水力喷射压裂机理与技术研究进展_田守嶒

文章编号:1000-7393(2008)01-0058-05

水力喷射压裂机理与技术研究进展*

田守嶒李根生黄中伟沈忠厚

(中国石油大学石油工程教育部重点实验室,北京102249)

摘要:水力喷射压裂是集射孔、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。介绍了水力喷射射孔和水力射孔裂缝起裂控制机理,分析了影响水力喷砂射孔效果的因素。综述了水力喷射压裂原理,依据Bernoulli原理,射流增压与环空压力叠加超过破裂压力产生裂缝并维持裂缝延伸。介绍了水力喷射辅助压裂、水力喷射环空压裂及水力喷射酸压等多种工艺形式。水力喷射压裂工具是现场应用成功的关键因素之一,连续油管与水力喷射压裂技术联作在油田增产作业中有一定优势。水力喷射压裂工艺在国外现场应用已经取得较好效果,在国内尚属现场试验起步阶段。指出了目前研究的不足,并对未来的研究方向做出了分析展望。

关键词:水力喷射;地层压裂;低渗透;增产改造;研究进展

中图分类号:TE357.1文献标识码:A

Research on hydrajet fract uring m echanis m s and technologies

T IAN Shouzeng,L I G ensheng,HUANG Zhongw e,i S HEN Zhonghou

(M OE K ey Laboratory of P etro leu m Eng i neering i n China Uni versity of Petroleu m,Beijing102249,China)

Abstrac t:H ydra j e t fractur i ng,wh i ch i ntegrates perforation,frac t ur i ng,and iso lati on,i s a ne w sti m ulati on techno l ogy for hor-i zontal or verticalw e lls i n lo w per m eability reservo irs.It is feasible and effec tive for fracturi ng sti m ulation i n l ow per m eab ility reservo irs. T h i s pape r i n troduces the m echan is m s o f hydra jet perfo ration and hydra j e t fracturi ng con tro,l ana lyzi ng the factors that i nfl uence hydra-jet perforati on and su mm ar izi ng the pr i nc i ple o f hydra j et frac t ur i ng.A ccordi ng to Bernoulli s'pr i nc i ple,j e t s upercharge super i m posed upon annu l us pressure surpass fractur i ng pressure,which w ill generate frac t ures and m a i nta i n fracture ex tension.M u ltiple techno log i es are also i n troduced inc l udi ng t he assistant hydrajet fracturing techno l ogy,the annu l us hydra j e t fractur i ng techno logy,and t he hydrajet aci d-fracturi ng techno l ogy.T he hydra jet fracturing too l is cr i tical to realize fi e l d appli cation and co m bi na tion of co iled tub i ng techno l o-gy w it h hydrajet fracturi ng techno l ogy.H ydra j et fracturi ng techno l ogy has been successfull y abroad and good resu lts have been ob-ta i ned.H o w ever,it i s still in t he pre li m i nary stage o f fi e l d test i n Ch i na.T his paper presents so m e proble m s o f t he technology and dis-cusses the prospect f o r its f urther develop ment.

K ey word s:hydra j et;fract ur i ng;m echan is m;sti m u l ation;research advance

近年来,低渗透油田探明储量的不断增加促使生产者尝试采取多种方法有效开采难动用储量。水平井钻井技术发展和建井成本的降低,使得水平井技术成为有效开采低渗透油藏等难动用储量的重要手段之一。然而常规水平井(特别是长裸眼水平井)的压裂会带来多余的多重压裂裂缝,获得的裂缝常常仅出现在水平段两端,大部分水平井段得不到改造,且其施工过程需要机械封隔装置,施工时间长[1]。1998年,Surjaat m adja第1次提出了水力喷射压裂思想和方法[2,3]。该方法综合了水力喷射射孔、水力压裂、酸化、喷射泵及双路径泵入流体等多种技术[4],具有较准确地在指定位置制造裂缝、无需机械封隔、节省作

第30卷第1期石油钻采工艺Vo.l30No.1 2008年2月O I L DR I L LI N G&PRODUCT I O N TEC HNOLOGY Feb.2008

*基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助课题(编号:2005AA615020)。

作者简介:田守嶒,1974年生。现为中国石油大学(北京)石油天然气工程学院油气井专业博士生,主要研究方向为油气井流体力学。电话:010-********,E-m ai:l tscsydx@163.co m。通讯作者:李根生,中国石油大学(北京)石油天然气工程学院教授、博导,主

要从事石油工程和高压水射流的教学与研究工作。电话:010-********,E-m ai:l li gs@https://www.360docs.net/doc/8612400083.html,。

业时间、减少作业风险等优点。近几年国外油田的应用结果证明水力喷射压裂是低渗透油藏裸眼水平井压裂增产的有效技术,同样也适应于直井的压裂改造,对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。

1理论研究进展

1.1水力喷射射孔机理

水力喷射射孔是将流体通过喷射工具,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[5]。为了达到好的射孔效果,可在流体中加入石英砂或陶粒等。

李根生等[6]进行了水力喷砂射孔机理和室内参数实验,对影响水力喷砂射孔的8个主要参数进行了研究,认为水力喷砂射流的破岩能力随压力和排量的增加而增加,磨料的浓度和粒度存在一个最佳值,在固定的条件下,存在最大射孔深度和最优射孔时间。

倪红坚等[7]对水力喷射射孔过程及机理进行了模拟研究,认为高压水射流具有很强的破岩能力,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,从定量层面揭示了水力射孔优于现有聚能射孔的机理。

李根生等[8]建立了射孔渗流场有限元模型,对裸眼井、常规射孔井和水力喷射射孔井的渗流场作了对比分析,证实水力射孔优于聚能炮弹射孔。水力喷射射孔没有形成压实带污染,可以减轻近井筒地带应力集中,有利于提高近井筒地带渗透率,穿透近井筒污染带,泄油面积增大,降低生产压降,增加向井筒的渗流速度,增加未污染地层流向井筒的液量,从而提高油井产量。

1.2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[9]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[10]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0b),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。

1.3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,完成喷砂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,B ernoulli 方程可表示为

v2

2

+p Q=C(1)由Bernou lli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顶端处地层压破。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

p增压+p环空\p破裂(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0。根据Bernou lli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0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[4]。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[11,12]。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。Surjaat m adja[3]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

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田守嶒等:水力喷射压裂机理与技术研究进展

重要,工作管柱的尺寸决定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[11,12]。管内流量是压差、喷嘴数量、面积和流体流变参数的函数[13],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。井筒中流体情况非常复杂,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。

2工艺研究进展

2.1水力喷射辅助压裂技术(H JF)

1998年,Surjaat m ad ja首先提出水力喷射压裂思想和方法,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[14]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。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。2.2水力喷射环空压裂技术(H JP-AF)

水力喷射辅助压裂技术[12,15]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地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。

2.3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[16,17]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。

3水力喷射压裂工具及装置

3.1水力喷射压裂工具

喷射工具[18,19]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

60石油钻采工艺2008年2月(第30卷)第1期

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。

3.2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[12,20,21]。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a43.8mm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。

3.3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。

4国内外应用

由Surjaat m ad ja J B等为主的H alli b urton公司工程技术人员,首先在美国得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。水力喷射辅助压裂技术已经在全世界范围内150多口水平井进行了施工。水力喷射辅助压裂应用于低渗透直井增产作业在100口井以上,其中绝大部分在陆地井进行。2003年,该技术在巴西的C a mpus湾1-RJS-512HA井上试作业并取得成功,这是水力喷射压裂技术第1次应用于海上油田增产作业中[12,22,23]。

2004年中期H ulli b urton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Barnett页岩油田第1次在水平井使用水力喷射环空压裂技术。对使用水力喷射压裂技术进行增产的53口井进行增产效果评价[4][24],其中26口井取得了技术和经济上的成功,压裂后产量比压裂前产量明显增加,且持续一定时间后效果更显著。21口井被列为技术成功,增产效果明显,但是由于这些井的油气资源不充足,使得压裂后井的经济开采价值不大;或是因为压裂后的效果和其他常规压裂作业比较并没有很显著的优势。6口失败井中,其中有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,但由于无法选用其他增产措施才决定尝试水力喷射压裂技术。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H alliburton公司和B J公司等所掌握。

2005年12月,由中国石油长庆油田分公司与H alli b urton能源服务公司合作,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日在四川白浅110井的现场试验首次成功实现了应用a50.8mm连续管水力喷砂逐层压裂、一天内连续加砂压裂3层。该技术正受到国内工程技术人员的高度关注。

5认识和建议

(1)水力喷射压裂是低渗透油藏增产的一种有效可行的方法。水力射孔作为整个水力喷射压裂增产措施整体过程的一部分实施,无压实带污染,有利于提高近井筒地带渗透率。喷射增压和环空压力的叠加超过地层破裂压力进行压裂,实现水力密封。

(2)水力喷射定向射孔压裂能有效控制裂缝起裂位置,降低起裂压力,节省施工时间,减少作业风险和成本。双路泵入系统可迅速改变井底的流体情况,有效解决井底压裂液浓度过低、提前砂堵等问题。

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田守嶒等:水力喷射压裂机理与技术研究进展

(3)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。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。

(4)针对水力喷射压裂机理研究缺乏的现状,应采用理论分析、数值模拟、室内实验和现场试验等多种手段,深入研究水力喷射孔眼内压力分布规律及其影响因素。合理确定水力参数,对地层、设备、经济性等多方面进行综合评价,选择合适的水力喷射压裂工艺形式,设计优化压裂施工方案,最终获得良好的增产效果和最大经济效益。

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(收稿日期2007-05-14)

(修改稿收到日期2007-12-27)

1编辑付丽霞2

62石油钻采工艺2008年2月(第30卷)第1期

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