水力喷射压裂技术（精选7篇）
水力喷射压裂技术 篇1
近年来, 吐哈油田为了解决底水发育、油 (气) 层储层厚度小、水平井、筛管完井、油 (气) 层与水层间距离小以及固井质量差等油 (气) 井的改造技术难题, 与中国石油大学 (北京) 及中石油钻井院江汉机械所合作, 开展了水力喷射压裂工艺技术研究, 并在现场进行了试验, 取得了较好的压裂效果。
1 水力喷射压裂技术的必要性分析
1.1 油田压裂技术现状
吐哈油田是一个典型的低渗透油田, 压裂改造是非常重要的增产措施之一, 经过十余年的技术攻关与研究, 逐步形成了适合吐哈油田储层特征的压裂改造技术体系。但随着油田高效开发的持续进行与国内外油田开发工艺技术的多样化, 底水发育、油 (气) 层储层厚度小、水平井、筛管完井、油 (气) 层与水层间距离小以及固井质量差等油 (气) 井日益增多, 常规压裂技术对这类井的压裂改造技术缺乏针对性, 严重制约了压裂改造效果。
1.2 压裂技术存在的问题
水平井、筛管完井具有压裂井段长的特点, 常规压裂技术存在施工风险高、压裂目的层针对性不强, 裂缝长度无法保证、压裂效果有限等问题, 并且随着水平段长度的增加, 水平井改造难度越来越大, 水平井分段压裂最大限度提高油气井产量的必要性突出, 水平井井下作业及增产措施亟待突破;底水发育、油 (气) 层储层厚度小、油 (气) 层与水层间距离小的井压裂改造时, 缝高失控、沟通水层的风险较高, 施工规模与排量均难以提高, 储层改造效果不理想。因此, 对这类井有必要进行技术攻关, 研究具有更有针对性的压裂改造技术。
2 水力喷射压裂技术研究
2.1 水力喷射压裂技术发展概况
20世纪60年代末70年代初, 美国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, 比如电火花、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。1998年, Surjaatmadja提出水力喷射压裂方法, 并应用于水平井压裂。水力喷射压裂是集射孔、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、岩石, 形成孔眼, 孔眼底部流体压力增高, 超破裂压力起裂, 造出单一裂缝, 特别适合分段、分层作业, 无须机械封隔;准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂。
2003年在巴西的Campus湾1-RJS-512HA井上试作业并取得成功, 这是水力喷射压裂技术首次应用于海上油田增产作业中, 在国外, 水力喷射加砂压裂以成功应用超多200井次;2005年12月, 长庆油田与Halliburton公司合作, 采用常规油管在靖安油田靖平1井和庄平3井成功完成增产作业, 这是该工艺在国内首次试验, 近年来, 国内长庆、大庆、西南油气田、吐哈等油田与国外公司、各大石油院校均进行了该技术的研究与现场实施, 取得了较好的效果。
2.2 水力喷射压裂技术原理
水力喷射压裂技术是结合了水力射孔和水力压裂的新型增产工艺, 该工艺由三个过程共同完成, 水力喷砂射孔、水力压裂 (通过普通油管或钻杆或连续油管) 以及环空挤压 (通过另外一个泵) , 通过安装在施工管柱上的水力喷射工具, 利用水击作用在地层形成一个 (或多个) 喷射孔道, 从而在近井地带产生微裂缝, 裂缝产生后环空增加一定压力使产生的微裂缝得以延伸, 实现水力喷射压裂, 如图1。
该技术基于伯努利方程[1]:
方程式表明流体中的能量维持常量, 虽然实际上摩擦缓慢消耗能量使其转化为热能 (但这个简化方程不包含温度因素) 。由方程可知流体束的速度变化引起压力反向变化。喷嘴出口处速度最高压力就最低, 随着流体不断深入孔道速度逐渐减小, 压力不断升高, 到孔道端处速度达到最低压力最高。常规造缝方法需要对整个井筒加压, 大多数情况下观察到的破裂压力比裂缝扩展压力要大得多, 而且井内的每个裂缝都必须克服该压力。水力喷射压裂通过喷射流体在孔道内动能与压能的转换, 利用喷射滞止压力破岩从而在喷射点处产生微裂缝。由于能量集中在孔道端处, 井筒不受破裂压力的影响, 从而消除了压力曲线中地层破裂时的压力峰值 (如图2所示) , 并且近井筒地带扭曲问题很少出现[2]。水力喷射裂缝一旦形成, 由于喷嘴出口周围流体速度最高, 其压力就最低, 故流体会自动泵入裂缝而不会流到其它地方。环空的流体也会在压差作用下进入射流区被吸入地层。水力喷射压裂利用动态分流技术成功解决了水平井裂缝的定位控制问题, 通过流体的动态运动让其进入地层的特定位置而不使用任何机械密封装置。
2.3 水力喷射工具
水力喷射压裂的核心之一就是水力喷射工具, 它包括喷枪、喷嘴、单向阀、扶正器以及导向头等结构设计。
喷枪:喷嘴的载体, 起到稳定、连接、保护喷嘴的作用。
喷嘴:高压水力喷射射流发生装置的执行元件, 通过喷嘴内孔横截面的收缩, 将高压水的压力能量聚集并转化为动能, 以获得最大的射流冲击力, 作用于井底岩石上进行破碎或切割。
单向阀:在大排量时呈封闭状态, 小排量时单向阀开启, 该结构的特点是在施工时能很好的控制流体向下移动, 又能很好的实现反洗。
扶正器:固定喷射工具处于井筒中心位置。
导向头:使喷射根据顺利下至目的层段。
2.4 工艺流程与特点
水力喷射压裂集射孔、压裂于一体, 其主要的工艺流程与特点如下:
工艺流程:1) 地面喷射管柱连接合格后下入目的井段。2) 进行水力喷砂射孔。3) 射孔顶替完毕后进行加砂压裂。4) 拖动管柱, 重复步骤 (2) - (4) 进行上层施工。
工艺特点:1) 射孔、压裂一趟管柱完成。2) 不需要机械封隔, 施工风险小。3) 一趟管柱可进行多段压裂, 施工周期短。4) 定向喷射压裂, 准确造缝。5) 对裸眼井、筛管、水平井、薄差层具有很强的针对性。
2.5 射流影响因素
水力喷射压裂过程中, 固体颗粒受水载体加速, 高速冲击套管和岩石, 产生切割作用。如何优化射流参数尽可能充分地利用水力能量是该技术的关键之一。影响水力喷射压裂的因素主要包括流体参数、磨料参数、围压以及岩石性质[3,4]。
流体参数的影响受压力、排量和喷嘴直径控制。喷射深度随压力的增加近似呈线性增加, 孔径也随压力的升高而变大, 但存在一个临界压力, 低于临界压力就不能再破岩。每个压力下都有一个最大破裂深度, 当达到最大深度时增加喷射时间只能增加孔径而对孔深几乎没有影响。排量增加, 射孔深度显著增加, 这对现场应用来说是一个非常有用的结论。现场施工时可以通过提高排量来降低压力要求, 大排量低压射孔不但孔径明显变大而且破碎情况有所改善, 孔中基本没有残留颗粒堆积。由于磨料射流的有效速度增加, 较大的喷嘴直径能增加喷射深度。磨料参数主要包括磨料类型、粒度、浓度。在一定压力和排量下, 磨料的切割能力随硬度的增加而增大, 且带棱角的比不带棱角的切割能力强。喷射深度并不随磨料浓度和粒度的增加一直增加, 相反在磨料粒径增加一定程度时射孔深度反而有下降趋势, 表明磨料有一最佳浓度值和粒径值。根据实验
结果, 最佳浓度范围为6%～8%, 适用浓度4%～10%, 最佳粒度为0.4～0.6m m, 现场推荐采用5%～8%, 0.4～0.8m m。最佳浓度随压力的增高而增大。
围压对射流的影响很大, 围压条件下射流流体能量损失很厉害。在其它条件相同的情况下, 有围压时要比没围压时的喷射深度低很多。
岩性对喷砂压裂也有较大影响, 它主要与岩石强度有关。
2.6 水力喷射压裂难点与对策
经研究试验表明, 该技术在实施过程中存在如下难点:
1) 喷嘴工作强度大:以6个6m m喷嘴1m3/m i n排量计算, 喷嘴处速度达到100m/s, 喷嘴工作强度大。对策:喷嘴采用进口复合材料加工制作, 并设计挡板对喷嘴进行保护。
2) 环空压力控制要求严格:控制环空压力不能超过地层破裂压力, 否则会产生新的裂缝, 无法达到造单一主缝的目的。对策:对目的层破裂压力预测, 计算其压力上限, 根据施工情况实时调整, 严格控制。
3) 压裂液剪切严重:在喷嘴处压裂液由于流速增大, 剪切严重, 对压裂液携砂性能要求高。对策:采用低温水基压裂液并适当提高稠化剂浓度, 提高其抗剪切性能, 试验表明在510s-1剪切速率下, 冻胶粘度保持在150mPa.s以上, 满足施工要求 (图4) 。
3 现场应用
2008年吐哈油田引入水力喷射压裂技术, 在特殊井 (水平井、筛管完井、薄差层) 的压裂改造中发挥了重要作用。截至2012年2月底, 已完成水力喷射压裂改造34口井52层次, 施工工艺成功率96%, 单个喷枪最大过砂量30.2m3。随着水力喷射压裂技术的不断完善及在水平井上的广泛应用, 在直井上也展开了应用研究。
3.1 底水油 (气) 藏喷射压裂改造
吐哈盆地侏罗系的红南X号构造带上的油藏大部分属于典型的底水油藏, 改造规模小, 地层不产液或产液量很小, 改造规模加大, 则容易出水, 实际施工中用常规水力压裂, 合适的缝长与缝高不好控制。在分析多年的施工实践的基础上, 采用水力喷射压裂控缝高技术。现场对红南A井进行了水力喷射压裂施工, 该井压裂层段 (1716-1726/9.4m) 距离下部水层仅9m, 且无明显隔层, 控缝高难度很大。2010年3月10日, 该井施工一次性成功, 加砂10.3m3, 喷射排量达到2.0～2.2m3/min, 图5为红南A井水力喷砂射压裂现场施工曲线图, 该井压后增液不增油, 分析认为是该井物质条件差所致。 (图5)
3.2 水平井喷射压裂改造
牛东B井位于三塘湖盆地马朗凹陷牛东构造带上的一口水平, 水平井段岩性为火成岩, 为典型的低孔、低渗裂缝型储层。该井压裂难点: (1) 该井水平位移长达996m, 但经酸洗后日产油不足2t。储层物性差, 与裂隙的沟通差。 (2) 该区块储层最大主应力方向约为北东50°左右, 牛东B井水平段井眼轴向方位与最大水平主应力方向存在一个15度左右的夹角, 产生的纵向裂缝存在一个转向的过程, 转过一定角度后再回到与最大主地应力平行的方向上, 裂缝的转向产生附加的弯曲摩阻, 增加了施工难度。 (3) 该井实施分两段水力喷射加砂压裂, 需要拖动管柱, 但在水平段容易沉砂, 存在砂桥, 管柱难以拖动。
2011年10月份, 对牛东B井进行了现场试验, 通过施工管柱以及施工参数的精细化设计, 施工一次性成功。压裂改造后, 牛东B井日产油量由施工前的2吨增加到施工后的19.4吨, 日增油18.2吨, 增产8倍。 (表1、表2)
3.3 筛管完井喷射压裂改造
牛东C井是三塘湖油田牛东区块的一口开发井, 井型为直井, 井别为采油井, 2008年6月12日, 对筛管完井段1469-1489m射孔后压裂, 入井净液量312.6m3, 施工排量5.5m3/min, 施工压力26.2MPa-33.9MPa, 入井总砂量47.9m3, 平均砂比21%, 最高砂比30%, 停泵压力18.32M P a。压后初期日产油4.0吨, 产量下降严重, 一个月后, 日产油下降到1.1吨, 常规压裂技术没有达到理想的效果。
2010年8月份, 对牛东C井1480m、1503m实施分两段水力喷射压裂, 下层1503m段入井液量229.2m3, 入井石英砂2.4m3, 20-40目陶粒17.6m3, 最高砂比34%, 平均砂比18.4%, 上层1480m段入井液量313.7m3, 入井石英砂2.4m3, 20-40目陶粒27.8m3, 最高砂比34%, 平均砂比18.7%, 施工一次性成功。产油量由压裂前的0.6吨, 增加到10.5吨, 有效期超过260天, 累计增油800吨, 增产效果显著。 (图6、图7)
4 改进措施
4.1 解决施工管柱的位移
目前进行的水力喷砂射孔施工过程中, 一般施工管柱没有固定, 定性分析可知, 在施工过程中管柱由于受摩阻效应、鼓胀效应、活塞效应、温差效应等因素的影响发生变形。特别是在直井施工过程中, 管柱变形引起的弹性伸缩造成实际喷点位置与设计喷点位置存在一定的偏差, 影响了储层的改造效果[5]。
为了减少喷射器位置的移动, 建议在施工钻具上加防砂水力锚固定, 以提高喷射位置的准确性和喷射径向深度。
4.2 解决喷嘴磨损严重
水力喷砂射孔施工中形成的高压、高速混砂射流对喷射器喷嘴产生一定的磨蚀作用, 牛东B井水力喷砂射孔施工前后喷射器的实物照片对比, 施工前喷嘴直径6 mm, 施工后喷嘴直径为12～15 mm, 施工后喷嘴面积增大到原来的4～6倍, 严重影响水力喷射改造效果。建议水力喷砂射孔施工中选用材质较好的喷射器 (目前国外喷射器的质量较好, 抗磨能力强, 施工过程磨损小) , 同时加大对喷射器材料抗磨性能的研究。
5 认识及结论
(1) 水力喷射压裂工艺从射孔到加砂压裂一直处于高速射流状态, 持续作业可在近井地带形成较大缝穴, 由于可降低生产过程中近井地带的压力损耗改善压力分布, 因此可提高增产效果和稳产能力。
(2) 水力喷射压裂作为常规水力压裂的补充, 能有效地解决由于油 (气) 层多薄互层, 油 (气) 水关系复杂, 水平井, 筛管完井, 油 (气) 层与水层间距小及固井质量差等原因而很难进行常规压裂改造的问题。
(3) 现场34井次的压裂试验表明, 压裂增产效果显著, 具有良好的技术推广前景。
(4) 水力喷射工具喷嘴耐磨强度有限, 严重制约了施工规模与压裂效果, 有必要对喷射工具进一步研究, 提高其耐磨强度, 增强可靠性。
参考文献
[1]Surjaatmadja J B.Effective Stimulation of MultilateralComp letions in the James L ime Formation Achieved byControlled Individual Placement of Numerous HydraulicFractures[J].SPE82212
[2]Machiel Butter.The Potential ofMultip le Fractured Hori2zontalWells in Layered Reservoirs[J].SPE102633
[3]牛继磊, 李根生.水力喷砂射孔参数实验研究[J].石油钻探技术.2003, 31 (2) :14-16.
[4]于永, 杨彪.水力喷砂射孔在油气田开发中的应用[J].特种油气藏.2002, 9 (4) :56-58
[5]吕彦平, 吴晓东, 郭士生等.气井油管柱应力与轴向变形分析.天然气工业, 2008.28 (1) :100-102
水力喷射压裂技术 篇2
一、水力喷射压裂技术的推广与应用
按照伯努利方程原理, 把之前的压能变成动能, 射流增压与环空压力叠加超过破裂压力并维持裂缝延伸。通过具有特殊性质的喷射或者压裂设备, 采用两个流程步骤全面开启地层裂缝。实践应用时, 主要根据水力喷射压裂实况及其要求, 充分细致的分析与研究了射孔砂、施工流程、井下喷射工具、支撑剂的粒径等, 进行持续有效改善, 并投入到实际中使用。当前, 水力喷射压裂技术在四方面中得到了应用:
1. 应用于水平井压裂
当前, 水平井压裂并没有效果十分显著的分层压裂技术, 实际经常使用的工艺填砂卡封难以达到要求, 而水力喷射压裂能通过喷射射孔技术对生产层进行射孔, 不仅大大将低了射孔成本费用, 而且还进一步缩短了生产周期, 其还能通过该趟管柱来实施生产层的压裂改造, 增强生产水平。
2. 有效处理井况问题引起难以卡封分层压裂井压裂问题
在时间的不断发展下, 使得油井套管与井下状况越来越繁杂, 常发生老井套管缩径、错断情况, 如此一来, 就导致难以及时且安全的将封隔器送入井内, 直接阻碍了卡封分层压裂工艺的正常运转, 对于该问题, 水力喷射压裂能予以有效处理, 主要通过自身具有的水力封隔分段机理, 有效改善井况, 对分层压裂工艺要求予以了满足。
3. 在4寸套小套管井中应用
现阶段, 有一些井中会挂4寸小套管完井, 这将一定程度上限制了下井工具外径, 进而造成分层压裂难以实现高效的压裂工艺。而水力喷射压裂工艺存在较小的喷枪外径, 不存在套管尺寸限制情况, 在小套管完井及侧钻井中能够有效的分层压裂。
4. 有效处理管外窜井分层压裂问题
由于难以在井筒中对油井套管管外窜进行分层压裂, 所以通过水力喷射压裂具有的水力封隔分段机理能够达到分层要求。
和常规压裂技术相比, 水力喷射压裂的优势众多:水力喷射压裂运行中只要通过喷射压裂就可以对井底地层破裂压力进一步减小, 任意位置处都能够精确无误的造缝, 可针对具体的位置选用匹配的压裂方案。水力喷射压裂的管柱组合简单, 喷射工具外径能在各类要求的基础上进行定制, 井筒通径不会对其造成太大的限制, 对于套变、套损等一些较为繁杂的井况井压裂问题能够进行有效处理。一次管柱能够持续不断的实施多段压裂, 便于施工、施工周期短、无需太大的施工成本。由于水力喷射压裂技术具有众多的优势特征, 所以应加强其推广与应用力度。
二、水力喷射压裂技术运行中应注意的问题
虽然水力喷射压裂技术具有众多的优势作用, 但是由于其属于一种新型的增产改造技术, 在我国的发展时间不长, 所以运行中难免会有一些缺陷与不足之处。以下就该技术的不完善地方加以了阐述:
1. 不断提高喷嘴的耐压及使用寿命
水力喷射压裂装置的使用寿命不长, 其所使用的喷射工具存在严重的磨损现象, 喷射返流会损伤喷射工具表面。所以目前的当务之急是研发出全新的高效喷射工具, 明确相应的材料, 确保喷射工具具有较长的使用寿命。由于部分井中存在较大的加砂压力, 通常需要花费几个小时的作业时间, 如果缺乏科学合理的地层出水、反洗井流程, 那么将会引起喷嘴脱落情况, 对此, 应致力于开发在高压地层中能够有效应用的喷射工具。
2. 在套管方面有着较高的要求
通过现场实践得出, 当套管补液压力达到40-60Mpa时, 套管压力将逐渐上升, 进而对油井套管有着非常高的要求, 所以在进行水力喷射压裂之前, 要适当的对套管予以处理, 同时做好试压试验, 达标后才可应用水力喷射压裂技术。
3. 进一步强化水力喷射压裂技术的推广与应用
首先, 随着水力喷射压裂技术在油田中的高效使用, 使得水平井压裂的工艺欠缺问题得到了解决, 同时针对一些特殊性井况难以采用卡封压裂的井明确了相应的处理办法, 在各油田中的发展前景广阔。其次, 认真细致分析、系统评价选井运用水力喷射压裂技术;实际中, 由于井况问题、水平井压裂、小直径套管等各类因素的影响而阻碍了常规压裂作业的开展, 应用水力喷射压裂技术可以将这些问题全面消除, 不过, 对于层间跨度大的井, 水力喷射压裂技术应用效果不高, 并且还需花费较高的压裂成本。另外, 随着持续不断的生产, 水力喷射压裂技术会越来越成熟和完善。现阶段, 关于水力喷射压裂机理的研究工作在我国还处于空白期, 今后中应通过理论分析、数值模拟、室内试验和现场试验这些方式手段, 及时准确的获悉水力喷射孔眼内部与外部压力遵循的分布规律及其各类影响因素, 明确具体的水力参数, 系统全面的科学评价地层、设备等各环节, 以明确经济合理的水力喷射压裂工艺形式, 编制详细完善的压裂施工方案, 实现预期的增产目的, 促进经济效益的提升, 从而保证水力喷射压裂工艺技术在油田中大放光彩, 充分发挥自身优势作用。
结论
综上所述可知, 随着油田储层物性的不断降低以及开采作业的进一步深入, 致使储量难以做到有效动用, 虽然封隔器分段压裂比较成熟, 但其运行时存在固井问题、后期管柱无法上提等不足之处。正是在这样的情况下, 水力喷射压裂技术应运而生, 现已在各大油田中得到了推广与应用, 效果显著。
参考文献
[1]韩涛, 李怀杰, 樊勇杰.水平井改造技术及效果评价[J].石油化工应用, 2010 (08) .
[2]吕清河.水力喷射压裂技术在特殊井中的应用[J].油气田地面工程, 2010 (12) .
水力喷射压裂技术 篇3
1 水平井水力喷射压裂技术现状
1.1 射孔研究
水力喷射压裂技术中的射孔过程就是指利用喷射工具把高压能量转化成为动力将液体以高速射流的形式对岩石或是套管等部位进行喷射, 从而得到所需要深度与直径的孔眼, 同时为使射孔效果更佳, 还能够在液体中渗入陶粒或石英砂等材料。
我国研究人员在对射孔分别进行了室内参数实验、机理研究以及模拟研究, 其中对8个对水力喷砂射孔有着主要影响的参数进行了详细研究, 实验结果认为喷砂射孔破岩的能力与排量与压力成正比, 即它们会同时增加或减少, 当渗入的磨料粒度与浓度达到最佳状态时, 那么在相对固定的环境之下, 水力喷砂射孔将出现最佳射孔时间与深度。
而在模拟研究中, 则认为水力喷射孔在具备极强的破岩性能的同时, 实现水力射孔破岩主要的形式就是其因冲击与卸载时所出现的拉伸破坏应力, 从而在定量层面确认了水力射孔技术相较于目前使用的聚能射孔技术有着相当的优势。
与此同时, 我国研究人员对水力喷射、常规射孔以及裸眼井的渗流场进行了比对分析研究, 经模型的分析研究结果显示, 水力喷射射孔不仅减轻了近井筒区域应力集中的现象, 而且对压实区域也没有造成任何污染, 对于提升渗透率、增加泄油面积、渗流速度、液量以及降低生产的压降都有着相当好的应用效果, 能够将油井产量有效提升。
1.2 射孔裂缝控制研究
为保证射孔以及压裂的效果, 我国研究人员对于起裂控制也进行了一系列的研究工作。有研究人员认为利用水力喷射射孔的技术能够较易实现射孔的方向保持与最大水平的主应力方向相同, 且所喷射的孔深度较大。在近井区域中压裂裂缝的转向能够通过定向射孔加以控制, 从而在裂缝的扩展阶段起到了导向孔的功能, 防止裂缝出现弯曲或不必要的多裂缝, 应用于增产油藏的改进具备了基础, 能够将压裂与射孔效率提高。
另外, 研究人员还利用有限元的方法对地层破裂压力与水力射孔参数互相影响与作用进行了进一步研究, 结果显示, 对地层破裂压力影响最大的就是射孔的方位, 即地层破裂压力处于最低值时, 射孔方向为沿最大水平应力的方向。在这个状态之下, 如果增加射孔的深度并将射孔的密度设置为每米4孔, 就能够使地层破裂压力有效降低。
1.3 喷射压裂研究
该技术利用水动力学的原理, 将射孔、压裂以及隔离实现一体化, 它设置有2套泵压系统分别负责在环空中泵与油管进行液体的加压与喷射, 整个过程不需要机械设备进行封隔。其伯努利公式为:2v2+ρp=C, 从这个公式中我们可以看出, 液体被油管中的动能高速喷射而出, 对岩石产生足够的冲击应力从而形成所需要的射孔通道, 而高速液体冲击的作用则在其射出的孔道顶部产生了微裂缝, 从而使地层起裂压力下降, 当高速流体在射孔通道中进行继续作业时就会起到相应的增压作用, 这时施加环空压力于环空中泵的入流体, 借助环空压力与喷射液体的增压叠加效应, 使这个叠加效应所产生的作用力大于地层破裂压力, 最终将射孔顶部位置的地层压裂, 即图1。而环空流体在其中起到了充分扩展裂缝的作用, 裂缝产生的条件公式为:p增压+p环空≥p破裂。
在这项研究中, 油管与环空的压力及流量的合理控制与确定是非常关键的, 其工作流量是由工作管柱尺寸所决定的, 因此就要优化处理油管的直径。流体流变、面积、喷嘴数量以及压差参数的函数结果就是管内流量值, 受到这些因素的影响, 一般实际管内流量与设计方案中的流量存在着较大差异, 而在实际应用中环空中液体也会朝着地层出现漏失现象, 环空流量的计算同样存在困难。基于此, 我国目前对于水力喷射压力与环空摩阻等方面的计算研究仍然显得较为落后, 因此在实际应用中, 需要在理论深入研究的基础上结合现场实践经验对其进行更深层次的研究及改进。
2 水平井水力喷射压裂技术应用与发展
水力喷射压裂技术自被国外研究人员提出以来, 近年来在全球范围内得到了广泛应用。2003年, 巴西海上油田的增产作业就成功应用了该技术, 并取得了良好效果;2004年, 该技术被应用于直井增产;2005年, 则在美国Barnett页岩油田的水平井增产中应用了该技术, 经效果评价显示, 在全部53口井中, 有47口井的增产效果明显;而我国则在2005年及2007年分别在长庆油田与四川白浅油井进行了应用, 并取得成功。例如2007年在长庆油田的庄平11井的水力喷射压裂取得圆满成功。
基于水力喷射压裂技术的应用日渐广泛, 其应用改进应朝着以下几点进行发展:
继续加强对水力喷射压裂技术的理论研究, 通过多样化的研究方法, 包括现场试验、室内试验、数据仿真模拟以及理论研究等对影响该技术的因素与压力分布规律进行深入分析。从而能够对水平井设备、成本等进行全面评价并对环境参数进行合理确定, 选取适宜的水平井水力喷射压裂技术, 同时将施工方案进行优化。
对喷射工具的制造选材进行优化设计, 从而减少喷射返流对其形成的损伤, 延长喷射工具的使用寿命。
研究推广双路泵入系统, 使井底流体问题得以改善, 解决提前砂堵、压裂液浓度太低等问题。
3 结语
综上所述, 我国水力喷射压裂技术在水平井中的研究与应用尚处于起步阶段, 但是随着对该技术各方面的深入研究并朝着适应于我国油井使用的方向发展, 相信该技术一定能够为我国低渗透油田增产起到极大的推动作用。
参考文献
[1]田守赠, 李根生, 黄中伟, 沈忠厚.水力喷射机理与技术研究进展.[J].石油钻采工艺.2008, 30 (1) [1]田守赠, 李根生, 黄中伟, 沈忠厚.水力喷射机理与技术研究进展.[J].石油钻采工艺.2008, 30 (1)
水平井水力喷射压裂工艺探析 篇4
1 水力喷射压裂技术原理
1.1 理论公式计算
水力喷射压裂技术是把压能转变为动能, 将水力喷砂射孔和水力压力有机的结合起来的一种新的工艺技术。其机理通过喷射工具把一定比例的磨料流体转变成告诉的流体冲向岩石和套管, 得到一定深度和直径的射孔孔眼。高速流体在冲击孔眼时只在顶端产生微裂缝, 有效的减少了地层起裂压力。这种方法能准确的控制水平井的裂缝。这也是对低渗透水平井的一种最有效的压裂增产措施。
水力喷射压裂主要是依据伯努利方程:P/ρ+v^2/2=C。其中P为压力, v为流体速度, ρ为流体密度, C为常数。对物体的冲击力为F=4Ρq^2/n^2πd^2。n为喷嘴数目, d为喷嘴出口直径, Q为泵注流量。从以上公式得知, 要想增大冲击力, 主要是从以下几个因素来调节:流体密度、流量和喷嘴的数量、直径。而出于施工现场的实际考虑到压裂泵、油套管的抗压能力等影响, 最直接的方法就是通过混入石英砂来增加流体的密度, 同时由于石英砂和陶粉的刮削还能增强喷射冲击和压裂效果。
2 水力喷射压裂的优点
水力喷射主要有以下几个主要特点:
(1) 可以增加射孔的穿透深度;
(2) 相对比常规的射孔, 地层压收到的伤害更小;
(3) 可以增大开孔的孔径;
(4) 可以根据分层和地应力来选择定向射孔;
(5) 工作时无震动, 对套管和水泥环的损伤减至最小。
3 工艺讨论
3.1 水力喷射工具选择
在水力喷射压裂的工具中, 喷嘴是关键部分, 由于喷射的返流会作用于喷嘴表面造成伤害, 它也是磨损最严重的部分。应尽量选择经过优化设计后的喷嘴, 保证其拥有合适的材料来抵抗返流的冲击力, 延长喷嘴的使用寿命。对于不同的井, 通过调整喷嘴的数量和优化喷嘴的尺寸来达到不同的施工要求。
喷嘴的结构有圆柱形直孔、锥口、文丘里和组合式等4种, 由于锥口喷嘴的锥状进口能起到导流和集束作用, 利于磨料的进入, 且在喷嘴周围分布均匀, 因此多选此种形式。喷嘴的流道多选择前端为圆滑锥形后为圆柱形的设计, 这样的设计提高了喷嘴的流量系数和能量转换率, 且后端的圆柱形流道可以让磨料经过充分的加速后来提高冲击力, 且在前端出现磨损的情况下, 磨料射出的直径还可以通过圆柱体来保证。喷嘴的主题材料优先选用碳化钨和碳化硼来达到耐磨性要求。
喷射器的主体应该根据工艺要求和管柱的特点, 选用35Cr Mo进行调制处理, 工具的内外表进一步作渗氮处理来保证耐冲蚀性能。井下的工具主要是接箍、短接、扶正器和单向阀等, 单向阀保证了水力喷射压裂过程中流体不向环空中反流出, 在反洗时, 流体可从环空流进油管返回地面。
3.2 水平井压裂液的选择
水平井因为其特点, 使得压裂水平段的传输距离增大, 且形成了相互干扰的多条裂纹, 这就对支撑剂的沉降提出了特别的要求。压裂液的选用需要根据水平井的施工特点采取不同阶段不同粘度。为了使压裂液既有良好的携砂性能还能有效的降低摩阻, 可以再低砂比情况使用中粘度的压裂液, 高砂比时使用耐温性能好的高粘压裂液。
水平井压裂的过程中需要保证压裂液在一定温度和剪切速率下保持较高的粘度, 这样才能压开地层并延伸至裂缝并且能携带好支撑剂。且同时需要保证压裂液的抗剪切能力, 满足相应的技术要求。
3.3 配套的压裂技术工艺
由于储层埋藏深, 地层应力异常和喷嘴压力的损失使得施工的压力高。这就需要从施工的过程中在工艺、工具等方面来分析总结水力喷射压裂技术找出问题和不足, 做好修改完善来降低施工的风险, 提高压裂的成功率。
优化施工管柱:管柱的优化包括提高喷射工具的强度, 如将5in喷枪扣型加大至于2i n油田管直接连接, 省去中间的变口。调整油管加大油管的钢级, 提高管柱抗内压强度, 降低环空摩阻和加大环空过流面积。
完善配套施工设备:施工过程中是在高压情况下进行, 用高压法兰盘代替大小头, 来保证高压区的安全。简化地面流程, 降低经常要求。
优化施工工艺:对于水平井, 可以采用2台压裂车替浆, 来确保喷嘴畅通和井筒的干净。喷砂射孔前用基液替满井筒来降低射孔的压力。对于筛管完井的两段水平井施工, 需要再第一段施工完成后对井进行彻底清洗, 以免出现筛管被磨料堵塞的情况。
4 水力喷射压力的工艺实际
4.1 喷砂射孔阶段
正循环低替, 通过高速的磨料流体套管开孔, 排量多控制在1900~3000L/min, 流量控制在1~2m^3。射孔效果如何通过关闭套管闸门来观察压力上升情况。
4.2 压裂阶段
启动套管注入系统, 根据设计要求注入平衡液体, 一般排量控制在700L/min左右, 此时正循环打前置液, 按泵注程序加砂到操作结束。
水力喷砂压裂施工压力跟排量密切相连, 排量的提升会伴随着明显的压力上升, 压裂前加一段2m^3左右的段塞进行喷砂射孔, 以后压力会逐渐升高, 高速流体在裂缝中的摩阻作用下降明显。
水力喷射压裂技术的发展填补了满足了油田中后期的发展需要, 为水平井的开发提供了很好的技术支持, 随着此技术的不断改进和完善, 让其发挥了更大的作用, 但是任存在一些问题需要攻克。水力喷射压裂的核心是喷射工具, 目前在使用过程中经常会有喷嘴脱落、损坏等现象, 喷嘴的脱落会直接导致喷射作用失效, 增大了砂堵的几率和处理难度。这就需要从喷嘴的设计、材料等方面逐步提高, 来达到使用需求。在施工的过程中要整体考虑, 进一步完善配套的工艺和工具, 提高技术的成熟度, 为增产提供保证。
摘要：水力喷射压裂技术是集水力射孔、压裂、封隔一体化的增产改造技术, 能有效解决低渗水平井压裂的问题。在实际的工艺制定中, 需要根据其原理, 从管柱、设备、流程等进行逐步的改进完善, 以达到预期效果。
关键词：水力喷射,压裂,封隔
参考文献
[1]刘亚明, 黄波, 王万彬赵文龙水力喷射压裂机理分析与应用[J]新疆石油科技2012.2[1]刘亚明, 黄波, 王万彬赵文龙水力喷射压裂机理分析与应用[J]新疆石油科技2012.2
水力压裂技术标准浅析 篇5
水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要储层改造措施。尤其是20世纪80年代末以来, 水力压裂技术在工艺设计、压裂液、添加剂、支撑剂、压裂设备和监测仪器以及裂缝检测等方面取得重大进步, 使得水力压裂技术不仅广泛应用于低渗透油气藏, 而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。近几年国内低渗致密油田和页岩气的开发有赖于水力压裂技术的进步与发展, 而水力压裂关键性技术的突破, 也必将给整个石油工业的发展带来深刻的影响。
1 水力压裂技术发展现状
水力压裂技术自1949年在美国俄克拉荷马州第一次商业作业以来, 经过半个多世纪的发展, 已经由最初简单的低排量压裂发展成一种广泛适应于各种复杂地质条件的开采工艺技术。我国从50年代起开始研究水力压裂增产技术, 到90年代以后, 逐渐形成了开发压裂、重复压裂、端部脱砂压裂、水平井压裂等适用于不同油藏的压裂增产技术, 在复杂油气藏的增产改造过程中发挥着越来越重要的作用。
2 常见的水力压裂工艺
(1) 重复压裂。经过水力压裂过后的油气井, 在生产过程中由于种种原因可能导致水力裂缝失效。这时把对同井同层进行第二次或更多次的压裂, 以提高油气井产量的作业过程称为重复压裂。之所以需要重复压裂作业, 是因为水力裂缝失效。而失效原因一般包括: (1) 裂缝太短, 对产层穿透率低; (2) 支撑剂被压碎; (3) 支撑剂浓度低, 铺砂不合理; (4) 压裂液对储层造成伤害; (5) 压裂液的大量滤失造成早期脱砂; (6) 套管损伤, 固井质量差或射孔孔眼堵塞。这些原因都会影响水力裂缝导流能力, 从而降低油井的产量。重复压裂工艺有三种压裂方式:在层内压出新裂缝, 继续延伸原有裂缝和改向重复压裂。其中层内压出新裂缝属于分层压裂。继续延伸原有裂缝主要是通过增大砂比、加大压裂规模实现, 以增加裂缝导流能力, 提高油气井产量。改向重复压裂则是通过改变储层的地应力状况, 使重复压裂裂缝重新定向。
(2) 端部脱砂压裂。当压裂中、高渗透性储层时, 需用到端部脱砂压裂技术以形成短而宽、高导流能力的裂缝, 并尽可能控制缝高在储层内。所谓端部脱砂压裂, 是指在水力压裂过程中有控制地使支撑剂由裂缝端部脱出, 形成端部支撑剂桥堵而阻止裂缝向外延伸。随后继续泵入高砂比携砂液, 使裂缝中的储液增加而提高泵压, 增大缝宽, 从而形成导流能力很高的裂缝。端部脱砂压裂一般适用于浅层、中深层的高渗透地层, 或者是需要严格限制缝高的储层。一般有以下几个特点: (1) 压裂液粘度低于常规压裂液粘度; (2) 泵注排量一般低于常规压裂; (3) 前置液用量比常规压裂少, 使砂浆前缘能在停泵前到达裂缝端部; (4) 加砂比高于常规压裂。端部脱砂压裂作为一种特殊的水力压裂工艺, 在中高渗储层的增产改造过程中应用广泛, 并取得了较好的压裂开发效果。
(3) 水平井压裂技术。水平井通过增大油藏的泄油面积, 改变流体的渗流方式, 提高了单井产量, 适用于薄储层、低渗透、稠油、小储量等油气藏的开发。但由于低渗致密油气藏渗透率低、连通性差, 单井产量往往仍不能满足经济开采的要求。因此, 为了提高最终采收率和经济效益, 还需对水平井进行压裂增产改造。目前水平井压裂技术主要有两种:限流法压裂和分段压裂。限流法压裂与直井限流法压裂原理相同。即在低密度布孔的前提下, 利用吸液炮眼产生的摩阻, 大幅度提高井底压力, 迫使压裂液分流, 达到一次施工同时压开多个层段的目的, 多用于水平段较短的水平井。
(4) 定向井压裂技术。与直井相比, 定向井在压裂改造过程中, 定向井在不利方位下, 易产生多裂缝。受多裂缝的影响, 裂缝宽度降低, 致使支撑剂过早地发生桥塞, 产生砂堵, 降低压裂增产效果。
3 页岩气水力压裂技术
中国拥有世界上最多的页岩气资源, 2014年可采储量大36.1万亿立方米, 日产量却仅有2.5亿立方英尺/日, 产量不足美国的1%。页岩气大规模开发的关键在于储层的增产改造。目前常用的岩气井水力压裂工艺技术主要有多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、同步压裂等。多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术。主要特点是多段压裂和分段压裂。多级压裂增产效率高, 技术成熟, 适用的产层较多, 水平井段较长的井。清水压裂是将清水注入储层诱导产生具有一定导流能力的裂缝, 以实现工业产量的压裂措施。清水压裂利用储层的天然裂缝注入压裂液, 使地层产生诱导裂缝, 在压裂过程中, 岩石碎屑脱落并沉降在裂缝中, 起到支撑作用, 使裂缝在压裂液退去之后仍保持张开。同步压裂指对两口或两口以上的配对井进行同时压裂。同步压裂过程中, 通过使压裂液和支撑剂从一口井到另一口井运移距离最短, 来增加裂缝网络的密度和表面积, 最大限度地连通天然裂缝。
4 结论与建议
(1) 水力压裂是开发低渗透油气藏的主要增产措施。其中, 重复压裂和复杂井压裂技术的运用越来越广泛, 应加大相关方面的科研和投资, 增强压裂增产效果。
(2) 对于中高渗油气藏的增产改造, 应继续优化端部脱砂压裂工艺, 增强适用性。
(3) 对于页岩气的开发, 目前常用的水力压裂技术有多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。应加大页岩气井水力压裂技术研究, 为我国页岩气革命奠定技术基础。
参考文献
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页岩气水力压裂技术及工具浅析 篇6
1 裸眼封隔器投球滑套多级压裂技术
封隔器投球滑套多级压裂技术一般采用可膨胀封隔器或者裸眼封隔器, 根据页岩气储层开发的需要, 使用封隔器将水平井段分隔成若干段, 水力压裂施工时水平段最趾端滑套为压力开启式滑套, 其它滑套通过投球打开, 从水平段趾端第二级开始逐级投球, 进行有针对性的压裂施工[3]。水平裸眼井多级压裂目前在北美页岩气压裂开采中应用较多, 其关键零部件在于封隔器和滑套的可靠性和安全性能, 以及决定压裂施工效果的套管外封可膨胀封隔器和开启滑套的高强度低密度球材料等。
Quick FRAC和Packers Plus公司是研制多阶段压裂系统的先驱, 目前已多达7750个系统, 并研发了Quick Frac和Stack Frac HD两套最先进的裸眼多级压裂系统。Quick Frac是一次投入一个封堵球开启多个滑套的多级压裂批处理系统, 可满足15次投球进行开启60级滑套的多级压裂的施工。Stack Frac HD高密度多级压裂系统, 该系统可以多次投入同一尺寸封堵球开启多级滑套, 有效增加压裂级数。
贝克休斯的Rapid Frac多级投球打滑套压裂系统可实现快速、连续的水力压裂。每两级滑套之间可以选用液压座封裸眼封隔器或自膨胀封隔器。压裂完成一级后投球泵送打开下级滑套, 如此逐级进行压裂。整体压裂完毕, 密封球被从井内返排处地面。
Brigham勘探公司和William生产公司率先采用该技术, Williams钻出了两口井进行对比, 一口井使用传统的“堵塞+射孔”的压裂系统, 另外一口井使用Rapid Frac系统。结果表明, 新的Rapid Frac完井系统明显优势, 完井时间比传统技术缩短了一半以上, 生产动态效果显著, 该技术在提高完井效率方面取得了较大进步。
2 泵送桥塞射孔联作多级压裂系统
页岩气桥塞多级压裂技术属于机械封堵分层压裂技术, 适用于套管井, 由于其具有分层压裂段数不受限制、压裂层位定位精确、封隔可靠性高等优点, 受到各作业公司的欢迎。其作业流程为:井筒准备, 用合适尺寸通井规通井, 第一段射孔;取出射孔枪, 进行第一段压裂;电缆作业下入桥塞及射孔枪, 水平段开泵泵送桥塞至预定位置;点火坐封桥塞, 上提射孔枪至预定位置, 射孔;起出射孔枪和工具, 投球至球座, 封隔已压层, 压裂作业;用同样方式, 根据水平页岩层段设计段数, 依次下桥塞, 射孔, 压裂。
贝克休斯QUIKDrill可钻式复合材料桥塞其结构有全堵塞式复合桥塞、单流阀式复合桥塞和投球式复合桥塞, 其中投球式和单流阀式桥塞, 可以再磨掉桥塞之前进行试气。全堵塞式在压裂完成后全部磨铣掉, 进行生产。
哈里伯顿Fas Dril系列快钻压裂桥塞, 普通单流阀式桥塞的球可在下井时提前预装, 跟桥塞一同下井, 并设计了带球笼的压裂桥塞, 单向阀为球笼式, 可防止在斜井段由于球的自由活动无法形成密封。
3 水力喷射多级压裂
水力喷射分段压裂是一种最有效的压裂增产措施, 其喷射流体在底层中形成裂缝[4], 通过油套环空泵入液体使压裂层压力小于裂缝延伸压力, 射流出口周围流体速度最高, 其压力最低, 射流流体卷吸环空周围液体, 一起进入页岩目的层, 驱使裂缝向前延伸, 因目的层压力低于裂缝延伸压力, 所以在喷射压裂下一层时, 以前压开层段裂缝不再延伸。水力喷射压裂技术可以在裸眼、筛管完井的水平井中进行加砂压裂, 也可以在套管井中进行, 施工安全性高, 可以用一趟管柱在水平井中快速、准确地压开多条裂缝, 水力喷射工具可以与常规油管或连续油管相连接入井。
水力喷射工具的关键部件是喷嘴, 喷嘴的耐用性和可靠性是制约页岩气水平井水力喷射改造的瓶颈。现阶段制造喷嘴的材料主要有硬质合金、陶瓷、人造宝石、金刚石等。但是由于金刚石和人造宝石成本高, 目前水力喷射压裂用喷嘴主要由硬质合金和陶瓷加工制造。随着页岩地层深度不断加深, 地层压力增高, 喷射压力也高喷射速度越快, 要求喷嘴材料的硬度和耐磨性也越高。
4 结论
4.1 多级压裂工艺适用于产层较多, 水平井段较长的生产井, 且工具能够承受较高的温度和压裂差, 能较大缩短压裂施工时间;
4.2 泵送桥塞射孔联作多级压裂技术优点是分段级数不受限制, 适合多层压裂改造;
4.3 水力喷射压裂不受完井方式限制, 尤其适用于裸眼完井的水平井, 但受压裂井深和加砂规模的限制, 但需提高喷嘴工作寿命。
摘要：页岩气储层往往呈现低孔隙度和低渗特性等特点, 钻完井后一般需经压裂改造后才能得到可观的经济产量。本文结合国外岩气的开采和压裂工具的应用情况, 分析对比了水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术、泵送桥塞分段压裂技术以及水力喷射分段压裂技术的施工工艺, 为国内页岩气的开采提供一定的借鉴经验。
关键词：页岩气,多级压裂,桥塞,水力压裂
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水力喷射压裂技术 篇7
目前国内低渗透油( 气) 田的比例越来越大。对于低渗透油( 气) 等储层,水力压裂方法是改善油田储层渗透率的一种常见有效的方法。但是,国内外常规的水力压裂方法基本上在于宏观的层面,即多个油层的基础上,进行全向压裂改造储层,以达到增产的目的[1,2]。定向水力射孔压裂技术是对单一储油层定方向进行有效的体积改造。对于单油层压裂,国内外都是只在最大的应力方向开设射孔。目前对于压裂在偏离最大主应力方向的体积改造方面所做的研究较少[3,4]。这对于压裂改造的区域就有了一个非常大的限制区域,使得储层的渗流能力无法得到更大的提高,达不到有效增产的目的。定向水力射孔压裂技术将井筒附近未压裂的区域进行定向水力射孔,迫使射孔通道区域裂缝张开,增加储油层的渗透面积,以达到油田增产的目的。
1 水射流破岩机理
水力喷射的过程是井筒内的水射流装置放至井下预定的石油储层位置,在井上将一定的液体,用高压泵送到井下喷嘴处,油管泵中的高压力水流从喷嘴喷出高速的水射流。高速的水射流迅速射穿套筒层和水泥环层进入地层,冲击地层岩石的表面,对地层岩石表面形成持续的打击压力。地层岩石受到高速水射流的连续冲击压力,这个冲击压力大于地层岩石的最大拉伸力或最大剪切力时,储油层岩石表面开始发生损伤和破坏。经过一段时间的喷射,使地层岩石形成一定深度和直径的纺锤形水流射孔[5,6],如图1 所示。
1. 1 水射流的基本理论
对于连续水射流,在高水流速度和高压力作用下,忽略重力的影响,水射流从喷嘴喷出的伯努利方程可以表示为:
水射流任意两点处的连续方程:
一定速度的水射流冲击岩石表面,由动量方程可知,射流对地层岩石表面的冲击力为:
其中: A1,A2为任意点处的横截面积,C为喷嘴的流量系数,F为水射流作用在物体表面上的打击力,ρ 为射流的密度,Q为射流喷出体积流量,v为水射流速度,θ 为射流冲击岩石后方向变化的角度。
水射流流速简化表达式:
υ 是射流速度,P为射流压力。
1. 2 岩石破坏准则
对于岩石材料是否被破坏的判断,破坏准则有很多,有最大抗拉强度和莫尔-库伦强度准则等。在水射流冲击岩石过程中,主要是以拉伸破坏和剪切破坏为主。判断岩石破坏的依据,以最大拉伸应变和最大剪切应变是否达到某一个边界值。最大拉伸应变表达式为:
式中: E为岩石的弹性模量,μ 为泊松比,σ1,σ2,σ3为主应力。假如岩石某单元的 εmax≥ε临,即单元破坏失效。
假设岩石单元的主应变中,ε1> ε2> ε3,最大剪切应变为:
如果岩石某单元的 γmax>γ临,则该单元破坏失效。在最大拉伸应变和最大剪切应变共同的作用下,引入函数F表示岩石单元的破坏与否,设函数
当F≥1 时,表示该岩石单元已经发生破坏。
2 水力射孔的起裂机理
在水力射孔前期,储油层岩石的损伤破坏大部分是由水射流的动态冲击力引起。在射孔中期,岩石的损伤破坏是由水射流的动态冲击力和准静态水压力共同的作用。水射流从喷嘴喷出,流体的动能一部分由于射流冲击岩石耗损了,其他一部分由在射孔通道中动能转化为静态水压力,即这过程中发生了能量的第二次转化。水射流在射孔孔道中流动,速度衰减较快,速度逐渐减小。根据能量守恒定理,减小的动能转换成压力能,压力会逐渐增加。所以,水射流在喷射孔道内会形成增压。高速水射流冲击地层岩石表面,会在射孔通道的底部产生好多微裂缝,这些细小的微裂缝降低了地层岩石的起裂压力。再向环空中泵入流体,增加环空压力。水射流的冲击力、流体在射孔中的增压和环空压力的之和超过地层岩石破裂压力[7,8],即可以将射孔底端处的地层岩石压破,能使微裂缝充分扩展,生成压裂的主裂缝。裂缝产生条件的表达式:
3 裂缝转向延伸机理
从理论可知,裂缝延伸的方向总是垂直于最小地应力方向。当水力射孔的方向与地层最大地应力方向存在一定的角度,裂纹的延伸将发生转向,最后裂纹的方向与最大地应力方向保持一致。裂纹沿着水力射孔的底部开始起裂,沿着顶部的细小裂缝迅速汇合成一条大的主裂缝[10]。水力射孔裂缝的扩展是由射孔通道内的压力、周围的地应力、水射流的打击力等因素共同作用。应力强度因子是描述裂纹尖端的一个重要参数,它与载荷大小以及几何有关。复合裂缝尖端的应力强度因子表达式为:
式中: KΙ、KΙΙ分别是 Ι 类、ΙΙ 类应力强度因子; P( x) 是有效压力; α 为裂缝长度; q( x) 是裂缝面上的有效切应力; x为裂缝上任意一点到裂纹起始点的距离。
当KΙ≥KΙC和KΙΙ≥KΙΙC时,裂缝发生扩展。
4 定向水力射孔实验模拟
4. 1 实验几何模型及实验装置
选取长宽高分别为50 m×20 m×5 m的地层岩石,6 个直径为8 mm喷嘴,其中2 个喷嘴方向与最大地应力方向一致,2 个喷嘴与最大地应力方向的角度60°,2 个喷嘴方向与最大地应力方向的夹角呈90°。实验条件: 压裂车一台,6 根油管,6 个直径为8 mm喷嘴射孔器,岩石的性质为砂岩,实验排量为0. 8 m3/ min,实验测试压力40 MPa,6个喷嘴射孔器固定,并且与油管相连。
4. 2 实验结果以及分析
在新疆克拉玛依重油公司做了定向水力射孔地面模拟实验,实验严格按照压裂现场施工的要求和步骤进行。采用流量逐级增加的方式,现场实验压裂时间为24 min。每隔1 min采集排量和压力的数据,得到的现场施工排量和压力数据如图2、图3 所示。
在相同岩石的渗透率和孔隙度的情况下,压裂液的排量和时间的曲线图可以反映裂缝的扩展的体积。假设裂缝的宽度和高度相同情况下,裂缝扩展的体积可以反映出裂缝延伸的长度。由图2 所示,排量与裂缝空间增长呈正相关,当喷嘴喷射器角度为60°、90°压裂液的体积较大,说明裂缝的长度较长。这是由于水力射孔方向与最大地应力方向不一致,裂缝会开始转向,最后裂缝的延伸方向与最大地应力保持一致。压裂液增加的体积不是很大,说明裂缝转向的曲率半径不是很大,裂缝转向的时间较短。由图3 所示,当水力射孔的角度不同时,裂缝起裂压力不同,水力射孔角度为0°时,( 最大地应力方向) 裂缝的起裂压力最小,水力射孔角度为90°时,( 最小地应力方向) 裂缝的起裂压力最大。这个实验结果与理论的结果是一致的。如果继续增加压裂的时间,从主裂缝上会衍生次生裂缝,裂缝会交叉、汇合,形成复杂的裂缝网,增大了储油层的渗透率。采用定向水力射孔压裂技术,可以提高油层的增产能力。
5 结语
定向水力射孔压裂技术,可以在井筒附近的地层区域形成水力射孔,可以降低实际生产中井筒附近的地层区域的起裂压力,因而,可以提高储油层的增产能力。由于水力射孔的数目较少,定向水力射孔压裂的施工压力要高于传统的全向水力压裂压裂值。水力射孔压裂技术可以在任意方向形成水力射孔,可以实现准确地定点造缝。定向水力射孔压裂过程中,喷嘴装置由于水射流的反冲力比较大,晃动比较剧烈。喷嘴的磨损比较严重,因此选择合适的材料,可以有效地延长喷嘴的使用寿命。
参考文献
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