水力喷射多层压裂工艺技术研究与应用.docx
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水力喷射多层压裂工艺技术研究与应用
水力喷射多层压裂工艺技术的
研究与应用
单位：
采油四厂工艺研究所
时间：
2011年12月
目录
水力喷射多层压裂工艺的研究与应用-3-
一、水力喷射多层压裂技术原理-3-
1.1水力喷砂射孔原理-3-
1.2水力喷射压裂裂缝起裂、延伸机理-4-
1.3水力封隔分段原理-4-
1.4水力喷射多层压裂原理-5-
1.5水力喷射多层压裂配套工具-5-
二、水力喷射多层压裂技术优势-6-
水力喷射多层压裂技术优势：
-6-
水力喷射压裂技术缺点：
-6-
三、水力喷射压裂工艺技术适用范围：
-7-
四、2011年水力喷砂射孔压裂技术在文南油田的主要应用-7-
4.1应用于４寸套小套管井。
-7-
4.2成功解决井况问题导致无法卡封分层压裂井压裂问题。
-7-
4.3解决管外窜井分层压裂问题。
-8-
4.4 水力喷射双层压裂研究应用成功。
-8-
五、典型井例：
-8-
5.1水力喷射常规压裂典型井例：
W88-21-8-
5.2水力喷射多层压裂典型井例：
W138-48-10-
六、2011年水力喷射压裂应用经济效益评价-13-
七、水力喷射压裂的发展方向-14-
八、结论及认识-14-
水力喷射多层压裂工艺的研究与应用
随着文南油田的不断开发，压裂重心逐渐向二三类层转移，但是因投入开发时间长，开发层系较多，井下技术状况比较复杂，许多井因井况原因、压裂层隔层小、固井质量差、4吋套内无法卡封等原因，导致常规水力压裂工艺技术无法实施。
这一方面导致地质措施目的不能满足，同时许多剩余油不能够有效的利用。
另一方面即使应用常规压裂措施后，因井况复杂，导致压裂目的层不能得到有效改造，措施效果差。
同时针对水平井压裂，存在着许多瓶颈，特别是因井斜大射孔费用高。
因此，解决井况复杂井压裂和水平井压裂是目前文南油田亟待解决的生产开发难题。
在此情况下，工艺研究所工艺室与采油院及中国石油大学积极合作，引进水力喷射压裂技术并在油田推广应用。
但水力喷射压裂同时存在喷枪长度短，改造长度有限的问题，在推广应用水利喷射压裂技术的基础上，我们在2011年研究并应用水力喷射多层压裂，并在W138-48、W88-34井上应用压裂一次成功，取得良好的改造效果。
一、水力喷射多层压裂技术原理
水力喷射压裂工艺是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产改造技术，适用于低渗透油藏直井、水平井的增产改造，是低渗透油藏压裂增产的一种有效方法。
水力喷射压裂利用伯努利（Bernoulli）方程原理，将压能转变为动能，射流增压与环空压力叠加超过破裂压力并维持裂缝延伸，采用特殊的喷射/压裂工具，通过两个步骤将地层裂缝打开。
水力喷射多层压裂利用了带滑套的喷射工具，在管柱不动的情况下选择不同的喷射/压裂工具工作，实现长井段、多层位的改造。
1.1水力喷砂射孔原理
水力喷射射孔是将流体通过喷射工具，将高压能量转换成动能，产生高速射流冲击（或切割）套管或岩石形成一定直径和深度的射孔孔眼。
为了达到好的射孔效果，在流体中加入石英砂或陶粒等。
喷砂射孔过程：
将喷射工具安装于管柱最下端，油管泵注高压流体通过喷嘴喷射而出的高速射流射穿套管，形成喷射孔道：
①．将工作液加压，经过专用喷射工具，产生高速射流冲击切割套管及岩石形成一定直径和深度的射孔孔眼；
②．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。
喷砂液冲量：
γ—喷砂液比重g—重力加速度
A—喷嘴截面积v—喷射速度
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，对下步起裂、延伸具有一定的增效作用。
1.2水力喷射压裂裂缝起裂、延伸机理
起裂及延伸机理:
关闭环空，油管和环空分别泵入流体。
油管流体经喷射工具射流继续进入射孔孔道，射流继续作用在喷射通道中形成增压。
向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瞬间将射孔孔眼顶端处地层压破。
保持孔内压力不低于裂缝延伸压力，同时在喷射流核外将形成相对负压区，环空流体被高速射流带吸进入射孔通道，从而持续保持孔内压力，使裂缝得以充分扩展。
P井底环空+P孔内增压=P孔内
起裂：
P孔内＞P破裂
延伸：
P孔内≥P延伸
1.3水力封隔分段原理
由于射孔孔眼内增压和环空负压区的作用，环空压力将低于地层裂缝的延伸压力，也低于其它位置地层的破裂压力，从而在水力喷射压裂过程中，已经压开的裂缝不会重新开启，也不会压开其它裂缝，流体只会进入当前裂缝，这样就达到水力动态封隔目的。
封隔：
P井底环空＜P延伸且P井底环空＜P破裂
1.4水力喷射多层压裂原理
工艺原理：
利用滑套控制，使用两级喷枪水力喷射压裂双层。
管串下入井后，2#喷枪内部滑套封住出口，使用1#喷枪对下部层位进行水力喷射压裂，完成后投球，打掉2#喷枪内部滑套，开启2#喷枪出口，同时滑套于1#喷枪及2#喷枪之间形成固定球座，2#喷枪工作，对第二层进行水力喷射压裂。
通过两级喷枪实施水力喷射压裂可以有效的增加水力喷射压裂改造井段，解决以往由于喷枪长度有限导致只能改造短井段的问题。
1.5水力喷射多层压裂配套工具
管串结构：
导锥+单流阀+1#喷枪+N80-φ73mm油管+2#喷枪（内置滑套）+N80-φ73mm加大油管校深短节+BG150-φ89mm油管+油管悬挂器
（1）、喷枪及喷嘴：
常规喷枪是刚体镶嵌喷嘴的结构，单层单级水力喷枪喷嘴现场应用喷射工具一般使用每级６－８个。
喷嘴材料使用冲蚀磨损率最低的陶瓷材料，以保证喷嘴使用时间满足施工要求。
普通喷枪喷嘴
（2）带滑套喷枪：
带滑套式喷枪是实现水力喷射多层压裂，不动管柱逐层加砂压裂技术的核心部件，其组成如图所示，主要是由喷枪本体、滑套、喷嘴、密封圈、销钉、喷枪座组成。
通过地面投球坐到滑套球座上，加压到额定压力剪短销钉，推动滑套下移至喷枪座内，露出喷嘴，同时完成对下部管柱的密封，开展本层的工艺施工。
滑套密封工作压差100MPa以内，投44mm钢球，继续正打压至上下压差8-10MPa剪断销钉，滑套下移至喷枪座内，2#喷枪开始工作。
二、水力喷射多层压裂技术优势
水力喷射多层压裂技术优势：
（1）水力喷射压裂工艺是一项集水力喷砂射孔和水力压裂于一体的新型储层改造技术。
该技术利用动态分流自动封隔,不需要任何机械密封装置。
（2）施工过程中应用喷射压裂能够有效降低井底地层破裂压力,可在任何位置准确造缝,而且不同位置可以采用不同压裂方案。
（3）管柱组合简单，喷射工具外径可根据不同要求定制，受井筒通径限制小，可解决套变、套损等复杂井况井压裂问题。
（4）水力喷射多层压裂一趟管柱可连续进行多段压裂,改造井段长，施工程序简单、周期短、作业成本低。
水力喷射压裂技术缺点：
（1）工艺对套管伤害情况仍在摸索中
因水力喷射过程中喷枪未锚定，故在压裂过程中，易对套管造成伤害，包括管柱震动伤害以及喷砂伤害，现今该方面处在探索阶段。
（2）喷嘴的耐压及使用寿命有待加强
水力喷射压裂装置寿命短，特别是喷射工具磨损严重，喷射返流会对喷射工具表面造成损伤。
2011年W99-19H井水力喷射压裂后，起出喷枪发现下部一喷嘴由于喷射返流导致喷嘴脱落并将喷枪本体刺出一约12cm*5cm孔洞。
优化设计新型喷射工具，选择合适材料，有效延长喷射工具寿命十分关键。
（3）对套管要求较高
由试验及现场应用发现套管补液压力在40-60Mpa之间，套压较高，对油井套管具有较高要求，因此水力喷射压裂前需对套管进行处理并试压合格后方可实施该工艺。
三、水力喷射压裂工艺技术适用范围：
水力喷射压裂技术可以完成常规压裂工艺无法实施的多种特殊情况井的分层压裂任务，其管柱简单，只须采用油管+喷枪+筛管组合，可定制不同外径喷枪解决外径限制，并且利用其自身水力封隔分段原理，不需外部工具配合即可实现分层压裂目的。
目前可有效解决以下多种类型井的压裂任务：
（1）水平井筛管完井
（2）4寸套小井眼完井（3）管外窜井（4）薄隔层分层压裂（5）通道小于100mm的套变井（6）由于井况问题无法卡封井。
水力喷射多层压裂工艺的成功实现，解决了以往由于喷枪长度短，射孔压裂改造井段有限的缺陷，能够满足以上几种特殊情况下长井段的压裂改造任务。
水力喷射多层压裂技术对于解决特殊井压裂难题以及开发低渗透油藏等难动用储量具有重要的意义和广阔前景。
四、2011年水力喷砂射孔压裂技术在文南油田的主要应用
在2011年全年的现场应用过程中，针对水力喷射压裂的特点和要求，在射孔砂、支撑剂的粒径、砂比以及压裂液、施工流程、井下喷射工具等方面进行了深入研究，不断改进和完善，并应用于现场施工。
2011年采油四厂水力喷砂射孔压裂技术主要应用于以下几个方面：
4.1应用于４寸套小套管井。
目前部分直井以及侧钻井下部悬挂４寸小套管完井，对下井工具外径限制较大，导致分层压裂无有效压裂工艺。
水力喷射压裂工艺喷枪外径小，无套管尺寸限制，可对小套管完井及侧钻井进行分层压裂。
2011年对悬挂4吋套完井W99-19H井成功实施水力喷射压裂。
4.2成功解决井况问题导致无法卡封分层压裂井压裂问题。
随着时间推移，油井套管及井下状况复杂，老井套管缩径、错断现象频繁，这种情况下，封隔器无法安全送到井下，卡封分层压裂工艺无法实施，水力喷射压裂可以很好的解决这种问题，利用自身的水力封隔分段机理，可以克服井况问题，完成分段压裂工艺要求。
2011年对套变井W72-220井成功实施水力喷射压裂。
4.3解决管外窜井分层压裂问题。
油井套管管外窜无法在井筒内实现分层压裂，因此可利用水力喷射压裂本身水力封隔分段机理实现分层目的。
如管外窜井W33-177井，该井油管外水泥环失效窜通，无法实现分层压裂工艺，2010年采取水力喷射压裂，并取得较好压裂效果。
2011年对固井质量差的W88-21井成功实施水力喷射压裂。
4.4 水力喷射双层压裂研究应用成功。
针对水力喷射压裂喷枪长度小，改造井段长度有限的缺点，工艺研究所与采油技术研究院合作讨论研究并实施由滑套控制不动管柱水力喷射双层压裂在套变无法机械封隔且需压裂改造井段较长的W138-48、W88-34、153-4三口井应用成功，在解决井况问题的基础上改造长井段取得了极好的压裂效果。
五、典型井例：
5.1水力喷射常规压裂典型井例：
W88-21
5.1.1、压裂目的层的小层数据
层位
层号
井段
（m）
厚度
（m）
孔数
声波时差
（μs/m）
孔隙度%
含油饱和度%
综合
解释
S3中6
51
3608.0-3610.8
2.8
8孔
256.4
16.3
64.9
油层
5.1.2、井下技术状况
该井2877m出套管缩径为φ108mm，压裂目的层上下固井质量差。
5.1.3、设计思路：
（1）、该井压裂目的层段固井质量差，设计采用水力喷射压裂方式改造储层。
（2）、通过测井曲线的分析，优选51号层进行改造，喷枪位置为3609m；喷枪采用8×φ6mm喷嘴。
（3）、采用延迟交联的压裂液体系，要求具备较强的携砂性能和抗高剪切能力，在高速剪切之后，液体粘度具有较好的恢复能力。
（4）、施工排量确定及套管压力预测：
总排量2.8-3.6m3/min，其中油管排量2.3-2.9m3/min，套管排量0.5-0.7m3/min。
延伸压力梯度
2.42MPa/100m
排量（m3/min）
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
出口流速（m/s）
169.6
176.9
184.3
191.7
199.0
206.4
213.8
喷嘴压降（MPa）
18.1
19.7
21.3
23.1
24.9
26.8
28.7
管串摩阻（MPa）
7.65
8.05
8.46
8.89
9.32
9.77
10.23
预计压裂阶段泵压（MPa）
77.01
79.01
81.02
83.25
85.48
87.83
90.19
环空补液排量（m3/min）
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
压裂时环空摩阻（MPa）
3.44-5.44
预计套压（MPa）
51.7-56.7
（5）、优化设计结果
压裂设计参数
目的层井段
3608.0-3610.8m
喷枪位置（m）
3609.0
注入方式
油套同注
支撑缝长（m）
118.8
压裂液注入总量（m3）
207.1
支撑缝高（m）
15.2
射孔液（m3）
33.0
最大缝宽（cm）
1.01
顶替液（m3）
16.3+1.2
前置液（m3）
59.5
携砂液（m3）
60.0
施工排量（m3/min）
油管2.6
石英砂+陶粒（m3）
）
2.0+14.6
环空0.6
文88-21井裂缝剖面图
5.1.4、现场施工情况：
W88-21井于2011.2.23实施水力喷射压裂一次成功，破裂压力65MPa，总用液211.5m3，加砂量14.6m³，平均砂比20.2%，停泵压力30.8MPa。
图：
W88-21井压裂施工曲线
5.1.5、压后效果：
该井压裂后初期日产液20.4t，日产油11.2t，产气1842m³，截止12.25日，该井累计增液t，累计增油t，累计增气m³，取得了良好的压裂效果。
W88-21井压裂后产油曲线
5.2水力喷射多层压裂典型井例：
W138-48
5.2.1、压裂层段小层数据：
层位
序号
井段
厚度
m
孔数
声波时差
μs/m
孔隙度
%
含油
饱和度%
渗透率（10-3um）
结论
S2下2
15
3274.4-3377.9
3.5
56
261.6
18.0
77.5
28.56
油层
以上为压裂上层，3274.4-3277.9m3.5m/1n；压力系数1.3
S2下3
18
3304.8-3306.6
1.8
29
223.6
5.4
0
0.14
干层
19
3311.6-3314.6
3.0
48
241.3
14.2
68.1
9.86
油层
20
3317.1-3319.4
2.3
37
244.3
11.2
55.1
3.52
油层
21
3321.5-3322.8
1.3
21
238.4
14.0
78.7
9.37
油层
22
3323.4-3325.4
2.0
32
232.6
3.7
0
0.03
干层
以上为压裂下层，3304.8-3325.4m10.4m/5n；压力系数1.3
打灰塞封堵层：
S2下4-5，3380.6-3443.3m17.3m/7n
5.2.2、井下技术状况：
W138-48井于2011年9.21日上修准备卡单封分压两层，下φ112mm*2m通井规通井至2793m遇阻，起出通井规发现通井规对应两侧上、下部有轻微擦痕，测井径发现2792-2812m处套管轻微变形，其中在2796.4m处缩径4mm，2806.7m处缩径4.5mm，下φ108mm*2m通井规通井至灰面3350m无异常，下φ115mm液压涨套工具涨套2727-2730m无进尺。
该井2792-2818m为盐膏层。
分析认为盐膏层段套管变形，因此取消原卡单封分压两层方式，设计采用水力喷射压裂分压两层。
5.2.3、设计思路：
1、该井在2792-2812m处套管轻微变形，无法下分层工具分层，采用水力喷射压裂方式改造；
2、各小层相对分散，中间隔层厚，采取两组喷枪水力喷射改造；
3、通过测井曲线的分析，优选电测解释较好15号层、20号层进行喷砂射孔，喷枪位置分别为3275.0m、3318.0m；下部喷枪采用8×φ6mm喷嘴结构，上部喷枪采用6×φ6mm喷嘴结构。
施工排量确定：
压裂下层：
确保总排量在3.1m3/min，其中油管排量2.5m3/min，套管排量0.6m3/min。
油管排量不得低于2.3m3/min。
延伸压力梯度
（2.3MPa/100m）
排量（m3/min）
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
出口流速（m/s）
169.6
176.9
184.3
191.7
199.0
206.4
213.8
221.2
喷嘴压降（MPa）
18.1
19.7
21.3
23.1
24.9
26.8
28.7
30.7
管串摩阻（MPa）
8.27
8.71
9.16
9.62
10.09
10.58
11.07
11.58
压裂阶段泵压（MPa）
65.37
68.41
70.56
72.72
74.99
77.38
79.44
82.28
环空排量（m3/min）
0.5-0.7
环空摩阻（MPa）
5.2-8.19
预计套压（MPa）
50.9-53.9
压裂上层：
确保总排量2.6m3/min，其中油管排量2.0m3/min，套管排量0.6m3/min。
油管排量不得低于1.7m3/min。
延伸压力梯度
（2.3MPa/100m）
排量（m3/min）
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
出口流速（m/s）
167.1
176.9
186.8
196.6
206.4
216.2
226.1
235.9
喷嘴压降（MPa）
15.7
17.5
19.6
21.7
23.9
26.2
28.6
31.2
管串摩阻（MPa）
6.25
6.69
7.14
7.60
8.07
8.56
9.06
9.55
压裂阶段泵压（MPa）
64.52
65.77
69.32
70.56
74.55
76.38
78.42
80.20
环空排量（m3/min）
0.5-0.7
环空摩阻（MPa）
5.0-7.9
预计套压（MPa）
47.2-50.9
10、设计参数
压裂设计参数表
参数
下层
上层
喷枪位置（m）
3318.0
3275.0
注入方式
油套同注
油套同注
压裂液总量（m3）
315.5
236.9
射孔液（m3）
30.0
30.0
顶替液（m3）
14.2+1.2
14.1+1.2
前置液（m3）
80.0
50.0
携砂液（m3）
105.0
70.0
陶粒（m3）
）
1.2+27.5
0.8+18.4
石英砂（m3）
2.1
2.1
平均砂液比（%）
26.2
26.3
支撑缝长m
120
120
支撑缝高m
22.6
12.1
平均缝宽cm
1.05
1.04
施工排量（m3/min）
油管2.5环空0.6
油管2.0环空0.6
5.2.4、现场施工情况
该井于2011.10.3历时3小时，压裂施工成功：
第一层总用液量313.5m³，破裂压力63.3MPa，一般排量油管2.9m³/min，套管补液0.6m³/min，喷砂射孔用粒径425-850μm石英砂1.2m³，加支撑砂425-850μm中陶28.7m³，平均砂比27.5%，停泵压力42.4MPa。
第一层压裂施工结束投44mm钢球，继续供液送球10分钟，
第二层总用液量225.9m³，破裂压力75.2MPa，一般排量油管2.3m³/min，套管补液0.6m³/min，喷射射孔用粒径425-850μm石英砂2.1m³，加支撑剂425-850μm中陶19.3m³，平均砂比26.3%，停泵压力39.8MPa。
W138-48压裂施工曲线
5.2.5、压后效果
压后φ3mm油嘴自喷，初期日产液32.4t，日产油22.7t，产气3103m³，截止12.31日累计增液935.8t，累计油840t，累计产气33.2*104m³，取得良好的压裂效果。
W138-48压裂后采油曲线
六、2011年水力喷射压裂应用经济效益评价
附表：
2011年水力喷射压裂措施实施统计表
序号
井号
井况
压裂方式
压裂日期
压裂层位数据
累增液t
累增油t
累增气m³
有效期d
日增油能力t
1
W88-21
固井差
水力喷射
2011.2.22
2.8m/1n
2506.8
1150.8
356425
299
2.3
2
W99-21
隔层小
水力喷射
2011.5.25
2.6m/1n
0
0
0
0
0
3
W72-220
套变
水力喷射
2011.6.7
3.7m/1n
739.5
267
0
126
0
4
W99-19H
4吋套
水力喷射
2011.11.5
2.5m/2n
279.3
221.1
2133
37
6.2
5
W138-48
套变
水力喷射双枪
2011.10.3
13.9m/6n
929.1
840
332403
77
6.2
6
W88-34
套变
水力喷射双枪
2011.12.5
9.1m/6n
281.7
11.7
0
13
0.4
7
W153-4
套变
水力喷射双枪
2011.12.16
8.6m/4n
0
24.9
11139
6
1.1
合计
4736.4
2515.5
702100
558
16.2
2011年全年，采油四厂共实施水力喷射压裂7井次，常规水力喷射压裂4井次，水力喷射双层压裂3井次，合计投入压裂费用533.49万元；
7口井压后累计增油2419.5吨，产出经济效益：
2515.5*3000=754.65万元；累计增气70.21万方，产出经济效益：
702100/1000*3000=210.63万元，合计产出经济效益965.28万元；
投入产出比：
1：
1.81，取得良好的压裂效果。
七、水力喷射压裂的发展方向
水力喷射压裂技术具有巨大的潜力，并且在今后的应用中可不断改进以完善该工艺技术使其完全适应文南油田的开发现状，该工艺还可在以下几方面发展：
7.1对滑套进行改进设计，可增加不动管柱水力喷射层数，不但实现了射孔、压裂、生产联作,为合层改造、合层开采提供了条件。
目前在西南油气田分公司四川气田HC001-18-X1大斜度井四层水力喷射逐层压裂成功。
7.2由于水力喷枪使用成本较高，15万元/套，不动管柱多套水力喷枪成本较高。
改进喷嘴材料增加喷嘴寿命可配合不压井装备配合试验单喷枪一趟管柱动管柱多层水力喷射压裂，可以进一步节约作业及井下工具成本；四川油田GA-002-H9水平井成功应用与不压井装备配合，拖动普通油管逐层压裂。
7.3与压前酸处理结合，在喷嘴可适应条件下实施动管柱分段喷射酸化的工艺。
八、结论及认识
8.1水力喷射压裂技术的成功应用解决了水平井压裂的工艺欠缺问题，并且对于特殊井况无法实施
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