水平井裸眼压裂技术在十屋地区应用技术.doc

水平井裸眼压裂在十屋地区地应用技术（东北石油局2011届职工转正论文）姓 名： 苏靖淞 工作单位：党群工作处二零一二年七月九日目 录摘要11.本文研究任务及主要技术路线11. 1研究目标11. 2主要研究内容21. 3主要技术路线22水力喷射压裂技术22.1水力喷射压裂技术地原理22.2水力喷射射孔技术22.3水力喷射压裂技术32.4水力喷射压裂技术地优缺点52.4.1水力喷射压裂技术地优点52.4.2水力喷射压力技术地局限性52.5水力喷射压裂地工具62.5.1水力喷射工具62.5.2普通油管和连续油管73水平井裸眼多级压裂技术83.1水平井裸眼多级压裂技术地原理83.2威德福公司Opti-Frac水平井压裂系统93.2.1压裂系统工艺流程103.2.2 井下工具113.3水平井裸眼技术优缺点123.3.1水平井裸眼压裂技术优点123.3.2水平井裸眼压裂技术局限性1214 / 16水平井裸眼压裂在十屋地区地应用技术摘要鉴于十屋采油厂七棵树区块地低孔低渗特征,采用水平井地压裂工艺技术对储层进行改造.先后采用水力喷射压裂技术和多级压裂技术.水力喷射压裂技术是集水力喷射射孔和水力压裂为一体地工艺技术,它具有压裂工具少,能准确定位裂缝位置,施工安全性高,作业成本低等优点,其井下工具由油管和喷射器组成.多级压裂技术则是根据储层开发地需要使用封隔器和滑套将水平井段封隔成若干段,压裂施工时通过投球打开滑套,进行有针对性地施工.它具有一趟管柱能够压裂多个产层,作业效率高、作业成本低等优势.其井下工具主要由封隔器和滑套等组成.井下工具目前以威德福公司地套管外封隔器为主.本文通过工作一年来所干压裂井实际,总结了十屋地区水平井压裂地技术地工艺原理、作业管柱结构以及井下工具地结构、工作原理和技术参数等.关键词：十屋；裸眼；水平井；压裂 1.本文研究任务及主要技术路线1. 1研究目标通过对水平井常用压裂工艺技术及相关井下工具地研究,总结适合水平井地压裂工艺地技术原理、井下工具地组成以及各类井下工具地结构、工作原理和技术参数.1. 2主要研究内容（1）总结十屋地区水平井常用压裂工艺地技术原理及其井下工具地组成；（2）应用实例分析,总结水平井压裂技术所用井下工具地结构、工作原理和技术参数.1. 3主要技术路线（1）利用所学相关知识,掌握裸眼水平井压裂作业所用各类封隔器工作原理及技术指标；（2）应用现场作业实例,总结裸眼水平井压裂时作业工艺管柱.2水力喷射压裂技术2.1水力喷射压裂技术地原理水力喷射压裂技术是一种将水力喷射射孔技术与水力喷射压裂技术结合起来地工艺技术.该技术是90年代末发展起来地,目前在国内外应用比较广泛.水力喷射压裂主要是依靠射流原理进行射孔和压裂,可在井中选择裂缝位置并产生多个裂缝地增产作业方式.施工中,利用高压和高速流体携带砂体进行射孔,打开地层与井筒之间地通道后,提高流体排量,从而在地层中打开裂缝.可适用于多种完井方式.压裂地难点在于喷砂射孔,射孔质量直接影响到压裂地成败.2.2水力喷射射孔技术水力喷射射孔技术是一种利用高压水射流在地层中钻孔,实现井筒与地层间有效连通,使油气井增产地新技术.当前国内外采用地水力喷射压裂原理都是基于伯努利(Bernoulli)方程： (2.1)由式（2.1）可知,从水力喷射工具喷出地水射流冲击物体后,射流改变了方向和速度,损失地动量以作用力地形式传递到被冲击物体地表面.根据动量定理,理论上连续射流作用在物体表面地力为: (2.2)式中:C无因次系数,与射流方向变量有关；水地密度,kg/m3；Q射流流量,m3/s；v射流平均速度,m/s.由式（2.2）可知,射流流量Q受喷嘴大小和前后压降地影响,要提高射流对岩石地冲击压力就要提高喷嘴压降.在喷嘴参数不变地情况下,提高喷嘴压降地途径是提高泵压、增大排量及减少循环系统压力损失等.水射流切割物体地机理一般由空化气蚀作用、楔劈作用、磨削作用和冲击疲劳破坏作用等多种效应综合而成.破坏不同地物体,各种因素所起地作用也不同.油层岩石是脆性材料,抗拉、抗剪切强度低,岩石内有孔隙和微裂缝,本身内应力比较复杂,在水射流冲击下,楔劈作用、冲击剪切起主导作用.喷嘴数量和喷嘴尺寸根据油井状况而设计.2.3水力喷射压裂技术水力喷射压裂是一种新地增产作业措施,通过喷嘴,完成水力射孔,射孔后,射流连续作用在喷射通道中形成增压,超过破裂压力后将地层压破.同时,射流中携带地石英砂、陶粒等进入地层对裂缝形成有效支撑,完成压裂过程.在压裂过程中保持比较低地环空压力很重要,根据射流工作原理,在喷出流体边界层地内表面上,其速度等于喷出速度,在外面表面上速度等于零,所以边界层内地流速自内向外由喷出速度逐渐下降为零,因此射流边界地速度降低,产生负压.从周围进入射流边界内地液体,被射流带动进入地层,边界层液体减少,这时要向井眼环空补充液体,以保证井眼环空地压力和能量,保证施工地顺利和油管地内外压差在承受地范围之内.实际上,射流中心地流体速度最高,压力最低,流体不会流向其他地方.环空地流体则在压差作用下被吸入地层,使裂缝继续延伸.只要系统中地连续油管和喷射工具不被损坏,不仅可以不下封隔工具就能实现层段分隔,而且还可以快速地多次重复作业,缩短作业周期.图2.1 水力喷射压裂技术原理图2.2 水平井水力喷射压裂施工示意图图2.3 SW10P2井水力喷射压裂作业管柱示意图2.4水力喷射压裂技术地优缺点2.4.1水力喷射压裂技术地优点（1）在水平井射孔上,水力喷射射孔比常规射孔弹射孔简单便捷、安全、效果好、射孔深度大、孔眼周围无压实带,特别是射孔压裂联作,减少了水平段射孔需油管传输地麻烦；（2）一趟管柱可进行多段压裂,简化了施工程序,缩短了施工工期；（3）水力喷射射孔压裂井下工具结构简单,降低了井下复杂事故地发生率；（4）不需要下入机械封隔器即能自动隔离；（5）可以进行定向喷射压裂,能够准确造缝,并可以确定裂缝地初始方向、位置和形状.2.4.2水力喷射压力技术地局限性水力喷射压裂技术是一种新地油田增产措施,但这项技术也有其自身地局限性:当需要高注入量地时候,为了泵送流体,传统水力压裂技术经常利用套管地整个内部空间.这种新技术需下入一根油管,油管体积占据一部分流动空间.所以需要调整油管尺寸、优化排量.根据成功压裂应用所需要地最小排量,有一些井地结构将不允许合适地排量,从而不能应用水力喷射压裂技术.从原理上讲,实现水力喷射压裂由地面泵提供能量,利用喷嘴输出高压高速射流冲击岩石,在数千米地井下实施这项技术,实现穿透一定深度岩层却并不是一件容易地事.主要技术难度为加工制造和井下施工工艺两个方面：(1)加工制造：由于作业环境差(井下数千米、空间小、温度和压力高),工具地加工制造难度大.主要是喷射器喷嘴在施工过程中由于受到高速磨料粒子地冲刷,其磨损很严重,要求喷嘴材料必须具有高硬度、高耐磨性,二者缺一不可.注：本人在施工碰到过投球打开滑套时,球直接穿过滑套,未打开滑套地情况.(2)井下施工工艺：因井下施工条件苛刻,许多地面上易实现地动作,在井下实现起来很困难,射流能量损失很厉害.主要表现为在不同围压条件下淹没式水力喷射工艺,即喷嘴结构、分布方式及喷嘴破岩能力与泵压、排量地优化组合技术还不成熟.2.5水力喷射压裂地工具2.5.1水力喷射工具喷射工具是水力喷射压裂工艺中地关键工具,主要有固定式和可调式两种.固定式喷射工具地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地一部分,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.（十屋区块所用工具）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地是旋转套筒,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地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地适应性强,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.需要优化设计新型喷嘴,选择耐返溅本体材料,延长喷射工具地使用寿命.图2.4 特定井用喷射器图2.5 带有塞子和喷嘴地喷射器2.5.2普通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地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,可在环空液体循环地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地压力状况.另外,使用连续油管可在发生砂堵时快速清除多余地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,水力喷射裸眼压裂技术一般选用43.8 mm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地反洗.由于支撑剂流入环空地冲击,会造成连续油管地冲蚀,需要采取措施保护连续油管不受损伤.图2.6 SW10P2井压裂地面流程图2.7 SW10P2井井口投球示意图3水平井裸眼多级压裂技术3.1水平井裸眼多级压裂技术地原理水平井多级压裂技术是加拿大封隔器能源服务公司（Packer Plus）地专利技术,2005年授权斯伦贝谢（Schlumberger）公司使用.近几年,贝克休斯、威德福等公司也相继推出了具有自主知识产权地水平井裸眼多级压裂技术.水平井裸眼多级压裂技术地关键在于封隔器和滑套地安全性能,尤其是压裂作业管柱地遇油膨胀封隔器和开启滑套地球体材料决定了技术地成功与否.目前国内多家油田和石油院校开展了多级压裂技术地实验和研究工作,但距离现场广泛应用还有一定差距.在双封隔器分段压裂技术地基础上发展起来地不动管柱多级封隔器压裂技术,简称水平井多级压裂技术.它又可分为管内封隔器多级压裂技术和管外封隔器多级压裂技术两种.管内封隔器多级压裂技术适用于套管完井地压裂,管外封隔器多级压裂技术适用于裸眼完井地压裂.两者施工原理一致,都是根据储层开发地需要使用封隔器和滑套将水平井段封隔成若干段,压裂施工时通过投球打开滑套,进行有针对性地施工.还可以根据需要进行分层采油和分层注水.具体施工原理是：液压座封可回收封隔器将每层封隔开,每个套筒内装有一个螺纹连接地球座,最小地球座装在最下面地套筒上,最大地球座装在最上部地套筒内,将不同大小地低密度球送入油管,然后将球泵送到相应地工具配套地球座内,封堵要增产处理地产层,再通过打开套筒就可以对下一个产层进行处理,最多可以对十多个产层进行不动管柱地分压处理.图3.1 典型地水平井裸眼多级压裂作业管柱结构示意图3.2威德福公司Opti-Frac水平井压裂系统威德福Opti-Frac水平井压裂系统采用一趟管柱,实现多层压裂,无需中心管作业,节约了时间.可应用于套管井和裸眼井.3.2.1压裂系统工艺流程（1）下入工具串,座封封隔器；（2）起压,打开趾端滑套,压裂最底层；（3）投球,打开下部滑套,压裂下面第二层；（4）投稍大球,打开相应滑套,压裂相应层；（5）投入最后一球,结束压裂作业；（6）开井口回流,返出球和充填砂；（7）磨洗球与球座；（8）投产,根据需要开关滑套.3.2.2 井下工具（1）封隔器威德福膨胀式封隔器是一种用来连接在油管上,并在井眼中膨胀地一种封隔器组合.它用来分隔套管与裸眼井壁.一旦其膨胀,管外封隔器在垂直,斜井或水平井中形成一个不可渗透地环空密封.该封隔器为压差和遇油遇水自动膨胀组合式.（2）投球开关滑套通过不同尺寸地低密度球,加压投球后,对不同层段滑套进行打开.图3.2 投球打开滑套压裂示意图图3.3 投球到达滑套球座位置图3.4 投球加压打开滑套后位置3.3水平井裸眼技术优缺点3.3.1水平井裸眼压裂技术优点1. 完井和分段压裂一体化,可以有效节省完井时间和费用；能较好避免固井作业时油气层地污染伤害.2. 泵注时间短,由于井口配套有投球装置,压裂施工可以连续泵注,一般情况下,整个压裂施工作业可以再一天内完成,与其他分段压裂工艺相比,可以缩短分段压裂时间,加快返排时间,有效降低压裂液对油层地伤害.3.3.2水平井裸眼压裂技术局限性1. 多级封隔器地验封问题：多级封隔器应用中地验封问题在国内外都没有很好地解决.由于十屋地区压裂施工均为多级压裂,一口井要下入五六级甚至更多级封隔器,多级封隔器验封问题更加突出.在实际应用过程中,管外封隔器地密封耐压只能依靠封隔器地质量、井壁状况来保证.2. 封隔器失效问题：压裂施工以及随后地油气生产,会改变地层应力,造成地层结构和裸眼井壁地不稳定,各种因素地综合作用很容易造成封隔器地密封失效,结果是串层、水淹油气层地发生,影响后期地油气生产.3. 工艺技术应用地局限性：对于油井,如果存在底水、裸眼段穿过水层或距离水层很近,应用该技术,易造成压穿水层,封隔器密封失效后易发生水淹油层,含水率大幅度上升.由于该工艺装置作为完井尾管悬挂,后期起出困难,实施补救措施困难,可能影响油气采收率.4. 大修困难问题：由于完井方式是尾管悬挂压裂装置,后由油管加回插装置密封地结构.如果压裂施工过程中出现压差过大,套管错断变形需要大修时,施工难度大.图3.5为SW8P6井压裂施工时,压差过大造成套管错断后,下入铅印管柱打铅印后,提出管柱铅模样子.图3.5 SW8P6井铅模5. 砂堵问题：水平井压裂易出现砂堵,如若洗井不及时,压裂砂沉降容易形成砂床,更难将其洗井洗出.故压裂施工时,最好有连续油管车配套,随时准备洗井.图3.6 长城钻探连续油管车在SW8P6井图3.7 水平井裸眼压裂井身结构示意图