一种有效的将裸眼水平井压裂的工艺——水力喷射压裂

一种有效的将裸眼水平井压裂的工艺 水力喷射压裂 J B Surjaatmadja S R Grundmann B McDaniel W F J Deeg J L Brumley and L C Swor Halliburton Energy Services 等 版权所有 1998 石油工程师学会 等 这篇文章将在 1998 年 11 月 2 6 日中国北京举办的国际会议和展览会中发布 本文介绍的内容是由作者交由 SPE 程序委员会审查后的信息 文件的内容 由审查 的石油工程师协会予以提出 并由作者更正 目前的材料并不一定反应石油工程师 任何管理人员或成员的社会地位 论文在 SPE 会议上受到由石油工程师学会编辑委 员会的发表评论 在没有石油工程师学会的书面授权的情况下禁止用于商业目的电 子复制 分发或储存文章的任何部分 印刷复制许可限制在不超过 300 字的摘要 插图不得复制 在文中摘要必须包含显眼承认在哪和由谁摘出 写上图书管理员 SPE 邮政信箱 833836 理查德森 电话 75083 3836 美国传真 01 972 952 9435 摘要 至今 有效的裸眼水平井压裂工艺是不明确的 困难在于区域密封妨碍压裂任 务 且结果普遍遭人质疑 没有适当的分离方法 裸眼水平井压裂的使用是有限的 在许多压裂过程中 包括酸化压裂 压裂或酸化常发生在该井井底的第一接触钻孔 一种新的工艺 结合现有的水力喷射压裂技术 采用这种新工艺 操作人员在 不使用密封元件的条件下可以在准确的位置喷射 与其他工艺不同的是 这个新工 艺允许操作人员可在同一井的多裂缝压裂 可同时对裂缝间距均匀或不均匀的操作 这种方法可用在大型压裂 由于操作简单 可有效的避免长井段水平压裂形成的数百个小裂缝的损害 在 多次提升过程中 可用酸和支撑剂的组合改善两种类型裂缝的导流能力 本文讨论的水平井的压裂和伯努利的使用基本原则 到设计一个井的压裂技术 新工艺实验室的测定结果见第 4 页 引言 高压 高压力水的使用 是一个众所周知的技术 许多行业使用它用来执行不 同的任务 这些任务从表面的清洁和准备 将水泥 钻孔 切割 开槽 打孔 加 工 灌浆 并挖掘到家庭用途 如洗车和牙齿卫生 携砂液可以被使用 或空化射 流可能需要 喷射压力范围从几百 psi 到将近 60 000psi 一个常见的喷水功能 或水力喷射 当砂或其他磨料被使用 是它的高功率能量集中或集中在它的目标 上 在石油行业 对水力喷射最常见的应用是开槽 切割 或穿孔 在这些应用中 砂进行的是研磨切削功能 随着时间的推移 喷射系统的质量有了显著的提高 导 致磨料和各种化学物质有了更大的阻力 并显著提高刀具寿命 随着更好和更可靠 的工具的出现 这种技术可以用于油井的刺激 水平井完井 第一口水平井在 1939 年成功完井 但水平井不被经常使用 直至 19 世纪 80 年代 这一水平井的钻探深度为 630 英尺 和横向延伸 802 英尺 图 1 其中的一 个分支是建立在水平段的地方 下降到另一深度为 953 英尺 使其成水平和多边井 水平井套管靠近主井筒 其余的在裸眼井中完成 裸眼井段用 1150 磅 TNT 刺激断 裂 59 年后 随着技术的改进 水平井完井正在应用于某些地层的经济开发技术 把钻井允许操作钻这些井表面的能力 而不是挖掘人员进入井下 驱动力仍然是经 济的 因此 在地面钻井 横向时所使用的高度生产或目标高度形成中小 产层的 高度小于 200 英尺 厚层 层高度 200 英尺 仍然需要垂直完井 除了在海上位 置钻井成本非常高和位置的表面大小是非常有限的 非硬质合金水平井完井范围真正裸眼落成量到开槽班轮落成量中的最深的井 穿孔班轮完成或衬落成量与外部套管封隔器 此外可以在水平井上用套管和硬质合 金落成 适当完成选择受影响的储层岩石属性和所有者 经营者的初始投资 一般来说 主要地层水平井是已完成的裸眼 通常情况下 钻探井 并完成了 在低渗透地层保持地层损害 从而限制了生产率 这些井酸化或水力压裂处理刺激 提高了生产率和经济 水力压裂 在水力压裂 流体压力被用于压裂地层 在井孔中的流体压力增加 直到它超 过形成的破裂压力 在井眼中创建一个或多个裂缝 此压力更通常被称为作为断裂的起始压力 FIP 一旦井发生断裂 断裂所需 的压力增长 裂缝延伸压力 FEP 一般小于 FIP 水力压裂是在 1948 年首次被使用 美孚石油和天然气公司自成立以来 全球 已经进行了超过 100 万次压裂作业 随着时间的推移 技术的改进提高压力限制和 流速 支撑剂的浓度同时也增加了使用砂粒 合成的支撑剂 和不同的流体 包括 泡沫 在 19 世纪 70 年代水平井重新推出的一种技术 避免破裂 在足够的垂直渗透 的地层 压裂是不必要的 事实上 裸眼水平井完井技术已经成为司空见惯的 当 完成水平井裸眼井 另外一个问题表面流速断裂使这些井通常变得过大 即使断裂 被启动 它很可能在脚跟的阱开始 而不是在水平截面内的所需位置 封隔器是这 个问题的解决方案之一 水力喷射力学 在油田应用中 封隔器使用磨损或穿透各种物质 包括钢铁 水泥和岩层 设 置预留射流的事实 往往带有大量的沙子或其他的磨料 出现喷射操作很像图 2 流 体被迫从一个喷射工具通过一个小孔进入环空 在喷射工具 C 中的压力必须高于该 环形带 A 中的流体压力的高压油管内的能量被转换成动能 由高流速的流体产生的 作为由以下的伯努利方程研究 1 Cgz V p 2 2 在高压和高速应用中 我们可以忽略重力的影响 收益率 2 C V p 2 2 在一个水力喷射系统中 内部的喷射工具的速度普遍较低 不到 50 fdsec 但 是射流压力是高于环空压力且通常为 2000 至 3000 psi 导致射流速度超过 400 英 尺 秒 这种动能用于执行所选择的任务 水力喷射压裂 如果在所考虑的例子中 假设使用射流穿孔地层岩石 如图 2 所示 而且与一 个比喷射喷嘴的内径更大的喷射过程中创建一个穿孔 穿孔隧道中流动的流体的速 度是非常高的 这条隧道的长度通常是短的 约 12 英寸 其速度将成为非常低穿 孔底部附近 如图 2 的右侧所示 在这一点上 如果保持目前的流通面积和无摩擦 流体压力将等于原来的射流压力 这种情况下是不可能的 但是 因为是典型的高 压力损失 特别是 射流边界摩擦将动能热损失 使喷射燃烧 这种喷射喷焰燃烧 大大减少射流速度 这同样地降低压力确保每单位面积的影响 其结果是 压力的 转化效率是低的 即使压力转化效率是低的 岩石仍然可以被破碎时 足够的压力被施加到射流 实验室测试表明 岩石破裂时喷射压力高 是司空见惯的 然而 高压力结合上低 能源转化效率 迅速成为技术上和经济上的不切实际 例如 让我们考虑断裂的刺激以及 5000 英尺的 TVD FIP 为 4 500 psi 和静水 压力为 2 000 psi 在 100 0 能量转换效率 净射流压力 定义为射流压力和环 空压力之间的差异 必须是大于 2 500 psi 的环空压力 由于效率一般都很低 不 能启动 除非这样的断裂射流压力高 对于一个有效的效率为 25 0 喷射净压 力必须大于至少 10 000 psi 的环空压力 实现了滞止压力 4500 psi 的断裂 在实 践中 需要更大的射流压力 因为流体仍然流入断口 还没有达到真正的停滞 转化效率的值主要取决于隧道形状上的 穿孔 这是最好的 随机的 连续 变化的 期间的喷射和压裂过程 我们可以增加的环形带中的压力 以确保可靠的水力喷射压裂 而继续在相同 的净射流压力 CA 的泵 通过保持相同的流速 虽然环空压力的不断增加 A 和 FIP 的环空压力之间的压力差趋近于零 在这一点上 组合高井筒压力和射流滞止 压力迫使在射流开始断裂 现在 假定一个四喷射系统 图 3 其中所有的射流与最小应力平面共面的位 置 该定位将保证起始的远区场首选的断裂面 它垂直于的最小形成平行的断裂压 力 每个喷射 很快就会引起一个腔的形成 电子 断裂将启动在每个 穿孔 隧 道的前端 由于他们的首选位置沿断裂面 断裂连接起来 迅速 由于断裂流体被 允许自由移动 它往往流回环形空间的压力较低 在这个方案中 断裂规模是非常 小的 增加射流数量将抑制回流 增加了的断口大小只有少量 预测滞压 先前的文件 Surjaatmadja 显示的断裂 在早期阶段 在一定条件下的有限元 分析 将打开最宽的近井 在几英尺的距离接近到最低限度 然后扩大开放 直到 它再次接近断裂的前端 这适用于本文中所描述的条件 例如 断口可以打开至约 1 3 英寸的井孔中 然后关闭至约 0 24 英寸 然后慢慢变宽再次如图 4 虽然 1 3 英寸看起来似乎有点多余 这是比较合理的 因为喷流已经侵蚀了大部分的入 口点 如果喷射有效地张开 填补了这一空白区域 在井眼的中心的距离为 r 则 该局部压力可以利用方程 2 预测 然后可以扩展成一个简化的动量方程 3 rr rr Ap VQ A VQ 2 p 2 r 11 111 这里下标 1 是指在油管内的条件前达到的喷流 假设的质量流量是恒定的 没有流体损失发生 我们可以简化式 3 如下 4 rrrm ApVCApVC 111m 2 1 1 QCm 进一步假设泵送条件保持不变 等式的左侧成为一个常数 对于不可压缩流体 我 们有 5 r11 CAVAV r 这样式 4 变为 6 totalrr r CAp A C r c CCC m 111t ApVCC motal 如果我们使用这个关系 7 r rWA 2 r 可以计算出在不同地点的断裂压力 这些压力是相对环空压力为 ifp 是在过 量的环空压力 射流压力 由于 A 受间隙尺寸 半径 和流速影响 随间隙尺寸 的减小而增加 朝向中心增加的压力 反过来 当压力增加时 间隙尺寸的增加 同样是真实流速减小时 流体损失不是原因 相对压力的增加 如果半径增大 压力迅速下降 这些平衡进程提供了一个自调节的间隙尺寸 导致的断裂连续延伸 基于假设的差距大小模型 我们可以绘制我们的压力模型 如图 4 在该图中 能 量转换效率被假定为 50 0 这应该占摩擦和流体损失所导致的压力损失 在最高压力点可能会存在靠近井孔的断口 提供了一个有趣的现象 在图 4 的 最大点的左侧上的流体来回走动不正常 而在右侧的流体自由流动和形成断口 这 种现象表明在实验室模型示于图 5 水力喷射辅助压裂 如果大裂缝被需要 该过程可被修改由泵送下来的环形空间 如示于图 6 被 泵送通过射流的主要流量 Q 而补充流量 q 被泵送通过该环形带 泵送过程中 断 裂周围的环形压力 必须保持略低于井的 FEP 使现有的裂缝不会重新在这个过程 中 例如 图 4 示出的最低环形压力可以是 1 100 psi 的下方的 FIP 在实践中 压力应不小于 200 到 400 psi 低于 FEP 确保 FEP 操作低于 400psi 压裂液将继续流入裂缝中 如前面所讨论的 当裂 缝已形成 流体将被绘制到断口的环 环压会迅速下降 阻止裂缝发育 只向一个 小裂缝的发展 如果环空压力维持泵送流体进入环空 然后断裂可以大幅延长 流体将被不断 吸入到断口 该井孔压力维持在 FEP 以下 另外 如图 4 所示 零 的压力水平 被带到略低于该 FEP 的压力水平 启动一个新的断口 这个环形压力加上 1100 PSIG 所产生的喷流必须超过 FIP 否则 环空压力必须在很短的时间达到 FEP 以上 的水平 快速启动断口 其他部位断裂并非要重新开始 通过使用这种方法 即使 其他部位裂缝中存在的井 我们可以启动和扩展新断裂没有使用的区域密封或隔离 的方法 可行的传递方法 经过 250 年 伯努利方程仍然有新的用途 这种新的应用 使操作人员能够将 一个裂缝良好的裸眼水平放置 无隔离的部分 这为完成裸眼水平井提供了许多新 的可能性 例如 许多大裂缝 可以被放置在裸眼井 或数以百计的小裂缝可以有效地被 放置在一个良好绕过损伤区 小型和大型裂缝即使是一个复杂的组合 可以准确地 放置在井 图 7 传统的方法与其不同的是裂点通常是未知的 在一个孔中 贯穿不同地层 每个可定制断裂 分别与不同的流体体积 甚至 不同的流体系统 如酸或凝胶载砂 这些阶段可以提供在一个单一的行程喷射工具 下井 在未钻的井的方向的最小应力 断口不会垂直延伸到井 如图所示 在过去 新的断口必须在相同的方向上引起远区域断裂用的共面的喷射工具 在此工具中的 所有喷射必须位于同一平面上的首选断裂面 最大限度地减少有扭曲的裂缝系统 这项新技术的使用不仅限于裸眼井横 水利喷射和水力喷射压裂可有效地使用 在套管井中 割缝衬管完井 甚至垂直井 然而 这种方法是特别设计来相对于该 井孔的裂缝创建角的方向 在垂直井的应用中 或在最大应力方向钻出的横向角 这种新方法是适用的 但不能作为最有效的 实验室测定 如图 5 所示 已经发展到实验室模型证明有效性的水力喷射压裂 图 8 示出的 结果喷射压裂大石灰岩 虽然最初没有对齐的裂缝 但他们最终连接 穿孔隧道约 2 英尺长 在水力喷射中这是不寻常的 因为喷射腔应小于 12 英 寸长 期间水力喷射 流体溅落到喷头中 创建一个巨大阻力的喷流 从而在很短 的岩石中的创造出空腔 如果岩石断裂 然后喷射的流体将继续流入断口 而没有 飞溅的流体将干扰射流 从而将更深的孔贯穿 结论 伯努利定理的基础上 已经开发一种新的压裂过程 这个定理得到了有效的证 明 在许多应用中 如喷射泵 添加剂喷射系统和喷射引擎 任何新技术一样 必须定义 许多程序性步骤 流程和限制 需要不同的工具 以缓解这种新方法的实施 命名法 A 流体流量的横截面面积 C 常数 重力常数 p 压力 Q 流量 管 q 流量 环 r 半径的兴趣 W 裂缝宽度 z 高 p 流体密度 参考文献 1 Vijay M M 在高速流体喷射 论文发表在