高壓水射流2013.10.15課件

高壓水射流在完井增產(chǎn)中的

研究與應(yīng)用進(jìn)展匯報提綱前言高壓水射流深穿透射孔磨料射流射孔割縫水力噴射定向壓裂水力噴射分段壓裂水力深穿透徑向水平井水平井射流沖砂洗井結(jié)論與認(rèn)識一、前言60年代末70年代初，美國NSF資助了一項龐大的研究計劃，尋求一種高效的切割破巖方法，提出并試驗了25種新方法，電火花、激光、火焰、等離子體、電化學(xué)、高壓水射流等，最后一致公認(rèn)最可行有效的是高壓水射流破巖方法。高壓水射流技術(shù)是近二、三十年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，正越來越廣泛地應(yīng)用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工業(yè)部門，用以清洗、除垢、切割、破巖等，提高工效，降低成本，減輕勞動強(qiáng)度，改善工作環(huán)境。近年來，出現(xiàn)超高壓射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流等新型射流技術(shù)。一、前言油氣井工程一.提高射流井底效率二.自振空化射流鉆頭鉆井三.水力脈沖空化射流鉆井四.超高壓射流輔助破巖鉆井五.旋轉(zhuǎn)射流鉆徑向水平井六.連續(xù)管洗井與小井眼鉆井七.煤層氣與儲氣庫洞穴技術(shù)完井和增產(chǎn)處理八.旋轉(zhuǎn)射流處理近井地層九.磨料射流射孔割縫增產(chǎn)十.高壓水射流深穿透射孔十一.水力噴射定向/分層壓裂十二.水力噴射深穿透水平井十三.水平井旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井十四.自激波動注水技術(shù)十五.高油氣比井射流增效二、高壓水射流深穿透射孔常規(guī)射孔深度有限，難穿透污染帶，易產(chǎn)生壓實帶及二次污染。特別是低滲特低滲油藏更嚴(yán)重，高效開采和動用難度很大。高壓水射流深穿透射孔，利用液壓沖頭沖開套管，帶噴嘴的軟管在高壓射流作用下邊破巖邊前進(jìn)，水平深入地層，噴射出孔深2.0-3.0m、孔徑14-25mm清潔無阻通道，有效克服近井污染，新井完井、低滲增產(chǎn)有效技術(shù)。2.1問題的由來二、高壓水射流深穿透射孔2.2國外研究與應(yīng)用1984年，Penetrators公司開始研究水力深穿透射孔技術(shù)，到2001年底，在加拿大、美國和阿曼等國油田應(yīng)用600多口，平均增產(chǎn)1～3倍，最高達(dá)10倍，尤其在致密低滲透油藏效果更佳。中國石油大學(xué)在中石化和油田資助下，10多年系統(tǒng)研究與實驗：二、高壓水射流深穿透射孔2.3國內(nèi)研究與應(yīng)用水力深穿透射孔理論研究1、水力射孔方位研究：最大水平主應(yīng)力方向30o范圍內(nèi)射孔，流動效率最高2、水力射孔密度研究：最小孔距不應(yīng)小于0.3m，建議3-4孔/m。3、滲流場與產(chǎn)能分析：無壓實帶，滲透率降低小，滲流能力高，產(chǎn)能高2-3倍。4、水力射孔對套管強(qiáng)度影響：現(xiàn)有射孔密度和深度下，對套管強(qiáng)度無明顯影響水力深穿透射孔關(guān)鍵工具和裝置研制1、整體方案設(shè)計：地面控制壓力、排量、軟管伸進(jìn)速度、深度2、室內(nèi)單元實驗：噴嘴材料、破巖與擴(kuò)孔能力、沖頭沖套管、軟管優(yōu)選3、地面控制裝置和地面聯(lián)機(jī)試驗現(xiàn)場施工工藝與現(xiàn)場試驗二、高壓水射流深穿透射孔1、井筒準(zhǔn)備2、定位射孔深度3、錨定油管，下抽油桿對接工具4、安裝井口、連接地面設(shè)備5、沖孔打開套管，噴射射孔6、回收軟管、沖頭7、改變層位重復(fù)射孔8、起出工具2.3國內(nèi)研究與應(yīng)用江蘇沙19－42井現(xiàn)場施工最大井斜：45.54o×2125.0m×336.21o射孔井深：2756m。3.1問題的由來磨料射流原理，切割套管和射孔0.7～1.0m，穿透污染帶，松弛地層，避免二次污染,為壓裂創(chuàng)造良好井下環(huán)境。國內(nèi)60～70年代拉絲模水力噴砂射孔。

機(jī)理、參數(shù)、噴槍結(jié)構(gòu)材質(zhì)、工藝優(yōu)化三、磨料射流射孔割縫高壓純水射流切割鋼鐵和鋼筋混凝土等，壓力極高，700～1000MPa。磨料水射流（AWJ）：在水射流中混入一定數(shù)量磨料微粒，磨粒質(zhì)量大且鋒利，20～30MPa即切割金屬。3.2磨料射孔原理和影響因素

根據(jù)水動力學(xué)動量-沖量原理，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。

三、磨料射流射孔割縫影響因素3.2磨料射孔原理和影響因素

流體參數(shù)

射流壓力噴嘴直徑噴嘴型式射流功率流速流量流體性質(zhì)射流反沖力磨料參數(shù)

磨料類型磨料流量磨料粒度混合管直徑

工況參數(shù)

進(jìn)給速度靶距（噴距）流道數(shù)入噴射角切割體積切深或切寬比能靶件參數(shù)

靶件強(qiáng)度靶件硬度靶件孔隙度

靶件滲透率1.壓力2.排量3.磨料類型4.磨料濃度5.磨料粒度6.巖性7.圍壓8.時間實驗參數(shù)三、磨料射流射孔割縫實驗裝置與方法高壓泵組磨料射流實驗裝置3.3射流參數(shù)對射孔深度影響實驗

磨料加砂系統(tǒng)噴嘴巖樣三、磨料射流射孔割縫生產(chǎn)初期常規(guī)炮彈射孔并加砂6m3壓裂，試油產(chǎn)能低（6m3/d）。因固井質(zhì)量差，常規(guī)射孔不宜進(jìn)行壓裂改造，故采用磨料射流射孔，提高井底完善度。設(shè)計用3個噴槍，每槍3個噴嘴，按1200夾角排列，共射9孔。經(jīng)噴砂射孔后抽汲求產(chǎn)，日產(chǎn)油8.0m3，不含水，施工效果良好。1.現(xiàn)場施工效果----史125井3.4磨料射流射孔現(xiàn)場試驗

三、磨料射流射孔割縫鄭408-8井屬于東營王莊稠油油藏，儲層“五敏”（酸敏、堿敏、水敏、速敏、鹽敏）,非均質(zhì)性嚴(yán)重。由于儲層存在嚴(yán)重的“五敏”，注水、汽補(bǔ)充油層能量困難，油層壓力下降快，單井產(chǎn)能低于1t/d，動用儲量的采油速度只有0.41%，采出程度僅為3.4%。2003年11月該井不出油停產(chǎn)，決定采取壓裂填砂增產(chǎn)，但由于金屬棉濾砂管和地層之間的屏蔽帶作用，致使施工壓力過高，措施未能成功。

1.現(xiàn)場施工效果----鄭408-8井3.4磨料射流射孔現(xiàn)場試驗

三、磨料射流射孔割縫施工前不產(chǎn)液，施工后初期自噴生產(chǎn)，

最高產(chǎn)液11.6t/d，產(chǎn)油8.7t/d，連續(xù)11

個月一直維持自噴產(chǎn)量1.0～2.5t/d。1.現(xiàn)場施工效果----鄭408-8井3.4磨料射流射孔現(xiàn)場試驗

三、磨料射流射孔割縫2.現(xiàn)場施工效果現(xiàn)場試驗11井次,能很好解除油層污染，對油層堵塞原因引起傷害的低產(chǎn)井，可以起到射孔增產(chǎn)的目的。

不宜壓裂井射孔增產(chǎn)低滲透地層改造水力噴砂割縫水力噴射定向/分段壓裂噴砂處理水泥塞和堅硬地層3.4磨料射流射孔現(xiàn)場試驗

三、磨料射流射孔割縫4.1問題的由來

壓裂改造是油氣井特別低滲增產(chǎn)的主要措施，占石油儲量25～30%產(chǎn)能由壓裂增產(chǎn)。美國約40%油井、70%新氣井是壓裂投產(chǎn)。世界范圍內(nèi)，壓裂增產(chǎn)比例越來越高。裂縫起裂位置及擴(kuò)展方向難以控制，直接影響壓裂效率和成功率，世界性難題。國家863計劃支持，水力射孔應(yīng)力分布、起裂壓力、擴(kuò)展方向、射流定向射孔/分段壓裂研究，水平井快速發(fā)展，開采不同類型油氣藏（氣頂/底水/稠油/裂縫等）已逐步大量應(yīng)用，國外公司都開發(fā)了水平井分段改造、完井工具。四、水力噴射定向壓裂4.2水力射孔孔眼應(yīng)力分布

1水力射孔孔眼應(yīng)力分布模型

假設(shè)地層為均質(zhì)、各向同性、線彈性體，水力射孔井壁上的三個主應(yīng)力分量為：

四、水力噴射定向壓裂

對應(yīng)2500米地層，設(shè)彈性模量4.6GPa，泊松比0.3，巖石抗壓強(qiáng)度12MPa；最大水平主應(yīng)力為30MPa，最小水平主應(yīng)力為26MPa；基體尺寸：3.0m×3.0m，井筒直徑為300mm

。2定向噴射后地應(yīng)力場變化4.2水力射孔孔眼應(yīng)力分布

四、水力噴射定向壓裂3孔眼壓力40.0MPa時等效應(yīng)力云圖

4.2水力射孔孔眼應(yīng)力分布

孔內(nèi)壓力20.0MPa,最大最小水平主應(yīng)力之比為1.5(30/20)四、水力噴射定向壓裂1裂縫起裂和擴(kuò)展模型

最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，井壁某平面最大張應(yīng)力達(dá)到井壁巖石張性破裂壓力（抗張強(qiáng)度）時，就會在該平面起裂，逐漸延伸，依此可計算破裂壓力?？籽劬谏暇植恐鲬?yīng)力最大值為：拉伸區(qū)內(nèi)裂縫以角度γ方向擴(kuò)散：

4.3水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴(kuò)展

四、水力噴射定向壓裂RFPA（RockFractureProcessAnalysis）軟件水平井中不同射孔參數(shù)、加載速度、地應(yīng)力等條件下壓裂時的起裂壓力變化規(guī)律以及裂縫擴(kuò)展情況；改變孔眼直徑、孔眼長度、孔眼軸線和最大水平主應(yīng)力夾角、壓裂液加載速度、垂直/水平應(yīng)力比值

2定向噴射對起裂壓力影響數(shù)值模擬4.3水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴(kuò)展

四、水力噴射定向壓裂4.4定向噴射對起裂壓力影響實驗實驗裝置示意圖1.實驗裝置和方法四、水力噴射定向壓裂2.地面實驗觀察4.4定向噴射對起裂壓力影響實驗定向水力射孔容易實現(xiàn)射孔方向與最大水平主應(yīng)力方向一致，降低破裂壓力和裂縫延伸壓力，控制裂縫在近井地帶轉(zhuǎn)向，起導(dǎo)向孔作用，有利于產(chǎn)生單翼或雙翼裂縫，特別為低滲改造、提高壓裂效率和成功率提供有效手段。

四、水力噴射定向壓裂1998年，Surjaatmadja提出水力噴射壓裂方法，并應(yīng)用于水平井壓裂。5.1問題的由來（1）機(jī)械分段壓裂（2）限流法分段壓裂（3）砂塞、暫堵劑或液膠塞（4）水力噴射分段壓裂減少施工風(fēng)險、降低傷害、

提高施工可控性五、水力噴射分段壓裂特別適合分段、分層作業(yè)，無須機(jī)械封隔。

準(zhǔn)確造縫、有效隔離、一趟管柱多段壓裂。水力噴射分段壓裂(HJF)是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產(chǎn)措施，專用噴射工具產(chǎn)生高速流體穿透套管、巖石，形成孔眼，孔眼底部流體壓力增高，超破裂壓力起裂，造出單一裂縫5.2國外應(yīng)用概況2002年7月62口井統(tǒng)計，裸眼水平井應(yīng)用多，成功率較高。

平均增產(chǎn)30～60%，成本與單級壓裂相當(dāng)或稍高。到2005年中，應(yīng)用超過130多口井。其中水力噴射環(huán)空壓裂HJP-AF超過45口，平均增產(chǎn)40～60%。使用1.75CT參數(shù)：五、水力噴射分段壓裂五、水力噴射分段壓裂5.3孔眼內(nèi)速度及壓力分布計算套管壁孔徑10mm、噴射壓力40MPa

孔眼最大直徑100mm、孔深500mm套管壁孔徑15mm、噴射壓力45MPa

孔眼最大直徑100mm、孔深500mm五、水力噴射分段壓裂5.4孔眼內(nèi)速度及壓力分布實驗4mm噴嘴在入口壓力為25MPa時，不同圍壓下，相差4.7％～20％。4mm噴嘴在入口壓力為30MPa時，不同圍壓下，相差4.3％ ～20％數(shù)模與物模對比白淺110井深2250m，因產(chǎn)量低關(guān)井停產(chǎn)。

2007年7月27日首次應(yīng)用2”連續(xù)管水力噴砂逐層壓裂、一天成功連續(xù)壓裂3層。試驗層位1105m延續(xù)到749m，3層共加入陶粒30.32m3，單層噴壓時間1～2h，作業(yè)跨度達(dá)到365m。施工后，第二天排液140m3，之后產(chǎn)氣量8,000m3/d，壓裂效果顯著。

廣安02-H9垂深1700m，水平段500m，用27/8”油管拖動噴射壓裂2段，填砂50m3，日產(chǎn)氣由8,000m3/d增加至70,000m3/d。5.5國內(nèi)應(yīng)用—白淺110井和廣安002-H9五、水力噴射分段壓裂應(yīng)用擴(kuò)展：裸眼井、套管井或襯管井水平井、大斜度井、分支井或垂直井多種形式：基本型：支撐劑壓裂，壓裂液流經(jīng)噴嘴，環(huán)空無固相。環(huán)空流量為管柱流量30～50%。作業(yè)管柱可用鉆桿、油管、CT。酸化壓裂：壓裂液為酸液，環(huán)空可是液體，也可CO2、N2。水力噴射大排量清水壓裂：每一段實施多組射孔形成多個裂縫；低壓大排量低固相壓裂液經(jīng)環(huán)空泵入。水力噴射射孔環(huán)空壓裂（HJP-AF）：射孔造縫完成后，低壓大排量壓裂液經(jīng)環(huán)空泵入，CT作為測試管柱。5.6應(yīng)用前景五、水力噴射分段壓裂6.1問題的由來稠油、超稠油油藏低滲或天然裂縫儲層層狀地層或?qū)訝钣筒乇∮筒兀呺H油氣藏老井更新，死井復(fù)活壓力衰竭儲層增產(chǎn)80年代初，常規(guī)徑向水平井，套管段銑+擴(kuò)孔模式；近年發(fā)展套管內(nèi)水力噴射深穿透徑向水平井，長度達(dá)100m。六、水力深穿透徑向水平井6.2常規(guī)段銑模式徑向水平井常規(guī)徑向井技術(shù)首先段銑一段套管0.5-1.0m，地層擴(kuò)孔600mm，然后利用特殊設(shè)計的造斜器和旋轉(zhuǎn)射流鉆頭，在老油井中對應(yīng)生產(chǎn)層位置鉆出多個超短半徑（0.3m）的徑向水平井眼，井眼直徑80～120mm，水平長度20m，可望達(dá)到60m。六、水力深穿透徑向水平井時間單位取得成果80年代初Petrolphsics公司和Bechtel投資公司第一代超短半徑轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為Ⅰ型，擴(kuò)孔直徑需1220mm,彎曲半徑300mm，射流鉆頭噴速240～290m/s，井眼直徑4”，長度可達(dá)30m，但徑向定位一次性。80年代中Petrolphsics公司和Bechtel投資公司發(fā)展了第二代超短半徑轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用Ⅲ型，擴(kuò)孔直徑降為610mm，且可以一次起下鉆多次定位，鉆多口水平井。到1992年P(guān)etrolphsics公司和Bechtel投資公司該系統(tǒng)在美國和加拿大鉆成徑向井已超過1000口，能在同一口井同一深度向四周鉆出24個輻射狀水平井眼，同一口井中最多鉆了5層徑向井，水平段長度30~60m。6.2常規(guī)段銑模式徑向水平井－國外六、水力深穿透徑向水平井近年來，采用3/4″磨銑鉆頭在套管內(nèi)開孔側(cè)鉆，起出鉆頭后再下入1/2″連續(xù)管噴射徑向水平井，不用大修鉆機(jī)，無需磨銑整段套管和地層擴(kuò)孔，施工20余井次，最大井深達(dá)3800m，每個層位90°相位鉆出4分支井眼，最大分支井眼長度為100m、孔徑約為50-60mm，單井施工30-42小時六、水力深穿透徑向水平井6.3水力深穿透徑向水平井油藏類型地理

位置巖性類型增產(chǎn)

措施措施前(m3/d)

措施后

(m3/d)

說明稠油加州MidwaySunset油田砂巖268~270

8分支3.187.15有多個分支的單井可達(dá)5口直井效果稠油加州

Brea-Olinda非膠結(jié)砂巖4分支9.515.9增產(chǎn)67%，需蒸汽量減半，成本大減少。稠油加州Taft油田非膠結(jié)砂巖4分支0.631.75措施前半年修井1次，措施后2年增產(chǎn)1.8倍。低滲油藏克羅地亞Lupt油田極硬砂巖燧石夾層多個層位共17分支1.96.8產(chǎn)油量增加2.6倍，穩(wěn)產(chǎn)1年以上。六、水力深穿透徑向水平井6.3水力深穿透徑向水平井7.1斯倫貝謝PowerCLEAN沖砂洗井—定向射流無運(yùn)動部件連續(xù)噴射產(chǎn)生渦流效應(yīng)噴嘴中心、方向、尺寸、間距等設(shè)計，保證清除堵塞物并優(yōu)化舉升和懸浮微粒的流體能量壓降相對較低。流量：159～477升/分，壓降：689～2758kPa七、水平井射流沖砂洗井7.2Halliburton水平井射流沖砂洗井七、水平井射流沖砂洗井

HalliburtonPulsonix_200旋轉(zhuǎn)噴頭周向力通過噴嘴方位特殊排布得到，通過具有一定角度射流，在旋轉(zhuǎn)噴頭周向產(chǎn)生反作用力，推動噴頭旋轉(zhuǎn)。噴頭轉(zhuǎn)速通過改變周向力大小調(diào)整，周向力大小通過調(diào)整噴嘴方位以及噴嘴直徑（直徑大小決定流量大?。?，當(dāng)噴嘴射流方向與噴頭圓周相切時可以獲得最大周向力。

7.3BJ連續(xù)管水平井射流沖砂洗井七、水平井射流沖砂洗井VortexTMNozzlesRotoPulseTMPresentingPre-swirCirculatingNozzles7.4水平井射流沖砂洗井—自振空化射流中國石油大學(xué)研究新型高效射流振動沖擊和速度壓力分布特性，解決了高壓旋轉(zhuǎn)速度控制關(guān)鍵技術(shù)問題，首創(chuàng)水平井高壓旋轉(zhuǎn)自振空化射流沖砂洗井新技術(shù)。將硬件設(shè)備、軟件、洗井液體系和處理監(jiān)測方法等進(jìn)行綜合利用，將有助于降低洗井作業(yè)成本和作業(yè)風(fēng)險，并使油氣井以更快速度恢復(fù)生產(chǎn)。七、水平井射流沖砂洗井開始中間后期結(jié)束序號井號班次抽次抽深(m)動液面(m)班產(chǎn)油(m3)班產(chǎn)水(m3)1元東平51421000850油花1624