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文檔簡介
高壓水射流在完井增產中的
研究與應用進展匯報提綱前言高壓水射流深穿透射孔磨料射流射孔割縫水力噴射定向壓裂水力噴射分段壓裂水力深穿透徑向水平井水平井射流沖砂洗井結論與認識一、前言60年代末70年代初,美國NSF資助了一項龐大的研究計劃,尋求一種高效的切割破巖方法,提出并試驗了25種新方法,電火花、激光、火焰、等離子體、電化學、高壓水射流等,最后一致公認最可行有效的是高壓水射流破巖方法。高壓水射流技術是近二、三十年來發展起來的一門新技術,正越來越廣泛地應用于煤炭、石油、化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工業部門,用以清洗、除垢、切割、破巖等,提高工效,降低成本,減輕勞動強度,改善工作環境。近年來,出現超高壓射流、空化射流、自振空化射流、磨料射流等新型射流技術。一、前言油氣井工程一.提高射流井底效率二.自振空化射流鉆頭鉆井三.水力脈沖空化射流鉆井四.超高壓射流輔助破巖鉆井五.旋轉射流鉆徑向水平井六.連續管洗井與小井眼鉆井七.煤層氣與儲氣庫洞穴技術完井和增產處理八.旋轉射流處理近井地層九.磨料射流射孔割縫增產十.高壓水射流深穿透射孔十一.水力噴射定向/分層壓裂十二.水力噴射深穿透水平井十三.水平井旋轉射流沖砂洗井十四.自激波動注水技術十五.高油氣比井射流增效二、高壓水射流深穿透射孔常規射孔深度有限,難穿透污染帶,易產生壓實帶及二次污染。特別是低滲特低滲油藏更嚴重,高效開采和動用難度很大。高壓水射流深穿透射孔,利用液壓沖頭沖開套管,帶噴嘴的軟管在高壓射流作用下邊破巖邊前進,水平深入地層,噴射出孔深2.0-3.0m、孔徑14-25mm清潔無阻通道,有效克服近井污染,新井完井、低滲增產有效技術。2.1問題的由來二、高壓水射流深穿透射孔2.2國外研究與應用1984年,Penetrators公司開始研究水力深穿透射孔技術,到2001年底,在加拿大、美國和阿曼等國油田應用600多口,平均增產1~3倍,最高達10倍,尤其在致密低滲透油藏效果更佳。中國石油大學在中石化和油田資助下,10多年系統研究與實驗:二、高壓水射流深穿透射孔2.3國內研究與應用水力深穿透射孔理論研究1、水力射孔方位研究:最大水平主應力方向30o范圍內射孔,流動效率最高2、水力射孔密度研究:最小孔距不應小于0.3m,建議3-4孔/m。3、滲流場與產能分析:無壓實帶,滲透率降低小,滲流能力高,產能高2-3倍。4、水力射孔對套管強度影響:現有射孔密度和深度下,對套管強度無明顯影響水力深穿透射孔關鍵工具和裝置研制1、整體方案設計:地面控制壓力、排量、軟管伸進速度、深度2、室內單元實驗:噴嘴材料、破巖與擴孔能力、沖頭沖套管、軟管優選3、地面控制裝置和地面聯機試驗現場施工工藝與現場試驗二、高壓水射流深穿透射孔1、井筒準備2、定位射孔深度3、錨定油管,下抽油桿對接工具4、安裝井口、連接地面設備5、沖孔打開套管,噴射射孔6、回收軟管、沖頭7、改變層位重復射孔8、起出工具2.3國內研究與應用江蘇沙19-42井現場施工最大井斜:45.54o×2125.0m×336.21o射孔井深:2756m。3.1問題的由來磨料射流原理,切割套管和射孔0.7~1.0m,穿透污染帶,松弛地層,避免二次污染,為壓裂創造良好井下環境。國內60~70年代拉絲模水力噴砂射孔。
機理、參數、噴槍結構材質、工藝優化三、磨料射流射孔割縫高壓純水射流切割鋼鐵和鋼筋混凝土等,壓力極高,700~1000MPa。磨料水射流(AWJ):在水射流中混入一定數量磨料微粒,磨粒質量大且鋒利,20~30MPa即切割金屬。3.2磨料射孔原理和影響因素
根據水動力學動量-沖量原理,固體顆粒受水載體加速,高速沖擊套管和巖石,產生切割作用。
三、磨料射流射孔割縫影響因素3.2磨料射孔原理和影響因素
流體參數
射流壓力噴嘴直徑噴嘴型式射流功率流速流量流體性質射流反沖力磨料參數
磨料類型磨料流量磨料粒度混合管直徑
工況參數
進給速度靶距(噴距)流道數入噴射角切割體積切深或切寬比能靶件參數
靶件強度靶件硬度靶件孔隙度
靶件滲透率1.壓力2.排量3.磨料類型4.磨料濃度5.磨料粒度6.巖性7.圍壓8.時間實驗參數三、磨料射流射孔割縫實驗裝置與方法高壓泵組磨料射流實驗裝置3.3射流參數對射孔深度影響實驗
磨料加砂系統噴嘴巖樣三、磨料射流射孔割縫生產初期常規炮彈射孔并加砂6m3壓裂,試油產能低(6m3/d)。因固井質量差,常規射孔不宜進行壓裂改造,故采用磨料射流射孔,提高井底完善度。設計用3個噴槍,每槍3個噴嘴,按1200夾角排列,共射9孔。經噴砂射孔后抽汲求產,日產油8.0m3,不含水,施工效果良好。1.現場施工效果----史125井3.4磨料射流射孔現場試驗
三、磨料射流射孔割縫鄭408-8井屬于東營王莊稠油油藏,儲層“五敏”(酸敏、堿敏、水敏、速敏、鹽敏),非均質性嚴重。由于儲層存在嚴重的“五敏”,注水、汽補充油層能量困難,油層壓力下降快,單井產能低于1t/d,動用儲量的采油速度只有0.41%,采出程度僅為3.4%。2003年11月該井不出油停產,決定采取壓裂填砂增產,但由于金屬棉濾砂管和地層之間的屏蔽帶作用,致使施工壓力過高,措施未能成功。
1.現場施工效果----鄭408-8井3.4磨料射流射孔現場試驗
三、磨料射流射孔割縫施工前不產液,施工后初期自噴生產,
最高產液11.6t/d,產油8.7t/d,連續11
個月一直維持自噴產量1.0~2.5t/d。1.現場施工效果----鄭408-8井3.4磨料射流射孔現場試驗
三、磨料射流射孔割縫2.現場施工效果現場試驗11井次,能很好解除油層污染,對油層堵塞原因引起傷害的低產井,可以起到射孔增產的目的。
不宜壓裂井射孔增產低滲透地層改造水力噴砂割縫水力噴射定向/分段壓裂噴砂處理水泥塞和堅硬地層3.4磨料射流射孔現場試驗
三、磨料射流射孔割縫4.1問題的由來
壓裂改造是油氣井特別低滲增產的主要措施,占石油儲量25~30%產能由壓裂增產。美國約40%油井、70%新氣井是壓裂投產。世界范圍內,壓裂增產比例越來越高。裂縫起裂位置及擴展方向難以控制,直接影響壓裂效率和成功率,世界性難題。國家863計劃支持,水力射孔應力分布、起裂壓力、擴展方向、射流定向射孔/分段壓裂研究,水平井快速發展,開采不同類型油氣藏(氣頂/底水/稠油/裂縫等)已逐步大量應用,國外公司都開發了水平井分段改造、完井工具。四、水力噴射定向壓裂4.2水力射孔孔眼應力分布
1水力射孔孔眼應力分布模型
假設地層為均質、各向同性、線彈性體,水力射孔井壁上的三個主應力分量為:
四、水力噴射定向壓裂
對應2500米地層,設彈性模量4.6GPa,泊松比0.3,巖石抗壓強度12MPa;最大水平主應力為30MPa,最小水平主應力為26MPa;基體尺寸:3.0m×3.0m,井筒直徑為300mm
。2定向噴射后地應力場變化4.2水力射孔孔眼應力分布
四、水力噴射定向壓裂3孔眼壓力40.0MPa時等效應力云圖
4.2水力射孔孔眼應力分布
孔內壓力20.0MPa,最大最小水平主應力之比為1.5(30/20)四、水力噴射定向壓裂1裂縫起裂和擴展模型
最大拉應力破壞準則,井壁某平面最大張應力達到井壁巖石張性破裂壓力(抗張強度)時,就會在該平面起裂,逐漸延伸,依此可計算破裂壓力。孔眼井壁上局部主應力最大值為:拉伸區內裂縫以角度γ方向擴散:
4.3水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴展
四、水力噴射定向壓裂RFPA(RockFractureProcessAnalysis)軟件水平井中不同射孔參數、加載速度、地應力等條件下壓裂時的起裂壓力變化規律以及裂縫擴展情況;改變孔眼直徑、孔眼長度、孔眼軸線和最大水平主應力夾角、壓裂液加載速度、垂直/水平應力比值
2定向噴射對起裂壓力影響數值模擬4.3水力射孔孔眼中裂縫起裂和擴展
四、水力噴射定向壓裂4.4定向噴射對起裂壓力影響實驗實驗裝置示意圖1.實驗裝置和方法四、水力噴射定向壓裂2.地面實驗觀察4.4定向噴射對起裂壓力影響實驗定向水力射孔容易實現射孔方向與最大水平主應力方向一致,降低破裂壓力和裂縫延伸壓力,控制裂縫在近井地帶轉向,起導向孔作用,有利于產生單翼或雙翼裂縫,特別為低滲改造、提高壓裂效率和成功率提供有效手段。
四、水力噴射定向壓裂1998年,Surjaatmadja提出水力噴射壓裂方法,并應用于水平井壓裂。5.1問題的由來(1)機械分段壓裂(2)限流法分段壓裂(3)砂塞、暫堵劑或液膠塞(4)水力噴射分段壓裂減少施工風險、降低傷害、
提高施工可控性五、水力噴射分段壓裂特別適合分段、分層作業,無須機械封隔。
準確造縫、有效隔離、一趟管柱多段壓裂。水力噴射分段壓裂(HJF)是集射孔、壓裂、隔離一體化的增產措施,專用噴射工具產生高速流體穿透套管、巖石,形成孔眼,孔眼底部流體壓力增高,超破裂壓力起裂,造出單一裂縫5.2國外應用概況2002年7月62口井統計,裸眼水平井應用多,成功率較高。
平均增產30~60%,成本與單級壓裂相當或稍高。到2005年中,應用超過130多口井。其中水力噴射環空壓裂HJP-AF超過45口,平均增產40~60%。使用1.75CT參數:五、水力噴射分段壓裂五、水力噴射分段壓裂5.3孔眼內速度及壓力分布計算套管壁孔徑10mm、噴射壓力40MPa
孔眼最大直徑100mm、孔深500mm套管壁孔徑15mm、噴射壓力45MPa
孔眼最大直徑100mm、孔深500mm五、水力噴射分段壓裂5.4孔眼內速度及壓力分布實驗4mm噴嘴在入口壓力為25MPa時,不同圍壓下,相差4.7%~20%。4mm噴嘴在入口壓力為30MPa時,不同圍壓下,相差4.3% ~20%數模與物模對比白淺110井深2250m,因產量低關井停產。
2007年7月27日首次應用2”連續管水力噴砂逐層壓裂、一天成功連續壓裂3層。試驗層位1105m延續到749m,3層共加入陶粒30.32m3,單層噴壓時間1~2h,作業跨度達到365m。施工后,第二天排液140m3,之后產氣量8,000m3/d,壓裂效果顯著。
廣安02-H9垂深1700m,水平段500m,用27/8”油管拖動噴射壓裂2段,填砂50m3,日產氣由8,000m3/d增加至70,000m3/d。5.5國內應用—白淺110井和廣安002-H9五、水力噴射分段壓裂應用擴展:裸眼井、套管井或襯管井水平井、大斜度井、分支井或垂直井多種形式:基本型:支撐劑壓裂,壓裂液流經噴嘴,環空無固相。環空流量為管柱流量30~50%。作業管柱可用鉆桿、油管、CT。酸化壓裂:壓裂液為酸液,環空可是液體,也可CO2、N2。水力噴射大排量清水壓裂:每一段實施多組射孔形成多個裂縫;低壓大排量低固相壓裂液經環空泵入。水力噴射射孔環空壓裂(HJP-AF):射孔造縫完成后,低壓大排量壓裂液經環空泵入,CT作為測試管柱。5.6應用前景五、水力噴射分段壓裂6.1問題的由來稠油、超稠油油藏低滲或天然裂縫儲層層狀地層或層狀油藏薄油藏,邊際油氣藏老井更新,死井復活壓力衰竭儲層增產80年代初,常規徑向水平井,套管段銑+擴孔模式;近年發展套管內水力噴射深穿透徑向水平井,長度達100m。六、水力深穿透徑向水平井6.2常規段銑模式徑向水平井常規徑向井技術首先段銑一段套管0.5-1.0m,地層擴孔600mm,然后利用特殊設計的造斜器和旋轉射流鉆頭,在老油井中對應生產層位置鉆出多個超短半徑(0.3m)的徑向水平井眼,井眼直徑80~120mm,水平長度20m,可望達到60m。六、水力深穿透徑向水平井時間單位取得成果80年代初Petrolphsics公司和Bechtel投資公司第一代超短半徑轉向系統。轉向機構為Ⅰ型,擴孔直徑需1220mm,彎曲半徑300mm,射流鉆頭噴速240~290m/s,井眼直徑4”,長度可達30m,但徑向定位一次性。80年代中Petrolphsics公司和Bechtel投資公司發展了第二代超短半徑轉向系統,轉向機構采用Ⅲ型,擴孔直徑降為610mm,且可以一次起下鉆多次定位,鉆多口水平井。到1992年Petrolphsics公司和Bechtel投資公司該系統在美國和加拿大鉆成徑向井已超過1000口,能在同一口井同一深度向四周鉆出24個輻射狀水平井眼,同一口井中最多鉆了5層徑向井,水平段長度30~60m。6.2常規段銑模式徑向水平井-國外六、水力深穿透徑向水平井近年來,采用3/4″磨銑鉆頭在套管內開孔側鉆,起出鉆頭后再下入1/2″連續管噴射徑向水平井,不用大修鉆機,無需磨銑整段套管和地層擴孔,施工20余井次,最大井深達3800m,每個層位90°相位鉆出4分支井眼,最大分支井眼長度為100m、孔徑約為50-60mm,單井施工30-42小時六、水力深穿透徑向水平井6.3水力深穿透徑向水平井油藏類型地理
位置巖性類型增產
措施措施前(m3/d)
措施后
(m3/d)
說明稠油加州MidwaySunset油田砂巖268~270
8分支3.187.15有多個分支的單井可達5口直井效果稠油加州
Brea-Olinda非膠結砂巖4分支9.515.9增產67%,需蒸汽量減半,成本大減少。稠油加州Taft油田非膠結砂巖4分支0.631.75措施前半年修井1次,措施后2年增產1.8倍。低滲油藏克羅地亞Lupt油田極硬砂巖燧石夾層多個層位共17分支1.96.8產油量增加2.6倍,穩產1年以上。六、水力深穿透徑向水平井6.3水力深穿透徑向水平井7.1斯倫貝謝PowerCLEAN沖砂洗井—定向射流無運動部件連續噴射產生渦流效應噴嘴中心、方向、尺寸、間距等設計,保證清除堵塞物并優化舉升和懸浮微粒的流體能量壓降相對較低。流量:159~477升/分,壓降:689~2758kPa七、水平井射流沖砂洗井7.2Halliburton水平井射流沖砂洗井七、水平井射流沖砂洗井
HalliburtonPulsonix_200旋轉噴頭周向力通過噴嘴方位特殊排布得到,通過具有一定角度射流,在旋轉噴頭周向產生反作用力,推動噴頭旋轉。噴頭轉速通過改變周向力大小調整,周向力大小通過調整噴嘴方位以及噴嘴直徑(直徑大小決定流量大小),當噴嘴射流方向與噴頭圓周相切時可以獲得最大周向力。
7.3BJ連續管水平井射流沖砂洗井七、水平井射流沖砂洗井VortexTMNozzlesRotoPulseTMPresentingPre-swirCirculatingNozzles7.4水平井射流沖砂洗井—自振空化射流中國石油大學研究新型高效射流振動沖擊和速度壓力分布特性,解決了高壓旋轉速度控制關鍵技術問題,首創水平井高壓旋轉自振空化射流沖砂洗井新技術。將硬件設備、軟件、洗井液體系和處理監測方法等進行綜合利用,將有助于降低洗井作業成本和作業風險,并使油氣井以更快速度恢復生產。七、水平井射流沖砂洗井開始中間后期結束序號井號班次抽次抽深(m)動液面(m)班產油(m3)班產水(m3)1元東平51421000850油花1624
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