水利噴砂水力噴射

1、水力噴射定點(diǎn)壓裂改造技術(shù)研究與應(yīng)用水力噴砂壓裂技術(shù)原理：射流在噴射通道中形成增壓。環(huán)空中泵入流體增加環(huán)空 壓力，噴射流體增壓和環(huán)空壓力的疊加超過(guò)破裂壓力壓開(kāi)地層。水力噴砂射孔參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化1、噴嘴選擇：要具有良好的耐磨性和較高的流量系數(shù)。2、壓力、流速根據(jù)水力學(xué)的動(dòng)量定律，當(dāng)噴嘴的截面一定時(shí)，射流速度與壓 力成正比。試驗(yàn)證明，當(dāng)通過(guò)噴嘴的流速保持在120米/秒、工作壓力12MPa以 上時(shí)，可以取得較好的切割效能。3、噴射時(shí)間在一定的工作壓力下，當(dāng)射流達(dá)到一定深度后，繼續(xù)延長(zhǎng)噴射時(shí) 間是無(wú)意義的。噴射時(shí)間一般在15-20分鐘。4、含砂濃度：含砂量越高，切割效能越好。但是，過(guò)多的含砂量容易引起砂堵，

2、 并會(huì)在途中互相碰撞，降低速度，影響噴射效果。確定砂濃度120 kg/m3。5、砂粒直徑 砂粒直徑越大，質(zhì)量越大，沖擊力就越大。一般講，砂粒直徑取 噴嘴直徑的1/6為最佳，確定選用40-70目和20-40目的石英砂或陶粒均適用。6、圍壓：射孔深度隨著圍壓的增大成線性遞減。（三）水力噴砂壓裂工藝步驟1、洗井，下噴射工具到預(yù)定位置，進(jìn)行水力噴砂射孔。2、泵入前置液，環(huán)空迅速增壓產(chǎn)生裂縫，排量增加到設(shè)計(jì)壓裂排量，進(jìn)入主壓 裂施工程序，施工結(jié)束。3、關(guān)井、放噴、壓井上提油管到上一個(gè)壓裂的位置。4、重復(fù)以上步驟，至整個(gè)井段壓裂結(jié)束。創(chuàng)新點(diǎn)：創(chuàng)新點(diǎn)一：設(shè)計(jì)優(yōu)化水力噴砂射孔所需的流速、最佳噴射時(shí)間、噴砂液濃

3、度、砂 粒直徑等參數(shù)。創(chuàng)新點(diǎn)二：利用水力噴砂射孔定點(diǎn)壓裂工藝技術(shù)，不用機(jī)械封隔一趟管柱實(shí)現(xiàn) 多段改造。壓裂排量：考慮壓裂液摩阻、噴嘴的節(jié)流壓差、裂縫延伸壓力、噴 射工具強(qiáng)度、套管強(qiáng)度、壓裂限壓等。創(chuàng)新點(diǎn)三：水力噴射壓裂管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多段壓裂，又能解決砂堵后的反 洗問(wèn)題。管柱結(jié)構(gòu)：引鞋+篩管+單流閥+短節(jié)+噴槍+油管關(guān)鍵技術(shù)：應(yīng)用了高耐磨噴嘴噴嘴需承受高壓和高速工作液的沖蝕，容易導(dǎo)致噴嘴變形、破損。要求噴嘴具有 高耐磨性，是保證工藝成功的關(guān)鍵。主要技術(shù)特點(diǎn)：水力噴射壓裂技術(shù)是一項(xiàng)能有效控制裂縫起裂的增產(chǎn)措施。只在 指定的位置處進(jìn)行壓裂造縫。結(jié)論：1、水力噴射定點(diǎn)壓裂是集水力噴砂射孔、壓裂、封

4、隔一體化的新型改造技術(shù)， 是一種精準(zhǔn)、高效、經(jīng)濟(jì)、安全的分段增產(chǎn)技術(shù)。2、是解決裸眼井、割縫管完井、水平井、直井分段壓裂的尖端技術(shù)。3、目前國(guó)內(nèi)水力噴射工具與國(guó)外存在差距，普遍存在磨損，尚需要進(jìn)一步研究。不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂技術(shù)要點(diǎn)：水力噴射壓裂是目前先進(jìn)的分層、分段壓裂工藝之一，但由于該工藝要靠 井下作業(yè)改變其噴射位置才能實(shí)現(xiàn)多層壓裂，致使工藝推廣受到制約。為此，在 水力噴射壓裂前期研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)噴嘴個(gè)數(shù)和直徑的優(yōu)化研究、井下 壓力節(jié)點(diǎn)分析，從油管排量與泵壓的關(guān)系入手，建立了水力噴射無(wú)因次特性曲線, 探索了環(huán)空井底壓力的大小計(jì)算方法，解決了環(huán)空補(bǔ)液量與排量的關(guān)系等設(shè)計(jì) 難題，在

5、國(guó)內(nèi)首次提出了完井不動(dòng)管柱條件下的水力噴射逐層壓裂設(shè)計(jì)方法。同 時(shí)，配套研制了適用于178 mm（215. 9 mm 裸眼）、139. 7 mm（152. 4 mm 裸眼）和127 mm套管的3種規(guī)格一趟管柱作業(yè)4層的滑套式噴射器。過(guò)現(xiàn)場(chǎng)4 口井共13層的作業(yè)，結(jié)果證明不動(dòng)管柱水力噴射逐層壓裂技術(shù)發(fā)展和完善了水 力噴射壓裂工藝，不但實(shí)現(xiàn)了射孔、壓裂、生產(chǎn)聯(lián)作，還為合層開(kāi)采提供了條件。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在磨料射流、脈沖射流和空化射流的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)中取 得了一系列的研究成果，拓展了水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍。在油氣田勘探開(kāi)發(fā)的應(yīng) 用中形成了水力噴射輔助壓裂新技術(shù)，隨著工藝的不斷改進(jìn)，水力噴射壓裂技術(shù)

6、在全世界范圍內(nèi)的多個(gè)油氣田得到迅速應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，水力噴射輔助壓裂 技術(shù)已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)施工了300多口井，大部分增產(chǎn)效果顯著，但在其配套 工藝上還需完善。1噴嘴個(gè)數(shù)與直徑組合優(yōu)化根據(jù)前期研究成果，為了保證足夠的射孔和破巖效果，一般要保證液體出噴嘴 流速要在200 m/ s左右，而噴嘴節(jié)流壓差一般要在20 MPa左右。噴嘴流速越高, 或節(jié)流壓差越大，射孔和破巖的效果越好，噴嘴產(chǎn)生的負(fù)壓越大，但是消耗在噴 嘴上的水功率就越大，也就是施工排量就越低，低到一定程度，就不能滿足加砂 壓裂需要了。因此，選擇噴嘴直徑與個(gè)數(shù)時(shí)就是要找到噴射能力、負(fù)壓值和施工 排量之間的平衡點(diǎn)。研究表明：井口泵壓的計(jì)算

7、是影響噴嘴選擇的關(guān)鍵，只有知 道了泵壓隨噴嘴直徑、個(gè)數(shù)的變化關(guān)系，才能根據(jù)泵壓情況決定合適的噴嘴直徑 和個(gè)數(shù)。2 油管排量設(shè)計(jì)油管作為攜砂的通道，排量選擇主要受噴嘴直徑和個(gè)數(shù)的影響，選擇8 ! 5. 5 mm噴嘴組合可滿足要求。因此，油管排量設(shè)計(jì)應(yīng)該在保證井口不超壓的前提下, 盡可能提高泵注排量。按照節(jié)點(diǎn)方法來(lái)分析，涉及井下壓力節(jié)點(diǎn)的有以下幾個(gè)（：V裂縫延伸壓力（p p ） ； #噴嘴前井底壓力（p b ） ; 3管路摩阻（p f ） ; %靜水柱壓力（p H ） ;&井口 泵壓（p t ）。4 環(huán)空補(bǔ)液排量設(shè)計(jì)在水力噴射壓裂中，施工總排量是由油管排量與環(huán)空排量之和組成。前面已經(jīng) 確定了油管排

8、量，在確定該排量后，根據(jù)壓裂所需總排量才確定環(huán)空排量。第一步，根據(jù)壓裂需要的總排量，以及油管可以達(dá)到的排量，確定環(huán)空需要的 排量范圍。第二步，環(huán)空排量的確定是水力噴射多層壓裂成功的關(guān)鍵。如果環(huán)空排量過(guò)大, 會(huì)使已壓裂層段重新開(kāi)啟，出現(xiàn)m重復(fù)壓裂（；如果控制過(guò)低，又達(dá)不到施工所 需排量，可能造成砂堵。因此需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出在不同環(huán)空補(bǔ)液排量下，井底的環(huán) 空壓力變化情況。只要預(yù)測(cè)的環(huán)空井底壓力達(dá)到或超過(guò)了已壓裂層段裂縫開(kāi)啟壓 力，此時(shí)對(duì)應(yīng)的排量就是環(huán)空補(bǔ)液的排量上限。在環(huán)空需要的排量范圍內(nèi)，只要是不超過(guò)上限的環(huán)空補(bǔ)液排量都是可以選擇 的環(huán)空排量。2滑套式噴射器的研制滑套式噴射器是實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱逐層加砂壓

9、裂技術(shù)的核心部件。其結(jié)構(gòu)組成主要 是由噴槍本體、滑套、噴嘴、密封圈、銷釘、噴槍座組成。4結(jié)論1）不動(dòng)管柱水力噴射多層（多段）壓裂工藝，解決了常規(guī)水力噴射壓裂在氣 井中使用時(shí)帶壓拖動(dòng)油管的井控風(fēng)險(xiǎn)，并且縮短壓裂周期34倍，是一種全新、 高效、安全的直井分層或水平井分段壓裂工藝。2）通過(guò)不動(dòng)管柱水力噴射多層壓裂施工參數(shù)的理論研究，形成不動(dòng)管柱水力 噴射壓裂施工參數(shù)的計(jì)算方法。3）研制的適用于127 mm、139. 7 mm（152.4mm 裸眼）、178 mm（ 215. 9 mm裸眼）3種規(guī)格井眼的系列工具，其性能滿足不動(dòng)管柱水力噴射逐層 壓裂工藝的要求。4）開(kāi)展了4井次不動(dòng)管柱水力噴射壓裂，實(shí)

10、現(xiàn)了不動(dòng)管柱壓裂4條縫，單縫 壓裂成功率達(dá)到100%，其中GA002-X68是國(guó)內(nèi)第1 口不動(dòng)管柱噴射壓裂井。5）不動(dòng)管柱逐層壓裂工藝管柱不僅可作為射孔和逐層壓裂管柱，也可作為多 層合采管柱。6）建議對(duì)工具進(jìn)一步優(yōu)化研究，形成5級(jí)以上的不動(dòng)分段壓裂工藝。不動(dòng)管柱水力噴射壓裂工藝在川西水平井改造中的應(yīng)用要點(diǎn)：川西氣田是典型的低孔、低滲、低豐度、高壓致密砂巖氣藏，水平井分段 壓裂是這類難動(dòng)用油氣藏的高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)目前常用的水平井噴砂滑 套分段壓裂普遍要求固井質(zhì)量高、封隔器容易失效；連續(xù)油管水力噴射分段壓裂 需要壓井、多次動(dòng)管柱、作業(yè)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。綜合上述兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，形成了 不動(dòng)管柱水

11、力噴射分段壓裂工藝新工藝，實(shí)現(xiàn)了水平井分段壓裂的高效改造，并 進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了工藝和增產(chǎn)效果的成功，值得在水平井改造中推廣應(yīng)用。一、不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂原理水力噴射分段壓裂是一種集射孔、壓裂、隔離一體化的增產(chǎn)工藝措施，通常與 連續(xù)油管一起作業(yè)。當(dāng)對(duì)單層進(jìn)行作業(yè)時(shí)，具有簡(jiǎn)化作業(yè)程序、施工周期短、作 業(yè)成本低的優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)對(duì)多層改造時(shí)，通常需要采用壓井措施（或井口帶壓裝置） 控制井底流體壓力，拖動(dòng)連續(xù)油管，進(jìn)行下一段的改造，這就增加了施工風(fēng)險(xiǎn)和 作業(yè)時(shí)間，明顯存在需帶壓裝置、需取工具、動(dòng)管柱、連續(xù)油管排量低、工期長(zhǎng)、 壓井傷害嚴(yán)重等缺點(diǎn)。不動(dòng)管柱水力噴射壓裂是在常規(guī)水力噴射壓裂和投球滑套 壓

12、裂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型分段壓裂技術(shù)，有效解決了該難題。水力噴砂射孔環(huán)空敞開(kāi)，通過(guò)油管高壓注入含6%8%石英砂（粒徑0. 40. 6 mm）濃度的0. 2%0. 5%瓜膠基液，液體經(jīng)過(guò)噴嘴后將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，高速射流 沖擊切割套管及巖石，形成具有一定直徑和深度的紡錘形孔眼，同時(shí)高速流體的 沖擊作用在水力射孔孔道頂端產(chǎn)生微裂縫能在一定程度上降低地層起裂壓力。水力噴射壓裂水力噴砂射孔后，關(guān)閉環(huán)空，通過(guò)油管、環(huán)空同時(shí)注液。水力噴射壓裂時(shí)的孔 內(nèi)壓力是由井底環(huán)空壓力和射流增壓構(gòu)成，射流增壓值一般在35 MPa之間， 因而孔內(nèi)壓力的大小主要取決于井底環(huán)空壓力。隨著環(huán)空加壓后井底壓力的升 高，孔內(nèi)壓力達(dá)

13、到破裂壓力后就可壓開(kāi)地層而起裂。起裂后，孔內(nèi)增壓值有所降 低，由于裂縫延伸壓力低于其破裂壓力，在保持環(huán)空壓力不變的情況下就能使裂 縫不斷延伸。而由油管噴嘴和環(huán)空不斷注入的支撐劑和壓裂液則對(duì)裂縫起到支撐 作用。通過(guò)油管噴嘴噴出的流體均是一個(gè)單獨(dú)的淹沒(méi)非自由射流，由于液體的黏 滯性，使得在射流和環(huán)空液體的交界面上產(chǎn)生了漩渦，環(huán)空中的液體不斷地卷入 射流中，從而產(chǎn)生抽汲作用，并在環(huán)空內(nèi)部產(chǎn)生局部負(fù)壓，低于環(huán)空內(nèi)相鄰位置 的液體壓力。通過(guò)控制環(huán)空壓力，使其低于地層破裂壓力，就不需封隔器便可實(shí) 現(xiàn)有效封隔，完成分段壓裂。分段壓裂典型的不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂管柱自下到上依次由引鞋、扶正器、單向閥、 噴槍

14、(含噴嘴)、油管(88. 9 mm，73. 0 mm)、球座、滑套等組成。在水力 噴射壓裂完成第1段的施工后，油管持續(xù)注液、控制環(huán)空壓力，通過(guò)油管投球打 開(kāi)第2施工段的滑套，進(jìn)行由于水力噴射壓裂時(shí)高速射流的卷吸作用在環(huán)空中局 部形成負(fù)壓區(qū)，致使該局部的環(huán)空壓力低于第1條裂縫的延伸壓力、也低于其未 壓開(kāi)裂縫的破裂壓力，從而只對(duì)目前層段進(jìn)行壓裂。所有層段施工結(jié)束后，一起 排液求產(chǎn)。投球在隨返排液排出井口，管柱可取出也可留在井底作為生產(chǎn)管柱。 二、不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂配套技術(shù)不動(dòng)管柱水力噴射分段壓裂的配套技術(shù)主要解決有效射孔、分段壓裂的動(dòng)態(tài)封 隔時(shí)的壓裂液控制以及油管、套管同時(shí)注液時(shí)的壓裂液控制

15、問(wèn)題。環(huán)空壓力控制技術(shù)噴砂射孔、投球打開(kāi)滑套階段。在噴砂射孔及投球開(kāi)滑套過(guò)程中，環(huán)空開(kāi)啟， 為避免環(huán)空中流體進(jìn)入已壓裂裂縫或已完成壓裂裂縫中的流體進(jìn)入環(huán)空、出砂， 同時(shí)降低井底環(huán)空壓力提高噴砂射孔效果，需要對(duì)環(huán)空壓力進(jìn)行精確控制。根據(jù) 已施工井段的停泵壓力，結(jié)合油管注液排量、換算放噴油嘴尺寸達(dá)到控制井底環(huán) 空壓力略低于已完成壓裂層段的最高停泵井底壓力。水力噴射壓裂階段。水力噴射壓裂時(shí)，為了保證已壓開(kāi)裂縫不重新開(kāi)啟、裂縫不在改造井段之外的地方起裂而實(shí)現(xiàn)水力 動(dòng)態(tài)封隔以及裂縫擴(kuò)展的需要，主要是通過(guò)改變環(huán)空排量來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)空注液壓力而 達(dá)到控制井底壓力的目的。對(duì)于套管完井，要求環(huán)空井底壓力小于已壓裂層段

16、延 伸壓力；對(duì)于裸眼完井，要求井底環(huán)空壓力小于已壓裂層段延伸壓力且小于未壓 裂層段地層破裂壓力。液體質(zhì)量控制技術(shù)由于水力噴射壓裂在高擠階段要求通過(guò)油管注入壓裂液、環(huán)空補(bǔ)入基液滿足裂 縫擴(kuò)展和支撐的需求。要求油管注入的壓裂液在過(guò)交聯(lián)情況下能夠滿足在油管中 的攜砂，且經(jīng)過(guò)噴嘴高速剪切后與套管注入的基液能夠迅速混合滿足壓裂液在裂 縫中的攜砂要求，主要通過(guò)室內(nèi)交聯(lián)和剪切試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化壓裂液配方。四、結(jié)論針對(duì)水平井采用封隔器投球滑套分段壓裂要求固井質(zhì)量要高、封隔器容易失效 和壓后管柱上提困難的問(wèn)題，以及采用常規(guī)水力噴射分段壓裂時(shí)需拖動(dòng)管柱、不 壓井裝置以及施工規(guī)模小等缺點(diǎn)，通過(guò)綜合上述兩項(xiàng)工藝的優(yōu)點(diǎn)，形成了

17、不動(dòng)管 柱滑套水力噴射分段壓裂新型工藝，它兼顧了封隔器滑套與水力噴射分段壓裂工 藝的優(yōu)點(diǎn)，降低了井下復(fù)雜事故的發(fā)生幾率，減少了壓裂液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，真正 意義上實(shí)現(xiàn)了對(duì)水平井分段的高效改造，值得大力推廣。大力噴砂射孔理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論：水力噴砂射孔對(duì)套管和巖石沖蝕破碎的機(jī)理不同，沖蝕套管屬于延性材 料沖蝕，以鍛打、擠壓、犁削為主要破壞方式；對(duì)儲(chǔ)層巖石的沖蝕屬于脆性材料 沖蝕，裂紋擴(kuò)展和交叉產(chǎn)生脆性斷裂是主要的破壞形式。錐直型流道形狀的噴嘴加工工藝簡(jiǎn)單，適宜做水力噴砂射孔噴嘴的流道 形狀。數(shù)值模擬結(jié)果表明收縮角為30、長(zhǎng)徑比為4的噴嘴產(chǎn)生的射流能量比 較集中，適合水力噴砂射孔作業(yè)，這一結(jié)論得到了室

18、內(nèi)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。國(guó)產(chǎn)YG6X噴嘴抗磨損性能較好，最佳噴射速度為220m/s，且價(jià)格適 中，適用于單次短時(shí)間作業(yè)；美國(guó)噴嘴抗磨損性能極好，最佳噴射速度大于 250m/s，但價(jià)格昂貴，適用于需要連續(xù)多層或多段射孔的情況。射孔深度隨壓力的變化規(guī)律是線性的，因此實(shí)際射孔作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量使用 高泵壓；大排量有利于巖屑返出，但當(dāng)排量達(dá)到一定值后，單純?cè)龃笈帕坎⒉荒?使射孔深度持續(xù)快速增加，反而帶來(lái)射孔效率的下降，實(shí)際射孔作業(yè)時(shí)存在最優(yōu) 排量值，本實(shí)驗(yàn)條件下為144L/min ；水力噴砂射孔存在最佳噴射時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明最佳噴射時(shí)間為1216分鐘。本實(shí)驗(yàn)條件下，噴砂射孔在1:1水泥石上產(chǎn)生孔眼的深度h與壓力p、 排量v、時(shí)間t的關(guān)系為：h=-234. 2+1.892p-0.139v+2.5X 10-4v2+29.72ln(v)+38.8t- 1.11t2。對(duì)磨料性質(zhì)對(duì)射孔的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明最適合射孔作業(yè)的磨料 粒徑為0.40.8mm，合適的磨料濃度范圍為6%10%，在磨料種類方面，用 陶粒做