水平井儲層改造新方法―水力噴射壓裂技術

1、第卷第期鉆采工藝水平井儲層改造新方法一水力噴射壓裂技術劉永亮，王振鐸，胥云，張光偉，陳作（西安石油大學中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院）劉永亮等水平并儲層改造新方法一水力噴射壓裂技術鉆采工藝；，（）：摘要：傳統(tǒng)水力壓裂應用于水平井改造增產(chǎn)效果并不理想，經(jīng)常最多產(chǎn)生兩個主要裂縫區(qū)，而且位置也不確定。水力噴射壓裂是一種利用水射流獨特性質的儲層改造新技術。該技術結合了水力射孔和水力壓裂技術，能夠沿著水平井橫向在多個位置獨立連續(xù)壓裂改造而不使用任何機械密封裝置。文章闡述了該技術的原理和工藝過程，介紹了其主要技術特點，分析了影響該工藝的關鍵因素，指出了該技術的局限性以及我國應用該技術的難度，最后表明射流參

2、數(shù)優(yōu)化是該技術一個重要方面，應該成為今后的一個研究重點。關鍵詞：水力壓裂；噴射壓裂；噴砂射孔中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）水平井低產(chǎn)主要歸因于儲層低滲、非均質性，近井污染或表皮損害以及無效的改造技術。傳統(tǒng)水力壓裂應用于水平井改造增產(chǎn)效果并不理想，經(jīng)常最多產(chǎn)生兩個主要裂縫區(qū)，而且位置也不確定。許多高產(chǎn)段仍然沒被改造而維持著表皮損害¨。水力噴射壓裂技術就是最近引入的可代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓裂工藝的有效方法。水力噴射壓裂工藝技術是近年石油工程領域的新技術，它將水力噴砂射孔和水力壓裂工藝合為一體，且自身具有獨特的定位性，能夠快速準確的進行多層壓裂而不用機械密封裝置。該技術在國外水平井已應用于幾百

3、口井，在一些低壓、低產(chǎn)、低滲、多薄互層的油氣層壓裂改造中取得了較好的效果。一、水力噴射壓裂技術原理特點技術原理 水力噴射壓裂技術結合了水力射孔和水力壓裂的新型增產(chǎn)工藝。該工藝由三個過程共同完成，水力噴砂射孔、水力壓裂（通過普通油管或鉆桿或連續(xù)油管）以及環(huán)空擠壓（通過另外一個泵）。通過安裝在施工管柱上的水力噴射工具，利用水擊作用在地層形成一個（或多個）噴射孔道，從而在近井地帶產(chǎn)生微裂縫，裂縫產(chǎn)生后環(huán)空增加一定壓力使產(chǎn)生的微裂縫得以延伸，實現(xiàn)水力噴射壓裂，如圖。該技術基于伯努力方程：穢一方程表明流體束中的能量維持常量，雖然實際上摩擦緩慢消耗能量使其轉化為熱能（但這個簡化方程不包含溫度因素）。由方程

4、可知流體束的速度變化引起壓力反向變化。噴嘴出口處速度最高壓力就最低，隨著流體不斷深入孑道速度逐漸減小，壓力不斷升高，到孑道端處速度達到最低壓力最高。常規(guī)造縫方法需要對整個井籬加壓，大多數(shù)情況下觀察到的破裂壓力比裂縫擴展壓力要大得多，而且井內的每個裂縫都必須克服該壓力。水力噴射壓裂通過噴射流體在孔道內動能到壓能的轉換利用噴射滯止壓力破巖從而在噴射點處產(chǎn)生微裂縫。由于能量集中在孔道端處，井筒不受破裂壓力的影響，從而消除了壓力曲線中地層破裂時的壓力峰值（如圖所示），并且近井筒扭曲問題很少出現(xiàn)。圖水力噴射壓裂原理水力噴射裂縫一旦形成，由于噴嘴出口周圍流收稿日期：；修回日期：一中石油股份公司“水平井低滲

5、透改造重大攻關項目”。作者簡介：劉永亮（一），西安石油犬學油氣井工程碩士研究生，研究方向油氣田增產(chǎn)技術。地址：（）陜西省西安市電子二路號西安石油大學信箱，電話：（），：鉆采工藝年月體速度最高，其壓力就最低，故流體會自動泵人裂縫而不會流到其它地方。環(huán)空的流體也會在壓差作用下進入射流區(qū)被吸入地層。水力噴射壓裂利用動態(tài)分流技術成功解決了水平井裂縫的定位控制問題，通過流體的動態(tài)運動讓其進入地層的特定位置而不使用任何機械密封裝置。圖兩種壓裂井筒壓力簡化匕較圖特點（）不需要機械封隔，能夠自動隔離，可用于裸眼、套管完井；（）一次管柱可進行多段壓裂，施工周期短，有利于降低儲層傷害；（）可進行定向噴射壓裂，準確

6、造縫；（）噴射壓裂可以有效降低地層破裂壓力，保證高破裂壓力地層的壓開和壓裂施工；（）該工藝壓井次數(shù)少，對儲層傷害小，而且施工程序簡單，能夠產(chǎn)生大的經(jīng)濟效益。二、工藝施工過程 施工過程中要求噴射面必須與油藏裂縫延伸面近似吻合（差距不能超過。）。為了把噴射器放置在裂縫延伸面方向上或在它的附近，工程人員必須首先預測這口油井的裂縫延伸面方向。預測裂縫延伸面的方向通常使用現(xiàn)有技術。壓裂方向確定后，設計一套噴射系統(tǒng)并正確放置。根據(jù)井的情況不同，噴嘴數(shù)量和尺寸也有所不同。當對一口井進行水力噴射壓裂時可能會產(chǎn)生兩種情況。第一種情況，通過地面旋轉桿柱使噴射工具在井眼中的預期位置定位。為了準確確定工具的當前位置，

7、工程人員需要在噴射工具上用相配套的引鞋連接電纜。如果不選擇電纜，則定位傳感器可以放置在噴射工具的下面，并且與無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接起來。第二種情況，系統(tǒng)運用重力進行準確的定位，這種純機械的方法比第一種類型更簡單、更經(jīng)濟。工具定位后開始噴射壓裂具體步驟如下：（）清洗井眼，在鉆桿、油管、大外徑的連續(xù)油管上安裝水力噴射壓裂工具下到第一個設計壓裂段位置。（）由高壓泵向油管注入低濃度含砂液體，通過噴射工具進行噴砂射孔。（）水力射孔完成后環(huán)空注入清潔無支撐劑液體，保持井底壓力達到剛剛低于預測的延伸壓力讓裂縫繼續(xù)延伸，油管泵人壓裂液（砂比濃度逐漸增加）經(jīng)噴嘴噴射進入裂縫實現(xiàn)壓裂（酸化），如圖。圖水力噴射壓裂過

8、程（）壓裂完成后用一個油管閥密封油管，水力噴射壓裂工具上提到第二個設計壓裂段位置重復上述施工過程。通過上述過程，如圖一樣復雜的裸眼水平井能夠沿著井眼在任何位置成功的實施壓裂改造。大小不等的裂縫能夠由后到前被順序定位。而且，在不同位置可以應用不同的壓裂方案如酸化壓裂、支撐劑壓裂等。一次作業(yè)過程中，能夠在±的誤差內準確定位條裂縫的位置（誤差是由壓力或溫度影響引起油管伸長或收縮所致）舊。圖水平井噴射壓裂改造過程三、影響因素分析水力噴射壓裂過程中，固體顆粒受水載體加速，高速沖擊套管和巖石，產(chǎn)生切割作用。如何優(yōu)化射流參數(shù)盡可能充分地利用水力能量是該技術的關鍵之一。影響水力噴射壓裂的因素主要包括

9、流體參數(shù)、磨料參數(shù)、圍壓以及巖石性質、川。流體參數(shù)的影響受壓力、排量和噴嘴直徑控制。噴射深度隨壓力的增加近似呈線性增加，孔徑也隨壓力的升高而變大，但存在一個臨界壓力，低于臨界壓力就不能再破巖。每個壓力下都有一個最大破裂第卷第期鉆采工藝深度，當達到最大深度時增加噴射時間只能增加孔徑而對孔深幾乎沒有影響。排量增加，射孑深度顯著增加，這對現(xiàn)場應用來說是一個非常有用的結論?，F(xiàn)場施工時可以通過提高排量來降低壓力要求，大排量低壓射孔不但孔徑明顯變大而且破碎情況有所改善，孔中基本沒有殘留顆粒堆積。由于磨料射流的有效速度增加，較大的噴嘴直徑能增加噴射深度。磨料參數(shù)主要包括磨料類型、粒度、濃度。在一定壓力和排量

10、下，磨料的切割能力隨硬度的增加而增大，且?guī)Ю饨堑谋炔粠Ю饨堑那懈钅芰?。噴射深度并不隨磨料濃度和粒度的增加一直增加，相反在磨料粒徑增加一定程度時射孑深度反而有下降趨勢，表明磨料有一最佳濃度值和粒徑值。根據(jù)實驗結果，最佳濃度范圍為一，適用濃度，最佳粒度為，現(xiàn)場推薦采用一，。最佳濃度隨壓力的增高而增大。圍壓對射流的影響很大，圍壓條件下射流流體能量損失很厲害。在其它條件相同的情況下，有圍壓時要比沒圍壓時的噴射深度低很多。巖性對噴砂壓裂也有較大影響，龍主要與巖石強度有關。四、技術局限性水力噴射壓裂是一種新的油田增產(chǎn)措施，但并不能把它作為一種解決各種情況的通用方法。這項技術也有其局限性：施工過程中油管柱

11、被下到井眼中在期望的深度定位工具。有接縫的油管或鉆桿將需要某種裝置才能到達指定位置。連續(xù)油管的應用使操作變得方便易行。但是，大部分連續(xù)油管對于噴射壓裂的應用都有流量和或壓力限制。流動過流面積問題。當需要高注入量的時候，為了泵送流體傳統(tǒng)水力壓裂技術經(jīng)常利用套管的整個內部空間。這種新技術需下人一根油管，油管體積占據(jù)一部分流動空間。所以，工程師的工作就是調整油管尺寸優(yōu)化排量。根據(jù)成功壓裂應用所需要的最小排量，一些井的結構將不允許合適的排量從而不能應用水力噴射壓裂技術舊。從原理上講，實現(xiàn)水力噴射壓裂由地面泵提供能量，利用噴嘴輸出高壓高速射流沖擊巖石。然而在數(shù)千米的井下實施這項技術，實現(xiàn)沖破套管、穿透一

12、定深度巖層的目的卻并不是一件容易的事。主要技術難度為加工制造和井下施工工藝兩個方面。（）加工制造。由于作業(yè)環(huán)境差（井下數(shù)千米、空間小、溫度和壓力高）、作業(yè)方式獨特（淹沒式水力噴射），工具的加工制造難度大。主要是噴射器噴嘴在施工過程中由于受到高速磨料粒子的沖刷其磨損很嚴重，要求噴嘴材料必須具有高硬度、高耐磨性，二者缺一不可。（）并下施工工藝。因井下施工條件苛刻，許多地面上易實現(xiàn)的動作，在井下實現(xiàn)起來很困難，射流能量損失很厲害。主要表現(xiàn)為在不同圍壓條件下淹沒式水力噴射工藝，即噴嘴結構、分布方式及噴嘴破巖能力與泵壓、排量的優(yōu)化組合技術，還不成熟。五、結論及建議（）水力噴射壓裂工藝是一項集水力噴砂射孔

13、和水力壓裂于一體的新型儲層改造技術。該技術利用動態(tài)分流自動封隔，不需要任何機械密封裝置。（）施工過程中應用噴射壓裂能夠有效降低井底地層破裂壓力，可在任何位置準確造縫，而且不同位置可以采用不同壓裂方案。（）一次管柱可連續(xù)進行多段壓裂，施工程序簡單、周期短、效益高。（）水射流是水力噴射壓裂的關鍵，優(yōu)化射流水力參數(shù)對噴射壓裂施工起到重要的指導作用。（）國內應用該技術的難度在于加工制造和井下施工工藝。噴嘴材料優(yōu)選及其結構、組合方式優(yōu)化和相關水力參數(shù)的優(yōu)化將成為今后研究的重點。參考文獻撕。張玉榮裸眼水平井中運用選擇性壓裂可以提高產(chǎn)量國外油田工程，（）：牛繼磊，李根生水力噴砂射孔參數(shù)實驗研究石油鉆探技術，

14、（）：于永，櫪彪水力噴砂射孔在油氣田開發(fā)中的應用特種油氣藏，（）：躕由”：（編輯：黃曉川） 水平井儲層改造新方法水力噴射壓裂技術作者：劉永亮， 王振鐸， 胥云， 張光偉， 陳作， LIU Yongliang， WANG Zhenze， XU Yun，ZHANG Guangwei， CHEN Zuo作者單位：劉永亮,張光偉,LIU Yongliang,ZHANG Guangwei(西安石油大學， 王振鐸,胥云,陳作,WANGZhenze,XU Yun,CHEN Zuo(中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院刊名：鉆采工藝英文刊名：DRILLING & PRODUCTION TECHNOLOGY年

15、，卷(期：2008,31(1被引用次數(shù)：6次參考文獻(8條1. Surjaatmadja J B Unconventional Multiple Fracture Treatments Using Dynamic Diversion And DownholeMixingSPE 77905 20022. 于永;楊彪 水力噴砂射孔在油氣田開發(fā)中的應用期刊論文-特種油氣藏 2002(043. 牛繼磊;李根生 水力噴砂射孔參數(shù)實驗研究期刊論文-石油鉆探技術 2003(024. 張玉榮 裸眼水平井中運用選擇性壓裂可以提高產(chǎn)量期刊論文-國外油田工程 2002(085. EastL Packerless M

16、ultistage Fracture-Stimulation Method Using CT Perforating and Annular PathPumpingSPE 96732 20056. Machiel Butter The Potential of Multiple Fractured Horizontal Wells in Layered ReservoirsSPE102633 20067. Surjaatmadja J B Effective Stimulation of Multilateral Completions in the James Lime FormationAchieved by Controlled Individual Placement of Numerous Hydraulic FracturesSPE 82212 20038. Loyd East Application of New Fracturing Technique Improves Stimulation Success for OpenholeHorizontal CompletionsSPE 86480 2004引證文獻(6條1. 陳朋剛. 趙麗霞. 張蓮忠. 史鵬濤 水平井壓裂