水利喷砂水力喷射

水力喷射定点压裂改造技术研究与应用

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。

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。

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。

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。

6、围压：射孔深度随着围压的增大成线性递减。

（三）水力喷砂压裂工艺步骤

1、洗井，下喷射工具到预定位置，进行水力喷砂射孔。

2、泵入前置液，环空迅速增压产生裂缝，排量增加到设计压裂排量，进入主压裂施工程序，施工结束。

3、关井、放喷、压井上提油管到上一个压裂的位置。

4、重复以上步骤，至整个井段压裂结束。

创新点：

创新点一：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。

创新点二：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。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。

创新点三：水力喷射压裂管柱结构设计，实现多段压裂，又能解决砂堵后的反洗问题。管柱结构：引鞋+筛管+单流阀+短节+喷枪+油管

关键技术：应用了高耐磨喷嘴

喷嘴需承受高压和高速工作液的冲蚀，容易导致喷嘴变形、破损。要求喷嘴具有高耐磨性，是保证工艺成功的关键。

主要技术特点：水力喷射压裂技术是一项能有效控制裂缝起裂的增产措施。只在指定的位置处进行压裂造缝。

结论：

1、水力喷射定点压裂是集水力喷砂射孔、压裂、封隔一体化的新型改造技术，是一种精准、高效、经济、安全的分段增产技术。

2、是解决裸眼井、割缝管完井、水平井、直井分段压裂的尖端技术。

3、目前国内水力喷射工具与国外存在差距，普遍存在磨损，尚需要进一步研究。

不动管柱水力喷射逐层压裂技术

要点：水力喷射压裂是目前先进的分层、分段压裂工艺之一, 但由于该工艺要靠井下作业改变其喷射位置才能实现多层压裂, 致使工艺推广受到制约。为此, 在水力喷射压裂前期研究成果的基础上, 通过对喷嘴个数和直径的优化研究、井下压力节点分析, 从油管排量与泵压的关系入手, 建立了水力喷射无因次特性曲线, 探索了环空井底压力的大小计算方法, 解决了环空补液量与排量的关系等设计

难题, 在国内首次提出了完井不动管柱条件下的水力喷射逐层压裂设计方法。同时, 配套研制了适用于Φ 178 mm(Φ 215. 9 mm 裸眼) 、Φ 139. 7 mm(Φ 152. 4 mm 裸眼) 和Φ 127 mm 套管的3种规格一趟管柱作业4 层的滑套式喷射器。过现场4 口井共13 层的作业, 结果证明不动管柱水力喷射逐层压裂技术发展和完善了水力喷射压裂工艺, 不但实现了射孔、压裂、生产联作, 还为合层开采提供了条件。近年来, 国内外学者在磨料射流、脉冲射流和空化射流的研究和应用开发中取得了一系列的研究成果,拓展了水射流技术的应用范围。在油气田勘探开发的应用中形成了水力喷射辅助压裂新技术, 随着工艺的不断改进, 水力喷射压裂技术在全世界范围内的多个油气田得到迅速应用。据不完全统计, 水力喷射辅助压裂技术已经在全世界范围内施工了300 多口井, 大部分增产效果显著, 但在其配套工艺上还需完善。

1 喷嘴个数与直径组合优化

根据前期研究成果, 为了保证足够的射孔和破岩效果, 一般要保证液体出喷嘴流速要在200 m/ s 左右, 而喷嘴节流压差一般要在20 MPa 左右。喷嘴流速越高, 或节流压差越大, 射孔和破岩的效果越好, 喷嘴产生的负压越大, 但是消耗在喷嘴上的水功率就越大, 也就是施工排量就越低, 低到一定程度, 就不能满足加砂压裂需要了。因此, 选择喷嘴直径与个数时就是要找到喷射能力、负压值和施工排量之间的平衡点。研究表明: 井口泵压的计算是影响喷嘴选择的关键, 只有知道了泵压随喷嘴直径、个数的变化关系, 才能根据泵压情况决定合适的喷嘴直径和个数。

2 油管排量设计

油管作为携砂的通道, 排量选择主要受喷嘴直径和个数的影响, 选择8 ! 5. 5 mm 喷嘴组合可满足要求。因此, 油管排量设计应该在保证井口不超压的前提下, 尽可能提高泵注排量。

按照节点方法来分析, 涉及井下压力节点的有以下几个(: ?裂缝延伸压力( p p ) ; # 喷嘴前井底压力( p b ) ; ?管路摩阻( p f ) ; %静水柱压力( p H ) ;& 井口泵压( p t ) 。

4 环空补液排量设计

在水力喷射压裂中, 施工总排量是由油管排量与环空排量之和组成。前面已经确定了油管排量, 在确定该排量后, 根据压裂所需总排量才确定环空排量。

第一步, 根据压裂需要的总排量, 以及油管可以达到的排量, 确定环空需要的排量范围。

第二步, 环空排量的确定是水力喷射多层压裂成功的关键。如果环空排量过大, 会使已压裂层段重新开启, 出现?重复压裂(; 如果控制过低, 又达不到施工所需排量, 可能造成砂堵。因此需要准确预测出在不同环空补液排量下, 井底的环空压力变化情况。只要预测的环空井底压力达到或超过了已压裂层段裂缝开启压力, 此时对应的排量就是环空补液的排量上限。

在环空需要的排量范围内, 只要是不超过上限的环空补液排量都是可以选择

的环空排量。

2 滑套式喷射器的研制

滑套式喷射器是实现不动管柱逐层加砂压裂技术的核心部件。其结构组成主要是由喷枪本体、滑套、喷嘴、密封圈、销钉、喷枪座组成。

4 结论

1) 不动管柱水力喷射多层( 多段) 压裂工艺, 解决了常规水力喷射压裂在气井中使用时带压拖动油管的井控风险, 并且缩短压裂周期3~ 4倍, 是一种全新、高效、安全的直井分层或水平井分段压裂工艺。

2) 通过不动管柱水力喷射多层压裂施工参数的理论研究, 形成不动管柱水力喷射压裂施工参数的计算方法。

3) 研制的适用于Φ127 mm、Φ139. 7 mm(Φ 152. 4mm 裸眼) 、Φ 178 mm(Φ 215. 9 mm 裸眼) 3 种规格井眼的系列工具, 其性能满足不动管柱水力喷射逐层压裂工艺的要求。

4) 开展了4 井次不动管柱水力喷射压裂, 实现了不动管柱压裂4 条缝, 单缝

压裂成功率达到100% , 其中GA002-X68 是国内第1 口不动管柱喷射压裂井。5) 不动管柱逐层压裂工艺管柱不仅可作为射孔和逐层压裂管柱, 也可作为多层合采管柱。

6) 建议对工具进一步优化研究, 形成5级以上的不动分段压裂工艺。

不动管柱水力喷射压裂工艺在川西水平井改造中的应用

要点：川西气田是典型的低孔、低渗、低丰度、高压致密砂岩气藏，水平井分段压裂是这类难动用油气藏的高效开发的关键技术。针对目前常用的水平井喷砂滑套分段压裂普遍要求固井质量高、封隔器容易失效; 连续油管水力喷射分段压裂需要压井、多次动管柱、作业周期长的缺点。综合上述两项技术的优点，形成了不动管柱水力喷射分段压裂工艺新工艺，实现了水平井分段压裂的高效改造，并进行了现场应用，取得了工艺和增产效果的成功，值得在水平井改造中推广应用。

一、不动管柱水力喷射分段压裂原理

水力喷射分段压裂是一种集射孔、压裂、隔离一体化的增产工艺措施，通常与连续油管一起作业。当对单层进行作业时，具有简化作业程序、施工周期短、作业成本低的优点; 当对多层改造时，通常需要采用压井措施( 或井口带压装置) 控制井底流体压力，拖动连续油管，进行下一段的改造，这就增加了施工风险和作业时间，明显存在需带压装置、需取工具、动管柱、连续油管排量低、工期长、压井伤害严重等缺点。不动管柱水力喷射压裂是在常规水力喷射压裂和投球滑套压裂基础上发展起来的一种新型分段压裂技术，有效解决了该难题。

1. 水力喷砂射孔

环空敞开，通过油管高压注入含6%～8% 石英砂( 粒径0．4～0．6 mm) 浓度的0．2% ～0．5% 瓜胶基液，液体经过喷嘴后将势能转换为动能，高速射流冲击切割套管及岩石，形成具有一定直径和深度的纺锤形孔眼，同时高速流体的冲击作用在水力射孔孔道顶端产生微裂缝能在一定程度上降低地层起裂压力。2. 水力喷射压裂

水力喷砂射孔后，关闭环空，通过油管、环空同时注液。水力喷射压裂时的孔

内压力是由井底环空压力和射流增压构成，射流增压值一般在3 ～ 5 MPa之间，因而孔内压力的大小主要取决于井底环空压力。随着环空加压后井底压力的升高，孔内压力达到破裂压力后就可压开地层而起裂。起裂后，孔内增压值有所降低，由于裂缝延伸压力低于其破裂压力，在保持环空压力不变的情况下就能使裂缝不断延伸。而由油管喷嘴和环空不断注入的支撑剂和压裂液则对裂缝起到支撑作用。通过油管喷嘴喷出的流体均是一个单独的淹没非自由射流，由于液体的黏滞性，使得在射流和环空液体的交界面上产生了漩涡，环空中的液体不断地卷入射流中，从而产生抽汲作用，并在环空内部产生局部负压，低于环空内相邻位置的液体压力。通过控制环空压力，使其低于地层破裂压力，就不需封隔器便可实现有效封隔，完成分段压裂。

3. 分段压裂

典型的不动管柱水力喷射分段压裂管柱自下到上依次由引鞋、扶正器、单向阀、喷枪( 含喷嘴) 、油管( 88．9 mm，73．0 mm) 、球座、滑套等组成。在水力喷射压裂完成第1 段的施工后，油管持续注液、控制环空压力，通过油管投球打开第2 施工段的滑套，进行由于水力喷射压裂时高速射流的卷吸作用在环空中局部形成负压区，致使该局部的环空压力低于第1 条裂缝的延伸压力、也低于其未压开裂缝的破裂压力，从而只对目前层段进行压裂。所有层段施工结束后，一起排液求产。投球在随返排液排出井口，管柱可取出也可留在井底作为生产管柱。

二、不动管柱水力喷射

分段压裂配套技术

不动管柱水力喷射分段压裂的配套技术主要解决有效射孔、分段压裂的动态封隔时的压裂液控制以及油管、套管同时注液时的压裂液控制问题。

1. 环空压力控制技术

( 1) 喷砂射孔、投球打开滑套阶段。在喷砂射孔及投球开滑套过程中，环空开启，为避免环空中流体进入已压裂裂缝或已完成压裂裂缝中的流体进入环空、出砂，同时降低井底环空压力提高喷砂射孔效果，需要对环空压力进行精确控制。根据已施工井段的停泵压力，结合油管注液排量、换算放喷油嘴尺寸达到控制井底环空压力略低于已完成压裂层段的最高停泵井底压力。

( 2) 水力喷射压裂阶段。水力喷射压裂时，为

了保证已压开裂缝不重新开启、裂缝不在改造井段之外的地方起裂而实现水力动态封隔以及裂缝扩展的需要，主要是通过改变环空排量来调节环空注液压力而达到控制井底压力的目的。对于套管完井，要求环空井底压力小于已压裂层段延伸压力; 对于裸眼完井，要求井底环空压力小于已压裂层段延伸压力且小于未压裂层段地层破裂压力。

2. 液体质量控制技术

由于水力喷射压裂在高挤阶段要求通过油管注入压裂液、环空补入基液满足裂缝扩展和支撑的需求。要求油管注入的压裂液在过交联情况下能够满足在油管中的携砂，且经过喷嘴高速剪切后与套管注入的基液能够迅速混合满足压裂液在裂缝中的携砂要求，主要通过室内交联和剪切试验来优化压裂液配方。

四、结论

针对水平井采用封隔器投球滑套分段压裂要求固井质量要高、封隔器容易失效和压后管柱上提困难的问题，以及采用常规水力喷射分段压裂时需拖动管柱、不压井装置以及施工规模小等缺点，通过综合上述两项工艺的优点，形成了不动管柱滑套水力喷射分段压裂新型工艺，它兼顾了封隔器滑套与水力喷射分段压裂工

艺的优点，降低了井下复杂事故的发生几率，减少了压裂液对储层的伤害，真正意义上实现了对水平井分段的高效改造，值得大力推广。

大力喷砂射孔理论与实验研究

结论：

（1）水力喷砂射孔对套管和岩石冲蚀破碎的机理不同，冲蚀套管属于延性材料冲蚀，以锻打、挤压、犁削为主要破坏方式；对储层岩石的冲蚀属于脆性材料冲蚀，裂纹扩展和交叉产生脆性断裂是主要的破坏形式。

（2）锥直型流道形状的喷嘴加工工艺简单，适宜做水力喷砂射孔喷嘴的流道形状。数值模拟结果表明收缩角为30°、长径比为 4 的喷嘴产生的射流能量比较集中，适合水力喷砂射孔作业，这一结论得到了室内实验的验证。

（3）国产YG6X 喷嘴抗磨损性能较好，最佳喷射速度为220m/s，且价格适中，适用于单次短时间作业；美国喷嘴抗磨损性能极好，最佳喷射速度大于

250m/s，但价格昂贵，适用于需要连续多层或多段射孔的情况。

（4）射孔深度随压力的变化规律是线性的，因此实际射孔作业时应尽量使用高泵压；大排量有利于岩屑返出，但当排量达到一定值后，单纯增大排量并不能使射孔深度持续快速增加，反而带来射孔效率的下降，实际射孔作业时存在最优排量值，本实验条件下为144L/min；水力喷砂射孔存在最佳喷射时间，实验结果表明最佳喷射时间为12～16 分钟。

（5）本实验条件下，喷砂射孔在1:1 水泥石上产生孔眼的深度h 与压力p、排量v、时间t 的关系为：

h=-234. 2+1.892p-0.139v+2.5×10-4v2+29.72ln(v)+38.8t- 1.11t2。

（6）对磨料性质对射孔的影响进行了研究。结果表明最适合射孔作业的磨料粒径为0.4～0.8mm，合适的磨料浓度范围为6%～10%，在磨料种类方面，用陶粒做磨料比用石英砂做磨料效果好。

（7）套管的存在直接影响着水力喷砂射孔的效率和所形成孔眼的形状。从效率上来说，一方面套管本身强度大，抗冲蚀能力强，使射孔难度增加；另一方面由于穿透套管形成的孔眼相比在岩石中形成的孔眼小，使孔内形成憋压，阻碍返回流及岩屑排出，加剧孔内液相、固相的碰撞，降低了射流的效率。从孔眼形态上来说，套管的存在使孔眼长度缩短，孔径变大。

（8）套管在喷砂射孔中起到节流作用，致使孔内压力升高。实验证明当压力足够大时，水力喷砂射孔可以在岩石上产生微裂纹，压力越大、岩石强度越低裂纹越明显，这将有利于强化射孔的效果，并对提高复杂低渗、特低渗地层的压裂成功率起到积极的作用。