水平井水力喷射分段压裂技术

滑套工具尺寸
名称
第九级 滑套内 孔
第八 级滑 套内 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 50 47 44 41 38
35
32
29
26 22
钢球
55 49 46 43 40 37
34
31
28 25
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。
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二、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
工况参数
射流压力
进给速度
喷嘴直径
靶距（喷距）
1. 压力
影
喷嘴型式 射流功率
流道数 入喷射角
2. 排量
实 3. 磨料类型
响
流速 流量 切割体积
9
二、水力喷射分段压裂机理与参数
4 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％。
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4mm喷嘴在入口压力为30MPa时，不同 围压下，相差4.3％～20％
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
5 水力喷射射孔参数优化
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三、现场施工工艺设计与应用
直井分层压裂现场试验-七64-7水力喷射分段压裂试验
油层位置m
起
止
1200.5 1209.2
1228.2 1235.6
喷射枪位置 厚度
8.7
1697
7.4
1232
➢ 完井方式：直井、5-1/2”套管注水泥完井； ➢ 压裂方式：水力喷砂射孔，油管加砂压裂，
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
2➢02施1/2/工22 层段数：1～10层， 单层最大加砂量：50m3
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三、现场施工工艺设计与应用
工艺设计与现场试验
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
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
➢ 完井仅0.3×104m3/d，压裂后测试天然气无阻流量16.1×104m3/d，增
产倍比T达itle 到50倍以上，高于邻井单层压裂11.4×104m3/d的平均水平。
Subtitle
20.00 2000
80.00
携 砂 液 排 量 (m?min) 支 撑 剂 浓 度 (kg/m? 地 面 压 力 [油 管 ] (MPa)
二、水力喷射分段压裂机理与参数
4 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；
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
42.021模/2拟/22“环空加液、射孔裂缝渗流”物理过程。
20
25
• 其它条件相同时，围压增加，射孔深度减小。
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
10、磨料类型对喷射效果的影响
喷射深度,mm
530
480
430
380
330
280
230
石英砂
180
陶粒
130
80
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
时间,min
磨料类型对喷射效果的影响
• 磨料硬度增加，喷射深度增加，但是影响幅度相对较小。
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
➢ 采用投球滑套工具，不动管柱常规油管水力喷射分段压裂技术8h完成 三段压裂，衬管完井（裸眼）水平井首次试验成功。
➢ 分别完成40m3、30m3、30m3陶粒的施工，油管排量3.0～3.3m3/min， 最高砂浓度700kg/m3，泵压65～76MPa，环空排量0.9～1.5m3/min。
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一、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）
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
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二、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
➢ 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
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
5 水力喷射射孔参数优化
环 空 排 量 (m?min) 地 面 压 力 [环 空 ] (MPa)
20.00 80.00
16.00
1600 64.00
16.00 64.00
12.00 1200
48.00
12.00 48.00
8.00 800
32.00
4.00
400 16.00
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0.00 0
0.00
115.0
188.0
滑套工具尺寸
名称
第七级 第六级 第五级 第四级 第三级 第二级 第一级 单向阀内孔
60型滑套
50
46
42
38
34
30
26
22
低密度
钢球
55 49-48 45-44 41-40 37-36 33-32 29-28
25
2.0～2.6
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
Φ=5mm Φ=6mm Φ=6.35mm Φ=5.5mm
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
喷嘴排量(m3/min)
0.6
0.7
0.8
• 随排量的增大，喷嘴压损急剧增加；
2021/2/22 • 喷嘴直径的增大，喷嘴压损降低。
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
7、围压对喷射压力的影响
• 随着围压的增大，喷射产生的附加压差减小；
验 4. 磨料浓度
因
流体性质
切深或切宽
参 5. 磨料粒度
素
射流反冲力 比能
数 6. 岩性
磨料参数 磨料类型
靶件参数 靶件强度
7. 围压 8. 时间
磨料流量
靶件硬度
磨料粒度
靶件孔隙度
2021/2/22 混合管直径 靶件渗透率
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
6、喷嘴压损与排量关系
喷嘴压降(MPa)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
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一、水力喷射分段压裂机理与参数
12、 水力喷射射孔参数优化
➢ 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
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二、水力喷射压裂工具设计研制
1 喷射压裂工具整体方案设计
水平井水力喷射分段压裂技术
1
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水平井水力喷射分段压裂技术
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2
提纲
一、前言 二、水力喷射分段压裂机理与参数 三、水力喷射压裂工具设计研制 四、现场施工工艺设计与应用 五、结论与展望
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一、前 言
水力喷射分段压裂是射孔、压裂、隔离一体化增产措施
➢ 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，无需封隔器、一趟管柱多段压裂, 提高效率和安全性，减少施工风险、 降低伤害和成本
2021/2/22 • 喷射后在很短距离内压力趋于稳定。
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
8、不同射流速度对不同岩样穿透时间的影响
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射穿时间,min
30
1:1水泥石
25
1：2水泥石
1:3水泥石
20
砂岩
灰岩
15
10
5
0 100
120
140
160
180
200
220
240
260
喷射速度,m/s
不同流速下射穿定长试件所需的时间
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
（1）滑套和喷枪销钉连接方案设计
202（1/22/22）销钉材料优选及加工
图 井身结构及喷射工具管串结构
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示意图
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三、水力喷射压裂工具设计研制
水平井不动管柱8段加砂压裂—AE3P21
➢油管排量2.6-3.4 m3/min，套管排量0.5-1.0 m3/min，油管压力 40-50MPa，套管压力12-20MPa ➢单枪最大过砂量45m3，8层共加砂340m3，使用原胶液2800m3 ➢AE3P15: 单段（6×Φ6.0mm喷嘴）过砂量55+2＝57 m3
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肇61-平21P1 3 1894.0~2001.0井段
S落 ubtitle
Rate 3 m^3/min
Rate 1 m^/min
1.200
pressure 1 Mpa
3.000
70.00
0.960
2.400 56.00
0.720 1.800 42.00
0.480 1.200
28.00
在相同射流速度下，砂岩较灰岩更容易形成喷孔；
随着射流速度的增加，所需射穿时间大幅下降，当超过
160m/s后，下降幅度变为平缓。
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
9、围压对射孔深度的影响
深度(cm)
11 10
9 8 7 6 5 4
0
5
10
15
围压(MPa)
泵压30MPa 泵压39.5MPa
关键：控制喷射压力和环空压力排量
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二、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
调整排量，精确控制Pv和Pa
喷射排量和射流冲击力计算 管内流体压降损失计算 环空流体压降损失计算
0.6 500 L/min
0.5
1000 L/min
1500 Lmin
0.4
2000 L/min
261.0 Time (min)
334.0
407.0
8.00 32.00
480.0
4.00 16.00
29
0.00 0.00
三、现场施工工艺设计与应用
5 ½″套管完井水平井喷射4段压裂－Z66-P21井
➢ 大庆Z66-P21井2205m，套管139.7mm，施工前产油4.5t/d ➢ 四级喷枪压裂4段：1538、1830、1951、2060m ➢ 加砂量22＋32＋32＋22＝108m3，产油8.5t/d，日增油4.0t
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二、水力喷射分段压裂机理与参数
11、流体介质对喷射效果的影响实验
喷射深度,mm
430
380
330
280
230
180
清水
130
0.3%瓜胶
80
4
6
8
百度文库
10 12 14 16 18 20 22
喷射时间,min
不同喷射液体下喷射深度与时间的关系
• 相同条件下，喷射介质对射孔深度影响较小。
0.3
环空压耗 （MPa）
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
井深 （m）
2021/2不/22同排量环空压耗与井深关系曲线
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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 套管壁孔径15mm、喷射压力45MPa 孔20眼21最/2/2大2 直径100mm、孔深500mm 孔眼最大直径100mm、孔深500m8 m
0.240
0.600 14.00
0.000
0.000
0.00
0.0
20.0
40.0
时间 (min)
prop conc kg/m^3
pressure 2 Mpa
8
2
7 1
5 1
3
1
30
60.0
80.0
100.0 -
三、水力喷射压裂工具设计研制
水平井不动管柱8段加砂压裂—AE3P21
✓ 完钻井深: 2245m ✓ 完钻垂深：1840m ✓ 水平段长：398m ✓ 压裂井段: 1830-2205m ✓ 油层套管：51/2″ ✓ 压裂管柱：27/8 ″
实施二层压裂；
水力喷砂射孔 水力压裂
水力喷砂射孔 水力压裂
➢ 每层压裂时间：约1小时，第一层的最高压力为48MPa，总液量180.00m3；第二层的
最高压力为58MPa，总液量196.00m3 ；
➢ 每层加砂量：约20方,最大砂比22%,最大排量2.6方/分钟;
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➢ 压后喷射枪完好，压裂管柱顺利取出。
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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
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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
使2用021后/2/滑22套－基本无磨损
第四级喷枪－无滑套
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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