水力喷砂分段压裂

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3、室内物模实验
水力喷射压裂依靠射流增压来实现分段改造，这种增压现象前 期有很多的定性认识，但定量认识很少。
实验台架的建立
长庆油田在2007年-2010年采用室内物模的方法，对孔内增压值进 行了测量。
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建立了基于真实喷嘴和喷孔形态的试验装置。
• 孔眼形状：40-60-40（纺锤形孔径） • 孔深150mm • 套管壁面孔眼直径：15mm、23mm • 围压：10-20MPa • 设置泄压阀，模拟地层滤失 • 孔眼壁面上传感器布置间距20mm左右
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(4)单流阀
• 保证射孔、压裂过 程中油管中液体只从 喷射器喷嘴中喷出； • 进行反循环洗井。
单流阀实物图 单流阀示意图
(5)眼管
反循环洗井过程中防止一些大杂物进入油管，堵塞喷嘴，另外， 为反循环洗井提供更大的过流通道。
眼管示意图
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(6)堵头
• 下管柱时，起着导 向作用； • 封堵油管，保证反 循环洗井过程中液体 只从喷嘴和筛管通 过。
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汇报提纲
一、原理及主要做法 二、关键工具及性能 三、前期试验及认识 四、近年技术研究与发展 五、应用情况
一、原理及主要做法
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1、水力喷砂分段压裂的技术原理？
水力喷砂分段压裂技术是通 过高速水射流射开套管和地层并 形成一定深度的喷孔，流体动能 转化为压能，在喷孔附近产生水 力裂缝，实现压裂作业。由于喷 孔内的压力要高于环空压力，喷 射压裂具有自动隔离的效果。
2005年，以长庆油田为代表的国内油田开始引入水力喷射压裂工艺，针对射流 增压、喷孔形态等关键理论认识，开展了大量物模实验，许多研究成果改变了传统 理论认识，根据研究成果，长庆油田改进了水力喷砂压裂技术，在油田形成了水力 喷砂与小直径封隔器联作拖动压裂技术，在气田形成不动管柱多级滑套水力喷砂压 裂技术，至目前，在长庆油田应用了124口井，压后增产3倍以上，在长庆气田应用 47口井，增产3-5倍，目前已成为油气田水平井改造的主体技术之一。
吴420区水平井与对比直井投产效果图
四、近年技术研究与发展
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为解答前期现场试验的困惑，为工艺优化提供理论依据， 开展了大量的室内研究。 实现水力喷射压裂的认识关键：
l 射流能否增压，增压多大； l 真实的喷孔形态； l 水力喷射能否有效射孔。
1、地面喷射实验及成像测井
在镇217-17井进行了地 面模拟试验，模拟水平井不 规则井眼轨迹，套管底部向 上倾斜，套管采用 Φ139.7mm 、 壁 厚 9.17mm 、 材质采用P110，喷射器双喷 嘴对称分布。
①露头岩样制作靶件 ②喷射工具和施工参数与现场施工相符 ③套管尺寸、钢级、固井方式、水泥环厚度与目前完井方式一致 ④入井材料采用长庆油田实际用料 ⑤采用一套2000型压裂机组
实验基础数据
套管：J55-7.72-5.5〞
水泥环：厚度50mm，采用G级油基水泥
喷射用砂：20-40目石英砂 基液：胍胶浓度0.4%
水力喷砂与小直径封隔器联作拖动压裂：
通井洗井 下喷射工具 射孔 压裂下层 反循环洗井 拖动油管 射孔 压裂上层 反循环洗井 起管柱完井
不动管柱多级滑套水力喷砂压裂：
通井洗井 下喷射工具 射孔 压裂下层 观察裂缝闭合 投球打开滑套 射孔 压裂上层 重复直至压完最后一层 完井
(1)通洗井
用合适尺寸通井规通井，并用活性水将井筒清洗干净。 其它要求： ①试压 ：对套管试压，确保套管完好。 ②油管校深 ：由于油管伸长量计算误差较大，因此，需对油管进行 校深作业(主要对直井段)，一般在油管传输测三样时进行校深（在直 井段下入校深短节，通过GR校深）。
堵头实物图
三、前期试验及认识
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2006-2008 年 ， 照 搬 国 外水力喷砂压裂的做法，在 以吴420长6为代表的油田开 展了早期的水力喷砂压裂现 场试验，其中仅吴420井区 完试16口井。
长庆油田区域分布图
吴旗油田
水平段长度：300－500m 改造段数：3-5段 单段加砂量：25-35m3 油管排量：1.8-2.0m3/min 套管排量：0.6m3/min 平均砂比：30-40% 支撑剂：20-40目石英砂
0 填砂+液体胶塞
施工周期（天）
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机械桥塞 (吴平10)
4.7 水力喷砂
长庆油田不同工艺施工周期对比图
2、施工曲线显示，部分段破压显示不明显，分段的有 效性是否存在不确定性？
破压明显
破压不明显
破压明显
破压不明显
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3、投产后，水平井平均稳定产量为6-10t/d，是周围 对比直井的1.6-1.8倍，效益较低，是否发挥了水平井真 实的潜能？
二、关键工具及性能
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工具组成：
万向节+偏心定位器+喷射器+喷射器+单流阀+眼管+堵头
万向节
偏心定位器
单流阀
堵头
喷射器 水力喷砂压裂工具示意图
眼管
接头
调整短节 偏心定位器
万向节
喷射器+单流阀
工具实物图
眼管+堵头
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(1)喷射器
喷射器水力喷砂射孔压裂中的核心部件，由喷射器本体和喷 嘴组成。
• 产生高速射流，射开套管和地层，压开地层，实现射孔、压裂施工 一体化； • 根据储层特点，通过调整喷嘴位置、数量、大小可实现不同方位、 不同施工排量、压力下的压裂施工； • 提供高速射流，实现段间水力自动封隔功能。
孔内增压（MPa）
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2
100 120 140 160 180 200 220
喷嘴喷射速度（m/s）
4、发展形成了两项主体技术
结合油气田特点，研究形成了油田水平井和气田水平井两项主体技术。 油田水平井：水力喷砂与小直径封隔器联作拖动压裂技术 管柱结构：喷砂器＋小直径封隔器＋单流阀＋眼管＋堵头 技术指标：耐压60MPa、耐温90℃、工作套管内径51/2″
通过封隔器实现封隔有效性的“双保险”，其主要结构包括上接 头、中心管、胶筒座、胶筒、滤网套及下接头。
1－上接头；2－密封圈；3－上胶筒座；4－中心管；5－胶筒；6－下胶筒座；7－密封 圈；8－滤网内套；9－滤网外套；10－下接头
机械封隔器抗压、密封能力试验数据表
序号
1 2 3 4 5
油压 （MPa）
喷砂器
小直径封隔器
单流阀
眼管
堵头
气田水平井：不动管柱多级滑套水力喷砂压裂技术
管柱结构：液压安全接头＋多级喷砂器＋多级工作筒＋眼管＋堵头 技术指标：耐压70MPa、耐温120℃、工作套管内径41/2″
液压安全接头
多级喷砂器
多级工作筒
术关键点1：针对射流增压局限性，研制了小直径封隔器，提高了封 隔有效率，为在油田不同类型的储层推广应用提供了条件。
喷射器是影响喷射效果和施工效率的关键部 件。
主要影响因素：
Ø 喷嘴流道形状 Ø 喷嘴直径 Ø 喷嘴布放方式 Ø 喷嘴材质 Ø 喷射器材质 Ø 喷射方式
喷嘴螺旋布放时孔内流速分布图
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(2)偏心定位器
当液流以较高速度流经偏心定位器时，在压力作用下，由于两个内 腔不同心，流体与内腔管壁交接处会出现旋流，产生向下的力，推动定 位器旋转方向。
砂浓度：150kg/m3 井口：350型
油管承压：50MPa
环空承压：15MPa
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靶件浇注
座井口、连管线
讨论实验方案
实验过程中靶件起裂刺水
实验结果与认识
喷孔形态得到了重新认识，为水力喷射参数优化提供了重要的研究基础。
靶件起裂前：
新认识
前期理论认识为椭圆形 靶件产生裂缝后：
喷孔形态呈纺锤形
孔眼形状呈剑形孔道，射孔 深度成倍增加，最长达 354mm。 水力喷射喷孔具有孔眼直径大，无压实带的特点。
• 水马力 (HHP) = 压力 (psi) x 排量 (BPM) 40.8
• 附加的备用泵 (50% - 100%）
(3)压裂施工
①正循环用压裂液基液替满井筒。 ②射孔：砂比8-10%的20-40目石英砂。 ③关闭套管旋塞。 ④第一段压裂作业：油管和套管按设 计注入。
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⑤停泵关井。 ⑥反循环洗井，上提管柱至第二个喷 射位置。 ⑦按设计完成第二段压裂作业。 ⑧依次完成全部压裂施工，最后起管 柱完井。
水力喷砂分段压裂技术
中国石油长庆油田分公司 二○一一年六月
前言
水力喷砂分段压裂技术起源于60年代末70年代初的水力喷砂射孔技术，作为 增产技术的一种，前期仅应用于射孔领域，直到1998年，Surjaatmadja提出水力喷 射压裂方法，水力喷砂开始延伸到压裂领域，形成了水力喷砂压裂技术，并应用于 水平井压裂，改变了裸眼水平井不能压裂的历史，在国外应用了数千口井。
p 岩性的针对性：与地层对应的 长6露头岩样靶
p 设备与工具的一致性：与现场 施工相同的地面设备、喷射器
p 参数的一致性 ：与现场施工基 本一致的试验参数（排量、泵 注程序、时间）
p 完整的解剖：得到真实的孔形 结构与参数
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实验条件确定
采集了与地层对应的岩样露头，并制作了靶件。
采集岩样
制作靶件
岩样靶 1700mm×1700mm×1900mm
• 可实现定方位射孔； • 扶正作用，保证施工时各个喷嘴的喷距相同。
偏心定位器示意图
(3)万向节
• 提高钻具在复杂井眼井中的
通过能力，易于起下管柱；
• 与偏心定位器配合调整喷射
方位，使之与设计方位一致；
• 钻具活动空间增大，提高管 柱起钻解卡解堵的成功率。
15°
功能：在一定范围内在径向上和轴 向上可以自由活动。
51 55.3 61.2 65.4 70