董怀庆毕业设计最终版.docx

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董怀庆毕业设计最终版

水力喷射分段压裂工艺研究

摘要:

水力喷射压裂是集水力喷射射孔、水力压裂、隔离一体化的新型增产改造技术，无需机械封隔，可实现准确的定点喷射，一套工具多段压裂，适用于裸眼，筛管完井的水平井或直井以及低渗透储层和薄互层压裂。

以水力喷射分段压裂的裂缝起裂与扩展机理为基础，通过射孔参数对裂缝起裂的影响实验，得到射孔参数（射孔深度、射孔直径、孔眼与最大水平应力夹角）和起裂压力、起裂时间的关系；通过实验文献调研，对水力参数、磨料参数、岩性参数等不同射孔参数对射孔的影响情况进行研究，得到射孔参数对射孔效果的影响规律，进而对水力喷射压裂射孔参数进行优选；在理论和实验基础上，设计了喷嘴内部结构，确定了喷嘴的几何参数；对喷嘴材料的耐冲蚀性进行了实验分析与选择，优选喷嘴材料；依据水力喷射压裂射孔和压裂的工艺要求，设计出井下工具的外形及内部结构。

水力喷射压裂适用于薄层的分段压裂，因此准确确定喷射点是水力喷射压裂的关键。

由于压裂过程中存在油管伸长量，本文从油管受力分析的角度研究油管伸长量的计算方法，推导出油管伸长量的理论计算公式，弥补了目前校深等手段无法确定油管伸长量的缺陷。

通过分析总结前期水力喷射分段压裂的应用情况，对该工艺的适应性与局限性有了深入的认识，本文开展的水力喷射分段压裂技术的系统研究，为水力喷射压裂设计提供了理论依据。

关键词：

水力喷射；分段压裂；研究与应用；优化设计；油管伸长量

StudyandApplicationonHydraulicJetSectionalFracturing

Abstract:

Hydraulicjetfracturing，whichintegratesperforation，fracturingandisolation，isanewstimulationtechnology，withoutmechanicalpacker，achievingaccuratelyfixed-pointjetting，asetoftoolsformulti-stagefracturing，applicabletothenakedhole，thescreencompletionofhorizontalorverticalwells，thelowpermeabilityreservoirsandthethininterbededfracturing。

Basedontheprinciplesoffractureinitiationandpropagationcharacteristicsofhydraulicjetseparatelayerfracturing，throughtheeffectiveexperimentofperforatingparametersonfractureinitiation，obtainingtherelationshipwiththeperforatingparameters（perforatingdepth，perforatingdiameter，theanglebetweenholesandthemaximumlevelofstress），splitpressureandsplittime;throughexperiments，carryingonresearchingforthedifferentperforatingparameterssuchashydraulicparameters，abrasiveparameters，theparametersofrockspropertiesontheeffectivecaseoftheperforation，andobtainingimpactsofthelawofperforatingparametersonperforatingeffect，thenconductingontheoptimizationofhydraulicjetperforationfracturingparameters.Basedontheoriesandexperiments，thenozzleinternalstructurehasbeendesigned，thenozzlegeometricparametershasbeendetermined;thenozzlematerialshavebeenoptimizedthroughexperimentalanalysisandselectionoftheerosionresistanceofnozzlesmaterials;andtheshapeandinternalstructureofthedownholetoolshasbeendesignedaccordingtohydraulicjetperforationandfracturingoffracturingprocessrequirements.Hydraulicjetseparatelayerfracturingappliestothininterbededfracturing，soaccuratelydeterminingtheinjectionpointisthekeytohydraulicjetfracturing.Duetothetubingelongationduringthefracturingprocess，thecalculationmethodfortubeelongationfromthepointofviewoftheanalysisoftubingbystressinthispaper，andderivestheoreticalcalculationformulaoftubingelongation，makeupthedefect，whichtubingelongationofthecurrentmeansofdepth-correctioncouldnotdetermine.Throughanalysisandsummaryoftheearlyapplicationsofhydraulicjetseparatelayerfracturing，acquiringthein-depthofknowledgeonadaptationandlimitationsofthistechnology，soastoensurethesuccessfulimplementationoftechnology.Thesystemstudyofhydraulicjetseparatelayerfracturingtechnologythispaperhasprovidedatheoreticalbasisforhydraulicjetfracturingdesign.

Keywords:

HydraulicJet、SectionalFracturing、StudyandApplication、OptimizationDesign、TubingElongation

1绪论

1.1研究的目的和意义

近年来，我国每年新增的低渗油藏探明储量占新探明总储量的50%以上，如何动用和提高低渗透储量开采效益，满足国民经济发展对能源的需要，是摆在我国石油工业面前的迫切任务。

水力压裂技术是经济开发低渗透油气藏的重要手段，目前国内外的专家学者在压裂液、支撑剂、压裂工艺等多方面的研究取得长足进展，但仍然面临许多问题。

部分油气藏纵向上存在多个产层，且部分产层跨距较大，采用常规手段进行直井逐层压裂是一项技术难题；而有些水平井的水平段跨度较大，不可能对其水平段全部进行压裂，所以只能进行一段一段的压裂，就要寻求简单易操作的方法来解决此问题，因而需要寻求新的水力压裂技术。

水力喷射分段压裂是集水力喷射射孔、水力压裂、隔离一体化的新型增产改造技术。

水力喷射压裂通过两套泵压系统分别向油管和环空中注入流体，一次完成喷射射孔和压裂。

该技术可以增加孔道的穿透深度，不会造成常规炮弹射孔的压实伤害，开孔的孔径较大，并且可以根据分段和地应力要求有选择地进行定向射孔，这就解决了常规射孔中一些不可避免的问题，为油田油水井射孔、地层改造、增产增注提供了一种新的技术手段，其意义在于：

1）解除近井地带堵塞；

2）解除密实圈，使井壁围岩松她；

3）避免常规射孔造成的压实污染；

4）水力喷射压裂增产。

此种新型的压裂技术适用于薄差储层的定向压裂，分段压裂，也可以对水平井、定向井、筛管完井等井筒结构的井进行分段压裂改造。

为此，对此技术进行理解研究能够进一步加深对教学所学内容的巩固，也为以后的工作打下良好的理论基础。

1.2国内外研究概况

1.2.1理论研究进展

①水力喷射射孔研究

水力喷射射孔是通过喷射工具将流体的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[1]。

该技术集射孔、解堵于一体，适合于处理复杂井况条件[2]。

李根生等[3]根据材料冲蚀磨损理论和磨料射流切割原理，研究了水力喷射射孔切割套管和岩石的机理，并对其影响因素进行分析。

水力喷射射孔地面模拟实验实验表明，压力为30-40MPa条件下，水力喷射射孔能有效地穿透套管，并在天然砂岩上射出直径30mm以上、深达780mm的孔眼。

牛继磊，李根生等[4-6]对影响水力喷射射孔的主要参数进行了研究，发现随压力和排量的增加，水力喷射射流的破岩能力也不断增加，磨料的粒度和浓度存在最佳值，且在固定条件下存在最优射孔时间和最大射孔深度。

倪红坚等[7]模拟研究了水力喷射射孔过程，认为高压水射流卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏是水射流破岩的主要形式，定量地表明水力射孔优于现有射孔方法。

李根生[8]等根据建立的射孔渗流场有限元模型，对比分析了裸眼井、常规射孔井和水力喷射射孔井的渗流场。

水力喷射射孔没有形成压实带污染，可减轻近井筒地带应力集中，有利于穿透近井筒污染带，增大泄油面积，降低生产压降，从而提高油井产量。

因而，水力射孔优于聚能炮弹射孔。

②水力射孔裂缝起裂控制机理

合理选择射孔方位，可确保裂缝沿垂直于最小水平主应力方向延伸，使裂缝足够宽，单一主裂缝向地层远处发展，避免裂缝转向，降低地层起裂压力。

张毅等认为水力喷射射孔容易实现射孔方向与最大水平主应力方向一致，喷射出的孔道较深。

定向射孔可以控制压裂裂缝在近井地带的转向，在裂缝的扩展过程中可以起到导向孔的作用，避免多裂缝和裂缝弯曲，用于油层增产改造具有可行性，可以提高射孔和压裂效率。

李根生等采用有限元方法研究了水力射孔参数对地层破裂压力的影响，研究结果表明，射孔方位对破裂压力的影响最大，沿着最大水平地应力方向射孔（方位角为0度），地层破裂压力最低。

沿着最大水平地应力方向进行交错布孔、选择射孔密度为4孔/m、增加射孔深度可以有效降低地层破裂压力。

③水力喷射压裂机理

水力喷射压裂是集水力射孔、压裂、隔离一体化的新型增产改造技术，利用水动力学原理，通过2套泵压系统分别向油管和环空中泵入流体，完成喷射射孔和压裂而无需机械封隔装置。

在高速高压下重力的影响可以忽略，Bernoulli方程可表示为

（1-1）

由Bernoulli方程可知，流体通过喷射工具，油管中的高压能量被转换成动能，产生高速流体冲击岩石形成射孔通道，完成水力射孔。

高速流体的冲击作用在水力射孔孔道顶端产生微裂缝，降低了地层起裂压力。

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端处地层压破。

环空流体在高速射流的带动下进入射孔通道和裂缝中，使裂缝得以充分扩展，能够得到较大的裂缝。

产生裂缝条件可表示为

（1-2）

控制喷射工具，压裂液和动能都聚焦于井筒的某一特定位置，因而可以准确选择裂缝方位。

裂缝形成后，高速流体继续喷射进入孔道和裂缝中，这一过程与水力喷射泵作用十分相似，每一个射孔孔道就形成了/射流泵。

根据Bernoulli方程，射流出口附近的流体速度最高，压力最低，流体不会“漏到”其他地方。

环空的流体则在压差作用下被吸入地层，维持裂缝的延伸。

整个过程利用水动力学原理实现水力封隔，不需要其他封隔措施。

增压描述了在动量守恒基础上的动压力分布，与射流流量成正比。

裂缝开始闭合时，增压也随之增加;裂缝闭合时，增压和滞点压力基本相等。

增压具有根据岩石的控制参数自动调节的特征。

最大压力点靠近喷嘴一侧的流体将不规则地前后运动，另一侧的流体将自由地流进裂缝。

Surjaatmadja用实验室模型对这一现象进行了验证。

射孔通道内流体压力分布决定着裂缝的起裂和延伸，但目前缺少相关的理论实验研究。

合理确定和控制油管和环空的压力及流量十分重要，工作管柱的尺寸决了所要求的工作流量是否能够实现，需要对油管直径进行优化处理。

管内流量是压差、喷嘴数量、面积和流体流变参数的函数，所以通常很难与压裂方案中的设计流量相吻合。

环空中的流体会向地层漏失，环空流量相对更难准确计算。

由于不知道工作油管在井筒中的放置状态，环空阻力亦无法精确计算。

井筒中流体情非常复杂，目前对环空摩阻、喷射压力等的计算方法十分粗糙。

需结合理论研究和现场实践进行改进。

1.2.2工艺研究进展

①水力喷射辅助压裂技术（HJF）

1998年，Surjaatmadja首先提出水力喷射压裂思想和方法[9-14]，用数值模拟和室内实验方法对其可行性进行了研究，之后进行了现场试验和施工。

水力喷射辅助压裂技术将水力喷射作为主要方法，可以沿井段的某一指定位置产生裂缝，在整个裂缝的扩展和发育过程中贯穿着高压差水力喷射，压裂液全部经工作管柱泵入并通过喷射工具作用于地层，喷射出射孔通道和完成裂缝产生及扩展[15][16]。

从环空中泵入的流体主要用以维持环空压力，大部分环空流体用于补充液体的漏失，少部分进入裂缝中。

水力喷射辅助压裂工艺与常规压裂方式有相似之处，它将前置液、压裂液和冲洗液从上而下地注入油管内进行压裂工作。

从一定程度上可以说，水力喷射辅助压裂是将水力喷射射孔和常规水力压裂结合为一次工艺完成的一种技术。

其不同处就是把洁净的无支撑剂液体泵入环空以维持井底环空压力，结合喷射压力和环空压力共同完成压裂工作。

因而应优先选择一套可减少流失的性能比较好的液体系统。

连续油管水力喷射压裂[17-19]是集不压井作业、水力喷射射孔、分段压裂于一体化的高效增产改造技术。

水力喷射压裂技术压裂液几乎全部通过喷嘴，喷嘴磨损严重，影响最终压裂效果。

水力喷射环空压裂技术[20][21]先通过油管泵入流体进行水力射孔，然后压裂液全部从环空泵入，因此油管内流量可保持较小值。

该技术可有效解决流量较低和喷嘴寿命短的问题。

胡强法[22]利用现场实际的喷射工具、施工设备，针对长庆油田岩样，通过实验进行喷射射孔与起裂模拟试验。

实验结果表明喷射射孔孔形呈泪滴形，起裂后孔道末端有一狭长剑形通道。

水力喷射压裂设计是指导水力喷射压裂施工的依据。

陈作[23]依据水力喷射分段压裂的特点，结合常规加砂压裂设计方法，建立了水力喷射分段压裂优化设计方法，为水力喷射射孔喷嘴数量、排量，油管和环空排量的优化提供了参考。

②水力喷射环空压裂技术（HJP-AF）

水力喷射辅助压裂技术中压裂液全部通过工作管柱泵入，几乎都要通过喷嘴，势必引起喷嘴严重磨损，大大降低喷嘴寿命。

而且由于使用的工作管柱尺寸有限，造成总流量和体积较小，限制了最终的压裂效果。

水力喷射环空压裂技术先向油管中泵入流体完成水力射孔过程，压裂液全部通过环空泵入，压裂时油管内的流量可保持为较小值，油管柱能起静管柱作用，用于实时监测作业过程中射孔及其附近的压力状况。

水力喷射环空压裂技术较有效解决了喷嘴寿命短和流量较低的问题，适用于对小的产层段单独压裂或把长井段分为较小井段进行压裂。

需要特别注意的是在清洗时油管内的静液压力不能超过破裂压力梯度。

此工艺不适用于环空尺寸较小引起较大摩阻的情况。

当井断面层过长时，摩阻会很大，使得喷射作用的伯努利效果相对不明显，裂缝可能会在其他未预想的位置出现。

③水力喷射酸化压裂技术

常规酸化压裂技术过程相对较慢，只能在地层上形成小口，增产液常过早地与近井地层发生反应，裂缝得不到好的延伸。

水力喷射酸化压裂技术将压裂、酸化和挤酸等技术结合在一起。

增产液通过工作管柱输送到井底，穿过喷射装置的喷嘴，达到较高的喷射流速。

CO2或N2等从地面泵入环空输送到井底，与喷射流体混合产生泡沫混合物冲击井筒壁面使得每个孔洞都足够深，当压力足够大时，地层会出现裂缝。

混合泡沫的均匀性和质量大大改善，高质量的泡沫被压入了裂缝。

若裂缝已经产生，想要挤酸，可将环空压力降低到挤酸压力水平，但这一压力要高于地层孔隙压力。

高质量的泡沫可增加施工的选择性和有效性，酸混合物向地层深处延伸，泡沫减少了混合物向裂缝表面或自然裂缝的漏失，大部分混合物可有效用于扩展裂缝以产生较大裂缝。

然而泡沫阻力系数很大，会减少静水压力效果，大大增加井底所需的压力。

作业中，为减少成本，增大静液压力，可在地面预先将气体和某些液体预混合再泵入环空内。

1.2.3水力喷射压裂工具及装置

①水力喷射压裂工具

喷射工具是水力喷射压裂工艺中的关键工具，主要有固定式和可调式2种。

固定式喷射工具的主体框架两侧装有多个喷嘴，高压流体从喷嘴喷出。

回流装置是喷射工具主体的一部分，内部装有渗透挡板，下部装有一圆球。

进行水力喷射时，圆球停留在装置底部，不允许流体从底部流出。

当高压流体不经过工作油管注入井筒时，流体可通过此装置回流出井筒，返到地面。

可调式喷射压裂工具主要包括射流工具、外壁面和内壁面，沿着射流工具长度方向延伸的是旋转套筒，旋转套筒能够在射流工具中旋转。

工具上装有一个或多个压裂孔眼，内壁面布置有圆孔，当套筒旋转改变方位时，内部孔眼连通外部压裂孔眼或喷嘴，这样通过控制旋转套筒的方位来控制流体是从压裂孔口流出还是从喷嘴流出。

在施工中通过井下动力装置或者地面控制来实现旋转套筒旋转。

虽然可调式喷射工具比固定式喷射工具的适应性强，但多数情况下，综合考虑经济因素，一般优先选用固定式喷射工具。

喷射工具工作时喷嘴磨损严重，喷射返流会对喷射工具表面造成损伤。

需要设计优化新型喷嘴，选择耐返溅本体材料，延长喷射工具使用寿命。

②油管和连续油管

在实施水力喷射压裂工艺初期，基本使用普通油管将喷射工具送入指定位置进行压裂作业。

但是用普通油管作业需要接单根，作业时间较长，劳动强度大，井口密封装置要求高。

连续油管技术已在油田生产的许多领域得到广泛使用，连续油管与水力喷射压裂技术相结合应用于油田增产作业中有一定优势。

连续油管不需要接单根，当从一个压裂井段位置移到下一个压裂位置时，可在环空液体循环的条件下安全快速完成。

向环空泵入压裂液进行水力喷射环空压裂作业时，连续油管可起到静管柱作用，用于实时监测作业过程中射孔孔眼及其附近的压力状况。

另外，使用连续油管可在发生砂堵时快速清除多余的支撑剂，迅速有效处理井底情况。

由于连续油管卷筒部分螺旋段流体摩阻较大，水力喷射辅助压裂技术中一般倾向于选用大直径连续油管（一般大于50.8mm）以获得充足的压裂液流量。

水力喷射环空压裂技术一般选用f43.8mm连续油管，能够适用于大多数情况，同时也提供了足够内径来完成水力喷射和出现砂堵等情况时的反洗。

由于支撑剂流入环空的冲击，会造成连续油管的冲蚀，需要采取措施保护连续油管不受损伤。

③其他辅助手段

水力喷射压裂施工中应借助多种水力压裂诊断工具辅助整个增产工作顺利完成。

可借助3D压裂模拟软件进行模拟计算，辅助水力喷射压裂工艺设计。

使用放射性示踪剂等近井测量手段，可以实时提供井筒附近支撑剂分布、裂缝开启、裂缝方位及裂缝长度、高度等情况。

这些措施对施工的顺利进行很有帮助，但施工成本会相应增加。

1.3国内外应用

1.3.1国外应用现状

上世纪90年代末Halliburton公司首先在美国德克萨斯州和新墨西哥州等多口油井进行了现场试验和作业，取得了明显的效果。

2002年底，新墨西哥州Delaware砂岩储层实施水力喷射压裂。

所选实验井直井段深度1376m，作业前H产量稳定在7m3/d左右。

所有5级压裂作业在8.5小时内顺利完成，压后90天内的平均产量超过15m3/d，7个月后的R产量仍然稳定在10m3/d。

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[24][25]。

2004年中期，Hulliburton公司首次采用水力喷射环空压裂技术进行直井增产作业；2005年初，在美国的Bamett页岩油田第1次在水平井使用水力喷射环空压裂技术[26][27]。

使用水力喷射压裂技术进行增产的53口井中，26口井取得了技术和经济上的成功，21口井被列为技术成功，6口失败井中，有4口井在作业前已经被认为是不适用于水力喷射压裂工艺。

总体上看，水力喷射压裂增产技术非常成功。

水力喷射压裂技术在全世界范围内迅速发展，逐渐扩展到加拿大、巴西、哈萨克斯坦、俄罗斯等，主要由Halliburton公司和BJ公司等所掌握。

在国外应用统计中，裸眼水平井应用多，成功率较高，平均增产30-60%，环空压裂HJP-AF超过45口，平均增产40-60%，成本与单级压裂相当或稍高。

1.3.2国内应用情况

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井顺利完成增产作业，这是该工艺在国内首次试验。

2007年7月27日，在白浅110井首次应用连续管水力喷射逐层压裂、一天成功连续压裂3层，共加入陶粒30.32m3，单层喷压时间1~2h，作业跨度达到365m。

施工后，第二天排液140m3，之后产气量8，0000m3/d，压裂效果显著。

2007年11月D12-10井和D66-4井采用连续油管水力喷射射孔、环空压裂。

两口井现场试验成功实施，D66-4井是国内首次连续油管喷射射孔环空压裂。

2008年12月21日，大庆葡扶172-532井1650、1531、1510m三层，实施拖动管柱式水力喷射分段压裂成功，共加砂40m3。

2008年吐哈油田在NDP2井首次现场试验水力喷射压裂技术[28]。

该井是吐哈三塘湖盆地一口割缝管开发井，井深2404m，割缝管长度596m。

气举投产后供液不足，日产液不足5.08cm3/d。

实施水力喷射分段加砂裂，采用石英砂射孔、陶粒作为支撑剂，分别加入陶粒18.1m3和17.8m3，分两段进行水力喷射加砂压裂，取得成功，R产油13-19m3，是压裂施工前的6.5倍以上。

传统的水平井压裂通过油管传输射孔和分段压裂实现，为降低成本，简化施工工序，长庆油田多口水平井中应用了水力喷射定向射孔与压裂联作技术[29]。

该技术井下工具简单、工序少，