高压水射流钻井完井增产技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高压水射流钻井完井增产技术,1.学习和工作简历,1979.9-1983.6 华东石油学院钻井工程专业，学士,1983.9-1986.6 华东石油学院北京研究生部,硕士,1986.6-1991.6 华东石油学院开发系，助教和讲师,1991.2-1991.8 东北大学高级访问学者,1991.6-1994.6 石油大学(华东)破格副教授,1994.6-2000.6 石油大学(华东)教授，射流中心副主任,1994.9-1998.4 石油大学(北京)油气井工程，博士,2000.6-2003.10 石油大学(华东)石油工程教授，博导，,学术带头人，射流研究中心常务副主任,2003.11-现在 石油大学(北京)石油工程教授，博导,前言-Introduction,2.主要学术和社会,CNPC钻井工程重点实验室副主任，学术委员,中国劳保学会水射流技术专委会常委，国际部副部长,中国机械工程学会流体工程分会理事、喷射专委会副主任,国家喷射设备标准化技术委员会委员,水射流技术学会(WJTA)国际会员,国际石油工程师学会(SPE)会员,水射流会议国际顾问，环太平洋射流国际会议顾问,中国青年科技奖 获得者，国家杰出青年 获得者,国家“百千万人才工程”第一、二层次人选,享受国务院政府特殊津贴专家,前言-Introduction,主 要 内 容,在油气井工程中,四.超高压射流辅助破岩钻井,五.旋转射流钻径向水平井,六.连续管洗井与小井眼钻井,七.煤层气与储气库洞穴技术,在处理地层和增产中,十五.,高压水射流清洗油管除垢,在其他工业部门应用,绪 论,1.高压水射流技术概况,60年代末70年代初，NSF资助了一项庞大的研究计划，旨在寻求一种高效的切割破岩方法，提出并试验了25种新方法，如电火花、激光、火焰、等离子体、高压水射流等，最后一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法。,高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的一门新技术，正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工业部门，用以清洗、除垢、切割、破岩等，提高工效，降低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。,近年来，出现超高压射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流等新型射流技术。,主要五个方面：,1.工业切割，加工;,2.挖掘,开采,钻探;,3.岩石切割，掘进;,4.表面处理，除垢;,5.材料粉碎，除尘。,十多工业部门：,煤炭 石油 矿业,炼油 化工 电力,交通 铁道 船舶,冶金 机械 轻工,土木 建筑 民用,军工 航天 核工,医疗 医学,绪 论,(Applications),第十二章 自激波动注水原理与实验,8 东北大学高级访问学者,3 喷射钻井三阶段特点和参数,控制孔眼数量来控制井筒内的压力和孔眼摩阻损失，进而获得较理想的压裂裂缝。,2 磨料射孔原理和影响因素,第十二章 自激波动注水原理与实验,围压较大时(10MPa)，先急剧下降，后趋缓；,中高油气比井，气体容易进泵影响泵效，同时影响举升效率。,(5)装满足要求的井口，井口要用绷绳加固；,3 喷射钻井三阶段特点和参数,第九章 磨料射流射孔研究与实验,空化数：,35exp(2/3),4 磨料射流射孔及割缝地面试验,0 mm 孔眼直径：14-25 mm 孔眼长度：3 m,3、主要影响因素,流体参数,射流压力,喷嘴直径,喷嘴型式,射流功率,流速 流量,流体性质,射流反冲力,磨料参数,磨料类型,磨料流量,磨料粒度,混合管直径,工况参数,进给速度,靶距（喷距）,流道数,入喷射角,切割体积,切深或切宽,比能,靶件参数,靶件强度,靶件硬度,靶件孔隙度,靶件渗透率,绪 论,第一章,提高射流在井底工作效率,1.1 问题的由来,旋转钻井问世以来，破岩机理和基本特征一直未改变，,机械破岩-,转盘带动钻柱钻头旋转，钻压和旋转破碎岩石。,水力清岩-,钻井液循环清洗井底，携带岩屑。,机械能传递转换效率低，,一般5%左右，涡轮钻具可达20%，深井更低。,井底水力能量是影响深井钻速的主要因素之一。,国内外对提高井底水力能量利用率，从而提高钻井速度非常重视，得到NSFC和CNPC资助。,1.2 钻井沿程水力损失,Q（L/s）,在可能条件下，尽可能使用小排量，使用,5,1,/2,钻杆,；,建议用内平扣钻杆减小局部损失,。,第一章,提高射流在井底工作效率,1.3 喷射钻井三阶段特点和参数,阶段,泵压(MPa),比水功率,(KW/m,2,),喷速,(m/s),排量,(l/s),钻速,(m/h),一,10,12,4625,5203,95,105,32,36,6,二,14,16,5782,6938,125,26,28,10,三,18,20,8094,11563,145,165,24,26,14,70年代钻井泵压一般1012 MPa；80年代增加到1820MPa。,第二阶段比第一阶段钻速高60%；第三阶段比第二阶段高40%。,两点发展：突破经济水功率限制（2313 5782 KW/m2）；,水射流不仅清岩，而且一定程度起破岩作用。,第一章,提高射流在井底工作效率,1.4 常规井钻头水力学,8,1,/2,牙轮钻头喷嘴出口到井底距离,约135mm，,井底水力能量损失约50%。,研究淹没非自由钻井射流动力学和井底能量衰减规律，建立了优选井底水力参数的新模式和新程序，解决了喷射钻井长期未解决的一个重要理论问题。,第一章,提高射流在井底工作效率,1.5,深井钻头水力学,喷距为50mm，围压0.2MPa到10MPa时，射流轴心动压损失,75%,。,深井高围压下(如50MPa)，动压损失更大！如何在现有泵压下，提高井底能量利用率？加长喷嘴钻头(1代)，自振空化喷嘴钻头等。,围压较小时(0.2MPa)，轴心动压缓慢下降；,围压较大时(10MPa)，先急剧下降，后趋缓；,第一章,提高射流在井底工作效率,根据该理论成果研制成功加长喷嘴牙轮钻头,(第一代钻头),，在相同泵压条件下，井底水功率提高30-40%，井底动压力提高90-110%，压力梯度提高1.5 倍。推广应用3000多只，平均提高钻速20-30%，提高进尺40-50%,。,1.6 加长喷嘴牙轮钻头,第一章,提高射流在井底工作效率,1.7 组合喷嘴改善井底流场,第一章,提高射流在井底工作效率,根据该理论成果研制成功的自振空化喷嘴钻头（第二代钻头），在胜利、大港、江苏等8个油田现场试验1700多只。,相同条件下，石榴石的射孔深度要比石英砂的射孔深度大。,高压水射流清洗油管除垢,水力喷射压裂技术是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产措施工艺，利用一个带喷嘴的喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，并在地层中形成孔洞，随后的高速流体直接作用于孔洞底部，产生高于地层破裂压力的压力，在地层中造出一条单一的裂缝。,现场11井次实验表明，平均注水压力下降，平均单层日注水量增加29m3，注水周期延长4个月。,1、剪切破碎 利用岩石抗剪、抗拉强度低的特点，依靠旋转射流切向速度对岩石产生剪切破碎，从而大大提高破岩效率。,防膨剂KCL1-2%或DTE0.,（2）试验用钻头钻有200多米的进尺起出后完好，新度在90以上，充分证明了水力脉冲空化射流钻井还具有改善井底流场、增加钻头进尺的作用。,因固井质量差，常规射孔不宜进行压裂改造，故采用磨料射流射孔，提高井底完善度。,(5)装满足要求的井口，井口要用绷绳加固；,气锚系统与泵下装置联合工作，使得气体在气锚装置内和环空中发生分离，环空中产生射流泵作用，降低漩涡区的压力。,14-5 土木 建筑 民用,水射流破岩钻大连续孔眼必须具备三个基本条件：,防砂，固沙,6 水力射孔辅助压裂参数初步分析,研制出的新型水力-机械联合破岩钻头（第三代钻头），正在进行现场实验，预计可提高机械钻速40-50%，提高钻头进尺30-40%。,古建筑、古基础保存和再利用,（1）空化现象和空蚀机理,当流体中局部压力低于当地蒸汽压力时，产生空化气泡。水力机械中十分有害。,（2）空化射流冲击压力,P=P,i,/6.35exp(2/3),当=1/61/10 时，P=(8.6124)P,i,相同排量下，空化射流冲击压力是连续射流压力8.6124倍。,（3）深井高围压下空化起始可行性,如果突破，将不仅在钻井，而且其他方面有巨大作用。,第二章,自振空化射流钻头钻井,2.1 自振空化射流原理和特性,稳定流体流经谐振腔内产生流体共振，形成驻波，喷嘴出口形成大结构的涡流环，增强射流空化作用，称为自振空化射流。根据瞬态流和水声学理论建立了流体自激振动调制机理和喷嘴设计理论模型，,研究成功了新型高效自振空化射流。,2.1 自振空化射流原理和特性,第二章,自振空化射流钻头钻井,研究得出了各参数影响规律，,存在最优喷距，S/d=8 14;风琴管喷嘴效果最好。,破岩效果,倍,脉动幅度提高24%-37%,2.1 自振空化射流原理和特性,第二章,自振空化射流钻头钻井,围压下空化起始能力,空化数,：,P,a,围压，P,喷嘴压力降。,/,i,1，不产生空化,；,/,i,1，产生空化,；,i,越大，空化越强。,淹没射流旋涡中心：,i,自振,=,(2,6),i,普通,2.1 自振空化射流原理和特性,第二章,自振空化射流钻头钻井,围压下空化冲蚀作用,Johnson,和Conn：,自振喷嘴,在20.7MPa围压下有效空化；,切割深度为普通钻头喷嘴的24倍,。,空化射流清岩作用,自振空化,射流,负压脉冲尖峰大，,与喷嘴压力降数量级,相当；,举,升岩屑能力是普通钻头喷嘴34倍,。,在高围压下自振空化射流比普通射流空化能力强，有较好的,冲蚀,岩石和清洗岩屑净化井底作用。,2.1 自振空化射流原理和特性,第二章,自振空化射流钻头钻井,马赫数M：,振动腔结构设计模型：,-,硬质合金,2.2 自振空化喷嘴结构设计,第二章,自振空化射流钻头钻井,2.3 自振空化射流钻头现场实验,风琴管自振空化喷嘴钻头,根据该理论成果研制成功的自振空化喷嘴钻头,（第二代钻头），,在胜利、大港、江苏等8个油田现场试验1700多只。,相同或相近条件下，自振空化喷嘴钻头与普通中长喷嘴钻头相比钻井速度提高,12.123.1%,，,钻头进尺增加,14.828.3%,，明显改善钻头性能，具有广阔应用前景。,第二章,自振空化射流钻头钻井,欠平衡钻井和气体钻井在机械破岩参数和能量不变的条件下极大地解放钻速，提高十几倍，促使人们重新认识常规钻井中井底流场、井底净化、压持作用对钻头和钻速的影响以及水力能量的作用。特别在深井、顶驱和动力钻具钻井破岩效率高的场合，提高水力能量作用更重要。,第三章,水力脉冲空化射流钻井,将水力脉冲和空化射流耦合调制技术与常规钻井相结合，进行水力参数设计，设计钻头的钻井液流道，充分利用低压效应及空化作用，增强水力脉冲与空化效应对井底岩石破碎和清洗效率。,3.1,问题的由来,90年代，Tempress 公司研制出8-3/4”HydroPulseTM 工具，地面实验降压为5 5.5MPa，频率45 60 Hz，负压脉动幅度5 17 MPa，负压脉冲持续时间1.3 ms。模拟钻头在不同岩石中钻进实验：相同条件下，钻速提高3 6倍。尚未现场试验。石油大学正在进行机理研究、仿真模拟和设计研制工作。,第三章,水力脉冲空化射流钻井,3.2,水力脉冲发生器工作原理,水力脉冲发生器是将叶轮的扰动作用和自激振动腔的空化效应耦合，使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动，钻头喷嘴出口成脉冲空化射流，三种效应：,水力脉冲,改善井底流场，提高井底净化和清岩 效率，减少压持和重复破碎；,局部负压,井底局部瞬时负压，改变井底应力状况；,空化冲蚀,辅助破岩，提高破岩效率。,3.3,水力脉冲发生器结构,水力脉冲发生器主要由本体、弹性挡圈、导流体、叶轮座、叶轮轴、叶轮及轴套组件、,自激振动腔,等组成。,第三章,水力脉冲空化射流钻井,3.4,现场初步试验结果,（,1,）克拉,2-6,井在相同泵压和钻井参数条件下，水力脉冲空化射流钻井比邻井同井段提高钻速,2,倍；克拉,2-5,井在钻压降低,2040KN,条件下，水力脉冲空化射流钻井与邻井同井段钻速相当；两口井综合平均结果，水力脉冲空化射流钻井比邻井同井段钻速提高,1,倍，证明现场试验提高钻速取得成功。,（,2,）试验用钻头钻有,200,多米的进尺起出后完好，新度在,90,以上，充分证明了水力脉冲空化射流钻井还具有改善井底流场、增加钻头进尺的作用。,第三章,水力脉冲空化射流钻井,4.1 地面全增压钻井试验,70年代初，地面将泥浆全增压至69103MPa，在5口3000米左右井中试验，钻速为2185m/h，是常规钻速的23倍。,当喷嘴压降为104MPa时，连续性射流可以冲击破碎7080%所钻岩石。,国内胜利油田开展过25 30MPa高压喷射钻井试验，大港油田正开展35MPa、中原油田正开展50MPa高压喷射钻井试验，钻速明显提高。,设备和循环系统维护要求非常高。,第四章,超高压射流钻井研究,4.2,双管柱钻井试验,85年开始，Flowdril公司研究双通道钻井新方法，整个循环系统进行了改进。,超高压液排量1.9 2.5l/s，压力230 MPa；,常规低压泥浆流只起井眼稳定和清岩作用。,在Texas和Oklahoma 22口井工业试验，机械钻速是常规钻井的1.5 3.0倍。,第四章,超高压射流钻井研究,4.3 井下增压器钻井,1993年，FlowDril 公司开始研究井下超高压射流钻井。,用井下增压器将1/7 1/10的泥浆增压至 240 MPa辅助切割，,3.5倍。,第四章,超高压射流钻井研究,4,.4,新型井下增压装置及配套钻井技术,超高压射流辅助机械破岩钻井是提高深井钻速的有效途径。中国石油大学和勘探开发研究院,系统研究超高压射流动力学特性和破岩机理，建立超高压射流辅助破岩钻头设计理论和方法，研制联合破岩钻头,（第四代钻头）,。,研制新型井下增压器，将部分,泥浆增压至 100-240 MPa辅助切割，释放井底岩石应力，提高破岩效率。,超高压射流辅助破岩钻井参数和工艺技术研究，集成出超高压辅助破岩钻井新技术，以提高深井机械钻速。,第四章,超高压射流钻井研究,综合利用断裂力学、弹塑性力学和岩石力学的基本原理，建立了水力和机械联合破岩过程中裂纹形成和发展规律的数学模型，实验研究了齿型、射流冲击角和冲击位置、喷射距离等因素对破岩效果的影响规律。研制出的新型水力-机械联合破岩钻头,（第三代钻头），,正在进行现场实验，预计可提高机械钻速40-50%，提高钻头进尺30-40%。,水力和机械联合破岩,第四章,超高压射流钻井研究,深井高围压下喷嘴组合井底流场,两边喷嘴和倾斜中心喷嘴组合,井底流场,横向剖面速度矢量 纵向剖面速度矢量 压力等值线,第四章,超高压射流钻井研究,研究新型高效旋转射流，使用特殊设计的造斜器和旋转射流钻头，在老油井中对应生产层位置钻出多个超短半径（0.3米）的径向水平井网，使老井更新、死井复活，有效地开发稠油藏、薄油藏，大幅度提高原油采收率。,第五章,旋转射流钻径向水平井,5.1 问题的由来,水射流破岩钻大连续孔眼必须具备三个基本条件：,一是形成的孔眼要有足够大的面积；,二是形成的孔眼必须具有规则的形状；,三是具有较高的破岩效率和钻进速度。,常规的圆射流不具备这些功能，因此设计利用旋转射流。,5.2 旋转射流原理,第五章,旋转射流钻径向水平井,旋转射流破岩机理不同于普通圆射流。它不单纯以冲击、拉伸、水楔作用破岩，而是以剪切破坏为主，并伴有冲蚀、拉伸破坏等多种形式。,1,、剪切破碎,利用岩石抗剪、抗拉强度低的特点，依靠旋转射流切向速度对岩石产生剪切破碎，从而大大提高破岩效率。,2,、冲蚀破碎,在垂直冲击力和横向流的联合作用下，圆环面积内岩石颗粒的胶结物或层理等弱面首先被冲蚀而脱离母体，射流对圆锥面的冲蚀作用使岩石颗粒迅速离开母体，减少了重复破碎，提高了破岩效率。,3,、拉伸破碎,旋转射流冲击井底的同时，对圆锥面产生拉应力，使岩石更容易产生垂直裂纹，裂纹在水楔作用下产生破碎。,4,、旋流磨削,携带着岩屑的返回流沿孔壁旋转返回，象磨粒一样磨削已形成的孔壁，扩大并光滑孔眼，提高了钻孔质量。,第五章,旋转射流钻径向水平井,旋转射流具有三维速度，其能量集中在距射流轴心一定距离的圆环上。,旋转射流综合运用剪切、拉伸、冲蚀和磨削等多种形式高效快速地进行破岩。,利用旋转射流在喷嘴直径为6mm、压力为50-60MPa、岩石可钻性3-4级的条件下可以钻出120mm的连续孔眼，机械钻速可达10米/小时。,使用该技术已在辽河、南阳、江苏等油田钻出6口超短半径径向水平井，取得了良好的增油效果。,工作压力：50-60MPa 喷嘴直径：6.0 mm 井眼直径：100 mm 井眼长度：10-60 m,第五章,旋转射流钻径向水平井,技术优势：,有利于保护油气层、提高钻速,占地少、成本低、效率高,有利于提高单井产量和难动油挖潜,发展历程：,1944年，起源于“海底管线”项目,20世纪60年代至70年代末，发展缓慢,20世纪80年代，斜焊工艺的出现使之焕发新的生机,20世纪90年代以来，迅速发展起来,技术前景：,替代传统钻井技术的革命性技术,第六章,连续管作业与微小井眼钻井,6.1,问题的由来,世界连续油管应用的分布,（Source:Maurer Engineering Co.1995),砂粒和固相在井内和近井地层堆积堵塞会严重影响油气生产,90%以上的连续油管作业都是为了洗井、清砂、解堵、举升、增产作业。,研究,连续油管旋转射流在水平井段冲砂解堵洗井技术、连续油管水平井段水力喷射分段压裂、连续管注氮举升及其连续油管高效综合作业系统,，将硬件设备、软件、洗井液体系和处理监测方法等进行综合利用，将有助于降低洗井作业成本和作业风险，并使油气井以更快速度恢复生产。,6.2,连续管综合作业系统,第六章,连续管作业与微小井眼钻井,6.3 连续管开窗侧钻水平井,第六章,连续管作业与微小井眼钻井,快速造腔原理,水力破碎,改变流态,改变造腔面积,改变腔壁浓度,空化射流,软管搅拌,自下而上,软管靠近,加速造腔,喷嘴式造腔阶段,软管式造腔阶段,第七章 煤层气与储气库洞穴技术,注水,金资1井高压喷射式造腔前2天排量38m,33,对应浓度150g/l,日产盐量为136.8T，而陈5井普通造腔日产盐量为17.6T，造腔速度是陈5井造腔速度的7.7倍。,3天后排量50m,33,，对应浓度180g/l，日产盐216T，而陈5井日产盐量为40.6T，造腔速度是陈5井的5.3倍。,第七章 煤层气与储气库洞穴技术,油水井近井地带孔隙堵塞严重，导致产量下降甚至停产。,处理地层是稳产增产重要措施，物理法-振动和波清洁解堵降粘,首创高压旋转自振空化射流处理近井地层新技术，三种物理作用全方位处理地层，物理法处理地层技术突破性发展。,第八章,高压旋转水射流 处理地层,8.1 问题的由来,8.2 现有解堵措施,化学解堵法,向地层注入各种化学解堵剂溶解堵塞物。,成本高，引起二次污染。,物理解堵法,利用各种振动和波的能量解除堵塞，同时降低原油粘度，改善原油流动性。,原理优越，成本低，无二次污染,。,第八章,高压旋转水射流 处理地层,8.3 射流处理地层技术,研究成功了井下自动控制转速的阻尼液阻尼式旋转喷嘴，成功解决了处理地层的喷头旋转和旋转速度控制的关键问题。,第八章,高压旋转水射流 处理地层,在国内外首创了高压旋转自振空化射流处理近井地层新技术，在井下同时产生三种物理作用全方位处理地层，物理法处理地层技术突破性发展。,8.4 射流处理地层技术,第八章,高压旋转水射流 处理地层,在辽河、胜利、中原等10多个油田1700多口油井和水井现场实验，平均单井增油幅度20-30%，单井增注幅度30-130%，有效率90%以上，具有工艺简单、成本低、无污染、效果显著等优点。,工作压力：15-30MPa 工作排量：400 l/min工作介质：清水或处理液,喷嘴直径：3.0-4.0 mm 处理时间：2-3 hr,8.5 现场试验及效果,第八章,高压旋转水射流 处理地层,9.1 问题的由来,利用高压磨料射流射孔原理，可射入地层约1米，穿透近井污染带，且松弛地层，,大幅度提高射孔深度和质量，,在产层创造出清洁的油气通道，避免炮弹射孔二次污染。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,常规炮弹射孔深度有限，难穿透污染带，且易产生压实带及二次污染。新井产能低，特别稠油、低渗油藏等更严重，高效开采和动用难度很大。,高压水射流纯水切割岩石等脆性材料，70150MPa；切割钢铁和钢筋混凝土等，压力极高，7001000MPa,磨料水射流（Abrasive Water Jet,简称AWJ）：,在水射流中混入一定数量磨料微粒，磨粒质量大且锋利，切割能力比水射流大得多，2030MPa 即切动金属。,磨料浆体射流（Abrasive Suspension Jet,简称ASJ）,磨料浆体直接泵送，切割能力比磨料水射流大得多。,ASJ,在时切割碳钢,比AWJ 207Mpa下效率还高,，,ASJ在207MPa切割硬陶瓷深度是AWJ在349MPa,时,的2倍,。,磨料射流井下无污染射孔割缝增产，低渗油藏开采。,9.2 磨料射孔原理和影响因素,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.2 磨料射孔原理和影响因素,根据水动力学动量,-,冲量原理，固体颗粒受水载体加速，高速冲击套管和岩石，产生切割作用。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,2影响因素,9.2 磨料射孔原理和影响因素,流体参数,射流压力,喷嘴直径,喷嘴型式,射流功率,流速 流量,流体性质,射流反冲力,磨料参数,磨料类型,磨料流量,磨料粒度,混合管直径,工况参数,进给速度,靶距（喷距）,流道数,入喷射角,切割体积,切深或切宽,比能,靶件参数,靶件强度,靶件硬度,靶件孔隙度,靶件渗透率,1.压力,2.排量,3.磨料类型,4.磨料浓度,5.磨料粒度,6.岩性,7.围压,8.时间,3实验参数,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,高压泵组,磨料射流实验装置,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,磨料加砂系统,喷嘴,岩样,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,2.压力对射孔深度的影响,磨料射流射孔能力随压力的升高而增强，压力超过30MPa后，射孔深度增加趋缓；,压力为40MPa时的射孔深度为25MPa时射孔深度的2倍。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,3.排量的影响,随排量增大射孔深度明显增加。当排量由153L/min增加到213L/min时，尽管压力由40MPa下降到30MPa，但射孔深度变化不大。,排量大孔径明显增大，且孔中残留砂粒少,。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,4.磨料类型的影响,相同条件下，石榴石的射孔深度要比石英砂的射孔深度大。,硬度大、带棱角的磨料材料射孔效果好。,考虑到成本、原料来源等因素，现场可采用石英砂。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,5.磨料浓度的影响,存在最佳浓度范围；最佳浓度值与磨料性质，岩石性质及射流的能量有关。,本实验条件下最优浓度范围为6%8%。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,6.磨料粒度的影响,存在最佳粒度范围。本实验条件下为0.4-0.6mm。,磨料的最佳粒度值与靶件的脆塑性有关。脆性材料的最佳粒度值范围比柔性材料的范围大。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,7.射孔时间的影响,射孔深度与时间关系曲线,每种压力下在射孔初始，随时间的增加射孔深度迅速增加，一定时间后（本实验为,15min,）射孔深度基本不再增加，孔眼直径继续扩大。,实际应用时，射流射孔时间宜控制在1530min。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,8.岩性的影响,岩性对水力喷砂射孔能力有较大影响，随岩石强度的减弱，射孔深度增大。,当水泥岩样抗压强度由,18.19MPa,降低为,11.51MPa,时，喷射5min后的孔深由,23.4cm,增加到,32cm,。,1：3,1：2,褐砂岩,红砂岩,cm,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.3 参数影响实验研究,9.围压的影响,其他条件相同时，围压增加，射孔深度减小。,压力相同条件下（30.0MPa），围压由0增加至8.5MPa时，射孔深度从23.4cm减少到9.0cm。,围压从8.5MPa增加到20.0MPa时，射孔深度从9.0cm减少到5.5cm。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.4 磨料射流射孔及割缝地面试验,最大射深：,780mm,移动距离：,210mm,实验条件：泵压：,26MPa,时间：,15min,1号孔,600mm,，孔径,70mm，11min,；2号孔长,520mm,，孔径,65mm,3min,。,实验条件：泵压：,26MPa,射穿处,1：4混凝土,1：4混凝土,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.4 磨料射流射孔及割缝地面试验,2.天然砂岩射孔实验,磨料射流在压力2122Mpa，时间8.59.5min条件下：,套管上孔径达1011mm；天然砂岩上最大孔径3060mm，射孔深度可达到780mm。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.5 现场试验,1.,喷射参数的优化设计,压力排量：,30,40,MPa,喷射时间：,15,30 min,磨料类型:,石英砂,磨料浓度：,6%,8%,磨料粒径：,0.4,喷 射 液：,稠化剂HPG 0.2-0.5%,，,防膨剂KCL1-2%或DTE0.2-0.3%,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.5 现场试验,2.,现场施工工艺,(1)通井检查套管是否破损；,(2)洗井两周，用防膨液替出井筒内液体；,(3)下入喷枪及施工管柱；,(4)进行磁定位校深，保证喷枪下到正确位置；,(5)装满足要求的井口，井口要用绷绳加固；,(6)接好地面管线，走泵试压合格后，打开油管和套管闸门；,(7)前置液试喷，根据试喷情况可现场调整施工排量；,(8)携砂液喷砂射孔；,(9)顶替携砂液出井筒；,(10)必要时可以在顶替干净后关环空对产层进行高压挤注增产,(11)关油、套管闸门，施工结束。,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.5 现场试验,3.,现场施工效果,现场试验11井次,能很好解除油层污染，对油层堵塞原因引起伤害的低产井，可以起到射孔解堵增产的双重目的。,1.不宜压裂井射孔增产,2.低渗透地层改造,3.水力喷砂割缝,4.定向水力喷射压裂,5.喷砂处理水泥塞和坚硬地层,第九章,磨料射流射孔研究与实验,生产初期常规炮弹射孔并加砂6m,3,压裂，试油产能低（6m,3,/d）。,因固井质量差，常规射孔不宜进行压裂改造，故采用磨料射流射孔，提高井底完善度。,设计用3个喷枪，每枪3个喷嘴，按120,0,夹角排列，共射9孔。,经喷砂射孔后抽汲求产，日产油8.0 m,3,，不含水，施工效果良好。,9.5 现场试验,4.,现场施工井例-,史125井,第九章,磨料射流射孔研究与实验,9.5 现场试验-,施工和生产曲线,第九章,磨料射流射孔研究与实验,利用高压水射流破岩钻孔原理，在生产层创造出较大深度的清洁无阻的油气通道，射孔深度达3.0米之多，孔径达14-25毫米，可有效克服近井地层污染，是新井完井、低渗改造的一项有效新技术。,工作压力：50-70 MPa 工作介质：清水或射孔液,喷嘴直径：2.0-3.0 mm 孔眼直径：14-25 mm 孔眼长度：3 m,高压水射流深穿透射孔,第十章,高压水射流深穿透射孔,第十一章,水力定向喷射辅助压裂,11.1 问题的由来,压裂改造是油气井特别低渗地层增产的主要措施。有30%原油产量是通过压裂获得的。,裂缝起裂位置及扩展方向难以控制，易水串水淹，直接影响着压裂施工成败，是国内外未解决的世界性难题。得到国家863计划支持。,从分析射孔孔眼的应力分布入手，计算孔眼处水力裂缝的起裂压力、延伸压力，预测起裂位置和扩展方向，探讨射流定向射孔辅助压裂的可行性。,11.2 水力射孔孔眼的应力分布模型,射孔,井眼模型如图,所示,假设地层为均质、各向同性、线弹性体,，水力射孔井壁上的三个主应力分量为：,第十一章,水力定向喷射辅助压裂,11.3 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展,按最大拉应力破坏准则，井壁上某一个平面最大张应力达到井壁岩石的张性破裂压力（即抗张强度）时，就会在该平面起裂，逐渐延伸。让该最大拉应力等于岩石拉伸破裂应力，就可计算出破裂压力。孔眼井壁上局部主应力最大值为：,拉伸区内裂缝以角度,方向扩散：,第十一章,水力定向喷射辅助压裂,11.4 水力射孔辅助压裂可行性,计算不同方向破裂压力可以看出，平行于最小水平主应力方向射孔，地层的破裂压力较大；平行于最大水平主应力方向射孔，地层的破裂压力较低，即沿着最大水平主应力方向射孔，有助于辅助压裂。,高压水射流定向射孔容易实现射孔方向与最大水平主应力方向一致，降低破裂压力和裂缝延伸压力，而且喷射出来的孔道较深，可以控制压裂裂缝在近井筒地带的转向，在裂缝的扩展过程中起到导向孔作用，有利于产生单翼或双翼裂缝，为油田增产增注，特别是低渗透油藏开发提供一种有效手段。,第十一章,水力定向喷射辅助压裂,水力喷射压裂技术是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产措施工艺，利用一个带喷嘴的喷射工具产生高速流体穿透套管、岩石，并在地层中形成孔洞，随后的高速流体直接作用于孔洞底部，产生高于地层破裂压力的压力，在地层中造出一条单一的裂缝。,11.5 水力喷射水平井分段压裂,第十一章,水力定向喷射辅助压裂,11.6 水力射孔辅助压裂参数初步分析,1.,孔深和射孔方向对裂缝延伸压力的影响,射孔长度的增大，有利于裂缝沿射孔方向延伸和扩展，而且裂缝的延伸压力有所降低。,射孔方向和水平主应力差值是主要的影响因素。,孔眼直径越大，泵注排量就越大，单孔最佳流量也就越大。孔径至少为支撑剂颗粒直径的6倍。,孔密过大将增加压裂液的滤失，孔数过少将增加孔眼摩阻，使泵注排量受到限制。,控制孔眼数量来控制井筒内的压力和孔眼摩阻损失，进而获得较理想的压裂裂缝。,第十一章,水力定向喷射辅助压裂,第十二章,自激波动注水原理与实验,注水开发过程中，由于水质不达标，所含污油和机械杂质等易造成近井地层堵塞导致渗透率下降。必须采取各种物理化学增注措施提高地层渗透性。,自激波动注水技术利用射流动力学原理研制的自激波动水嘴与常规配水器结合，高压水通过自激波动器产生水力波作用，边注水边解堵，从源头解决注水堵塞问题，提高了地层的渗透性，降低注水能耗，延长有效注水时间。,12.1 问题的由来,12.2 自激波动注水能量在地层中传播模型,U为流体质点的位移；Ux为位移对时间的一次偏导；u,x,为速度对时间的一次偏导。,固相质点振动方程,液相质点振动方程,用差分方法求出任意两点间的质点振动位移A，即可得到波动能量在其间的衰减变化。,第十二章,自激波动注水原理与实验,12.3,振动波在井筒内的传播特性实验,图3-1 实验装置简图,轴向14窗口，20，40，60，90，120，,，600 cm；,径向10位置，0，3，6，10，20，,110 cm。,第十二章,自激波动注水原理与实验,12.3,振动波在井筒内的传播特性实验,5频率段：02 kHz,24 kHz,47 kHz,712 kHz,1220 kHz,功率谱值随着径向距离的增加而逐渐减小，在近套管壁处信号衰减较快，随后减缓。,1,#,点712 kHz功率谱随径向距离变化,第十二章,自激波动注水原理与实验,12.3,振动波在井筒内的传播特性实验,功率谱信号随着轴向距离的增加而衰减，但在不同的频率段及轴向距离段衰减速率不同。,在600cm处0-2KHz振动波下降12%，7-12 KHz振动波下降17%，12-20 KHz振动波下降20%。,712 kHz功率谱随轴向距离变化,能够满足注水工艺需要，可作为自激波动注水的振动源。,第十二章,自激波动注水原理与实验,12.4 自激波动注水技术与应用,由壳体、活塞、上接头、自振空化射流喷嘴四部分组成，,整体外形尺寸：长500 mm，最大外径112 mm。,第十二章,自激波动注水原理与实验,38059井注水压力逐步下降，水量逐渐上升，在完成150m,3,配注情况下，压力下降了5.8兆帕。,日注水量（m3/d）,12.4 自激波动注水技术与应用,第十二章,自激波动注水原理与实验,12.4 自激波动注水技术与应用,现场11井次实验表明，平均注水压力下降，平均单层日注水量增加,29m,3,，注水周期延长4个月。自激波动注水改变了传统注水方式，源头上边注水边防堵解堵。,第十二章,自激波动注水原理与实验,第十三章,高油气比井射流增效,通过井筒多相流动计算模型和井下特种工具控制井筒中流体力学参数来调节井筒中流动特性,：,井筒流态,，,井筒流压,，,井筒流速。,对于有杆泵采油，实行,三级优化系统：,第一级优化，气锚系统,第二级优化，泵下装置射流管,第三级优化，泵上装置射流杆,中高油气比井，气体容易进泵影响泵效，同时影响举升效率。,技术原理和路线,改善井筒流动特性,生产层,油 管,套 管,抽油泵,气 锚,射流管,射流杆,流动漩涡,宽截面,过渡区,窄截面,气锚系统与泵下装置联合工作，使得气体在气锚装置内和环空中发生分离，环空中产生射流泵作用，降低漩涡区的压力。,射流杆（泵上装置）使泵上气体提前释放，泵上部均匀分散气液混合物（雾状流），减小泵上部流体密度，降低泵出口压力，提高举升效率。,第十三章,高油气比井射流增效,开发一套工艺设计软件，输入有关数据，最终形成每口特定井的射流增效工具设计、施工工艺设计书及相关图表。,3,，日增油1.71t，提高泵效10%左右，为油田高油气比井增产增效的提供了一项有效技术。,第十三章,高油气比井射流增效,14-1,煤炭 石油 矿业,14-2,炼油 化工 电力,14-3,交通 铁道 船舶,14-4,冶金 机械 轻工,14-5,土木 建筑 民用,14-6,军工 航天 核工,14-7,医疗 医学,第十四章 高压水射流工业应用,14-1,煤炭 石油 矿业-,采煤 采矿 钻井 钻孔 掘进 除尘 降尘,降低钻削力和推进力,提高钻掘速度，降低成本,降低灰尘和摩擦火花，减少事故,（降低70%80%）,降低刀具磨损，延长寿命,第十四章 高压水射流工业应用,14-2,炼油 化工 电力,-,管道 锅炉 换热器的清洗和除垢,常规化学法：,成本高，污染腐蚀严重,水射流方法：,成本低，效率高，无污染,机械化自动化程度高，适用范围广,一般 3570Mpa，25190L/min,75350HP,超高压 200280Mpa，3.8523L/min,第十四章 高压水射流工业应用,14-3,交通 铁道 船舶,路面开挖修整,飞机跑道清胶,船体清洗除锈,铁路车斗清洗,第十四章 高压水射流工业应用,14-4,冶金 机械 轻工,-,切割 除锈 除鳞 去毛刺 表面处理,与机械切割相比：,提高切割速度,切边无损伤，保证切割质量,切割无粉尘，改善工作环境,与激光切割相比：,对材料无热损害,无电磁辐射,不产生有毒有害气体,不产生电气伤害,与干喷砂除锈相比：,无粉尘，易清理,第十四章 高压水射流工业应用,14-5,土木 建筑 民用,应用,：,喷射注浆，加固地基,古建筑、古基础保存和再利用,防砂，固沙,地下水污染隔离,切割拆除废旧建筑,铺设或疏通沟渠管道,特点：,施工简便，不影响原有建筑,速度快、成本低、注入加固材料可选择,噪音小、无振动、无污染,第十四章 高压水射流工业应用,14-6,军工 航天 核工业,-清除炸药、火箭推进剂、核废料,机械切割法,控制爆破法,水射流切割法：安全、高效,远距离遥控作业,选择性切割,无火星火花,废料控制回收，无污染,第十四章 高压水射流工业应用,14-7,医疗 医学-,不出血手术,肝切除,胆囊摘除,腹腔内粘连剥离,第十四章 高压水射流工业应用,谢谢各位专家,欢迎批评指正,