水力喷砂射孔压裂联作技术

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
A B
气体/液体欠平衡钻井、φ139.7mm衬管完井
15～30min
Ã Ñ ª ¹ 30MPa Ã Ñ ª ¹ 39.5MPa
岩 性 影 响
È (cm) î ¶ É
5
10 15 §¹ Î Ñ (MPa)
20
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
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
排 量 影 响
40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 100
孔深（cm）
5分钟 10分钟 5分钟 10分钟
150 200 排 量（l/min） 250 300
磨 料 类 型 影 响
34 32 30 28 26 24 22 20 0
© ¨cm£ É £ ¬î ¿
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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 高压水射流辅助水平井定向压裂研究
项目来源 国家863计划课题
批准号 2002AA615090 2005AA615020 2006AA06A106-05 50774089 2009ZX05009-04A 2008ZX05045-003
© ¨cm£ È £ î ¶ É
孔深（cm）
5« Ö Ö Ó 10« Ö Ö Ó
25 24 23 22 21 20 0% 5% ¨È Å ¶ 10% 15%
喷 射 时 间 影 响
11 10 9 8 7 6 5 4 0
40 30 20 10 0 0 10 20 30 时间（min) 25MPa 30MPa 35MPa 40MPa
4mm喷嘴在入口压力为30MPa时，不同 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 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
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。
滑套工具尺寸
名称 60型滑套 低密度 钢球 2.0～2.6 第七级 50 第六级 46 第五级 42 第四级 38 第三级 34 第二级 30 第一级 26 单向阀内孔 22
55
49-48
45-44
41-40
37-36
33-32
29-28
25
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
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
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wenku.baidu.com
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
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， （1）机械分段压裂 无需封隔器、一趟管柱多段压裂,提 （2）限流法分段压裂 高效率和安全性，减少施工风险、降 （3）砂塞或液胶塞 低伤害和成本 （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）
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。
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， 114mm 水力喷砂射孔，环空携砂液 + 喷 35 MPa
下反复胀封 10 次，外径扩大到
枪喷射基液
停泵、拖动
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
（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%
5 10 ªä Ê ¼£ ¨min£ ©
15
磨 料 粒 度 影 响
28 27 26
È î ¶ É
µ ² Ê â Ï ß
÷Æ Ç Ê Ï ß
27 26
25 24 23 22
23 £ ¶ Á È
0.4-0.6mm
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 浓 度 影 响
28 27 26
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。
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 围压下，相差4.7％～20％。
（1）滑套和喷枪销钉连接方案设计 （2）销钉材料优选及加工
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
第四级喷枪－无滑套 使用后滑套－基本无磨损
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
技术交流－2011
水平井水力喷射分段压裂技术研究与应用 黄中伟
中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室 石油工程教育部重点实验室 CNPC钻井重点实验室高压水射流研究室
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
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 射流压力 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率 流速 流量 流体性质 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 工况参数 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 靶件参数 靶件强度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件渗透率 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 压力 排量 磨料类型 磨料浓度 磨料粒度 岩性 围压 时间
滑套工具尺寸
名称 第八 第九级 级滑 滑套内 套内 孔 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 钢球
50 55
47 49
44 46
41 43
38 40
35 37
32 34
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
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
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 孔眼最大直径100mm、孔深500mm
套管壁孔径15mm、喷射压力45MPa 孔眼最大直径100mm、孔深500mm
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；
连 续 资 助
1
2
3 4 5 6
高压水射流辅助定向压裂技术
连续管技术与装备-射流增产技术研究 高压水射流喷射压裂机理研究 水力射孔与分段压裂一体化改造增产技术 大牛地气田连续分层压裂工艺技术研究
国家863计划滚动课题
国家863计划课题 国家自然科学基金项目 国家油气重大专项专题 国家重大专项示范专题
29 31
26 28
22 25
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
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
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
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
关键：控制喷射压力和环空压力排量
一、水力喷射分段压裂机理与参数
2 管内和环空水力参数计算
喷射排量和射流冲击力计算 调整排量，精确控制Pv和Pa
影 响 因 素
实 验 参 数
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
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
压 力 影 响
射孔深度（cm ）
40 30 20 10 0 20 25 30 35 压力(MPa) 5分钟 10分钟 15分钟 40 45
0.6 500 L/min 0.5 1000 L/min 1500 Lmin 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 2000 L/min
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）
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
三、现场施工工艺设计与应用
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
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