1、2011-8-29 1 水力喷射分段压裂技术研究与应用 China University of Petroleum 水力喷射压裂技术交流 水力喷射分段压裂技术研究与应用 及*井水力喷射压裂设计 中国石油大学(北京) 2011年06月 一、水力喷射分段压裂机理与参数 一、水力喷射分段压裂机理与参数 提纲 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 三、现场施工工艺设计与应用 三、现场施工工艺设计与应用 四、 四、* *井水力喷射压裂设计 井水力喷射压裂设计 五、结论 五、结论2011-8-29 2 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 特别适合分段 分层作业
2、无须机械封隔 水力喷射分段压裂 (HJF) 是集 射孔、压裂、隔离一体化的增产 措施，无需封隔器、一趟管柱即 可实现多段压裂 特别适合分段、分层作业，无须机械封隔 准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂 减少施工风险、降低伤害、提高施工可控性 射孔过程：Pv+PhFIP， 裂缝持续延伸，适应不同地层压裂 射流抽吸引射作用，强化封隔效果 控制环空流量保持合适环空压力至为关键 补偿井眼漏失、补充裂缝、维持压力 防止地层吐砂，降低施工风险 控制环空压力分层压裂 射流抽吸引射作用，强化封隔效果2011-8-29 3 喷射排量和射流冲击力计算 2 管内和环空水力参数计算 一、水力喷射分段压裂机理与参数 管
3、内流体压降损失计算 环空流体压降损失计算 0.3 0.4 0.5 0.6 耗（MPa） 500 L/min 1000 L/min 1500 Lmin 2000 L/min 调整排量，精确控制Pv和Pa 0 0.1 0.2 0 500 1000 1500 2000 2500 环空压耗 井深（m） 不同排量环空压耗与井深关系曲线 不同排量环空压耗与井深关系曲线 3 孔眼内速度及压力分布数模与实验 一、水力喷射分段压裂机理与参数 数值模拟 室内实验2011-8-29 4 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-结果分析 4mm喷嘴在入口压力为25MPa时，不同 围压
4、下，相差4.720。 4mm喷嘴在入口压力为30MPa时，不同 围压下，相差4.320 一、水力喷射分段压裂机理与参数 （1）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 实验装置示意图2011-8-29 5 一、水力喷射分段压裂机理与参数 （1）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，孔深由30mm变到50mm，起裂压力由 29.21MPa降到25.77MPa，下降11.8。 角由90 0 降到0 0 ，起裂压力由30.2MPa降到25.8MPa
5、, 降低4.4MPa(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）对起裂影响地面试验 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展丝堵 接泵车 定向水力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，控制裂缝在近井地带转向，起导向孔作 用，有利于产生单翼或双翼裂缝，特别为低渗改造、提高压裂效率 和成功率提供有效手段。 丝堵 喷枪 油管 套管 水泥靶 丝堵 返排管线2011-8-29 6 流体参数 射流压力 工况参数 进给速度 5 水力喷射射孔参数优化实验 一、水力喷射分段压裂机理与参数 影 响 因 素 射流压力 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率
6、流速 流量 流体性质 射流反冲力 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 1. 压力 2. 排量 3. 磨料类型 4. 磨料浓度 5. 磨料粒度 6. 岩性 实 验 参 数 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 比能 靶件参数 靶件强度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件渗透率 7. 围压 8. 时间 实验装置与方法 5 水力喷射射孔参数优化实验 一、水力喷射分段压裂机理与参数 高压泵组 喷嘴 磨料射流实验装置 磨料加砂系统 磨料加砂系统 岩样2011-8-29 7 一、水力喷射分段压裂机理与参数 最优喷嘴压降：2835MPa 5 水力喷射射孔参
7、数优化 20 30 40 度（cm ） 5分钟 压 力 最优喷嘴压降 磨料粒度选择：2040目石英砂 最优磨料体积浓度：68% 最优喷砂射孔时间：1015min 0 10 20 20 25 30 35 40 45 压力(MPa) 射孔深度 5分钟 10分钟 15分钟 28 30 32 34 36 38 40 深（cm） 5分钟 力 影 响 排 量 影 20 22 24 26 28 100 150 200 250 300 排 量（l/min） 孔深 10分钟 5分钟 10分钟 20 22 24 26 28 30 32 34 0 5 10 15 时间（min） 孔深（cm） 石英砂 石榴石 影 响
8、 磨 料 类 型 影 响 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 （3）喷枪喷嘴及防溅体设计研制 水力喷射压裂工具是实现水 力喷射压裂工艺的关键之一 （3）喷枪喷嘴及防溅体设计研制 （4）单向阀、扶正器、多孔管等配套附件 （5）二四级滑套销钉连接方案设计 导向头 多孔管 下扶正器 单向阀 喷枪 上扶正器2011-8-29 8 喷射器本体 二、水力喷射压裂工具设计研制 拖动式喷射器 滑套式喷射器 适用于49 5 /8套管， 5500m井深 材料和处理：喷嘴工作寿命6h以上 地面泵压力：4090MPa，排量：2.03.4m 3 /min 施工层段数：18层
9、，单层填砂量：1555m 3 自主工具工艺完成200多井次现场试 三、现场施工工艺设计与应用 工艺设计与现场试验 施 1 工具入井定位 1 2 3 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 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 1、2 3 4、52011-8-29 9 油田 井段 (m) 单层砂量 (m 3 ) 井型 平均增产 (%) 完井方式 三、现
10、场施工工艺设计与应用 四川 24152895 3050 H+V+X 710% 套管+衬管 (压裂完井) 11052173 1050 H+V+X 540% 套管+尾管 (压裂完井) 大庆 15381911 2040 H+V 580% 套管 中原 28464200 1025 H+V 620% 套管+筛管 吐哈 19902373 1518 H+V 550% 筛 管 吐哈 1990 2373 15 18 HV 550% 筛 管 辽河 1990 38 H+V 540% 筛管 华北 25503070 1855 H+V 630% 套管裸眼 BQ110井深2250m，因产量低关井停产 直井分层压裂现场试验BQ
11、110井 三、现场施工工艺设计与应用 2007年7月27日西南油气院与中国石油大 学合作首次应用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 m 3 单层喷压时间12h 工具 陶粒30.32 m 3 ，单层喷压时间12h，工具 寿命达6h，作业跨度达到365m。 施工后，第二天排液140m 3 ，之后产气量 8,000m 3 /d，稳产1年以上，压裂效果显著。2011-8-29 10 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 A B 新沙311H 、类储量 气体/液体欠平衡钻井、139.7mm
12、衬管完井 完钻井深3010m，垂深2480m，水平段长385m 层位：JS 3 1 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 段压裂 这是该 艺在国内衬管完 首次试验成功 衬管裸眼完井水平井喷射分段压裂XS311H井地面压力 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) 80 00200020.0020.00 成三段压裂，这是该工艺在国内衬管完井（裸眼）水平井首次试验成功。 分别完成40m 3 、30m 3 、30m 3 陶粒
13、的施工，油管排量3.03.3m 3 /min， 最高砂浓度700kg/m 3 ，泵压6576MPa，环空排量0.91.5m 3 /min。 完井仅0.310 4 m 3 /d，压裂后测试天然气无阻流量16.110 4 m 3 /d，增 产倍比达到50倍以上，高于邻井单层压裂11.410 4 m 3 /d的平均水平。 Time (min)115.0 188.0 261.0 334.0 407.0 480.0 0.0016.0032.0048.0064.0080.000.0016.0032.0048.0064.0080.000400800120016000.004.008.0012.0016.00
14、0.004.008.0012.0016.002011-8-29 11 大庆Z66-P21井2205m，套管139.7mm，施工前日产油4.5t 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 四级喷枪66喷嘴，压裂4段：1538、1830、1951、2060m 油管排量2.5m 3 /min，最大油压37.4MPa、套压19.5MPa 加砂量22323222108m 3 ，日产油8.5t，日增油4.0t 肇61- 平21P1 3 1894.02001.0 井 段 S 落ubtitle Rate 1 m/min prop conc kg/m3 Rate 3 m3/min
15、1 200 pressure 1 Mpa pressure 2 Mpa pp g 00 20 0 40 0 60 0 80 0 100 014.0028.0042.0056.0070.000.0000.6001.2001.8002.4003.0000.0000.2400.4800.7200.9601.200 牛东7-9井是吐哈三塘湖油田牛东区块一口 火成岩开发井 井深1900 气举放喷未出液 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 火成岩开发井，井深1900m。气举放喷未出液。 之后又连续油管气举未出液。全井段酸化，初 期日产液5.6m 3 ，含水100%，产油0
16、吨，后关井。 对1469-1489m射孔后常规压裂，入井总砂量 47.9m 3 ，压后初期日产油4.0吨，产量下降严 重。2009年6月30日关井。关井前日产液 078 3 日产油055 吨 0.78m 3 ，日产油0.55吨。 采用3 油管实施水力喷射分段加砂压裂， 分别加入陶粒20.0m 3 和30.1m 3 ，拖动工具对 1480m、1503m两层段进行，取得成功，日产油 14吨，增产效果十分明显。2011-8-29 12 水平井6段分层压裂阿尔3平15井 单喷枪最大过砂量：57m 3 三、现场施工工艺设计与应用 单喷枪最大过砂量 喷射石英砂16.05m 3 共加陶粒241m 3 施工3
17、天 油管 套管 石英砂 （m 3 ） 前置 液 （m 3 ） 携砂 液 （m 3 ） 陶粒 （m 3 ） 前置液 比例 平均 砂比 停泵压力 排量 （m 3 /min） 压力 （MPa） 排量 （m 3 /min） 压力 （MPa） 油管 （MP a） 套管 （M Pa） 三、现场施工工艺设计与应用 a） Pa） 第一层 2.7 4474 0 45-60 4.18 27.1 0 0 1.30 1.30 第二层 2.6-3.2 4354 0.5-1.0 12.915.1 14.5 2.33 116.0 198.9 55.5 36.8% 19.5% 10.73 10.5 7 第三层 3.4-3.6
18、 4255 1.0-0.5 14.315.5 2.18 121.5 194.3 55.7 38.4% 21.4% 11.42 11.0 8 第四层 3.4-3.7 4658 1.0-0.5 12.214.1 2.18 67.3 121.8 31.7 35.6% 19.6% 11.90 11.7 0 第 10.115.4 12.7 第五层 2.7-3.6 3242 1.0-0.5 10.115.4 14.5 2.21 124.53 184.1 55.6 40.4% 25.9% 13.06 12.7 9 第六层 3.5-3.7 32393 3 0.5 12.816.5 2.97 91.4 140.
19、7 42.6 39.4% 26.0% 14.30 14.1 5 合计 16.05 547.8 839.8 241.12011-8-29 13 水平井8段分层压裂阿尔3平21井 单喷枪最大过砂量：45m 3 喷射石英砂17 65m 3 三、现场施工工艺设计与应用 喷射石英砂17.65m 共加陶粒330.8m 3 施工4天 自喷油：20t/d 油管 套管 石英砂 （m 3 ） 前置液 （m 3 ） 携砂液 （m 3 ） 陶粒 （m 3 ） 前置液 比例 平均 砂比 停泵压力 排量 （m 3 /mi n） 压力 （MPa） 排量 （m 3 /min） 压力（MPa） 油管 （MPa） 套管 （MPa
20、） 三、现场施工工艺设计与应用 第一层 2.6-2.8 45-55 0.5-1.0 24.512.8 2.2 91.85 130.93 38.68 41.2% 22.0% 9.87 9.41 第二层 2.6-2.8 40-49 1.0-0.8 13.314.213.5 2.15 81.6 131.0 38.59 38.4% 21.9% 10.77 10.53 第三层 3.4-3.7 45-56 0.5 14.814.5 2.21 89.66 165.4 38.86 35.2% 18.7% 11.27 10.97 第四层 3.4-3.6 47-55 0.5 14.815.6 2.15 86.55
21、 158.5 38.72 35.2% 19.3% 11.56 11.28 第五层 3.4-3.7 33-42 0.5 16.417.7 2.18 96.5 160.92 44.46 37.5% 23.8% 12.21 12.01 第六层 3.4-3.8 35-42 0.5 18.419.117.6 2.21 98.86 160.83 44.2 38.1% 23.7% 12.48 12.28 第七层 3.6-3.8 32-40 0.5 16.818.918.2 20.319.7 2.23 94.7 186.54 43.47 33.7% 20.2% 12.96 12.87 第八层 3.7-3.3
22、38-28 0.5-0.8 17.919.014.6 2.32 82.9 166.33 43.86 33.3% 20.9% 11.24 11.05 合计 17.65 722.6 1260.45 330.842011-8-29 14 四、*井水力喷射压裂设计 *井基本情况 人工井底 1765.00m 完井方式 139.7mm套管 表套 273 1 *96 2 井身结构 表套：273.1mm*96.2m 油套：139.7mm*1768.24m 水泥返深 776.4m 压裂层段 49#：1651.5-1662.6m、45-46#：1600-1606.4m 1609.0- 1617.2m、38#：15
23、09.0-1535.0m，厚度：51.6m/3层 层号 解释井段 (m) 厚度 (m) 电阻率 ( m) 声波 时差 ( s/m) 孔隙 度 (%) 含油饱 和度 （%） 射孔井段（m） 厚度 (m) 岩性 油气 显示 ( s/m) (%) （%） 38 1509.0-1535.0 26.0 221.5 184.0 4.7 42.8 1521.0-1523.5 2.5 砂砾岩 荧光 1530.0-1533.5 3.5 45 1600.0-1606.4 6.4 744.2 178.0 4.1 58.6 1603.0-1606.5 3.5 混合 花岗岩 油斑 46 1609.0-1617.2 8.
24、2 1049.8 177.0 4.1 63.0 1611.5-1615.0 3.5 混合 花岗岩 油迹 49 1651.6-1662.6 11.0 1248.5 177.0 4.7 67.2 1656.5-1662.5 6.0 混合 花岗岩 油迹 *井水力喷射压裂方案 定点压裂位置 1656 5m 1612m 1523 5m（油层中部 避开套管 四、*井水力喷射压裂设计 定点压裂位置：1656.5m、1612m、1523.5m（油层中部，避开套管 接箍） 压裂工艺：不动管柱式水力喷射分段压裂工艺 设计单层加砂量：122020m 3 陶粒 压裂参数：油管排量2.6-3.4m 3 /min 环空排
25、量0.8-1.0m 3 /min 预计油压4555MPa 预计套压1113MPa2011-8-29 15 *井水力喷射压裂工具 第一级喷枪无滑套 （定位：1656.5m） 喷枪：采用66 0mm和86 0mm喷嘴 四、*井水力喷射压裂设计 第二级滑套式喷枪 （定位：1612m） 喷枪：采用66.0mm和86.0mm喷嘴 工具扶正器外径116mm，本体外径108mm 工具扣型：2-7/8in平式扣 连接工具时丝扣涂抹丝扣油 第 三级滑套式喷枪 （定位：1523.5m） 四、*井水力喷射压裂设计2011-8-29 16 *井水力喷射压裂工艺步骤 压前工作：通径规通井，洗井 提高油管排量(2.6m
26、3 /min)， 加交联剂 泵注前置液 四、*井水力喷射压裂设计 下压裂管柱及工具， 定点误差不大于0.3m 环空敞开，油管(2.6m 3 /min)泵注混有石英砂的 基液进行水力喷砂射孔，持续10min 加交联剂，泵注前置液 阶梯式加砂，泵注携砂液 加砂完毕，泵注顶替液 （过顶0.1倍油管容积） 降低油管排量(1.0m 3 /min)，关闭套管阀门， 环空开始持续泵注基液(1.0m 3 /min) 停泵，测压降。待套压不降低， 油管或套管放喷。 投球准备压裂下一层 提高油管排量(3.4m 3 /min)， 加交联剂，泵注前置液 向油管内投入钢球，环空敞开，油管低排量 替球，待油压突变3-5M
27、Pa后，说明滑套打开 四、*井水力喷射压裂设计 环空敞开，油管(3.4m 3 /min)泵注混有石英砂的 基液进行水力喷砂射孔，持续8min 降低油管排量(1.0m 3 /min)，关闭套管阀门， 阶梯式加砂，泵注携砂液 加砂完毕，泵注顶替液 环空开始持续泵注基液(1.0m 3 /min) 停泵，测压降。待套管压力 降至10MPa以下，油管或套管放喷 油管内投球，油管起泵 压裂第三段，打开滑套，重复以上几步2011-8-29 17 四、*井水力喷射压裂设计 施工注意事项： 压裂车组和液体能够保证施工的连续性，防止施工过程 压裂车组和液体能够保证施工的连续性，防止施工过程 中停泵引起事故的产生；
28、 为了有效实现定点喷射和压裂，施工排量、压力需尽量 保持稳定。加砂过程要平稳，尽量避免砂比突升突降； 由于地层破裂压力过高导致套压超过限压时，要降低套 管排量，若无效则应立即停止环空补液，同时相应提高油 管排量保证施工总排量； 施工过程中若发现套压急剧上升，应立即停止加砂并 四、*井水力喷射压裂设计 通过油管低排量顶替。若已无法进行顶替则应打开套管 闸门，将井筒中的砂子顶替到地面； 施工过程中若发现油管压力直线下降或套管压力直线 上升到与油管压力相等，表明油管或工具脱断，应立即 停止加砂进行顶替。2011-8-29 18 五、结 论 水力喷射分层压裂集射孔、压裂、分段一体化，无须机械封 隔，造缝准确、有效隔离、一趟管柱多段压裂，新型增产措施； 隔，造缝准确、有效隔离、 趟管柱多段压裂，新型增产措施； 数值模拟和实验研究了水力喷射压裂机理，探讨了水力定向 射孔辅助压裂可行性； 研制成功自主产权水力喷射分段压裂工具，建立了动管柱和 不动管柱施工工艺，直井、水平井现场试验200余井次取得成功； 水力喷射压裂技术交流
