2010水力喷射分段压裂技术研究与应用

0.3
0.2
0.1
0 0 500 1000 1500 2000 2500
井深 （m）
不同排量环空压耗与井深关系曲线
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.3 孔眼内速度及压力分布计算
套管壁孔径10mm、喷射压力40MPa 、喷射压力 套管壁孔径 孔眼最大直径100mm、孔深 孔眼最大直径 、孔深500mm
一、前 言 油气井工程
一.提高射流井底效率 二.自振空化射流钻头钻井 三.水力脉冲空化射流钻井 四.超高压射流辅助破岩钻井 五.旋转射流钻径向水平井 六.连续管洗井与小井眼钻井 七.煤层气与储气库洞穴技术
完井和增产处理
八. 旋转射流处理近井地层 九. 磨料射流射孔割缝增产 十. 高压水射流深穿透射孔 十一.水力喷射定向/ 十一.水力喷射定向/分层压裂 十二. 十二.水力喷射深穿透水平井 十三. 十三.水平井旋转射流冲砂洗井 十四. 十四.自激波动注水技术 十五.高油气比井射流增效 十五.
1 1 2 σ 3 = (σ θ + σ z ) + (σ θ − σ z ) + 4τ θ2z 2 2 2
1
1 σ3 = (2σv + A− Bcos2θ − pw ) + ( A−Ccos2θ − pw )2 + 4D2 cos2 θ 2
拉伸区内裂缝以角度γ方向扩散： 拉伸区内裂缝以角度γ方向扩散： 2τ θ z 1 1 2 D cos θ γ = arctan = arctan 2 A − C cos 2θ − p w σθ −σ z 2
三、水力喷射分段压裂工具研制 四、现场施工工艺设计与应用 五、经济效益与应用前景
一、前 言
1.1 问题的由来
• 压裂改造是油气井特别低渗增产的主要措施 ， 占石油储量 压裂改造是油气井特别低渗增产的主要措施， 25～30%产能由压裂增产。美国约40 油井、70% 40% 25～30%产能由压裂增产。美国约40%油井、70%新气井是压裂 投产。世界范围内，压裂增产比例越来越高。 投产。世界范围内，压裂增产比例越来越高。 • 低渗起裂压力和驱动压力高,裂缝起裂位置及扩展方向难以 低渗起裂压力和驱动压力高, 控制，直接影响压裂效率和成功率，世界性难题。国家863 863计 控制，直接影响压裂效率和成功率，世界性难题。国家863计 划支持，水力射孔应力分布、 起裂压力、 划支持 ， 水力射孔应力分布 、 起裂压力 、 扩展方向 、 射流定 向射孔/分段压裂参数与工艺技术研究。 向射孔/分段压裂参数与工艺技术研究。 •水平井快速发展，研究水平井分段改造、完井工具与技术。 水平井快速发展，研究水平井分段改造、完井工具与技术。 水平井快速发展 自主的水力射孔/分段/压裂一体化技术，成功应用20多井次。 20多井次 自主的水力射孔 / 分段 / 压裂一体化技术，成功应用20 多井次。
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 关键技术难点： 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） 低伤害抗剪切压裂液
序号 项目名称 高压水射流辅助水平井定向压裂研究 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 项目来源 国家863计划课题 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 1 2 3 4 5 6
套管壁孔径15mm、喷射压力45MPa 、喷射压力 套管壁孔径 孔眼最大直径100mm、孔深 孔眼最大直径 、孔深500mm
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.4 孔眼内速度及压力分布实验
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. 可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. 还可模拟“环空加液、射孔裂缝渗流”物理过程。
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.7 定向喷射对起裂压力影响实验
1. 实验装置和方法
实验装置示意图
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.7 定向喷射对起裂压力影响实验
2. 实验结果分析
起裂压力随射孔直径和射孔深度增加而降低，射孔深度由 变到50mm， 起裂压力随射孔直径和射孔深度增加而降低，射孔深度由30mm变到 变到 ， 起裂压力由29.21MPa降到 降到25.77MPa，下降 起裂压力由 降到 ，下降11.8％。 ％。
一、前 言
60年代末70年代初，美国NSF资助了一项庞大的研究计划， 60年代末70年代初，美国NSF资助了一项庞大的研究计划， 年代末70年代初 NSF资助了一项庞大的研究计划 寻求一种高效的切割破岩方法，提出并试验了25种新方法， 寻求一种高效的切割破岩方法，提出并试验了25种新方法， 切割破岩方法 25种新方法 电火花、激光、火焰、等离子体、电化学、高压水射流等， 电火花、激光、火焰、等离子体、电化学、高压水射流等， 最后一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法。 最后一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法。 高压水射流破岩方法 高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的一门新技术， 高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的一门新技术， 正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、 正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航 空、交通、建筑等工业部门，用以清洗、除垢、切割、破岩 交通、建筑等工业部门，用以清洗、除垢、切割、 等，提高工效，降低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。 提高工效，降低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。 近年来，出现超高压射流、空化射流、自振空化射流、 近年来，出现超高压射流、空化射流、自振空化射流、磨料 射流等新型射流技术。 射流等新型射流技术。
射孔过程流场速度矢量
压裂过程流场速度矢量 压裂过程流场速度矢量
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.2 管内和环空水力 参数计算
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
环空压耗 （MPa）
1000 L/min 1500 Lmin
0.4
2000 L/min
China University of Petroleum
水力喷射分段压裂技术研究与应用 李根生 田守嶒
中国石油大学(北京) 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 2010年 2010年8月
汇报提纲
一、前言 二、水力喷射分段压裂机理与参数
水力喷射分段压裂机理 管内和环空水力参数计算 孔眼压力分布数模与物模 水力射孔孔眼应力与起裂 水力喷射射孔参数优化实验
σ1 =σr = pw
1 1 2 σ2,3 = (σθ +σz ) ± (σθ −σz ) +4τ 2 2
1 2 2 θz
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.6 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展
1 裂缝起裂和扩展模型 最大拉应力破坏准则， 最大拉应力破坏准则，井壁某平面最大张应力达到井壁岩石 张性破裂压力（抗张强度） 就会在该平面起裂，逐渐延伸， 张性破裂压力（抗张强度）时，就会在该平面起裂，逐渐延伸， 依此可计算破裂压力。孔眼井壁上局部主应力最大值为： 依此可计算破裂压力。孔眼井壁上局部主应力最大值为：
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.6 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展
4 定向喷射角度对起裂压力影响
随射孔方向与最大水平主应力方向夹角的增大，起裂压力增加； 随射孔方向与最大水平主应力方向夹角的增大，起裂压力增加； 平行于最大水平主应力方向射孔，破裂压力最低，有助于辅助压裂。 平行于最大水平主应力方向射孔，破裂压力最低，有助于辅助压裂。
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
批准号 2002AA615090 2005AA615020 2006AA06A106-05 50774089 2009ZX05009-04A 2008ZX05045-003
连 续 资 助
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.1 水力喷射分段压裂机理
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.7 定向喷射对起裂压力影响实验
2. 实验结果分析பைடு நூலகம்起裂压力/时间 夹角 起裂压力 时间--夹角 时间 夹角α
随α角增加，起裂压力和起裂时间 角增加， 都随之增加，且改变α角时 角时， 都随之增加，且改变 角时，裂缝 总是在射孔端部开裂、扩展， 总是在射孔端部开裂、扩展，从而 避免裂缝在近井地带转向。 避免裂缝在近井地带转向
• 调整环空压力，适应不同地层压裂 调整环空压力， 射流孔口抽吸作用， 射流孔口抽吸作用，强化封隔效果
控制环空流量保持合适的环空压力至为关键 （补偿井眼漏失、补充裂缝、维持压力） 补偿井眼漏失、补充裂缝、维持压力）
汇报提纲
二、水力喷射分段压裂机理与参数
水力喷射分段压裂机理 管内和环空水力参数计算 孔眼压力分布数模与物模 水力射孔孔眼应力与起裂 水力喷射射孔参数优化实验
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.6 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展
3 水力射孔直径和深度对起裂压力影响
孔径越大，泵注排量越大，孔内流动阻力减小， 孔径越大，泵注排量越大，孔内流动阻力减小，起裂压力降低 射孔长度增大，有利于裂缝沿射孔方向延伸和扩展，且裂缝延伸压力降低。 射孔长度增大，有利于裂缝沿射孔方向延伸和扩展，且裂缝延伸压力降低。
一、前 言
1.1 问题的由来
1998年 Surjaatmadja提出水力喷射 1998年，Surjaatmadja提出水力喷射 压裂方法，并应用于水平井压裂。 压裂方法，并应用于水平井压裂。 水力喷射分段压裂 (HJF) 是集射孔、 是集射孔、 压裂、隔离一体化的增产措施， 压裂、隔离一体化的增产措施，专用 喷射工具产生高速流体穿透套管、 喷射工具产生高速流体穿透套管、岩 形成孔眼， 石，形成孔眼，孔眼底部流体压力增 超破裂压力起裂， 高，超破裂压力起裂，造出单一裂缝
一、前 言
1.2 水力喷射分段压裂机理
• 射孔过程：Pv+Ph<FIP，不压裂 射孔过程：Pv+Ph<FIP， 环空加压: Pv+Ph+Pa FIP， Pa> 环空加压: Pv+Ph+Pa>FIP，起裂 • 射流卷吸井底液流产生的推进压力 可达到约2.0MPa 可达到约2.0MPa
• 环空压力<FEP，井筒其它部位不起裂也 环空压力<FEP， 不会使先前的裂缝扩展。 不会使先前的裂缝扩展。环空压力与推进 压力叠加超过FEP FEP， 压力叠加超过FEP，裂缝持续延伸
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.6 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展
2 定向喷射对起裂压力影响数值模拟 • RFPA（Rock Fracture Process Analysis）软件 • 水平井中不同射孔参数、加载速度、 水平井中不同射孔参数、加载速度、 地应力等条件下压裂时的起裂压力变 化规律以及裂缝扩展情况； 化规律以及裂缝扩展情况； • 改变孔眼直径、孔眼长度、孔眼轴线 改变孔眼直径、孔眼长度、 和最大水平主应力夹角、 和最大水平主应力夹角、压裂液加载 速度、垂直/ 速度、垂直/水平应力比值
（1）机械分段压裂 ） （2）限流法分段压裂 ） （3）砂塞、暂堵剂或液胶塞 ）砂塞、 特别适合分段、分层作业，无须机械封隔。 ） 特别适合分段、分层作业，无须机械封隔。（4）水力喷射分段压裂 准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂。 减少施工风险、降低伤害、 准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂。 减少施工风险、降低伤害、 提高施工可控性
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.4 孔眼内速度及压力分布实验
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％。
4mm喷嘴在入口压力为30MPa时， 不同围压下，相差4.3％ ～20％
二、水力喷射分段压裂机理与参数
2.5 水力射孔孔眼应力分布
1 水力射孔孔眼应力分布模型 假设地层为均质、各向同性、 假设地层为均质、各向同性、 线弹性体， 线弹性体，水力射孔井壁上的 三个主应力分量为： 三个主应力分量为：