水平井液体药高能气体压裂技术试验应用研究
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水平井的生产层段一般大体在水平方向井筒, 水平层段长度少则几百米多则上千米, 生产段射孔 层长, 如果有漏失, 液体漏失量也较大, 这些都增加 了液体药高能气体压裂的难度。因此, 要进行液体 药高能气体压裂首先一次装药量大, 而且, 水平方向 井筒位置的液体药分层控制更为麻烦。经过实验分 析研究改进了液体药的配方, 除氧化剂、燃烧剂、溶 剂等 [ 1] , 加入适当的敏化剂, 增加敏化感度, 提高点 燃的可靠性能, 如图 1、图 2分别为液体药加敏化剂 前、后在密闭爆发器实验 P - t测试曲线, 加敏化剂 改良后, 其液体药的燃烧性能得到较大改善。同时 考虑到保证液体药的性能和可能存在的部分漏水的 稀释, 液体药密度控制在 1. 28~ 1. 3 g / cm3。这样确 保了水平井液体药点火性能。 3. 隔离液配方优化研究
二、水平井液体药高能气 体压裂施工工艺研究
水平井技术已成为油田增加产量, 提高采收率 的一项重要手段, 在新油田开发、老油田调 整挖潜 上, 及海上油田广泛应用并取得了显著的效果。直 井液体药高能气体压裂施工工艺已基本成熟, 但在 水平井上进行液体药高能气体压裂技术, 在我国还 是首次。水平井由于其自身 井身结构复杂 性的特 点, 所以在水平井上实施液体药高能气体压裂技术,
水平井井身结构比较复杂, 主要分三部分: 垂直 井段、弯曲井段、水平井段。最大特点是生产层段大 体上为水平状态进入油层, 与直井相比, 产层裸露长 度和面积大, 而且还大大改善了油气渗入井筒的条 件, 从而使油气产量大幅度增加 [ 2] 。在下井工具通 过弯曲井段、水平井段时, 重力的作用使下井工具紧 贴套管壁前行, 增加了下井工具和套管壁的摩擦力, 可能导致下井工具的磨损, 因此, 对下井工具的设计 工艺要求更高。所以在水平井进行液体药高能气体 压裂研究涉及的内容更多, 首先对水平井液体药点 火装置的要求更为严格, 保证点火装置的安全可靠 性, 保证点火装置的正常功能; 同时在水平段的液体 药及隔离液的静止分布状态保持与水完全分层隔离 状态的难度增加; 从而使水平井上进行液体药高能 气体压裂的施工工艺设计更为复杂。 2. 水平井液体药配方优化研究
现水平井液体药正常点火引燃, 对水平井点火方法 设计进行了研究试验。
( 1)水平井点火工艺设计不同于垂直井点火工 艺。为满足液体药点火工艺的条件, 必须采用高爆 热、高爆压的起爆点火工艺。但在水平井上, 由于下 井工艺的复杂性, 特别是在由垂直方向过渡到水平 方向的弯曲段, 液体药点火装置能否安全顺利通过 是重要的设计因素, 因此, 经研究试验分析: ∀ 点火 装置设计成较小口径与弯曲段相匹配的结构, 保证 了下井工艺的可靠性; # 为保证水平井液体药的点 火可靠性, 研究设计使用复合药和双基药组合的点 火工艺, 增大了爆热和爆压, 有效提高液体药的点火 性能; ∃ 在复合药和双基药上, 设计可燃性涂覆保护 层或加工设计可燃性外壳保护装置 [ 3 ] , 进一步保证 点火器下井工艺的安全可靠性。
关键词: 水平井; 压裂; 作用机理; 工艺设计; 试验应用
中图分类号: TE 357. 1
文献标识码: A 文章编号: 1006- 768X ( 2007 ) 01- 0050 - 04
早在上世纪五、六十年代, 以前苏联为主就开始 了液体药高能气体压裂技术在油田上的研究及现场 应用, 被称之为 小型水力压裂 , 作为一项常规油 田增产技术应用已比较广泛。而在我国从 1992年 技术引进到试验研究及应用研究才 有十多年的历 史。随着我国较大规模的低渗、特低渗复杂油层的 开发和进入后期老油田二次、三次采油的开发, 和水 平井应用技术的快速发展, 及油田开发增产成本的 不断提高, 对新的油层增产技术需求日益迫切, 液体 药高能气体压裂技术的研究和应用也越来越得到石 油工程界的重视。特别是近几年来西安石油大学已 较多地开始了主要在直井上的现场 试验与应用研 究, 现场试验应用已超过 50余口井, 取得了一些较 好的效果。但在水平井上应用液体药高能气体压裂 技术在我国还是首次。
( 2)采用无壳点火器的优点是柔性较好, 但强 度差, 一般用于直井不存在问题。但在斜井上施工, 为防止摩擦引燃出现安全事故, 一般加钢壳保护装 置。在水平井使用摩擦力更大, 加大了下井施工的 难度。并考虑到水平井如发生落物事故, 难以处理
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2007年 1月 Jan. 2007
的情况, 研究设计了两种点火工艺方案: 一是采用强 度较低的硬铝合金材料做点火药保护装置, 并加导 向体; 二是特制口径为 76的小型点火药柱连接成 柱状结构, 便于在弯曲段、水平段能顺利通过。并特 别强调在弯曲段、水平段滑行通过。保证了点火器 的可靠性, 实验证明工艺完全可行, 安全可靠。
水平井液体药的设计方法, 由于其装药量较大, 针对具体井况, 参照直井液体药用量设计调整。 2. 隔离液量设计方法
由于水平井的生产层段较长, 施工时要先泵入 隔离液把水平井段的水全部排空, 一般要求隔离液 顶至弯曲段直井段位置, 因此, 考虑到磨阻损失, 设 计量根据水平生产层段井况, 隔离液设计用量应较 大, 一般应是直井用量的 2~ 5倍。第一次泵入的隔 离液上液面位置与下液面位置之间高度保持 30~ 50 m 距离 ( 在油管与套管环套空 ) , 第二次泵入的隔 离液主要在油管内, 上下隔离液液面位置之间应保
摘 要: 液体药高能气体压 裂技术在我国研究已有十 多年的 历史, 近五年 来才开 始现场 试验与 应用, 但在水 平井上应用还是首次。针对水平井复杂的 井身结构特点及地质特征, 开展了水平 井液体药高 能气体压 裂技术的研
究, 其目的是改善水平井储层渗透导流能力, 提高油井 产量。主要 包括水 平井液 体药配 方优化、隔离 液设计 研究、
持 80~ 150 m。 3. 水平井液体药压裂施工工艺研究
水平井液体药高能气体压裂在我国尚属首次。 因此, 研究设计其施工工艺是非常重要的环节。经 过多次试验研究分析, 在结合直井液体药高能气体 压裂成熟工艺技术的基础上, 研究确定两种施工方 案: ( 1)一趟管柱施工工艺: 即一次管柱携带点火器 下井至设计位置, 直接泵入隔离液、液体药、点火直 接完成; ( 2) 两趟管柱施工工艺, 先下管柱完成隔离 液、液体药泵入工艺, 起管后再携带点火器下井点火 完成。
隔离 液主要以 柴油、CC l4 或 C aC l2 配制而 成, CC l4 是一种高密度的有机溶剂, 它能与原油柴油混 溶, 在常温下能配制成不同密度要求的隔离液 [ 1] 。
图 1 液体药密闭 爆发器实验 P - t测试曲线
图 2 敏化后液体药密闭爆发器实验 P - t测试曲线
4. 水平井点火方法设计研究 针对水平井井身结构复杂性的特点, 为保证实
) - am
( 2)
式中: m % 装填药量, kg; f % 液体药高能气体的火药 力 ( 480 kJ/ kg) ; % 液体药高能气体的的密度 ( 1. 28 - 1. 3 g / cm3 ) ; % 达到峰压时液态燃料燃烧的百 分数, 经验值: 0. 45~ 0. 55。 % 液体药高能气体的 余容 ( 0. 1~ 0. 5 dm3 / kg) ; V0 % 液态燃料燃烧在套管 中形成的空腔, 经验值: 200~ 400 m; P 0% 液柱压力, M P a。
根据我国和俄罗斯高能气体压裂的经验, 套管
耐压强度与井深及地层压力系数有关。计算套管极
限载荷经验公式如下:
Pmax - Pf = 75
( 1)
式中: Pmax % 套管最大抗内压, M Pa;
Pf % 地层压力, MP a。
依据估算井筒压力与装药量经验公式:
P m ax
=
P0+
V0 -
m
(
mf 1-
一、液体药高能气体 压裂技术作用机理
液体药高能气体压裂技术的作用理是采用以 氧化剂、燃烧剂、溶剂等为主要组分, 配制成液体状 的高能燃料, 其燃烧机理是一种复杂的分解化学反 应, 即: 氧化剂和燃烧剂的热分解反应、热分解产物
进行的合成反应并产生大量的气体和热量。其作用 机理就是利用高能敏感性材料的液态高能燃料在地 层燃烧后产生大量的高温、高压气体压裂地层, 使地 层产生更长的多裂缝体系, 并伴随丰富的热量, 对地 层进行较大范围的综合处理, 以提高和改善地层渗 透导流能力, 以达到增产增注的目的。
施工工艺设计研究、点火起爆工艺研究等。文中论述了液体药的作用机理及特 点, 水 平井液体药 设计方法、水平井
液体药施工工艺设计、水平井液体药点火起爆工艺设计等, 并在大庆油田 CP - 2井进行了现场试 验应用, 取得了较 好的效果。该项技术的研究成果 , 为我国水平井的储层 改造提 供了一项 新的技 术, 具有重 要的研究 价值和 应用前 景。
其作用特 点是: 具有 综合成本低, 一次装 药量 大; 总能量高, 燃烧时间长, 压裂效果显著; 施工安全 可靠; 压力上升缓慢, 峰值压力 50~ 80 MP a, 整个压 裂过程作用时间长, 可达 40~ 50 s, 能形成更长的多 裂缝体系, 裂缝长度达 50 m, 综合改善地层效果好; 适用于多油层、较长井段的一次性压裂施工。
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水平井液体药高能气体压裂技术试验应用研究
吴晋军, 廖红伟, 张 杰
(西安石油大学石油工程学院压裂中心 )
吴晋军等. 水平井液体药高能气体压裂技术试验应用研究. 钻采工艺, 2007, 30( 1): 50- 53
( 3) 点火方式采用压力点 火工艺, 特别研究设 计了水平井液体药点火装置, 成功地解决了水平井 段点火药点火的可靠性。
三、水平井液体药压裂 施工工艺设计研究
1. 水平井液体药设计 根据我国和俄罗斯高能气体压裂应用研究, 套
管耐压强度与井深及地层压力系数有关。设计的基
本原则: 保证不损坏套管 的条件下, 油层压开裂缝 长, 增加泄流面积大 [ 1 ] 。
由于液体药与水互溶, 因此, 必须采用憎水性的 隔离液, 把液体药和压挡液柱 ( 水 ) 完全隔开, 才能 保证液体药实现点火燃烧的性能。由于水平井的生 产层段太长, 为保证前期隔离液能排空水平井段的 水柱, 并考虑到套管壁的磨阻损失, 及排水过程中水 的反向窜流控制等问题, 隔离液的密度设计在 1. 05 ~ 1. 15 g / cm 3, 隔离液配置量应较大, 从而保证隔离 液的作用效果。
第 30卷 第 1期 V o.l 30 N o. 1
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其施工工艺研究的内容涉及面更为广泛, 主要包括: 水平井液体药配方改良、隔离液配方改良、点火方法 设计研究、施工工艺设计研究等。水平井上进行液 体药高能气体压裂技术的主要特点: 液体药用量大、 点火方法要求高, 施工工艺复杂等。 1. 水平井井身结构复杂性的特点
收稿日期: 2006- 07- 19; 修回日期: 2007- 01- 05 基金项目: 中国石油天然气集团公司中青年创新项目 ( 03E7035) 复杂岩层地应力松弛及形成裂缝技术机理研究 拓展研究部分成果。 作者简介: 吴晋军 ( 1964 - ) , 硕士, 高级工程师, 高能气体压裂理论与工艺实验实主任。 1987年毕业于西安石油大学石油 机械工程系, 现在 石油工程学院从事油田特种增产技术的开发研究及教学工作。参加总公司科研项目 5项, 承担总公司创新基金项目一项, 横向项目 3项。获国家 教委、总公司、陕西省等省 ( 部 )级科研成果奖 5项, 发表论文 20余篇, 有多篇论文分别被美国 工程索引 化学文摘 石油文摘 等摘录, 获集体 专利 14项。地址: ( 710065 )西安市电子二路 18号, 电话: 13152009068, E- m ai:l jjw 1699@ 163. com
二、水平井液体药高能气 体压裂施工工艺研究
水平井技术已成为油田增加产量, 提高采收率 的一项重要手段, 在新油田开发、老油田调 整挖潜 上, 及海上油田广泛应用并取得了显著的效果。直 井液体药高能气体压裂施工工艺已基本成熟, 但在 水平井上进行液体药高能气体压裂技术, 在我国还 是首次。水平井由于其自身 井身结构复杂 性的特 点, 所以在水平井上实施液体药高能气体压裂技术,
水平井井身结构比较复杂, 主要分三部分: 垂直 井段、弯曲井段、水平井段。最大特点是生产层段大 体上为水平状态进入油层, 与直井相比, 产层裸露长 度和面积大, 而且还大大改善了油气渗入井筒的条 件, 从而使油气产量大幅度增加 [ 2] 。在下井工具通 过弯曲井段、水平井段时, 重力的作用使下井工具紧 贴套管壁前行, 增加了下井工具和套管壁的摩擦力, 可能导致下井工具的磨损, 因此, 对下井工具的设计 工艺要求更高。所以在水平井进行液体药高能气体 压裂研究涉及的内容更多, 首先对水平井液体药点 火装置的要求更为严格, 保证点火装置的安全可靠 性, 保证点火装置的正常功能; 同时在水平段的液体 药及隔离液的静止分布状态保持与水完全分层隔离 状态的难度增加; 从而使水平井上进行液体药高能 气体压裂的施工工艺设计更为复杂。 2. 水平井液体药配方优化研究
现水平井液体药正常点火引燃, 对水平井点火方法 设计进行了研究试验。
( 1)水平井点火工艺设计不同于垂直井点火工 艺。为满足液体药点火工艺的条件, 必须采用高爆 热、高爆压的起爆点火工艺。但在水平井上, 由于下 井工艺的复杂性, 特别是在由垂直方向过渡到水平 方向的弯曲段, 液体药点火装置能否安全顺利通过 是重要的设计因素, 因此, 经研究试验分析: ∀ 点火 装置设计成较小口径与弯曲段相匹配的结构, 保证 了下井工艺的可靠性; # 为保证水平井液体药的点 火可靠性, 研究设计使用复合药和双基药组合的点 火工艺, 增大了爆热和爆压, 有效提高液体药的点火 性能; ∃ 在复合药和双基药上, 设计可燃性涂覆保护 层或加工设计可燃性外壳保护装置 [ 3 ] , 进一步保证 点火器下井工艺的安全可靠性。
关键词: 水平井; 压裂; 作用机理; 工艺设计; 试验应用
中图分类号: TE 357. 1
文献标识码: A 文章编号: 1006- 768X ( 2007 ) 01- 0050 - 04
早在上世纪五、六十年代, 以前苏联为主就开始 了液体药高能气体压裂技术在油田上的研究及现场 应用, 被称之为 小型水力压裂 , 作为一项常规油 田增产技术应用已比较广泛。而在我国从 1992年 技术引进到试验研究及应用研究才 有十多年的历 史。随着我国较大规模的低渗、特低渗复杂油层的 开发和进入后期老油田二次、三次采油的开发, 和水 平井应用技术的快速发展, 及油田开发增产成本的 不断提高, 对新的油层增产技术需求日益迫切, 液体 药高能气体压裂技术的研究和应用也越来越得到石 油工程界的重视。特别是近几年来西安石油大学已 较多地开始了主要在直井上的现场 试验与应用研 究, 现场试验应用已超过 50余口井, 取得了一些较 好的效果。但在水平井上应用液体药高能气体压裂 技术在我国还是首次。
( 2)采用无壳点火器的优点是柔性较好, 但强 度差, 一般用于直井不存在问题。但在斜井上施工, 为防止摩擦引燃出现安全事故, 一般加钢壳保护装 置。在水平井使用摩擦力更大, 加大了下井施工的 难度。并考虑到水平井如发生落物事故, 难以处理
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的情况, 研究设计了两种点火工艺方案: 一是采用强 度较低的硬铝合金材料做点火药保护装置, 并加导 向体; 二是特制口径为 76的小型点火药柱连接成 柱状结构, 便于在弯曲段、水平段能顺利通过。并特 别强调在弯曲段、水平段滑行通过。保证了点火器 的可靠性, 实验证明工艺完全可行, 安全可靠。
水平井液体药的设计方法, 由于其装药量较大, 针对具体井况, 参照直井液体药用量设计调整。 2. 隔离液量设计方法
由于水平井的生产层段较长, 施工时要先泵入 隔离液把水平井段的水全部排空, 一般要求隔离液 顶至弯曲段直井段位置, 因此, 考虑到磨阻损失, 设 计量根据水平生产层段井况, 隔离液设计用量应较 大, 一般应是直井用量的 2~ 5倍。第一次泵入的隔 离液上液面位置与下液面位置之间高度保持 30~ 50 m 距离 ( 在油管与套管环套空 ) , 第二次泵入的隔 离液主要在油管内, 上下隔离液液面位置之间应保
摘 要: 液体药高能气体压 裂技术在我国研究已有十 多年的 历史, 近五年 来才开 始现场 试验与 应用, 但在水 平井上应用还是首次。针对水平井复杂的 井身结构特点及地质特征, 开展了水平 井液体药高 能气体压 裂技术的研
究, 其目的是改善水平井储层渗透导流能力, 提高油井 产量。主要 包括水 平井液 体药配 方优化、隔离 液设计 研究、
持 80~ 150 m。 3. 水平井液体药压裂施工工艺研究
水平井液体药高能气体压裂在我国尚属首次。 因此, 研究设计其施工工艺是非常重要的环节。经 过多次试验研究分析, 在结合直井液体药高能气体 压裂成熟工艺技术的基础上, 研究确定两种施工方 案: ( 1)一趟管柱施工工艺: 即一次管柱携带点火器 下井至设计位置, 直接泵入隔离液、液体药、点火直 接完成; ( 2) 两趟管柱施工工艺, 先下管柱完成隔离 液、液体药泵入工艺, 起管后再携带点火器下井点火 完成。
隔离 液主要以 柴油、CC l4 或 C aC l2 配制而 成, CC l4 是一种高密度的有机溶剂, 它能与原油柴油混 溶, 在常温下能配制成不同密度要求的隔离液 [ 1] 。
图 1 液体药密闭 爆发器实验 P - t测试曲线
图 2 敏化后液体药密闭爆发器实验 P - t测试曲线
4. 水平井点火方法设计研究 针对水平井井身结构复杂性的特点, 为保证实
) - am
( 2)
式中: m % 装填药量, kg; f % 液体药高能气体的火药 力 ( 480 kJ/ kg) ; % 液体药高能气体的的密度 ( 1. 28 - 1. 3 g / cm3 ) ; % 达到峰压时液态燃料燃烧的百 分数, 经验值: 0. 45~ 0. 55。 % 液体药高能气体的 余容 ( 0. 1~ 0. 5 dm3 / kg) ; V0 % 液态燃料燃烧在套管 中形成的空腔, 经验值: 200~ 400 m; P 0% 液柱压力, M P a。
根据我国和俄罗斯高能气体压裂的经验, 套管
耐压强度与井深及地层压力系数有关。计算套管极
限载荷经验公式如下:
Pmax - Pf = 75
( 1)
式中: Pmax % 套管最大抗内压, M Pa;
Pf % 地层压力, MP a。
依据估算井筒压力与装药量经验公式:
P m ax
=
P0+
V0 -
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mf 1-
一、液体药高能气体 压裂技术作用机理
液体药高能气体压裂技术的作用理是采用以 氧化剂、燃烧剂、溶剂等为主要组分, 配制成液体状 的高能燃料, 其燃烧机理是一种复杂的分解化学反 应, 即: 氧化剂和燃烧剂的热分解反应、热分解产物
进行的合成反应并产生大量的气体和热量。其作用 机理就是利用高能敏感性材料的液态高能燃料在地 层燃烧后产生大量的高温、高压气体压裂地层, 使地 层产生更长的多裂缝体系, 并伴随丰富的热量, 对地 层进行较大范围的综合处理, 以提高和改善地层渗 透导流能力, 以达到增产增注的目的。
施工工艺设计研究、点火起爆工艺研究等。文中论述了液体药的作用机理及特 点, 水 平井液体药 设计方法、水平井
液体药施工工艺设计、水平井液体药点火起爆工艺设计等, 并在大庆油田 CP - 2井进行了现场试 验应用, 取得了较 好的效果。该项技术的研究成果 , 为我国水平井的储层 改造提 供了一项 新的技 术, 具有重 要的研究 价值和 应用前 景。
其作用特 点是: 具有 综合成本低, 一次装 药量 大; 总能量高, 燃烧时间长, 压裂效果显著; 施工安全 可靠; 压力上升缓慢, 峰值压力 50~ 80 MP a, 整个压 裂过程作用时间长, 可达 40~ 50 s, 能形成更长的多 裂缝体系, 裂缝长度达 50 m, 综合改善地层效果好; 适用于多油层、较长井段的一次性压裂施工。
! 50! 开采工艺
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2007年 1月 Jan. 2007
水平井液体药高能气体压裂技术试验应用研究
吴晋军, 廖红伟, 张 杰
(西安石油大学石油工程学院压裂中心 )
吴晋军等. 水平井液体药高能气体压裂技术试验应用研究. 钻采工艺, 2007, 30( 1): 50- 53
( 3) 点火方式采用压力点 火工艺, 特别研究设 计了水平井液体药点火装置, 成功地解决了水平井 段点火药点火的可靠性。
三、水平井液体药压裂 施工工艺设计研究
1. 水平井液体药设计 根据我国和俄罗斯高能气体压裂应用研究, 套
管耐压强度与井深及地层压力系数有关。设计的基
本原则: 保证不损坏套管 的条件下, 油层压开裂缝 长, 增加泄流面积大 [ 1 ] 。
由于液体药与水互溶, 因此, 必须采用憎水性的 隔离液, 把液体药和压挡液柱 ( 水 ) 完全隔开, 才能 保证液体药实现点火燃烧的性能。由于水平井的生 产层段太长, 为保证前期隔离液能排空水平井段的 水柱, 并考虑到套管壁的磨阻损失, 及排水过程中水 的反向窜流控制等问题, 隔离液的密度设计在 1. 05 ~ 1. 15 g / cm 3, 隔离液配置量应较大, 从而保证隔离 液的作用效果。
第 30卷 第 1期 V o.l 30 N o. 1
钻
采
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! 51!
其施工工艺研究的内容涉及面更为广泛, 主要包括: 水平井液体药配方改良、隔离液配方改良、点火方法 设计研究、施工工艺设计研究等。水平井上进行液 体药高能气体压裂技术的主要特点: 液体药用量大、 点火方法要求高, 施工工艺复杂等。 1. 水平井井身结构复杂性的特点
收稿日期: 2006- 07- 19; 修回日期: 2007- 01- 05 基金项目: 中国石油天然气集团公司中青年创新项目 ( 03E7035) 复杂岩层地应力松弛及形成裂缝技术机理研究 拓展研究部分成果。 作者简介: 吴晋军 ( 1964 - ) , 硕士, 高级工程师, 高能气体压裂理论与工艺实验实主任。 1987年毕业于西安石油大学石油 机械工程系, 现在 石油工程学院从事油田特种增产技术的开发研究及教学工作。参加总公司科研项目 5项, 承担总公司创新基金项目一项, 横向项目 3项。获国家 教委、总公司、陕西省等省 ( 部 )级科研成果奖 5项, 发表论文 20余篇, 有多篇论文分别被美国 工程索引 化学文摘 石油文摘 等摘录, 获集体 专利 14项。地址: ( 710065 )西安市电子二路 18号, 电话: 13152009068, E- m ai:l jjw 1699@ 163. com