第八章_页岩气井压裂工艺

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一般目的层水平井段被分成8－15段，每段水平 段长度为100－150 m，每段射孔4－6簇，每射 孔簇跨度为0.46－0.77 m，簇间距20－30 m， 压裂施工结束后快速钻掉桥塞进行测试、生产。
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可钻桥塞分段多级压裂技术的关键工具是可钻 桥塞。目前，国外复合材料可钻桥塞比较成熟， BakerHughes公司的Quick Drill桥塞、 Halliburton公司的Fas Drill桥塞等都是非常 成熟的复合材料桥塞。
1 6、钻杆下入裸眼封隔器 、逐级上返压裂 7 、合层生产 4、投球打滑套 5 、压裂第 2段 1段 2、坐封裸眼封隔器及悬挂封隔器 3、压裂第
技术特点
（1）卡层准确；
（2）一趟管柱，多段分压，（51/2‘井眼）最
多可分压8段；
（3）主要用于裸眼井的分段压裂作业；
（4）压后管柱无法起出，无法井行修井等后
(3) 水力喷砂射孔参数设计优化
6、围压：射孔深度随着
围压的增大成线性递减。
喷砂射孔施工参数：
井号 射孔排量（m3/min） 砂浓度（kg/m3） 砂量（m3) 喷砂时间(min) 陶粒粒径 DP1 1.9 120 2 15 40-70目陶粒 牛东平2 2.5 120 2.4 15-20 庙平1 2.5 120 1.2 10 F239H 2.5 120 1.2 10 青2-56H 1.8 120 1.6 15
(1) 裸眼封隔器分段压裂
工艺原理 该工艺是以封隔器工具为载体，通过封隔 器在各射孔段间产生压力遮挡，对某一射孔段进 行压裂改造；施工结束后，投球封堵已压裂段同 时打开封堵上一射孔段的滑套，对上部层段进行 压裂改造；依次上返，实现多段分压；改造结束 后，球体隨压裂液返排出井筒，合层生产。
裸眼封隔器分段压裂工艺演示
(3) 水力喷砂射孔参数设计优化
4、含砂浓度: 含砂量越高，切割效能越好。但是，过多的含砂量容易引 起砂堵，并会在途中互相碰撞，降低速度，影响喷射效果。确 定砂浓度120 kg/m3 。 5、砂粒直径 砂粒直径越大，质量越大，冲击 力就越大。一般讲，砂粒直径取喷嘴 直径的1/6为最佳，确定选用40-70目 和20-40目的石英砂或陶粒均适用。
3.水平井多级滑套封隔器分段压裂技术
该技术通过井口落球系统操控滑套，其原理与直井 应用的投球压差式封隔器相同，具有施工时间 短和成本低的优点。 关键在于每一级滑套的打开以及所控制的级差，级 数越多，滑套控制要求越精确，施工风险也越 高。 该技术采用机械式封隔器，适用于套管和裸眼完井。 该类封隔器需要压力坐封或者工具坐封，因此 工艺过程复杂，下入工具串次数较多，对于水 平井施工风险较大，任何一个环节处理不当就 会导致施工失败，造成大修。
(2) 水力喷砂射孔参数设计优化
2、压力、流速 根据水力学的动量定律， 当喷嘴的截面一定时，射流速度 与压力成正比。试验证明，当通过喷嘴的流速保持在120米/ 秒、工作压力12MPa以上时，可以取得较好的切割效能。 3、喷射时间 在一定的工作压力下，当射流达到
一定深度后，继续延长喷射时间是 无意义的。喷射时间一般在15-20 分钟。
续作业。
4.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术
• 又叫遇油(遇水)膨胀封隔器，用于水平井裸眼 完井 。遇油膨胀式封隔器用一种特殊的可膨胀 橡胶材料直接硫化在套管外壁上； 其工作原理为封隔器下入井底预定位置后，遇 到油气或水后可膨胀橡胶即可快速膨胀，橡胶 膨胀至井壁位置后继续膨胀而产生接触应力， 从而实现密封； 膨胀胶筒在井下遇油或遇水自动膨胀坐封，胶 筒膨胀后能适应不规则井眼的形状，紧贴井壁， 实现分层分段；
(2) 连续上提封隔器卡封压裂
2、技术特点
（1）分段压裂更加准确、可靠；
（2）要求工具稳定性好，尤其是封隔器的重复坐封能力； （3）需进行多次冲砂、起下管柱作业，施工周期较长，但相比封隔器、
桥塞压裂工作效率提高。
2. 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术
水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术的主要特点是套管 压裂、多段分簇射孔、可钻式桥塞（钻时小于15 min） 封隔。该技术的施工步骤大致为： （1）第一段采用油管或者连续油管传输射孔,提出射孔枪； （2）从套管内进行第一段压裂； （3）用液体泵送“电缆+射孔枪+可钻桥塞工具”入井； （4）坐封桥塞,射孔枪与桥塞分离,试压； （5）拖动电缆带射孔枪至射孔段，射孔，提出射孔枪； （6）压裂第二段； （7）重复（3）－（6）实现多级压裂。
(1) 封隔器、桥塞分段压裂
2、技术特点 （1）分段压裂更加准确、可靠； （2）要求工具稳定性好； （3）需进行多次冲砂、起下管柱作业，施工周期较长。
油管 侧通滑套 E4436膨胀式封隔器 坐封球座 带孔管 死堵
压裂管柱结构示意图
油管 液压扶正器 JAY型回收工具
桥塞打捞管柱结构示意图
(2) 连续上提封隔器卡封压裂
第八章 页岩气井压裂工艺技术
石油工程学院 周德胜
2013年05月
第八章 页岩气井压裂工艺技术
1. 水平井分段压裂技术 2. 缝网（体积）压裂技术 3. 同步压裂技术 4. 重复压裂技术 5. 新型压裂技术
一、水平井分段压裂技术 1. 2. 3. 4. 5. 传统水平井压裂 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 水平井多级滑套封隔器分段压裂技术 水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 水平井水力喷射分段压裂技术
环空注液 环空注液 流体流出
井场设备
压裂泵系统
井口设备
环空泵 系统
技术特点 （1）环空压力低，有利于形成横向裂缝； （2）节流压力损失较大，井口压力较高； （3）可实现射孔与压裂作业联作，可用于筛管、套管
及裸眼完井方式井的压裂作业；
（4）分压段数更多，可采用连续油管拖动，逐层上返
压裂（目前水平可分压10段）；
(1) 封隔器、桥塞分段压裂
1、工艺原理
该工艺是以封隔器、桥塞等机械工具为载体，通过机械工具的下入， 实现对水平井段的隔离和选择性压裂改造，压裂改造后，将隔离工具起出，
实现各层段之间的连通。
1、压裂第1段 2、起出管柱 3、下入桥塞 4、座封桥塞 5、起出管柱 6、下入压裂管柱 7、压裂第2段 8、打捞桥塞 封隔器、桥塞分段压裂工艺原理示意图 9、生产
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4.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术
• 胶筒膨胀完毕后不收缩，始终紧贴井壁，保证 坐封质量合格。因为该技术具有可靠性高、成 本和作业风险低、压裂后能很快转入试油投产 等优点，所以目前在国外已经得到大规模的应 用； 近年来，国内不少科研院所和石油工具研发公 司开展了自膨胀封隔器的自主开发研究，并初 步应用于现场，取得了良好的效果。但是与国 外产品相比，目前还存在着密封压力低、使用 温度低等问题。
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5.水平井水力喷射分段压裂技术
• 水力喷射分段压裂（HJF）有多种工艺：水力喷 射辅助压裂（HAJF），水力喷射环控压裂 （HJP-AF），水力喷射酸化压裂等； 水力喷射分段压裂技术可以选用油管或连续油 管作为作业管柱，使用范围广，套管完井、筛 管完井和裸眼完井都适用。其施工工艺分为拖 动管柱式和不动管柱式； 不动管柱式使用喷射器为滑套式喷射器，可实 现多级压裂。托动管柱式的优点在于，连续拖 动施工管柱可以节省很多时间，降低施工成本， 另外由于依靠水力喷射射孔定位准确，因此压 裂针对性强，对于改造层段控制性高。
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这种复合材料桥塞可钻性强，耐压耐温都比较 高：QUICK Drill桥塞耐压可达86 MPa，耐温达 到232℃；Fas Drill桥塞耐压可达70 MPa，耐 温达到177℃。 由于该技术射孔坐封桥塞联作，压裂结束后能 在很短时间内钻掉所有桥塞，大大节省了时间 和成本，同时减小了液体在地层中的滞留时间， 降低了外来液体对储层的伤害。 通过该种射孔方式每段可以形成4－6条裂缝， 裂缝间的应力干扰更加明显，压裂后形成的缝 网更加复杂。水平井水平段被分成多段压裂， 改造完成后可形成8－15段的裂缝簇，改造体积 更大，压裂后的效果也更好。
压裂
二、缝网（体积）压裂技术
二、缝网（体积）压裂技术
• SRV（Stimulated Reservoir Volume）：储 层改造体积；DFN（ Discrete Fracture Network）：离散裂缝网络。SRV主要是衡量压 裂出的缝网体积，而DFN是用来模拟孔隙介质缝 网流动。常规？ 所谓缝网压裂技术就是利用储层两个水平主应 力差至于裂缝延伸净压力的关系，一旦实现裂 缝延伸净压力大于两个水平主应力的差值与岩 石的抗张强度之和时，则容易产生分叉缝； 多个分叉缝形成缝网系统，主裂缝为缝网系统 的主干，而分叉缝可能在距离主缝延伸一定长 度后，又回复到原来的裂缝方位，则最终可形 成以主裂缝为主干的纵横“网状缝”系统；
1、工艺原理 该工艺是以封隔器工具为载体，通过封隔器在各射孔段间产生压力遮 挡，对某一射孔段进行压裂改造；施工结束后，将管柱上提至下一射孔段， 重新坐封封隔器，进行下一段的压裂改造，完成改造后，起出压裂管柱， 实现各层段之间的连通。 1、射孔 2、下入封隔器 3、坐封封隔器 4、压裂第1段 5、解封封隔器 6、上提压裂管柱 7、坐封封隔器 连续上提封隔器卡封压裂工艺原理示意图 8、压裂第2段 9、换生产管柱，投产
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(1) 水力喷射分段压裂
工艺原理 基于伯诺利方程，通过高 速流体的注入达到（1）井筒 内形成负压区，达到分段压 裂目的；（2）利用动能和压 能的转化，形成人工裂缝。
水力喷射分段压裂工艺原理示意图
水力喷射分段压裂工艺工作机理图
水力喷射工具照片
水力喷射分段压裂工艺演示
4、投球打滑套 5、水力射孔、压裂 2、携砂液射孔 1 、下入压裂管柱 3 、加砂压裂 6、液体返排、生产 排液
20-40目石英砂
利用水力喷砂射孔定点压裂工艺技术，不用机械封隔一趟管柱 实现多段改造。
㈠ 水力喷砂压裂技术 原理：射流在喷射通道中形成增压。环空中泵入流体增加环空压力， 喷射流体增压和环空压力的叠加超过破裂压力压开地层。
压开地层： P增+P环>P破裂
环空压力：略低于裂缝的延伸压力
压裂排量：考虑压裂液摩阻、 喷嘴的节流压差、裂缝延伸压力、 喷射工具强度、套管强度、压裂 限压等。
（5）压后工具可起出，有利于进行修井等作业； （6）喷砂嘴的稳定性是决定该工艺的关键性技术。
设计优化水力喷砂射孔所需的流速、最佳喷射时间、喷砂液 浓度、砂粒直径等参数。
(2) 水力喷砂射孔参数设计优化
1、喷嘴选择：要具有良好的耐磨性和较高的流量系数。
从水力学知识得知流束任意一点处的速度可由下式求得： VL =CV0D/L 式中: V L——微粒喷嘴出口距离为L 处的射流轴心速度； C——为试验常数≈6； V0——为射流初速度； D——为喷嘴直径； L——为喷嘴出口至喷射物距离。 上式表明，当L=6D 时，其射流速度仍然保持起初速度的V0不变， 自该点之后，射流则按上述规律逐渐减小。
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5.水平井水力喷射分段压裂技术
• 水力喷射分段压裂（HJF）是用高速和高压流体 携带砂体进行射孔，打开地层与井筒之间的通 道后，提高流体排量，从而在地层中打开裂缝 的水力压裂技术； 该技术是集射孔、压裂、封隔于一体的新型增 产改造技术。利用水力喷射工具实施分段压裂， 不需封隔器和桥塞等封隔工具，自动封堵，封 隔准确； 水力喷射压裂由 3 个过程共同完成：水力喷砂 射孔百度文库水力压裂和环空挤压。
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缝网（体积）压裂阶段
为什么要进行体积压裂？
避免近井多裂缝，开启远井多裂缝
缝网（体积）压裂阶段
（1）近井带网缝阶段 • 根据主裂缝与天然裂缝的角度关系以及通过连续地应力 剖面计算获得的两向应力差异，判断主缝开启的同时是 否能张开天然裂缝； • 若近井天然裂缝在主裂缝起裂时张开的条数过多，可能 会加大前置液的滤失，引起近井弯曲摩阻过高，同时多 缝竞争会引起近井单缝宽变窄，造成施工压力高和脱砂 的风险。因此，有必要在主压裂施工前结合小型测试压 裂来诊断裂缝弯曲和天然裂缝发育程度； • 优化孔密和孔眼方位能够降低孔眼摩阻；采取变排量和 前置小粒径段塞等技术措施控制近井天然裂缝的开启条 数，降低近井弯曲摩阻，为扩展远井裂缝提供通道。