水力噴射壓裂在火山巖水平井中的應(yīng)用

水力噴射壓裂在火山巖水平井中的應(yīng)用

隨著圖漢田牛東火山巖油藏的深入，水平井的數(shù)量不斷增加，對(duì)低產(chǎn)水平井的改造需求越來越緊迫。特別是篩管完井的水平井,無法進(jìn)行常規(guī)壓裂改造,酸化效果不好,為此,引進(jìn)了水力噴砂壓裂技術(shù)來解決這一難題。近年來,高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展越來越深入,涉及到的領(lǐng)域也越來越廣泛,它在切割破巖、清洗除銹、節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)、提高工效等方面都起到了積極的作用。本文在系統(tǒng)研究水力噴射壓裂技術(shù)原理的基礎(chǔ)上,介紹了利用水力噴射壓裂技術(shù)對(duì)牛東平2井進(jìn)行分段壓裂改造的工藝過程,為篩管完井火山巖水平井的開發(fā)改造提供了新的思路。1熱水噴霧壓裂技術(shù)水力噴射壓裂技術(shù)系列主要包括噴嘴定向技術(shù)、射孔技術(shù)和壓裂技術(shù)。1.1孔眼軌道偏差在水平井射孔時(shí),射孔器在水平段內(nèi)總是緊貼井筒下壁,不能在井筒中居中。采用定向射孔,使得實(shí)際射孔孔眼與原來設(shè)計(jì)具有一定角度和方位的偏差,主要有孔眼軌道產(chǎn)生的偏差、孔眼角度產(chǎn)生的偏差等。通過分析得知,此偏差對(duì)油氣層的開發(fā)影響很小。目前,國內(nèi)外水平井定向方式采用重力偏心裝置,配合轉(zhuǎn)動(dòng)接頭,靠翼翅與井壁摩擦阻力不平衡、在偏心重力作用下實(shí)現(xiàn)槍串的整體轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行射孔定位。因?yàn)闃岓w的軸線接近直線,可將槍體的運(yùn)動(dòng)簡化為剛體的平面運(yùn)動(dòng),在合力作用下,槍體將沿井壁向下滑動(dòng),在合力偶作用下槍體將繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng),合力偶為零時(shí)偏心定位器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),實(shí)現(xiàn)射孔定位。1.2射流沖擊下的沖擊水力噴射射孔技術(shù)是一種利用水壓機(jī)構(gòu)在套管上以沖孔的方式開窗,利用高壓水射流在地層中鉆孔,從而實(shí)現(xiàn)井筒與地層間有效連通,達(dá)到油氣生產(chǎn)井增產(chǎn)的新技術(shù)。當(dāng)前國內(nèi)外采用較多的水力噴射原理都是基于伯努利(Bernoulli)方程式,從水力噴射工具噴出的水射流沖擊物體后射流改變了方向和速度,損失的動(dòng)量以作用力的形式傳遞到被沖擊物體的表面。根據(jù)動(dòng)量定理,理論上連續(xù)射流作用在物體表面的力為:Fj=cρQv(1)式中:c——無因次系數(shù),與射流方向變量有關(guān);ρ——水的密度,kg/m3;Q——射流流量,m3/s;v——射流平均速度,m/s。射流流量Q受噴嘴大小和前后壓降的影響,要提高射流對(duì)巖石的沖擊壓力就要提高噴嘴壓力降。在噴嘴參數(shù)不變的情況下,提高噴嘴壓力降的途徑是提高泵壓、增大排量及減少循環(huán)系統(tǒng)壓力損失等。水射流切割物體的機(jī)理一般由空化氣蝕作用、楔劈作用、磨削作用和沖擊疲勞破壞作用等多種效應(yīng)綜合而成。破壞不同的物體,各種因素所起的作用也不同。油層巖石是脆性材料,抗拉、抗剪切強(qiáng)度低,巖石內(nèi)有孔隙和微裂縫,本身內(nèi)應(yīng)力比較復(fù)雜,在水射流沖擊下,楔劈作用、沖擊剪切起主導(dǎo)作用。噴嘴數(shù)量和噴嘴尺寸根據(jù)油井狀況而設(shè)計(jì)。1.3射流中心環(huán)空的壓裂過程水力噴射壓裂是一種新的增產(chǎn)作業(yè)措施,可借助連續(xù)油管將高壓流體送入到改造層段后,通過噴嘴,完成水力射孔,射孔后,射流連續(xù)作用在噴射通道中形成增壓,超過破裂壓力后將地層壓破。同時(shí),射流中攜帶的石英砂、陶粒進(jìn)入地層對(duì)裂縫形成有效支撐,完成壓裂過程。在壓裂過程中保持比較低的環(huán)空壓力很重要,根據(jù)射流工作原理,在噴出流體邊界層的內(nèi)表面上,其速度等于噴出速度,在外面表面上速度等于零,所以邊界層內(nèi)的流速自內(nèi)向外由噴出速度逐漸下降為零,因此射流邊界的速度降低,產(chǎn)生負(fù)壓。從周圍進(jìn)入射流邊界內(nèi)的液體,被射流帶動(dòng)進(jìn)入地層,邊界層液體減少,這時(shí)要向套管環(huán)空補(bǔ)充液體,以保證套管環(huán)空的壓力和能量,保證施工的順利和油管的內(nèi)外壓差在承受范圍之內(nèi)。實(shí)際上,射流中心的流體速度最高,壓力最低,流體不會(huì)流向其他地方。環(huán)空的流體則在壓差作用下被吸入地層,維持裂縫繼續(xù)延伸。只要系統(tǒng)中的連續(xù)油管和噴射工具不被損壞,不僅可以不下分層工具(如封隔器)就能實(shí)現(xiàn)上下分隔,而且還可以快速地多次重復(fù)作業(yè),縮短作業(yè)周期。2完鉆、篩管、正常生產(chǎn)三塘湖油田牛東區(qū)塊為火山巖油藏,牛東平2井是該區(qū)塊的一口開發(fā)水平井,2008年3月13日完鉆,完鉆井深2404m,完鉆層位C2k,2008年3月16日篩管完井。4月酸化投產(chǎn),正常生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)液1.5m3/d,含水5%。為探索篩管完井的油層改造技術(shù),引進(jìn)水力噴射壓裂技術(shù)。2.1砂液比控制措施水平井水力噴射加砂壓裂技術(shù)國內(nèi)目前正處在試驗(yàn)起步階段。針對(duì)牛東平2井儲(chǔ)層地質(zhì)特征、井身結(jié)構(gòu)以及對(duì)該井壓裂改造的要求,確定牛東平2井壓裂改造設(shè)計(jì)思路如下:(1)優(yōu)化三段。實(shí)施水力噴射加砂壓裂時(shí),考慮壓裂形成縱向裂縫影響,在滿足油藏選層段的同時(shí),確定每段的間距達(dá)到50m以上。(2)控制施工砂液比。分析認(rèn)為該井水平段壓裂后裂縫形態(tài)為縱向裂縫,為防止水力裂縫向相鄰已射開井段延伸,使縫長盡可能限制在每一個(gè)射孔井段內(nèi),控制砂液比,平均砂液比設(shè)計(jì)為20%左右,最高砂比控制在35%以內(nèi)。(3)適當(dāng)提高施工排量。油管排量2.4~2.5m3/min,套管排量1.0m3/min。套管排量不低于1m3/min,具體按施工壓力進(jìn)行確定。若裂縫延伸壓力梯度0.023MPa/m,則施工壓力必須保持在23~25MPa,現(xiàn)場(chǎng)按實(shí)際施工壓力泵壓來確定。(4)考慮到水力噴射過噴嘴壓裂液受高速剪切影響,采用滿足要求的瓜膠水基壓裂液體系。從模擬剪切速率試驗(yàn)看,基液粘度52mPa·s,交聯(lián)比100∶8,過噴嘴后壓裂液粘度能迅速恢復(fù)到80%以上,粘度達(dá)到500mPa·s以上,能滿足攜砂要求。(5)水力噴射射孔時(shí),選用20~40目石英砂,加砂壓裂時(shí)支撐劑選擇中密度高強(qiáng)度陶粒,便于在地層中形成高導(dǎo)流能力的水力裂縫。2.2現(xiàn)場(chǎng)施工(1)射孔效果分析油管注入正循環(huán)頂替,利用高壓水射流攜帶石英砂套管開孔,排量控制在2.4m3/min,砂量為2.4m3左右,射孔結(jié)束后關(guān)套管閘門,根據(jù)壓力變化情況,判斷射孔效果。(2)壓裂階套管注入系統(tǒng)開泵,按設(shè)計(jì)注入平衡液體,排量一般為1.0m3/min,同時(shí)正循環(huán)打前置液,按泵注程序加砂直至結(jié)束。(3)水力噴射壓裂施工根據(jù)施工曲線反映的數(shù)據(jù),水力噴射壓裂施工壓力對(duì)排量比較敏感,提升排量時(shí)壓力有明顯的上升。在射孔以后,壓裂過程施工壓力持續(xù)升高,高速水射流在裂縫中的摩阻作用比較明顯。不同于普通壓裂的是,水力噴射是依靠高壓水射流的動(dòng)壓能來壓開地層的,經(jīng)過噴嘴節(jié)流,油壓曲線比裂縫延伸壓力要高。施工過程中要注意施工壓力的突然變化,認(rèn)真分析原因。在本層改造加沙過程中,壓力突然下降了18MPa,分析主要是水嘴刺大(經(jīng)證實(shí):水嘴被刺為44mm×寬21mm的不規(guī)則水眼)。(4)效果分析經(jīng)過水力噴射壓裂改造后,牛東平2井增產(chǎn)10倍以上,由改造前的日產(chǎn)1.2t,上升為措施后的17.8t。3噴射器管柱的壓裂試驗(yàn)(1)水力噴射定向射孔與壓裂聯(lián)作技術(shù)是水平井壓裂工藝中比較安全、高效的一種,特別是對(duì)篩管完井的水平井來說意義重大。(2)水力噴射器磨損最大的部位是噴嘴周圍,它的磨損限制了噴射器的壽命,多數(shù)情況是一趟管柱壓裂1-2層,最多不超過3層,需要進(jìn)一步攻關(guān)水嘴研制,延長使用壽命,提高效率。(3)壓力和排量升高時(shí)