（油气田开发工程专业论文）水力喷射压裂裂缝形态的探讨.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：t h ef r a c t u r e s p e c i a l i t y ：o i l g a sf i e l d g e o m e t r yo fh y d r a u l i cj e t t i n gf r a c t u r i n g e x p l o r a t i o ne n g i n e e r i n g n a m e ： y a n gh o n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：z h a n gx u a n q i ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n ta n dt h ea d v a n c i n gd r i l l i n gt e c h n i q u e ，t h e h o r i z o n t a lw e l l sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nl o w p e r m e a b l er e s e r v o i r s h o w e v e r , d u et ot h ep o o r p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h el o w - p e r m e a b l er e s e r v o i r , t h eh o r i z o n t a lw e l lm u s tb ea s s i s t e dw i t h s t i m u l a t i o nm e a s u r e ss u c ha sf r a c t u r i n gt oa c h i e v eh i g hd e v e l o p m e n te f f i c i e n c y t h eh y d r a u l i c j e tf r a c t u r i n gt e c h n i q u ei s a ni m p o r t a n ti n n o v a t i v ee o r t e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e st h e e f f e c t so fh y d r a u l i ca b r a s i v ep e r f o r a t i o na n ds a n d 。a s s i s t e di e t t i n gf r a c t u r i n g t h i st e c h n i q u ei s m e a n i n g f u lt ot h ed e v e l o p m e n to fl o w p e r m e a b l er e s e r v o i r ss i n c ei tc a nb eu s e df o rr e s e r v o i r s t i m u l a t i o nb yf r a c t u r i n gn o to n l yi nh o r i z o n t a lw e l l sb u ta l s oi nv e r t i c a lw e l l s i nt h i sp r o j e c t ，w ef i r s ta n a l y z e dt h es y s t e m a t i cs t r u c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t h ew o r k i n g f e a t u r e sa n df i e l do p e r a t i o np r o c e s so ft h eh y d r a u l i cj e t f r a c t u r i n gt e c h n i q u e t h e n ，w e c o n d u c t e ds i m u l a t i o ns t u d yo nt h ef l o wf i e l do ft h eh y d r a u l i cj e tf r a c t u r i n gf l o wf i e l dw i t h c o m m e r c i a ls o f t p a c kf l u e n t f u r t h e r m o r e ，w eb u i l tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h e f r a c t u r i n gp r o c e s sw i t hh o r i z o n t a lw e l la n dp r o p o s e dt h er e s o l u t i o nm e t h o d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh y d r a u l i cj e tf r a c t u r i n gf l o wf i e l ds h o wt h ef l o wm a x i m u m v e l o c i t yp r e s e n t si np e r f o r a t i o na x i s ，a n dt h em a x i m u mp r e s s u r ed i s t r i b u t e so ne n dp e r f o r a t i o n t h el a wo fn o n d i m e n s i o n a la x i a lv e l o c i t ya t t e n u a t i o ni sc o n s i s t e n t ，a n dd o e sn o td e p e n do n p e r i p h e r a lp r e s s u r e r o c kr e m o v a le f f i c i e n c yc a ne f f e c t i v ei m p r o v e dw h e na p p r o p r i a t es c a l e u pt h en o z z l ed i a m e t e ri n t h ep r o c e s so fh y d r a u l i cj e tf r a c t u r i n g p a r a m e t e r sh o l ds o m e c h a r a c t e r si nt h ej e ts e c t i o nf o rt h ep r o c e s so ft u r b u l e n tf l o w s t u d yo nh y d r a u l i ci e tc r e a t e d f r a c t u r em o r p h o l o g ys h o wt h ef a i l u r ep r e s s u r er e l a t et om a j o r h o r i z o n t a l l yp r i n c i p a ls t r e s sa n d p e r p e n d i c u l a rs t r e s s ，i n c l u d ei nw e l l b o r ea z i m u t hf o rv a r i o u sm i n i m u mh o r i z o n t a l l yp r i n c i p a l s t r e s s t h e r ei sd i f f e r e n tl a wo fs l i tf a i l u r ep r e s s u r ew h e ne x i s tv a r i o u sw e l l b o r ea z i m u t hi nt h e v a r i o u sg r o u n ds t r e s s a l s ot h ef a i l u r ep r e s s u r er e l a t et om a j o rh o r i z o n t a l l yp r i n c i p a ls t r e s sa n d m i n i m u mh o r i z o n t a l l yp r i n c i p a ls t r e s s ，i n c l u d ei nw e l l b o r ea z i m u t hf o rv a r i o u sp e r p e n d i c u l a r s t r e s s i nt h es a m et i m e ，f r a c t u r em o r p h o l o g ys c a l e su pw i t ht h ei n c r e m e n t a ls u r f a c ep u m p p r e s s u r e t h ep a p e ro f f e r e dt h e o r e t i c a le v i d e n c ef o rc o m p u t i n gs l i tf a i l u r ep r e s s u r ea n d f o r e c a s t i n gf r a c t u r ea z i m u t h ，a n da i d e de f f e c t i v e l yf i e l dj o bd e s i g n k e y w o r d s ：w a t e rj e t ；h y d r a j e t ；f r a c t u r ei n i t i a t i o n ；h o r i z o n t a lw e l lf r a c t u r i n g ； t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另l j 3 j n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 蝻红日期：逝z ! 越 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 笆刍 亍。 论文作者签名：拗红，日期：丝幺越 导师签名： 雀嚆。 日期： 泌蓬垮 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第。章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油 气藏，而且在中、高油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。 从1 9 7 4 年出现压裂技术以来，截至1 9 8 1 年压裂作业数量就已超过8 0 0 ，0 0 0 井次。 至1 9 8 8 年，作业总数发展至1 0 0 万井次以上。据统计，大约近代完井总数的3 5 - - - 4 0 实施了水力压裂。美国石油储量的2 5 3 0 是通过压裂增产达到经济开采条件的；在 北美通过压裂增加了1 3 x1 0 1 0 m 3 石油储量。这些事实无不证明了水力压裂的巨大作用。 水力压裂增产增注的原理主要是通过降低井底附近地层中流体的渗流阻力和改变流 体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与裂缝的近似单向流动和裂缝与井筒间的 单向流动，这样消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗，因而油气井产量或注水井 注入量就会大幅度提高。如果水力裂缝能连通油气层深处的产层和天然裂缝，则增产效 果会更明显。 由于人们的这一认识，水力压裂技术在短短的几十年间迅速发展成为高度工程化的 复杂方法，应用于多种目的：可以用于解除钻完井过程中在井眼附近形成的伤害，改善 油井产能；可以用于在低渗透油藏内形成深穿透的、高导流能力的裂缝；可以用于提高 废液处理井和注水井的吸收能力；还可以用于二次及三次采油，如注水、火烧油层、气 驱以提高井的产能及驱替中的扫油效率。可以说，水力压裂已经成为近代油气井应用最 为广泛的增产方法之一。 近年来，随着水平井越来越多的应用于低渗透油藏的开发，水平井的增产增注问题 也应运而生。水平井分段压裂技术就是实现水平井增产的重要途径之一。它可以实现有 目的、有次序的改造特定井段或层位，避免了笼统压裂的盲目性。然而，该技术还是存 在一些技术难题，譬如“分段”成功率较低，可控性较差，易于在水平井趾端起裂；还 有就是压裂工具易砂堵，出现井下事故。 针对这些难题，高压水射流技术以其良好的可控性和移动性将其迎刃而解。1 9 9 8 年 美国工程师s u r j a a t m a d j a 仓l j 造性的提出了将高压水射流和水力压裂相结合的压裂技术“水 力喷射压裂技术 1 】【2 】，o 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；摒弃了封隔器或桥塞等分段工具，而是利用高压水射流实现自动 封隔；还可以任意改变喷射角度进行选择性精确致裂，因此十分适合于水平井分段压裂。 虽然水力喷射压裂技术已成功应用于数百口井的压裂作业中，但是关于裂缝起裂的 机理和孔眼内流场的研究工作还未见报道。本文研究的就是水力喷射压裂中裂缝起裂机 理、孔内增压阶段射t l t l h 艮内的压力分布以及裂缝的形态。 西安石油大学颂_ f | 学位论文 1 2 水力喷射技术研究进展 石油：= 业中，高压水射流技术主要用于石油钻井和油气田开发。石油钻井方面，国 内外专家学者专家围绕新型射流、优化喷射钻头设计、喷嘴设计、提高泵功率、改善井 底流场等做了大量研究工作，取得了丰硕成果。在此基础上开发了水力喷射射孔技术， 该技术用于油水井射孔具有其独特的优越性，目前已投入生产应用或正在开发地技术有 水力喷射射孔、水力深穿透射孔、水力喷射压裂技术。 ( 1 ) 水力喷砂射孔技术 水力喷砂射孔、割缝方面，早在上世纪7 0 年代末8 0 年代初，前苏联岩石力学及矿 山测量研究院就提出了水力造缝的设想，并制造成一种用掺砂高压水对井壁及围岩切割 成缝的工具。如图1 1 ，该割缝工具全长2 7 m ，圆形截面的直径平均0 1 2 m ，由喷枪、复 位器、移动器三部分组成。其中喷枪两侧分别各有一个直径为4 m m 的孔，用于喷射掺 砂的高压水流。该技术原理系水力喷砂连续射孔，在喷射过程中，由于水压的作用，喷 枪自行沿井深方向由上向下以3 5 m m m i n 速度移动，因而将油井套管割开2 个互成1 8 0 度、长约1 8 0 - - 2 0 0 m m 的长缝。在俄罗斯、立陶宛等地的油田已经应用了1 0 0 多口井， 成功率达道了8 0 以上。 1 i ，l j k ，_ 喷枪复位器 移动器 图1 1俄罗斯井下喷砂射子l 工具示意图 近年来，国内的一些学者对喷砂射孔技术展开了一定深度的研究。水力喷砂射孑l 技 术是用地面压裂车将有一定浓度石英砂地水浆加压，通过油管泵送至井下，水砂浆通过 井下射孔工具的喷嘴喷射出高速射流，射穿套管和近井地层，形成一定直径和浓度的射 孔孔眼。水力喷砂射孔的介质是水砂浆，其中水流是携带加速砂粒、传输能量的载体。 中国石油大学李根生【3 】等人根据材料冲蚀磨损理论和磨料射流切割原理，对水力喷砂射 孔切割套管和岩石的机理及其影响因素进行了分析。在实验室条件下进行了水力喷砂射 孔地面模拟实验，并在胜利油田现场进行了施工工艺设计和试验。实验结果表明，在压 力为3 0 - - - 4 0 m p a 的条件下，水力喷砂射孔能有效的穿透套管并在天然砂岩上射出直径 3 0 m m 以上，深达7 8 0 m m 的孑l i l e 3 4 1 。现场实验证实了水力喷射射孔油井增产效果明显。 水力喷砂射孔也可用于来在油井中进行水力喷砂割缝，进一步增加油流通道。李忠 华、张永利等人 8 - 1 0 】在水力喷砂割缝技术方面研究已经取得一定成果，通过数值计算得 出了割缝后井眼周围应力松弛、渗透率提高的理论依据。 2 第章绪论 这种技术除了应用于油层增产增注外，还可以用于解堵和代替常规射孔技术进行取 层套管的割缝、对04 m 以下的薄油层进行割缝，并将水力喷砂割缝技术的应用范围不仅 仅局限于油h = | ，它同样可以适合于煤炭行业的煤层气钻孔开采。上世纪9 0 年代，我国辽 河油田引进了该技术，并在辽河、大庆、河南、胜利等油田推。应用，虽然取得了定 效果，但在应用中也发现了一些问鹿，如喷嘴复位器故障、切割深度较浅等，难以满足 实际生产需要。 ( 2 ) 水力深穿透射孔技术 自水力喷砂射孔技术应用后又发展了水射流深穿透射孔技术，也叫水力钻孔技术。 此种射孔方法有普通炮弹射孔无法比拟的优点，可以在岩层上射出更深、更大的孔道， 不会造成压实带，从而保持地层的原有渗透率和减少产生污染的可能性。高压水射流深 穿透水力喷射射孔如果用于高渗油气层射扎，将大幅度提高油井产量和油田采收率，如 果用于低渗油气层射孔，将解放大片的油气层。因此，此项技术是一种很有前途的射孔 技术。 水力深穿透射孔技术的施工过程为：从井口送入井下装置，首先在预射孔井段钻穿 套管，然后由液压系统伸出一根射流管( 顶端带喷嘴) ，在高压流体作用下，该管边射孔 边前进，喷嘴部分始终保持距射孔底岩面越l o o m ，射孔深度约为2 3 m 口】。 图i 2 井下工具图解 水力喷射射孔形成的孔道为清洁无阻的泄油孔道，避免了常规射孔技术造成的地层 伤害，并足以穿透近井地带的污染区，提高油层的泻油能力，解放油层的产能，提高油 层产量和采收率。 美国休斯敦的p e n e t r a t o r 公司从1 9 8 4 年开始研制水动力喷射射孔系统至1 9 8 9 年研 制出可以进入地层3 米多的“喷管”式液力穿孔系统。该系统利用从井门送入井下的液 压装置，首先钻穿预射孔井段的套管，然后由液压系统伸出一根射流管，在高压流体作 用下，该管边喷射边前进，喷嘴部分始终保持距射孔底岩面l o o m 左右，射孔深度2o r n 两安石油大学硕十学何论文 左右，但近年来未见在油井中应用的详细报道。 美国硅谷系统装备公司1 9 9 2 年开始设计制造深穿透水力喷射射孔机，于1 9 9 3 年完 成了全套地面设备及井下设备的加工和地面部分室内试验。 原苏联在上世纪九十年代以前也进行了水力喷射射孔方面的研究，水力喷射射孔压 力约为3 0 m p a 。由于泵压太低，流速较小，水力喷射射孔效率不高，未能推广使用。 乌克兰科学院地球物理研究所于上世纪9 0 年代初进行了开始新的研究。他们以高能 燃料作为能源，推动水流达到了较高的喷速。截至目前，乌克兰已成功地在1 7 口油气井 中进行了实践，然气产生的推动压力可达1 5 0 m p a ，水流速度高度2 0 0 0 m s ，射孔深度在 1 2 m 左右( 岩石疏松时深度大) 。 我国虽然在高压水射流应用方面的研究已经取得了很大成就，但用于水力喷射射孔 方面研究还比较欠缺。 近年来，大庆油田是从理论计算推导和数值模拟方面也开展研究。大庆石油学院推 导了深穿透水力喷射射孔油井的产能方程式，并且分析了影响产能的因素。结果表明， 油层厚度、射t l t l i 艮半径和孔眼分布等因素对油井的产能均有影响。穿透深度、油层厚 度和孔眼直径与产i i l i ：成正比。但是t l h 艮分布和产能计算中未能考虑到射t l t l i 艮周围地 应力场和渗流场的变化，虽然理论计算与实际相对误差在1 0 以内，但其增产机理的研 究只是考虑水平孔道这一段的产能计算和影响因素，而对于其水平段周围渗透率的变化 这个重要的影响因素采用了理论化的条件。 此外，国内各油田及科研机构对该技术看法比较一致，认为这是油田稳产增产的革 命性措施，为低渗透油藏增产和提高采收率提供了一项关键技术，具有广阔的应用前景， 并在此基础上开发了水力喷射压裂技术。 ( 3 ) 水力喷射压裂技术 水力喷射压裂技术白诞生之日起，就得到了良好的应用。在加拿大的低渗透碳酸盐 岩油藏、美国德州的多个气藏，甚至巴西海上的水平井中均有成功的案例。实践表明， 它不仅可以在裸眼、筛管完井的水平井中进行加砂压裂，还可以在套管井上进行，特别 适合于低渗透油气藏的增产作业。 水力喷射辅助压裂技术现场应用 水力喷射辅助压裂技术是最先提出并得到现场应用的结合水力喷射和水力压裂两种 技术为一体的方法。到目前为止，水力喷射辅助压裂技术已经在全世界范围内施工了多 口井，其中包括许多低渗透直井增产作业。绝大部分增产作业是在陆地井进行，直到2 0 0 3 年，该技术开始在巴西的c a m p u s 湾i - r j s 一5 1 2 h a 井上试作业并取得成功，这是水力喷 射压裂技术第一次应用于海上油田增产作业中。 水力喷射环空压裂技术现场应用 作为在水力喷射辅助压裂基础上发展起来的一项新的技术，2 0 0 4 年中期h a l l i b u r t o n 公司第一次使用此技术进行增产作业是一口直井，2 0 0 5 年初在美国的b a r n e t t 页岩油田 4 第一章绪论 对第一1 2 1 水平井使用水力喷射环空压裂技术。截至2 0 0 5 年5 月，共有4 5 口井使用了水 力喷射环空压裂新技术进行增产作业。这些井从1 ，5 0 0 f f 到9 , 9 0 0 f f 井深不等。压裂规模 从使用3 , 0 0 0 1 b 压裂液进行小型压裂，到使用1 2 0 ，0 0 0 1 b 压裂液进行大型压裂。最高支撑 剂浓度可达1 4 1 b g a l 。最小生产层井段为2 - - - 3 f t 厚的致密气层。压裂作业的砂浆流量可 在6 - 4 2 b b l m i n 范围内变化( 在泵入前置液时有时会更高) ，主要是以某一特定压裂阶 段的所需的裂缝高度而定。 水力喷射酸压技术现场应用 第一例多级酸化压裂作业应用于美国得克萨斯州北部的一口双分支井，主要目的是 提高自然裂缝群的连通性，降低采气的单位成本。该井钻于8 0 年代中期，是一口干井， 已打塞报废，井内没有任何管柱。此次作业属重新完井，完井作业中下入5 5 i n 套管至 7 ，8 0 0 r ，然后在新套管以下钻出2 条相互偏移9 0 0 r 的分支井段，两分支造斜点的垂直距 离约6 f t 。其中一条分支井筒比另一条分支井筒在同一层位内约低2 0 f t ，垂深约8 0 0 0 r ， 水平井段长度分别约为7 8 0 r 和8 0 0 f f 。该项作业用时一天，自初始泵送到最后洗井共耗 时7 5 h 。与常规分支井压裂相比，该酸压处理管柱自第一个分支井段提出再插入第二个 分支井段仅用了3 0 - - - 4 0 m i n 。 对比该地区己处理井和未处理井的生产数据可以发现，压裂处理井的生产动态远远 好于未处理井的生产动态，尤其是在长期生产后。该油田的处理结果数据表明，水力喷 射压裂处理工艺非常适用于多分支裸眼水平井的压裂处理，该工艺通过酸压或支撑剂充 填实现了以往压裂工艺很难实现的裸眼水平井的压裂处理。 1 3 国内外现状 由s u r j a a t m a d j ajb 等为主的h a l l i b u r t o n 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【8 1 。水力喷射辅助 压裂技术已经在全世界范内1 5 0 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1 0 0 口井以上，其中绝大部分在陆地井进行。2 0 0 3 年，该技术在巴西 的c a m p u s 湾1 - r j s 一5 12 h a 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。 2 0 0 4 年中期h u i l i b u r t o n 公司首次采用水力喷射环空压裂技术进行直井增产作业， 2 0 0 5 年初在美国的b a r n e t t 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5 3 口井进行增产效果评价，其中2 6 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。2 1 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 两安石油人学坝l j 学位论文 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 a l l i b u r t o n 公司和b j 公司等所掌握。 2 0 0 5 年1 2 月，由中国石油长庆油田分公司与h a l l i b u r t o n 能源服务公司合作，采用 常规油管在靖安油田靖平l 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。2 0 0 7 年7 月2 7 日在四川白浅1 1 0 井的现场试验首次成功实现了应用中5 0 8 m m 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。2 0 0 8 年在安塞油田实施了5 口喷射压裂试验井，使用封隔器达1 0 次之多，在 上提钻具过程中未出现钻具遇卡现象，试验取得了成功。 1 4 论文的研究内容 本文将在对大量文献调研分析的基础上，结合水力喷射压裂施工的的实际情况，具 体做的工作有以下几个方面： ( 1 ) 通过资料分析，理解掌握水力喷射压裂技术的原理、特点、系统组成和旋工过 程。 ( 2 ) 利用f l u e n t 软件对水力喷射压裂射流流场进行模拟研究。 ( 3 ) 分析水力喷射压裂水平井井筒周围应力分布，结合岩石破裂准则，建立裂缝起 裂的数学模型。 ( 4 ) 在此模型的基础上讨论了垂向主应力、最小水平主应力、水力喷射射孔以及水 平井井筒方位角与裂缝起裂压力之间的关系。 第：章水力喷射雎裂技术砸驯 第二章水力喷射压裂技术原理 常规水力压裂技术经过了半世纪的发展，在缝高控制技术、高渗层防砂压裂及大砂 量多级压裂等方面都取得了长足进展，但存在不少问题，如裂缝位置及方向难以控制、 起裂压力较高、压裂裸眼段时压裂液的大量漏失( 有天然裂缝是更为严重) 、裸眼水平井 段只在端部开裂等，这些问题增加了压裂j 】兑本、降低了压裂效果。采用水力喷射压裂技 术可以解决上述问题。水力喷射压裂技术结台了水力喷砂射孔和水力压裂两项工艺，可 在水平井段多处按序进行压裂处理。本文介绍水利喷砂射孔机理，然后在此基础上引入 水力喷射压裂技术，并对其作详细介绍。 2 1 水力喷射压裂技术背景 压裂施工时使用机械封隔，井筒方向是严格按 ! 【裂缝延伸方向钻进的或j l 有很小的 夹角( 5 - 1 0 度的范围) 并且井筒地层的抗张强度是均匀的，机械式封隔可以帮助制造纵 向裂缝。但如果地层抗张强度不是很均匀就有可自造成裂缝初始位置偏移，造成裂缝不 能按照预想的位置开始延伸从而逃逸出封隔范围的结果。在这种情况下，裂缝内的液体 会在压差驱使下回到井筒内，造成裂缝内压力下降裂缝提前闭合( 如图2 1 所示) 。如 果是套管井，虽然裂缝可能逃逸出封隔范围但还是会被水泥环和套管封闭在地层内，并 帮助裂缝延伸( 尽管是封隔器以外) 。 如果井筒方向与裂缝延伸方向有较大夹角，则横向裂缝将会形成。但由于初始裂缝 更容易先向井筒方向延伸然后才逐渐向最大主应力方向弯曲，形成如图的形状。这样形 状的的裂缝可能使其它井段的压裂施工不能顺利实施( 如图2 - 2 ) 。另外，这样的裂缝既 没有纵向裂缝的效果，所产生的横向裂缝也不能很好的延伸入地层形成较大接触面积。 由上可知，虽然用机械封隔在水平裸眼井来制造横向裂缝在理论上是可行的，但由 于实际条件的限制如地席力分布不均匀，裂缝方向每井筒方向的夹角，机械座封的不 可靠性等，都可能导班多裂缝的同时产生、裂缝在地层中的弯曲和封隔作用的失效。特 别是在对井况和地层资料掌握不全的情况下，用机械封隔的办法来进行水平裸眼井的压 裂改造有很强的不可预知性和不确定性，风险性很大。 图2 - l 机械封隔失效 两安石油大学硕卜学伊论文 ， 图2 - 2 在b 点造缝成为不可能 因此，必须借助水力喷射技术在井壁上制造冲蚀缝来确定裂缝的初始位置，并迫使 裂缝先向外延伸( 如图2 3 ) 。 图2 3 喷射造缝 2 2 水力喷射压裂技术原理、特点及施工过程 2 2 1 技术原理 水力喷射压裂系统组成如图2 4 所示。 水平井低产主要归因于储层低渗、非均质性，近井污染或表皮损害以及无效的改造 技术。应用压裂技术对水平井进行改造应该沿着井身在不同位置布置一定数量的离散裂 缝。但传统水力压裂对水平井改造达不到理想增产效果，经常最多产生两个主要裂缝区， 而且位置也不确定。许多高产段仍然没被改造而维持着表皮损掣2 0 之2 1 。操作者和服务商 一直在寻找使压裂处理工艺更有效的办法。水力喷射压裂技术就是最近引入的可代替传 统压裂工艺的有效方法。 水力射孔射流压裂是依据伯努利原理，采用一种特殊设计的高压水力喷射工具( 见 图2 5 ) ，利用动能和压能的转换原理，形成喷孑l 并压开地层。带砂液体从喷射器的喷嘴 第= 章水力喷射乐裂技术原理 中射出后流速相当高，在几分钟内便可击穿套管，并在地层岩石上形成喷孔。射流液沿 喷孔方向射向地层岩石时流速急速下降，压力却快速上升。当液流压力超过岩石破裂压 力时，地层岩石自然会破裂形成裂缝。裂缝形成后，每个喷嘴如同一个“射流泵”一样， 将喷射出的流体导入裂缝【。地层压开后，后续的压裂程序与传统压裂工艺相同，只是 喷射压裂的流速要高得多，射流效应将使油套环空中的液体被吸入裂缝。所以，压裂过 程中除了按传统压裂方式从油管中注入压裂液之外，还需要以一定的排量从油套环空中 注入液体来维持恒定的环空压力。 该技术基于伯努力方程： 蔓+ 旦：c( 2 1 ) 2 p 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 道内动能到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( 如图2 5 所 示) 。由于能量集中在孑l 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 6 所示) ，并且近井筒扭曲问题很少出现。 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。 施工过程中要求喷射面必须与油藏裂缝延伸面近似吻合( 差距不能超过3 0 。) 。为了 把喷射器放置在裂缝延伸面方向上或在它的附近，工程人员必须首先预测这口油井的裂 缝延伸面方向。预测裂缝延伸面的方向通常使用现有技术。压裂方向确定后，设计一套 喷射系统并正确放置。根据井的情况不同，喷嘴数量和尺寸也有所不同。 当对一口井进行水力喷射压裂时可能会遇到两种情况。第一种情况，通过地面旋转 杆柱使喷射工具在井眼中的预期位置定位。为了准确确定工具的当前位置，工程人员需 要在喷射工具上用相配套的引鞋连接电缆。如果不选择电缆，则定位传感器可以放置在 喷射工具的下面，并且与无线数据传输系统连接起来。第二种情况，系统运用重力进行 准确的定位。这种纯机械的方法比第一种类型更简单、更经济，采用重力偏心装置，配 合转动接头，靠翼翅与井壁摩擦阻力不平衡，在偏心重力作用下实现工具的整体转动在 进行射孔定位。工具定位后开始喷射压裂具体步骤如下： ( 1 ) 清洗井眼，在钻杆油管大外径的连续油管上安装水力喷射压裂工具下到第一 个设计压裂段位置。 ( 2 ) 由高压泵向油管注入低浓度含砂液体，通过喷射工具进行喷砂射孔。 ( 3 ) 水力喷射射孔完成后环空注入清洁无支撑剂液体，保持井底压力达到刚刚低于 州安石油人学硕l 学忙论文 预测的延伸压力让裂缝继续延伸，油管泵入压裂液( 砂比浓度逐渐增加) 经喷嘴喷射流 进入裂缝实现压裂，如图2 7 所示。 图2 4 水力喷射压裂系统 图2 5 水力喷射压裂原理 i o 第二章水力喷射压裂技术原理 压 力 时闻 图2 - 6 两种压裂井筒压力比较简化图 图2 7 喷射压裂过程 ( 4 ) 压裂完成后用一个油管阀密封油管，水力喷射压裂工具上提到第二个设计压裂 段位置重复上述施工过程。 通过上述过程，如( 图2 7 ) 一样复杂的裸眼水平井能够沿着井眼在任何位置成功 的实施压裂改造。大小不等的裂缝能够由后到前被顺序定位。而且在不同位置可以应用 不同的压裂方案如酸化压裂、支撑剂压裂等。一次作业过程中，能够在3 英尺的误差 内准确定位1 2 条裂缝的位置( 误差是由压力或温度影响引起油管伸长或收缩所致) 【1 6 】。 水力喷射压裂集水力深穿透射孔、孔内增压致裂及自动封隔于一身，由于这三方面 的作用共同存在、相互影响，所以其压裂机理相当复杂。下面将从三个方面阐述水力喷 射压裂机理。 ( 1 ) 水力喷砂射孔机理 在井下，水力喷砂射孔的流程是先切割套管( 延性材料) ，然后切割近井地层岩石 ( 脆性材料) 两安石油人学颂lj 学f 妒论文 a 水力喷砂切割套管 在井下水力喷砂射孔初期，水射流夹带石英砂颗粒垂直冲击套管表面，如图2 8 所示。 根据冲蚀磨损理论，在砂粒入射能量大到足以使套管表面产生塑性变形的情况下，套管 表面冲蚀的典型形状是唇形压坑【3 1 。在压坑附近的亚表层中形成应变层，一部分材料被 挤压到坑四周形成凸起唇缘。 图2 8 水力喷砂射孔切割套管原理示意图 影响水力喷砂射孔切割套管石英砂粒一般具有负前角，其法向冲击难以一次切削材 料，只能推挤或犁削材料而使材料变形，产生凸起或唇缘。每种材料都具有一定的延伸 极限，当砂粒一次或多次冲击使材料变形且变形程度超过材料允许的延伸极限后，便会 在材料表面产生裂纹，这相当于粒子对套管表面的“锻造”过程。反复锻打挤压变形， 导致材料呈片状脱落，表现为压坑一形唇一锻打一剥落的变形磨损。同时，在冲蚀坑内， 飞溅返回的砂粒反复以小冲击角切削，形成犁沟。 影响水力喷砂射孔切割套管的因素主要有砂粒冲击速度、砂粒含量、砂粒磨料性质 和套管材料性质。砂粒的冲击速度取决于喷射压力及喷嘴直径等因素，反映了砂粒的冲 击动能。实验表明，冲蚀量或冲蚀深度通常与冲击速度的1 5 4 0 次方成正比。砂粒含量 反映单位时间内砂粒的冲击密度和频率，取决于单位时间砂粒供给量。砂粒磨料性质包 括砂粒密度、硬度、粒度、圆球度等，中等粒度( 0 4 - - 一0 8 m m ) 的磨料比细与粗两种磨 料的效果好。套管材料性质主要表现为局部抗冲击变形的能力，屈服强度是一个重要指 标。其他影响因素还包括冲击角度、喷距、流体特性等。 b 水力喷砂切割岩石 水力喷砂穿透套管后即直接冲蚀切割水泥环和近井地层岩石，如图2 9 所示。水力喷 砂对岩石这种脆性材料的冲蚀机理远比对套管这种延性材料复杂得多。某些研究已经揭 示了磨粒冲击脆性材料的破坏形式是产生赫兹锥状裂纹、径向裂纹和横向裂纹。冲击初 期，强大的冲击载荷产生的拉应力首先在岩石表面引起环状的赫兹锥形裂纹。然后，随 着接触力的增加，砂粒冲击的正下方将产生塑性变形，切向应力分量引起一系列垂直于 冲击表面的径向裂纹。在冲击后期，砂粒开始卸载并离开岩石，残余应力会形成一系列 第_ 章水力喷射压裂技术原理 近似平行于冲击表面的横向裂纹。这些横向裂纹延伸到岩石表面，形成破碎屑或称破碎 坑。在中等压力( 5 0 m p a ) 下，砂粒的冲击速度将大大超过使岩石破碎的极限速度，因 而可有效地切割和破碎岩石。在砂粒冲击岩石产生裂纹的同时，水流在水楔压力作用下 挤入裂纹，起到延伸和扩展裂纹的附加作用，从而增强冲蚀破碎能力。 鳝燕蓑 图2 9 水力喷砂射孑l 切割岩石原理示意图 影响水力喷砂射孔切割破碎岩石的因素主要有流体参数、工作参数、磨料和岩石的 特性参数。 流体参数的影响受压力( 或喷射速度) 和喷嘴直径控制。切割岩石深度随压力的增 加近似呈线性增加，存在一个临界门限压力，低于门限压力就不能再切割岩石。较大的 喷嘴直径能增加切割深度，因为磨料射流的有效速度增加。 工作参数的影响表现为冲击角度及供砂量的影响。最佳冲击角度可取8 0 。，尽可能 减小切割面的弯曲度，增加垂直作用在深度方向上的分力。应根据最大切割深度、喷嘴 磨损、成本等综合考虑合适的供砂速率，以体积浓度在5 1 0 为宜。 磨料特性参数的影响主要体现为砂粒硬度、粒度、类型、圆度等的影响。硬度是指 磨粒抵抗因冲击力而破碎的能力，基本要求是磨粒的硬度应高于切割岩石的硬度。磨粒 的粒度应以中等粒度( 0 4 一- 0 8 m m ) 为好。对大多数磨料，有锐角的颗粒切割效果比球 状颗粒好。对于石英砂，球状颗粒反而切深大，这是因为球状砂粒抵抗冲击破碎的能力 强。 岩石特性参数中，抗拉强度、断裂韧性、杨氏模量对水力喷砂切割深度的影响最明 显。相反，对纯水射流切割效果影响较大的岩石参数，如渗透率和粒径等对喷砂切割效 果影响不明显。 由于在施工过程中含砂流体通过喷射工具对工具的磨损非常严重见图2 1 0 ，施工前 喷嘴直径6 m m ，施工后喷嘴直径为1 2 1 5 m m ，施工后喷嘴面积增大到原来的4 6 倍， 因此水力喷砂射孑l 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 两安石油大学硕i 付论文 力强，施1 过程磨损小) ，同时加大对喷射器材料抗磨性能的研究 图2 - 1 0 旌工前后疃射工具对比 ( 2 ) 孔内增压致裂机理 在地面增压后的高压流体流经毫米级直径的喷嘴后转化为高速射流，并迅速进入孔 眼。由于孔眼体积有限和水的不可压缩性，孔内流体会挤压射流，致使其轴心速度迅速 衰减，从而巨大动能又重新转化为压能，使得孔内滞止压力迅速升高，形成增压效应。 与此同时，环空中同样注入流体，并保持井底压力控制在裂缝延伸压力以下，当环空压 力和孔内增压值叠加后超过地层起裂压力时，孔眼末端岩石就会立即起裂。由于喷嘴周 围会形成低压区所以环空流体会被卷吸进入裂缝驱使裂缝向前延伸。裂缝起裂的条 件可以表达为： & + p 埔m 名 ( 2 2 ) ( 3 ) 自动封隔机理 研究表明，高速流体近距离( 喷距小于i o m m ) 射穿套管后，在地层形成一个纺锤 形孔眼。流体通过套管壁、水泥环以及地层孔眼端部后，势必要返回环空1 4 。由于套管 壁面上的孔跟较小，直径约为l o m m 左右，而地层中的孔目星直径较大，可超过6 0 r a m ，返 回的流体难以及时流入环空，从而在地层孔眼内憋压，此时，孔眼内流体压力将高于环 空压力，因此，套管壁面上的孔眼一方面是流体进入和返出的通道另方面返出的高 速流体还起到了类似“密封环”的作用阻i 。n 三是由于这道“密封环”的存在，才保证了 喷射孔眼内压力高于环空压力，也是水力喷射压裂技术施工的理论基础。 当开始新井段压裂时，由十环空压力保持在裂缝延伸压力以下，所咀已压裂井段不 会继续延伸，环空流体也不会再次进入裂缝。这就不需要使用封隔工具来封隔已捱裂井 段，而实现了自动封踊。 2 2 2 水力喷射压裂的施工方法 根据水力喷射m 裂的原理，制定了三种施工方法： 第二章水力喷射压裂技术原理 ( 1 ) 水力喷射和压裂同步进行 该工艺的设计思想及步骤是：水力喷射和压裂共用一套管柱，喷射工具下到指定位 置后，先打开环空阀门，按照预订的砂比进行喷射射孑l ，然后提高砂比( 支撑剂) 、关闭 环空，调节环空压力到略低于本层段地层破裂压力4 m p a 左右，以免压开其它不希望的 层段，高浓度砂浆在高压下仍然通过喷嘴和已经射开的地层孔眼进入地层。完成一个层 段的压裂作业后，打开环空，降低砂比，进行下一个层段的水力喷射射孔，然后关闭环 空进行压裂。 该工艺可节约起下管柱的时间，但对喷嘴寿命要求较高，而且，高浓度砂浆( 支撑 剂) 在高压下通过喷嘴后，会有部分支撑剂破碎，影响压裂效果。 ( 2 ) 水力喷射后从环空实施压裂 该工艺的设计思想及步骤是：水力喷射和压裂仍然共用一套管柱，和第一种工艺所 不同的是，一个层段水力喷射射孑l 完成后，高浓度砂浆不再通过油管和喷嘴喷出，而是 通过环空泵入地层，此时喷嘴出口的高压流体不再加砂，只是起到补充压裂液的作用， 同时控制环空压力不能压开其它层段。 这一方案可以避免支撑剂破碎、降低对喷嘴寿命的要求，缺点是管汇倒换连接比较 繁琐，此外，由于环空容积较大，作业过程中高浓度的支撑剂容易沉淀造成管柱砂埋， 可能会引起井下事故。 ( 3 ) 水力喷射和压裂分开实施 该工艺的设计思想及步骤是：水力喷射和压裂作业分两次实施，即先下入一套管柱 和喷嘴，对各个层段水力喷射射孔时，仍然控制环空压力略低于当前层段的地层破裂压 力4 m p a 左右。水力喷射射孔完成后，起出该管柱和井下工具，再下入压裂管柱进行常 规压裂。由于前期的水力喷射过程中，在地层已经