水力喷砂分段压裂优化设计与施工_陈作.pdf

第 32 卷 第 3 期2010 年 5 月石 油 钻 采 工 艺OIL DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGYVol.32 No.3May 2010文章编号：1000 7393（2010）03 0072 04水力喷砂分段压裂优化设计与施工陈作1王振铎1郑伟1邱晓惠1孟祥燕2（1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2.新疆油田公司工程技术处，新疆克拉玛依834000）摘要：依据水力喷砂分段压裂的技术特点结合常规加砂压裂设计方法，建立了水力喷砂分段压裂优化设计方法。通过数值计算，给出了喷嘴数量与施工排量的匹配关系曲线和环空压力与排量的关系曲线，借助实验手段，模拟现场油管与环空注入压裂液的比例研究了压裂液混合液的黏弹性恢复能力和耐剪切性能，为现场水力喷砂射孔喷嘴数量、排量和射流速度的设计，加砂压裂油管和环空排量的优化提供了参考。关键词：水平井；水力压裂；喷砂射孔；喷嘴；射流参数；设计；施工中图分类号：TE357.1文献标识码：AHydraulic sand blasting segregated fracturing optimization and operation technologyCHEN Zuo1,WANG Zhenduo1,ZHENG Wei1,QIU Xiaohui1,MENG Xiangyan2(1.Langfang Branch,Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Langfang 065007,China;2.Engineering Technology Department of Xinjiang Oilfield Company,Karamay 834000,China)Abstract:Based on the characteristics of hydraulic sand blasting segregated fracturing technology,combined with the conven-tional sand fracturing methods,a new method of hydraulic sand blasting segregated fracturing optimization is developed.Through numerical calculation,the curves showing the match of nozzle number with operation displacement and the correlation between annular pressure and displacement are given in this paper.The proportion of the oil tube and the fracturing fluid with annular water injection is simulated;viscoelasticity recovery capability and shearing resistence property of fracturing fluid mixture are studied.All this provides guidance and reference for the design of nozzle number,displacement,and jet flow velocity of hydraulic sand blasting perforation,and the optimization of sand fracturing oil tube and annular displacement.Key words:horizontal well;hydraulic fracture;sand jet perforation;nozzle;jet flow parameter;design;operation 作者简介：陈作，1968 年生。1991 年毕业于西南石油学院油藏工程专业，主要从事低渗透油气藏压裂酸化理论与现场应用研究工作，高级工程师。E-mail：。水力喷砂分段压裂技术是集喷砂射孔与加砂压裂联作的储层改造技术，为确保其成功实施，既要优化设计水力射流参数以射开套管与水泥环建立井筒与地层的沟通，又要优化加砂压裂设计以延伸水力裂缝，使缝长、缝高等裂缝参数达到设计要求。1水力喷砂压裂优化设计Method for hydraulic sand blasting fractur-ing optimization水力喷砂压裂设计主要包括两部分：一是水力喷砂射孔设计，二是水力加砂压裂设计。水力喷砂射孔设计主要优化油管排量和喷嘴直径与数量，获得射开套管和水泥环的射流速度，沟通井筒与地层，同时在地层中形成裂纹，克服破裂压力，以延伸水力裂缝。水力加砂压裂设计主要优化环空排量以延伸水力裂缝，同时通过控制井底压力使已压开裂缝不再开启，达到分段压裂的目的，此外还要优化泵注程序获得合理支撑剖面。因此，水力喷砂压裂设计需综合考虑喷嘴数量与射流速度、油管排量、环空排量与泵注程序等，见图 1。陈作等：水力喷砂分段压裂优化设计与施工73图 1水力喷砂压裂优化设计示意图Fig.1Sketch showing the principle of casing cutting with hydraulic perforation1.1水力喷砂射孔设计 Hydraulic sand blasting fracturing perforation design水力喷砂压裂首先要射穿套管和水泥环，建立地层吸液通道，而多种因素影响射穿套管和水泥环。（1）水力喷砂射孔切割套管的主要影响因素。携带石英砂的水射流颗粒垂直冲击套管表面，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。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，反复冲击，最终在套管上形成大于喷嘴直径的孔眼。因此，影响水射流切割套管的主要因素有砂粒冲击速度、砂粒含量、砂粒磨料性质和套管材料性质等，砂粒的冲击速度是决定因素，它取决于喷射压力及喷嘴直径等因素。（2）水力喷砂射孔切割岩石的主要影响因素。水力穿透套管后即直接冲蚀切割水泥环和近井地层岩石，在一定压力下，砂粒的冲击速度远远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。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。（3）水力喷砂射孔设计。喷嘴数量与施工排量。水力喷砂射孔关键在于射流速度，对于油田常用的钢级（N80、P110）和壁厚（7.72 mm、9.17 mm）的套管，射流速度一般要达到 131198 m/s。图 2 模拟计算的是射流速度 198 m/s 条件下喷嘴数量与施工排量的关系曲线，结果表明，若使用直径 5.06.35 mm 的喷嘴 610 只，则其对应的排量不超过 1.43.8 m3/min，即对于直径 6.0 mm 的单个喷嘴，施工排量应控制在 0.35 m3/min 以下；如使用 68 只喷嘴，则油管施工排量为 2.02.8 m3/min。图 2射流速度 198 m/s 条件下喷嘴数量 与排量的关系Fig.2Matching of nozzle number with displacement with the jet flow velocity being 198 m/s喷射磨料与浓度。含砂液流场模拟计算表明，由于砂粒的惯性力较大，砂粒速度衰减较慢，并且会对砂粒周围的微细水流具有带动作用，对于切割套管更为有利，见图 3。因此，射孔液中应加入一定浓度磨料，磨粒的粒度应以中等粒度（0.40.8 mm）为好，浓度一般为（68）%，对大多数磨料，有锐角的颗粒切割效果比球状颗粒好。图 3喷嘴外部水和砂粒的加速情况Fig.3Speedup of water and sand outside nozzle1.2加砂压裂参数设计Parameter design and sand fracturing（1）环空排量。为了获得一定大小的井底压力以延伸水力裂缝，必须从环空建立井底压力，同时，在下一井段的压裂施工过程中，为使已压开井段裂缝不再开启，必须控制井底压力在已压开井段的裂缝延伸压力以下。环空压力计算公式为pc=p延伸p静+p摩 （1）根据裂缝延伸压力梯度和套管限压计算，低于裂缝延伸压力条件下的环空最大注入排量见图 4，结合压裂井压裂施工控制井底压力和施工井段所需的总排量来确定环空注入排量。石油钻采工艺2010 年 5 月（第 32 卷）第 3 期74图 4环空压力与环空排量的关系Fig.4The curve showing the correlation between annular pressure and displacement（2）施工砂液比。砂液比计算模式与常规压裂相同，由于施工过程中环空要注入压裂液基液，相当于稀释了混砂液浓度，要达到设计的平均砂液比，油管中则应增加相应的砂浓度。（3）泵注程序设计。按常规的加砂压裂设计方法来设计泵注程序，不同之处在于不仅要考虑油管注入，还要考虑环空注入。1.3压裂液体系与配方优选 Optimization of fracturing fluid system and for-mula（1）水力喷砂压裂对压裂液的要求。因水力喷砂压裂喷嘴的高速剪切、油管与环空同时注入等特点，对压裂液提出了要求：压裂液经过喷嘴高速剪切后需要具备黏度恢复能力；油管交联冻胶与环空注入压裂液基液混合后具有较好的携砂能力、低摩阻。（2）压裂液体系优选。评价常规胍胶、超级胍胶和羧甲基胍胶高剪切后黏度恢复能力和摩阻等性能，认为羟丙基胍尔胶体系较超级胍胶具有更好的黏度恢复能力和低摩阻，符合水力喷砂压裂施工要求。环空注入的基液浓度与油管注入的液体浓度相当时，混合液黏弹性恢复较快，耐剪切性能良好。2水力喷砂压裂施工工艺Hydraulic sand blasting fracturing operation technology水力喷砂压裂射孔与加砂压裂联作，在施工工艺上对压裂施工设备、压裂材料与常规水力压裂不同。2.1 施工要求 Operation requirements（1）使用油管和环空双注入系统，在一个仪表车上可以监测油、套管排量、压力和砂液比。（2）对支撑剂两次过筛，或在混砂车砂斗处增加筛网，以免直径大于 4 mm 的大颗粒杂物堵塞喷嘴。（3）喷砂射孔结束后，从环空注液，测试地层吸液情况，判断喷砂射孔后井筒与地层连通情况，避免射不开井筒死区导致风险，确保施工安全；喷砂射孔结束后降排量，在井口关闭套放闸门，视套压上升情况判断喷砂射孔后井筒与地层连通情况。2.2施工步骤Operation procedures（1）现场准备。地面管线循环、试压等。（2）检查喷嘴。用排量 1.0 m3/min 压裂液基液替井筒，检查喷嘴孔眼是否畅通。（3）喷砂射孔。将油管排量从 1.0 m3/min 提高到设计排量，同时开始加入砂液比（6-8）%、粒径0.630.90 mm 石英砂，达到设计砂量后，用压裂液基液顶替完整个油管和环空容积。（4）地层破裂并延伸裂缝。达到设计顶替量后将排量降至 1.01.5 m3/min，在井口关闭套放闸门，若套管压力在快速上升一段时间后保持稳定，说明地层顺利压开，则将油管排量提高到设计排量，开始环空注入压裂液基液。（5）加砂压裂。按泵注程序进行加砂压裂，前置液阶段油管注入交联冻胶，环空注入基液；携砂液阶段油管注入混砂液，环空注入基液，顶替阶段油管和环空均注入压裂液基液。（6）加砂压裂结束后停泵，用直径 2.03.0 mm 油嘴控制放喷压裂液。（7）当井口压力落零后，反循环洗井，上提压裂管柱到第 2 压裂层段。（8）第 2 段压裂。正式施工前用压裂液基液将井筒液体替出，按泵注程序进行第 2 层段的压裂施工。（9）按步骤（3）至（8）依次压裂所需压裂井段。（10）排液求产。压裂施工结束后，用直径 2.03.0 mm 油嘴控制放喷压裂液，当井口压力落零后，反循环洗井，换压裂管柱为生产管柱，排液求产。3现场应用Field application 3.1BJHW601 井的基本情况Basic information of BJHW601 well克拉玛依油田 BJHW601 井是部署在六区石炭系 BJ6112 井西南方向的一口水平井，完钻井深1150.0 m。实钻造斜点 577.00 m，A 点位置 850.14 m（斜深），对应垂深 748.25 m，B 点位置 1150.00 m（斜深），对应垂深 761.55 m，水平段长度 300.98 m。水陈作等：水力喷砂分段压裂优化设计与施工75平井段方位沿最小主地应力方位，方位角 184.78。该井采用 139.7 mm、钢级 N80、壁厚 7.72 mm 的套管完井，套管抗内压强度 63.4 MPa，水泥返至地面，固井质量合格。该井岩性为石炭系火山岩，基质物性差，平均孔隙度 3.79%，渗透率 0.9210-3 m2，但天然裂缝发育，有原生裂缝和次生裂缝两类，原生裂缝主要有层状节理缝和柱状节理缝；次生裂缝主要有构造缝、溶蚀缝。天然裂缝方位分为 3 组，以北东走向裂缝为主，其次是北西走向裂缝，近东西走向裂缝最少。该井地层原始压力系数较高，温度低，压力系数为 1.31.5，地层温度为 22。3.2水力喷砂压裂设计Hydraulic sand blasting fracturing design（1）喷嘴数量。6 只喷嘴和 8 只喷嘴在不同排量下的施工压力和射流速度计算表明，8 只喷嘴在 2.5 m3/min 排量下射流速度可达 184.3 m/s，大于射开套管所需的 131 m/s 的射流速度。井口压力在 50.0 MPa 以下，因此选择 8 只喷嘴。（2）油管施工排量。综合考虑该区块的裂缝延伸压力梯度、压裂液摩阻和水力喷射喷嘴的节流摩阻，计算得到在 8 只喷嘴和施工限压 50 MPa 条件下，油管排量达 2.5 m3/min，依此确定油管排量 2.5 m3/min。（3）环空排量。依据裂缝延伸压力梯度，该井井底裂缝延伸压力为 20.9 MPa，为控制井底压力，环空排量控制在 1.3 m3/min 以下。（4）加砂规模。综合考虑储层对裂缝长度的要求以及降低裂缝在垂向上的过度延伸压窜水层，设计每段加砂规模在 2025 m3。3.3压后效果Effect after fracturing该井 2007 年 11 月分 3 段进行水力喷砂压裂，共计加砂 65.9 m3，压后初期最高产量 37.2 t/d，达到周围直井的 7 倍以上，增产效果十分显著。截至2009 年 12 月，已累计生产原油约 2104 t。4结论与认识Conclusions and recognitions（1）水力喷砂压裂分段压裂技术是一种施工安全性较高的水平井分段压裂技术，受完井方式限制少，具有广阔的应用前景。（2）对水力喷砂射孔射流速度、油管与环空排量等参数进行了优化，对以高速剪切后黏度恢复能力强和携砂性能好为目标对压裂液体系进行了优选。（3）水力喷砂分段压裂因采用小直径喷嘴、喷嘴节流压力高、井口施工压力高，且需环空注入，在深井应用中受到限制。（4）目前的水力喷砂分段压裂以上提管柱分压各段为主，随着技术的进步，应大力发展不动管柱一次分压多段的水力喷砂压裂技术和配套工具，提高水力喷砂分段压裂施工效率。参考文献：References:1 陈作，王振铎，曾华国.水平井分段压裂工艺技术现状及展望J.天然气工业，2007，27（9）：78-80.CHEN Zuo,WANG Zhenduo,ZENG Huaguo.Status quo and prospect of staged fracturing technique in horizontal wellsJ.Natural Gas Industry,2007,27（9）:78-80.2 陈作，孟祥燕，王振铎，等.水力喷砂分段压裂技术在新疆油田水平井上的应用J.天然气，2009，（2）：88-90.CHEN Zuo,MENG Xiangyan,WANG Zhenduo,et al.Ap-plication of hydraulic sand blasting segregated fracturing technology to horizontal wells in Xinjiang OilfieldJ.Natural Gas,2009,（2）:88-90.3 刘永亮，王振铎，胥云，等.水平井储层改造新方法水力喷射压裂技术J.钻采工艺，2008，31（1）：71-73.LIU Yongliang,WANG Zhenduo,XU Yun,et al.A new hyddraulic jet fracturing technique used for horizontal wells stimulationJ.Drilling&Production Technology,2008,31（1）:71-73.4 SURJAATMADJA Jim B.Hydrajet-fracturing stimulation process proves effective for offshore Brazil horizontal wellsR.SPE 88589,2004.5 LOVE T G,MCCARTY R A.Selectively placing many fractures in openhole horizontal wells improves productionR.SPE 74331,2001:219-224.6 王晓泉，张守良，吴奇，等.水平井分段压裂多段裂缝产能影响因素分析J.石油钻采工艺，2009，31（1）：73-76.WANG Xiaoquan,ZHANG Shouliang,WU Qi,et al.Fac-tors affecting the productivity of multi-section fractures in subsection fracturing of horizontal wellsJ.Oil Drilling&Production Technology,2009,31（1）:73-76.7 MCDANIEL B W.Stimulation techniques for low-permeability reservoirs with horizontal completions that do not have cemented casingR.SPE 75688,2002.（修改稿收到日期2010-04-08）编辑景暖