水平井儲(chǔ)層改造新方法―水力噴射壓裂技術(shù)

1、第卷第期鉆采工藝水平井儲(chǔ)層改造新方法一水力噴射壓裂技術(shù)劉永亮，王振鐸，胥云，張光偉，陳作（西安石油大學(xué)中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院）劉永亮等水平并儲(chǔ)層改造新方法一水力噴射壓裂技術(shù)鉆采工藝；，（）：摘要：傳統(tǒng)水力壓裂應(yīng)用于水平井改造增產(chǎn)效果并不理想，經(jīng)常最多產(chǎn)生兩個(gè)主要裂縫區(qū)，而且位置也不確定。水力噴射壓裂是一種利用水射流獨(dú)特性質(zhì)的儲(chǔ)層改造新技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了水力射孔和水力壓裂技術(shù)，能夠沿著水平井橫向在多個(gè)位置獨(dú)立連續(xù)壓裂改造而不使用任何機(jī)械密封裝置。文章闡述了該技術(shù)的原理和工藝過(guò)程，介紹了其主要技術(shù)特點(diǎn)，分析了影響該工藝的關(guān)鍵因素，指出了該技術(shù)的局限性以及我國(guó)應(yīng)用該技術(shù)的難度，最后表明射流參

2、數(shù)優(yōu)化是該技術(shù)一個(gè)重要方面，應(yīng)該成為今后的一個(gè)研究重點(diǎn)。關(guān)鍵詞：水力壓裂；噴射壓裂；噴砂射孔中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）水平井低產(chǎn)主要?dú)w因于儲(chǔ)層低滲、非均質(zhì)性，近井污染或表皮損害以及無(wú)效的改造技術(shù)。傳統(tǒng)水力壓裂應(yīng)用于水平井改造增產(chǎn)效果并不理想，經(jīng)常最多產(chǎn)生兩個(gè)主要裂縫區(qū)，而且位置也不確定。許多高產(chǎn)段仍然沒(méi)被改造而維持著表皮損害¨。水力噴射壓裂技術(shù)就是最近引入的可代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓裂工藝的有效方法。水力噴射壓裂工藝技術(shù)是近年石油工程領(lǐng)域的新技術(shù)，它將水力噴砂射孔和水力壓裂工藝合為一體，且自身具有獨(dú)特的定位性，能夠快速準(zhǔn)確的進(jìn)行多層壓裂而不用機(jī)械密封裝置。該技術(shù)在國(guó)外水平井已應(yīng)用于幾百

3、口井，在一些低壓、低產(chǎn)、低滲、多薄互層的油氣層壓裂改造中取得了較好的效果。一、水力噴射壓裂技術(shù)原理特點(diǎn)技術(shù)原理 水力噴射壓裂技術(shù)結(jié)合了水力射孔和水力壓裂的新型增產(chǎn)工藝。該工藝由三個(gè)過(guò)程共同完成，水力噴砂射孔、水力壓裂（通過(guò)普通油管或鉆桿或連續(xù)油管）以及環(huán)空擠壓（通過(guò)另外一個(gè)泵）。通過(guò)安裝在施工管柱上的水力噴射工具，利用水擊作用在地層形成一個(gè)（或多個(gè)）噴射孔道，從而在近井地帶產(chǎn)生微裂縫，裂縫產(chǎn)生后環(huán)空增加一定壓力使產(chǎn)生的微裂縫得以延伸，實(shí)現(xiàn)水力噴射壓裂，如圖。該技術(shù)基于伯努力方程：穢一方程表明流體束中的能量維持常量，雖然實(shí)際上摩擦緩慢消耗能量使其轉(zhuǎn)化為熱能（但這個(gè)簡(jiǎn)化方程不包含溫度因素）。由方程

4、可知流體束的速度變化引起壓力反向變化。噴嘴出口處速度最高壓力就最低，隨著流體不斷深入孑道速度逐漸減小，壓力不斷升高，到孑道端處速度達(dá)到最低壓力最高。常規(guī)造縫方法需要對(duì)整個(gè)井籬加壓，大多數(shù)情況下觀察到的破裂壓力比裂縫擴(kuò)展壓力要大得多，而且井內(nèi)的每個(gè)裂縫都必須克服該壓力。水力噴射壓裂通過(guò)噴射流體在孔道內(nèi)動(dòng)能到壓能的轉(zhuǎn)換利用噴射滯止壓力破巖從而在噴射點(diǎn)處產(chǎn)生微裂縫。由于能量集中在孔道端處，井筒不受破裂壓力的影響，從而消除了壓力曲線中地層破裂時(shí)的壓力峰值（如圖所示），并且近井筒扭曲問(wèn)題很少出現(xiàn)。圖水力噴射壓裂原理水力噴射裂縫一旦形成，由于噴嘴出口周圍流收稿日期：；修回日期：一中石油股份公司“水平井低滲

5、透改造重大攻關(guān)項(xiàng)目”。作者簡(jiǎn)介：劉永亮（一），西安石油犬學(xué)油氣井工程碩士研究生，研究方向油氣田增產(chǎn)技術(shù)。地址：（）陜西省西安市電子二路號(hào)西安石油大學(xué)信箱，電話：（），：鉆采工藝年月體速度最高，其壓力就最低，故流體會(huì)自動(dòng)泵人裂縫而不會(huì)流到其它地方。環(huán)空的流體也會(huì)在壓差作用下進(jìn)入射流區(qū)被吸入地層。水力噴射壓裂利用動(dòng)態(tài)分流技術(shù)成功解決了水平井裂縫的定位控制問(wèn)題，通過(guò)流體的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)讓其進(jìn)入地層的特定位置而不使用任何機(jī)械密封裝置。圖兩種壓裂井筒壓力簡(jiǎn)化匕較圖特點(diǎn)（）不需要機(jī)械封隔，能夠自動(dòng)隔離，可用于裸眼、套管完井；（）一次管柱可進(jìn)行多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲(chǔ)層傷害；（）可進(jìn)行定向噴射壓裂，準(zhǔn)確

6、造縫；（）噴射壓裂可以有效降低地層破裂壓力，保證高破裂壓力地層的壓開和壓裂施工；（）該工藝壓井次數(shù)少，對(duì)儲(chǔ)層傷害小，而且施工程序簡(jiǎn)單，能夠產(chǎn)生大的經(jīng)濟(jì)效益。二、工藝施工過(guò)程 施工過(guò)程中要求噴射面必須與油藏裂縫延伸面近似吻合（差距不能超過(guò)。）。為了把噴射器放置在裂縫延伸面方向上或在它的附近，工程人員必須首先預(yù)測(cè)這口油井的裂縫延伸面方向。預(yù)測(cè)裂縫延伸面的方向通常使用現(xiàn)有技術(shù)。壓裂方向確定后，設(shè)計(jì)一套噴射系統(tǒng)并正確放置。根據(jù)井的情況不同，噴嘴數(shù)量和尺寸也有所不同。當(dāng)對(duì)一口井進(jìn)行水力噴射壓裂時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生兩種情況。第一種情況，通過(guò)地面旋轉(zhuǎn)桿柱使噴射工具在井眼中的預(yù)期位置定位。為了準(zhǔn)確確定工具的當(dāng)前位置，

7、工程人員需要在噴射工具上用相配套的引鞋連接電纜。如果不選擇電纜，則定位傳感器可以放置在噴射工具的下面，并且與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接起來(lái)。第二種情況，系統(tǒng)運(yùn)用重力進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，這種純機(jī)械的方法比第一種類型更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)。工具定位后開始噴射壓裂具體步驟如下：（）清洗井眼，在鉆桿、油管、大外徑的連續(xù)油管上安裝水力噴射壓裂工具下到第一個(gè)設(shè)計(jì)壓裂段位置。（）由高壓泵向油管注入低濃度含砂液體，通過(guò)噴射工具進(jìn)行噴砂射孔。（）水力射孔完成后環(huán)空注入清潔無(wú)支撐劑液體，保持井底壓力達(dá)到剛剛低于預(yù)測(cè)的延伸壓力讓裂縫繼續(xù)延伸，油管泵人壓裂液（砂比濃度逐漸增加）經(jīng)噴嘴噴射進(jìn)入裂縫實(shí)現(xiàn)壓裂（酸化），如圖。圖水力噴射壓裂過(guò)

8、程（）壓裂完成后用一個(gè)油管閥密封油管，水力噴射壓裂工具上提到第二個(gè)設(shè)計(jì)壓裂段位置重復(fù)上述施工過(guò)程。通過(guò)上述過(guò)程，如圖一樣復(fù)雜的裸眼水平井能夠沿著井眼在任何位置成功的實(shí)施壓裂改造。大小不等的裂縫能夠由后到前被順序定位。而且，在不同位置可以應(yīng)用不同的壓裂方案如酸化壓裂、支撐劑壓裂等。一次作業(yè)過(guò)程中，能夠在±的誤差內(nèi)準(zhǔn)確定位條裂縫的位置（誤差是由壓力或溫度影響引起油管伸長(zhǎng)或收縮所致）舊。圖水平井噴射壓裂改造過(guò)程三、影響因素分析水力噴射壓裂過(guò)程中，固體顆粒受水載體加速，高速?zèng)_擊套管和巖石，產(chǎn)生切割作用。如何優(yōu)化射流參數(shù)盡可能充分地利用水力能量是該技術(shù)的關(guān)鍵之一。影響水力噴射壓裂的因素主要包括

9、流體參數(shù)、磨料參數(shù)、圍壓以及巖石性質(zhì)、川。流體參數(shù)的影響受壓力、排量和噴嘴直徑控制。噴射深度隨壓力的增加近似呈線性增加，孔徑也隨壓力的升高而變大，但存在一個(gè)臨界壓力，低于臨界壓力就不能再破巖。每個(gè)壓力下都有一個(gè)最大破裂第卷第期鉆采工藝深度，當(dāng)達(dá)到最大深度時(shí)增加噴射時(shí)間只能增加孔徑而對(duì)孔深幾乎沒(méi)有影響。排量增加，射孑深度顯著增加，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有用的結(jié)論?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可以通過(guò)提高排量來(lái)降低壓力要求，大排量低壓射孔不但孔徑明顯變大而且破碎情況有所改善，孔中基本沒(méi)有殘留顆粒堆積。由于磨料射流的有效速度增加，較大的噴嘴直徑能增加噴射深度。磨料參數(shù)主要包括磨料類型、粒度、濃度。在一定壓力和排量

10、下，磨料的切割能力隨硬度的增加而增大，且?guī)Ю饨堑谋炔粠Ю饨堑那懈钅芰?qiáng)。噴射深度并不隨磨料濃度和粒度的增加一直增加，相反在磨料粒徑增加一定程度時(shí)射孑深度反而有下降趨勢(shì)，表明磨料有一最佳濃度值和粒徑值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最佳濃度范圍為一，適用濃度，最佳粒度為，現(xiàn)場(chǎng)推薦采用一，。最佳濃度隨壓力的增高而增大。圍壓對(duì)射流的影響很大，圍壓條件下射流流體能量損失很厲害。在其它條件相同的情況下，有圍壓時(shí)要比沒(méi)圍壓時(shí)的噴射深度低很多。巖性對(duì)噴砂壓裂也有較大影響，龍主要與巖石強(qiáng)度有關(guān)。四、技術(shù)局限性水力噴射壓裂是一種新的油田增產(chǎn)措施，但并不能把它作為一種解決各種情況的通用方法。這項(xiàng)技術(shù)也有其局限性：施工過(guò)程中油管柱

11、被下到井眼中在期望的深度定位工具。有接縫的油管或鉆桿將需要某種裝置才能到達(dá)指定位置。連續(xù)油管的應(yīng)用使操作變得方便易行。但是，大部分連續(xù)油管對(duì)于噴射壓裂的應(yīng)用都有流量和或壓力限制。流動(dòng)過(guò)流面積問(wèn)題。當(dāng)需要高注入量的時(shí)候，為了泵送流體傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)經(jīng)常利用套管的整個(gè)內(nèi)部空間。這種新技術(shù)需下人一根油管，油管體積占據(jù)一部分流動(dòng)空間。所以，工程師的工作就是調(diào)整油管尺寸優(yōu)化排量。根據(jù)成功壓裂應(yīng)用所需要的最小排量，一些井的結(jié)構(gòu)將不允許合適的排量從而不能應(yīng)用水力噴射壓裂技術(shù)舊。從原理上講，實(shí)現(xiàn)水力噴射壓裂由地面泵提供能量，利用噴嘴輸出高壓高速射流沖擊巖石。然而在數(shù)千米的井下實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)沖破套管、穿透一

12、定深度巖層的目的卻并不是一件容易的事。主要技術(shù)難度為加工制造和井下施工工藝兩個(gè)方面。（）加工制造。由于作業(yè)環(huán)境差（井下數(shù)千米、空間小、溫度和壓力高）、作業(yè)方式獨(dú)特（淹沒(méi)式水力噴射），工具的加工制造難度大。主要是噴射器噴嘴在施工過(guò)程中由于受到高速磨料粒子的沖刷其磨損很嚴(yán)重，要求噴嘴材料必須具有高硬度、高耐磨性，二者缺一不可。（）并下施工工藝。因井下施工條件苛刻，許多地面上易實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作，在井下實(shí)現(xiàn)起來(lái)很困難，射流能量損失很厲害。主要表現(xiàn)為在不同圍壓條件下淹沒(méi)式水力噴射工藝，即噴嘴結(jié)構(gòu)、分布方式及噴嘴破巖能力與泵壓、排量的優(yōu)化組合技術(shù)，還不成熟。五、結(jié)論及建議（）水力噴射壓裂工藝是一項(xiàng)集水力噴砂射孔

13、和水力壓裂于一體的新型儲(chǔ)層改造技術(shù)。該技術(shù)利用動(dòng)態(tài)分流自動(dòng)封隔，不需要任何機(jī)械密封裝置。（）施工過(guò)程中應(yīng)用噴射壓裂能夠有效降低井底地層破裂壓力，可在任何位置準(zhǔn)確造縫，而且不同位置可以采用不同壓裂方案。（）一次管柱可連續(xù)進(jìn)行多段壓裂，施工程序簡(jiǎn)單、周期短、效益高。（）水射流是水力噴射壓裂的關(guān)鍵，優(yōu)化射流水力參數(shù)對(duì)噴射壓裂施工起到重要的指導(dǎo)作用。（）國(guó)內(nèi)應(yīng)用該技術(shù)的難度在于加工制造和井下施工工藝。噴嘴材料優(yōu)選及其結(jié)構(gòu)、組合方式優(yōu)化和相關(guān)水力參數(shù)的優(yōu)化將成為今后研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)撕。張玉榮裸眼水平井中運(yùn)用選擇性壓裂可以提高產(chǎn)量國(guó)外油田工程，（）：牛繼磊，李根生水力噴砂射孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究石油鉆探技術(shù)，

14、（）：于永，櫪彪水力噴砂射孔在油氣田開發(fā)中的應(yīng)用特種油氣藏，（）：躕由”：（編輯：黃曉川） 水平井儲(chǔ)層改造新方法水力噴射壓裂技術(shù)作者：劉永亮， 王振鐸， 胥云， 張光偉， 陳作， LIU Yongliang， WANG Zhenze， XU Yun，ZHANG Guangwei， CHEN Zuo作者單位：劉永亮,張光偉,LIU Yongliang,ZHANG Guangwei(西安石油大學(xué)， 王振鐸,胥云,陳作,WANGZhenze,XU Yun,CHEN Zuo(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院刊名：鉆采工藝英文刊名：DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY年

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