射分段加砂壓裂，采用石英砂射孔、陶粒作為支撐劑，分別加入陶粒18.1m3和17.8m3，對 2103-2

25、105m、1989.6-1991.6m兩層段進(jìn)行水力噴射加砂壓裂，取得成功，日產(chǎn)油13-19m3，是壓裂施工前的6.5倍以上。,割縫管水平井噴射分段壓裂－牛東平2井,,四、現(xiàn)場施工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),XS311H井，川西新場構(gòu)造井水平開發(fā)井，完鉆井深3010m，水平段長326.7m，襯管完井后，替噴測試排液困難。水力噴射分段加砂壓裂投產(chǎn)改造，100m3陶粒分三段壓裂成功，日獲天然氣無阻流量16.1萬m3。川西水平井不動管柱分三段水力噴

26、射加砂壓裂首獲成功，壓后增產(chǎn)效果十分顯著，成為工業(yè)氣井。,襯管完井水平井噴射分段壓裂－XS311H和CX601-2井,,四、現(xiàn)場施工工藝設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn),大牛地水平井噴射分段壓裂－DP5井山2層,鄂爾多斯盆地大牛地氣田水平開發(fā)井，在2086m和3070m分兩段壓裂。,大牛地直井噴射分段壓裂－D66-63和D66-64井,D66-63井2820 、2689 、2550m三段壓裂成功，加砂60m3 。 D66-64井2807 、2686 、

27、2663 m三段壓裂成功，加砂54m3 。,大慶直井噴射分段壓裂－葡扶172-532井2008年12月21日，大慶葡扶172-532井1650、1531、1510m三層，實(shí)施拖動管柱式水力噴射分段壓裂成功，共加砂40m3 。,,,五、結(jié)論與展望,水力噴射分層壓裂集射孔、壓裂、分段一體化，無須機(jī)械封隔，造縫準(zhǔn)確、有效隔離、一趟管柱多段壓裂，新型增產(chǎn)措施； 建立噴砂射孔參數(shù)優(yōu)化范圍，磨料射流射孔穿透污染帶，提高射孔深度和質(zhì)量，避免二次污

28、染，改善壓裂孔眼環(huán)境； 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了射孔孔徑、孔深、孔眼軸線和最大水平主應(yīng)力夾角、壓裂液加載速度、垂直/水平應(yīng)力比值對起裂壓力和裂縫擴(kuò)展的影響，探討了水力定向射孔輔助壓裂可行性； 研制成功自主產(chǎn)權(quán)水力噴射分段壓裂工具，建立了動管柱和不動管柱施工工藝，直井、水平井現(xiàn)場試驗(yàn)12井次取得成功； 發(fā)展深井超深井水力噴射壓裂、碳酸巖地層水力噴射分段酸壓技術(shù)。,應(yīng)用擴(kuò)展： 裸眼井、套管井或襯管井，油井、氣井 水

29、平井、大斜度井、分支井或垂直井,多種形式：基本型：支撐劑壓裂，壓裂液流經(jīng)噴嘴，環(huán)空無固相。環(huán)空流量為管柱流量30～50%。作業(yè)管柱可用鉆桿、油管、CT。酸化壓裂：壓裂液為酸液，環(huán)空可是液體，也可CO2、N2。水力噴射大排量清水壓裂：每一段實(shí)施多組射孔形成多個裂縫；低壓大排量低固相壓裂液經(jīng)環(huán)空泵入。水力噴射射孔環(huán)空壓裂（HJP-AF）：射孔造縫完成后，低壓大排量壓裂液經(jīng)環(huán)空泵入，CT作為測試管柱。,,應(yīng)用前景,五、結(jié)論與展望,,油