水力喷砂射孔压裂技术研究与应用

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——5 ½ ″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
使用后滑套－基本无磨损
第四级喷枪－无滑套
二、水力喷射压裂工具设计研制 水力喷射分段压裂工具——5 ½ ″套管八级喷枪
三、现场施工工艺设计与应用
直井分层压裂现场试验—BQ110井
➢ 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。
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
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10～20mm 3. 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。
改进 ➢喷枪结构及滑套材质改进提高——硬质合金 ➢销钉剪切力提高
二、水力喷射压裂工具设计研制
喷射器本体
拖动式喷射器
滑套式喷射器
➢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
5 水力喷射射孔参数优化
磨
28 27
料 26
深度（cm）
浓
25 24
度 23
影
22 21
响 20 0%
5分钟 10分钟
5%
10%
15%
浓度
岩 性 影 响
深度(cm)
喷 40
孔深（cm）
射 30
时 20
间 10
影
0
响
0
25MPa 30MPa 35MPa 40MPa
10
20
30
时间（min) 15～30min
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
数模与物模对比
4mm喷嘴在入口压力为25MPa时，不同 4mm喷嘴在入口压力为30MPa时，不同
围压下，相差4.7％～20％。
围压下，相差4.3％～20％
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
➢ 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，
➢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
11 10
9 8 7 6 5 4
0
泵压30MPa 泵压39.5MPa
5
10
15
20
25
围压(MPa)
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
➢ 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
增产倍T比itle 达到50倍以上，高于邻井单层压裂11.4×104m3/d的平均水平。
喷射起裂及 水力封隔
压裂液 喷射压裂工
具
喷砂射孔参 数效率
序号
项目名称
项目来源
批准号
1
高压水射流辅助水平井定向压裂研究
国家863计划课题
2002AA615090
连2
高压水射流辅助定向压裂技术
国家863计划滚动课题
2005AA615020
续3
连续管技术与装备-射流增产技术研究
国家863计划课题
2006AA06A106-05
切割体积
因 流体性质
切深或切宽
素
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
2. 排量
实 3. 磨料类型 验 4. 磨料浓度 参 5. 磨料粒度
数 6. 岩性
7. 围压
8. 时间
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
工艺设计与现场试验
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 套施 不1动.工管具柱入井定位 自计工工艺 主23：.. 油维参管持数内喷软加嘴压压件，降、射、井孔环下空加工压具，、工艺设
与 孔内起裂、裂缝延伸 参 4.第二段裂缝射孔、压裂 数 5.重复4，完成多段压裂
资4
高压水射流喷射压裂机理研究
国家自然科学基金项目
助
5 水力射孔与分段压裂一体化改造增产技术 国家油气重大专项专题 2009ZX05009-04A
6 大牛地气田连续分层压裂工艺技术研究 国家重大专项示范专题 2008ZX05045-003
一、水力喷射分段压裂机理与参数
1 水力喷射分段压裂机理
➢ 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
滑套工具尺寸
名称
第九级 滑套内 孔
第八 级滑 套内 孔
第七级 第六级 第五级 第四级
滑套内 滑套内 滑套内 滑套内
孔
孔
孔
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 50 47 44 41 38
35
32
29
26 22
钢球
55 49 46 43 40 37
34
31
28 25
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
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
流体参数
工况参数
射流压力
进给速度
喷嘴直径
靶距（喷距）
1. 压力
喷嘴型式
影
射流功率
流道数 入喷射角
响
流速 流量
滑套工具尺寸
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
50
46
42
38
34
30
26
22
低密度
钢球
55 49-48 45-44 41-40 37-36 33-32 29-28
25
2.0～2.6
二、水力喷射压裂工具设计研制
5 ½″套管不动管柱10段加砂压裂工具已加工完毕
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
新沙311H Ⅰ、Ⅱ类储量
B A
➢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0.25md
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
（2）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响—室内实验
➢ 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
4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展
（3）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响—地面实验
➢ 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 （1）机械分段压裂
高效率和安全性，减少施工风险、降 低伤害和成本
（2）限流法分段压裂 （3）砂塞或液胶塞 （4）投球法
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）
响
0
5
10
15
时间（min）
40
38
排
36
34
孔深（cm）
量
32
30
影
28
响
26 24
22
20
5分钟 10分钟 5分钟 10分钟
100
150
200
250
300
排 量（l/min）
磨 28
料
27 26
深度
粒 25
度
24 23
影 22
响
实测线
趋势线
27 26
23
粒度
0.4-0.6mm
一、水力喷射分段压裂机理与参数
实验装置与方法
喷嘴
高压泵组
岩样
磨料加砂系统 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
射孔深度（cm ）
40
压
30
力
20
影
10
响
0
5分钟 10分钟 15分钟
20 25 30 35 40 45
压力(MPa)
34
磨
32
孔深（cm）
料
30 28
类
26
型
24 22
影
20
石英砂 石榴石
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。
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
➢ 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
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
井深 （m）
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 3 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 套管壁孔径15mm、喷射压力45MPa 孔眼最大直径100mm、孔深500mm 孔眼最大直径100mm、孔深500mm
二、水力喷射压裂工具设计研制
水力喷射分段压裂工具——连续油管环空压裂(CTAF)
➢ 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， 35 M P a 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
三、现场施工工艺设计与应用
➢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。
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
（2）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响—室内实验
实验装置示意图
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
三、现场施工工艺设计与应用
水平井拖动管柱现场试验—GA002-H9井
➢ 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。
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
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
技术交流－2011
水平井水力喷射分段压裂技术研究与应用
提纲
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
前言
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
关键：控制喷射压力和环空压力排量
一、水力喷射分段压Baidu Nhomakorabea机理与参数
2 管内和环空水力参数计算
调整排量，精确控制Pv和Pa
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
环空压耗 （MPa）
0.6 500 L/min
0.5
1000 L/min
1500 Lmin
0.4
2000 L/min