水力喷砂分段压裂技术

水平井水力喷砂分段压裂技术作者：刘爱民来源：《中国科技博览》2013年第33期[摘要] 水力喷砂射孔分段压裂技术是将射孔、分层压裂融为一体的新型增产措施，无需下封隔器，一趟管柱即可完成多层段射孔压裂，提高了措施的有效性和安全性。

[关键词]水力喷砂分段压裂油田工艺设计中图分类号：TK7一、水平井水力喷砂分段压裂工艺的内涵1、水平井分段压裂技术主要包括水力喷砂分段压裂、滑套封隔器分段压裂和双封单卡机械分段压裂。

其中水力喷砂分段压裂技术是一项以水力喷砂射孔与加砂压裂联作的储层改造技术。

2、水平井水力喷砂分段压裂技术功能主要有一下几点：（1）水力喷砂分段压裂通过采用喷砂射孔和加砂压裂联作，不需要使用封隔器与桥塞等隔离工具。

（2）采用负压封隔，具有井下工具作业简单、外径小，砂卡几率低，施工安全性高，受完井方式的限制小等优点。

（3）水平井水力喷砂分段压裂应用范围广，水力喷砂分段压裂适应于套管、裸眼和筛管等不同完井方式的中深水平井。

二、水平井水力喷砂分段压裂发展1、水平井水力喷砂分段压裂工艺现状水平井水力喷射分段压裂改造技术是90年代末发展起来国外应用比较广泛的技术，此项技术可以在裸眼、筛管、甚至套管完井的水平井以及灰岩、砂岩等不同岩性储层上进行分段压裂，而且施工安全快捷，对地层伤害小，是一种比较理想的水平井分段压裂改造技术。

本技术的关键在于喷砂工具的结构、喷嘴的尺寸、材质及使用，它们直接影响能否在地层中射流成缝以及加砂，可以满足水平井分段压裂改造技术的要求。

20世纪80年代，国内外开始致力于水平井压裂增产改造技术的研究，目前水力喷射分段改造技术是国外应用比较广泛的技术，这项技术是90年代末发展起来的，经过二十年的发展，分段压裂技术取得了很大的进展，目前国内针对低孔低渗，自然产能低、平面储层的变化非常大，非均质性强的水平井采用多段压裂完井工艺技术，油气井增产效益取得了最大化进展。

由于研究起步较晚，总体上来说，目前，水平井分段压裂改造工艺技术还不能满足实际上的生产需。

力喷射分段改造技术是90年代末发展起来的目前国外应用比较广泛的技术,其技术原理是根据伯努利方程,将压力能转换为速度,油管流体加压后经喷嘴喷射而出的高速射流(喷嘴喷射速度大于126 m/s)在地层中射流成缝,通过环空注入液体使井底压力刚好控制在裂缝延伸压力以下,射流出口周围流体速度最高,其压力最低,环空泵注的液体在压差作用下进入射流区,与喷嘴喷射出的液体一起被吸入地层,驱使裂缝向前延伸,因井底压力刚好控制在裂缝延伸压力以下,压裂下一层段时,已压开层段不再延伸,因此,不用封隔器与桥塞等隔离工具,实现自动封隔。

通过拖动管柱,将喷嘴放到下一个需要改造的层段,可依次压开所需改造井段。

水力喷射压裂技术可以在裸眼、筛管完井的水平井中进行加砂压裂,也可以在套管井上进行,施工安全性高,可以用一趟管柱在水平井中快速、准确地压开多条裂缝,水力喷射工具可以与常规油管相连接入井, 也可以与大直径连续油管( 60.3 mm)相结合,使施工更快捷,国内外已有数百口井用此技术进行过酸压或加砂压裂处理。

水平井压裂主要分为笼统压裂和分段压裂，笼统压裂产生纵向缝，全井段改造，解除深度井筒伤害；分层压裂产生横切缝，主要用来强化处理低渗油气层，而分层的方法有很多种，水力喷射压裂是其中一种。

水力喷射压裂技术（HJF），是集水力射孔、压裂、隔离一体化的新型增产改造技术，它是借助一种特殊的喷射/压裂工具、利用水动力学原理在直井中分层或在水平井段分段压裂而不需其他机械封隔的方法：通过油管把水力喷射井下装置下到指定层位，地面流体加压，通过井下装置喷嘴形成高压高速射流，在地层中形成一定直径和深度的孔眼；关闭油套环空，保持环空压力略低于地层破裂压力，继续喷射，根据伯努利方程，在孔眼顶部的驻点压力将高于地层破裂压力，此时地层中的裂缝将仅在水力喷射形成的孔眼里破裂、扩展，但水平段端部由于环空压裂液压力低于地层起裂压力而不再开裂所以水力喷射射孔压裂是基于伯努利（Bernoulli）方程式，维持低的井底压力并且进行有效的压裂。

水力喷射分段多簇压裂工艺及工具介绍
技术特点：通过带有底封封隔器的双水力喷射器，分别对两个压裂点进行喷砂射孔及环空注入压裂，通过不同喷嘴数量调节各簇的流量，实现各簇的有效压开。

工具结构：从下至上依次为：堵头+筛管+单流阀+封隔器+喷射器+油管+喷射器+。

工具技术优势：
1、多喷射器同时喷砂：可根据储层优化射孔数目，布放喷射器，实现多簇射孔
2、新型水力喷射器具有防反溅装置，提高喷射器使用寿命，确保实现多段多簇射孔
3、采用环空加砂压裂，进一步提高了施工排量（最高排量预计10m 3
/min 以上），配套自主研发的Y 型井口和防冲蚀油管短节，保障了大排量加砂。

防冲蚀短节
4、采用新型钢带封隔器，具有长胶筒、钢带连接、上下浮动腕等特点，实现大液量、长时间体积压裂作业下的有效封隔（表明承压达到70MPa，重复打压22次均密封合格，无泄漏。

）。

长胶筒钢带式封隔器整体长度1650mm，胶筒长度700mm
整体的工艺调整及工具性能提高后，工具稳定性及施工能力大大提高，单趟管柱从施工1-2段提高到最高9段，平均单趟管柱施工3.4段（6.8簇）。

目前长庆通过技术改进，大幅度降低作业周期。

主要时间在井段准备和备水换钻具等。

工具组成：（按一套工具计算，单井压裂10段正常准备
10
20
30
40
50
60
70
段数搬迁井筒准备备水配液等压裂车压裂换钻具抽汲其它合计天
4套工具，约65-68万元）。

水力喷射分段压裂技术研究技术原理水力喷射分段压裂技术原理是根据伯努利方程，把压能转变为动能，油管流体加压后经喷嘴喷射而出的高速射流(喷嘴喷射速度大于126 m/秒)在地层中射流成缝。

水力喷砂射孔后，接着提高排量，在已射开孔上下部的井眼中产生负压值形成隔离，高速流体在地层岩石中形成孔洞，直接作用于孔洞底部，产生高于地层破裂压力的压势，在地层中造出一条裂缝(如图1所示)，然后加砂压裂。

工艺研究水力喷射分段技术是由水力喷射、水力压裂(油管注入)和环空组合注入、注液体封堵剂四种工艺技术组合而成的，具体的工艺如下：①通井和洗井；②向井筒内下入水力喷射分段压裂钻具；③水力喷砂射孔，先泵入基液和携砂液（切割阶段），当携砂液距喷嘴250m左右时，迅速提升泵速以确保获得切割射孔所需的足够的压差；④在喷砂射孔2-3min后，顶替；⑤常规的水力压裂，关闭套放闸门，按照设计环空排量或环空最高压力所允许的最高泵速由环空泵入胍胶基液，按照设计由油管的泵入交联胍胶和砂；⑥压后放喷，冲砂；⑦向井筒内注入液体暂堵剂；⑧上提钻具。

上提钻具至设计位置，压裂下一层，重复③~⑥步。

一套水力喷射压裂钻具和一套压裂机组，这个工艺过程就可重复多次，如图2~5所示。

在最后一个压裂作业结束后，压裂钻具被起出，然后清洗井筒，准备抽汲。

水力喷射分段压裂钻具研究水平井井下作业风险大、周期长、遇卡机率高，所以在设计水力喷射分段压裂钻具时，井下工具设计要求尽可能简化，可操作性好；在喷射和压裂过程中，要求工具定位准确、稳定性好；井下工具耐压、耐温、密封性能满足不同区块储层的压裂要求；喷射器工作寿命必须能够满足一趟管柱压裂两段以上的要求。

水平井水力喷射分段压裂钻具根据以上要求，水平井水力喷射分段压裂钻具主要万向节、偏心定位器、喷射器、球座等关键工具组成，钻具组合如示意图6所示。

水力喷射器(如图7所示)的喷嘴由加入钼的特殊等级碳合物的材料制成，孔眼根据设计要求被放置在几个平面上，针对不同地层的喷嘴尺寸可以不同，在某些地层中，喷嘴外径达到了3.68"，内径则为1.99"，喷嘴具有超大的壁厚以保证使用寿命。

浅谈水力喷射分段压裂技术在苏里格气田压裂中的应用摘要：水力喷砂射孔分段压裂技术集水力喷砂射孔和射流加砂压裂于一体，是一项重大革新型的增产工艺。

该工艺采用水力喷射专用工具，首先依靠高速射流作用实现套管射孔，并在射流状态下直接进行压裂作业，既可用于水平井多段压裂改造，也可用于直井单段或多段压裂改造。

通过在长庆油田苏里格气田多口水平井中应用此项技术，结果证明了该技术是水平井压裂工艺中比较安全、高效的一种工艺。

与传统技术相比，该技术具有井下工具简单、工序少等特点，一趟钻具可以压裂多层，明显缩短了施工周期，降低了施工成本。

关键词：水平井水力喷射多段压裂前言随着长庆油田苏里格气藏开发的不断深入，水平井数不断增加，对低产水平井改造的需求越来越迫切。

特别是套管不固井完井的水平井，无法进行常规压裂改造，为此，引进了水力喷射压裂技术来解决这一难题。

本文在系统研究水力喷射压裂技术原理的基础上，介绍了不动管柱水力喷射压裂技术对苏36-13-11H2井进行分段压裂改造的工艺过程，为套管不固井完井水平井的开发改造提供了新的思路。

一、水力喷射分段压裂技术1.水力喷射射孔技术水力喷射射孔技术是一种利用水压机构在套管上以冲孔的方式开窗，利用高压水射流在地层中钻孔，从而实现井筒与地层的有效联通，达到油气生产井增产的新技术。

目前国内外采用较多的水力喷射原理都是基于伯努利方程式，从水力喷射工具喷出的水射流冲击物体后改变了方向和速度，损失的动量以作用力的形式传递到被冲击物体的表面。

根据动量定理，理论上连续射流作用在物体表面的力为：Fi=CρQv式中：C—无因次系数，与射流方向变量有关；ρ—水的密度，kg/m?；Q—射流流量，m?/S；v—射流平均速度，m/s。

射流流量Q受喷嘴大小和前后压降的影响，要提高射流对岩石的冲击压力就要提高喷嘴压力降。

在喷嘴参数不变的情况下，提高喷嘴压力降的途径是提高泵压、增大排量等。

2.水力喷射压裂技术水力喷射压裂是一种新的增产作业措施，可借助连续油管将高压流体送到改造层段后，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。

水力喷射分段压裂技术研究技术背景：水平井低产主要归因于储层低渗、非均质性，近井污染或表皮损害以及无效的改造技术。

传统水力压裂应用于水平井改造增产效果并不理想，经常最多产生两个主要裂缝区，而且位置也不确定。

许多高产段仍然没被改造而维持着表皮损害。

水力喷射压裂技术就是最近引入的可代替传统压裂工艺的有效方法。

水力喷射压裂工艺技术是近年石油工程领域的新技术，它将水力喷射射孔和水力压裂工艺合为一体，且自身具有独特的定位性，能够快速准确的进行多层压裂而不用机械密封装置。

该技术在国外水平井已应用于几百口井，在一些低压、低产、低渗、多薄互层的油气层压裂改造中取得了较好的效果。

水力喷射压裂技术原理：水力喷射压裂技术结合了水力射孔和水力压裂的新型增产工艺。

该工艺由三个过程共同完成，水力喷砂射孔、水力压裂（通过普通油管或钻杆或连续油管）以及环空挤压（通过另外一个泵）。

通过安装在施工管柱上的水力喷射工具，利用水击作用在地层形成一个（或多个）喷射孔道，从而在近井地带产生微裂缝，裂缝产生后环空增加一定压力使产生的微裂缝得以延伸，实现水力喷射压裂（见图1）。

该技术基于伯努力方程：方程表明流体束中的能量维持常量，虽然实际上摩擦缓慢消耗能量使其转化为热能（但这个简化方程不包含温度因素）。

由方程可知流体束的速度变化引起压力反向变化。

喷嘴出口处速度最高压力就最低，随着流体不断深入孔道速度逐渐减小，压力不断升高，到孔道端处速度达到最低压力最高。

常规造缝方法需要对整个井筒加压，大多数情况下观察到的破裂压力比裂缝扩展压力要大得多，而且井内的每个裂缝都必须克服该压力。

水力喷射压裂通过喷射流体在孔道内动能到压能的转换利用喷射滞止压力破岩从而在喷射点处产生微裂缝。

由于能量集中在孔道端处，井筒不受破裂压力的影响，从而消除了压力曲线中地层破裂时的压力峰值（见图2），并且近井筒扭曲问题很少出现。

水力喷射裂缝一旦形成，由于喷嘴出口周围流体速度最高，其压力就最低，故流体会自动泵入裂缝而不会流到其它地方。

China University of Petroleum1 水力喷射分段压裂机理分层作业无须机械封隔(HJF)是集射孔、压裂、隔离一体化的增产措施，无需封隔器、一趟管柱即特别适合分段、分层作业，无须机械封隔准确造缝、有效隔离、一趟管柱多段压裂减少施工风险、降低伤害、提高施工可控性9射孔过程：Pv+Ph 1 水力喷射分段压裂机理射孔过程：Pv Ph <FIP，不压裂环空加压：Pv+Ph+Pa ≥FIP，起裂9射流在孔底产生推进压力9调整Pa ，与推进压力叠加>FIP ，裂缝持续延伸，适应不同地层压裂控制环空流量保持合适环空压力至为关键¾补偿井眼漏失、补充裂缝、维持压力¾防止地层吐砂，降低施工风险¾控制环空压力分层压裂9射流抽吸引射作用，强化封隔效果2 管内和环空水力参数计算一、水力喷射分段压裂机理与参数3 孔眼内速度及压力分布－数模与实验数值模拟室内实验数模与物模对比3 孔眼内速度及压力分布-4mm喷嘴在入口压力为25MPa时，不同围压下，相差4.7％～20％。

4mm喷嘴在入口压力为30MPa时，不同围压下，相差4.3％～20％一、水力喷射分段压裂机理与参数（1）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响—室内实验4水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展实验装置示意图4水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展室内实验结果与数值模拟规律基本一致。

起裂压力随孔径和孔深增加而降低，孔深由30mm变到50mm，起裂压力由4水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展5 水力喷射射孔参数优化实验实验装置与方法5 水力喷射射孔参数优化实验一、水力喷射分段压裂机理与参数高压泵组喷嘴磨料射流实验装置磨料加砂系统岩样5 水力喷射射孔参数优化3040（c m）5分钟01020202530354045压力(MPa)射孔深度10分钟15分钟303234363840（cm ）5分钟2628孔深10分钟（1）喷射压裂工具整体方案设计（3）喷枪喷嘴及防溅体设计研制（4）单向阀、扶正器、多孔管等配套附件（5）二～四级滑套销钉连接方案设计①－导向头②－多孔管③－下扶正器④－单向阀⑤－喷枪⑥－上扶正器喷射器本体拖动式喷射器滑套式喷射器¾适用于4″～95/8″套管，～5500m井深工艺设计与现场试验121、234、5直井分层压裂现场试验三、现场施工工艺设计与应用衬管裸眼完井水平井喷射分段压裂－XS311H井A B新沙311HⅠ、Ⅱ类储量¾气体/液体欠平衡钻井、φ139.7mm衬管完井¾完钻井深3010m，垂深2480m，水平段长385m¾层位：JS31孔隙度13.6%、渗透率0.25md衬管裸眼完井水平井喷射分段压裂－套管完井水平井喷射¾大庆Z66-P21井2205m，套管139.7mm，施工前日产油4.5t¾四级喷枪6×φ6喷嘴，压裂4段：1538、1830、1951、2060m¾油管排量2.5m3/min，最大油压37.4MPa、套压19.5MPa¾加砂量22＋32＋32＋22＝108m3，日产油8.5t，日增油4.0t肇61-平21P1 3 1894.0~2001.0井段S落ubtitle0000000衬管直井动管柱现场试验火成岩开发井，井深1900m。

水力喷射分段压裂机理及参数研究的开题报告一、选题背景近年来，随着国家对能源行业的高度重视，油气勘探和开发越来越成为各国产业发展的重点。

在油气勘探领域中，分段压裂技术被广泛应用，这种技术可以提高油气井的产能，从而增加资源利用率。

水力喷射分段压裂技术是一种较新的技术，相对于传统的分段压裂技术，它具有压力调控精度高、施工速度快、施工效果好的优势。

因此，针对水力喷射分段压裂技术的研究具有重要的意义。

二、研究目的针对水力喷射分段压裂技术，本次研究旨在：1. 探究水力喷射分段压裂的机理，以便更好地理解该技术的工作原理；2. 分析影响水力喷射分段压裂效果的参数，并给出优化参数的建议；3. 设计一种适用于水力喷射分段压裂的实验装置，进行实验研究。

三、研究内容1. 水力喷射分段压裂的机理研究通过对水力喷射分段压裂的工作原理和分析分段压裂效果的原理进行研究，分析水力喷射分段压裂技术在油气勘探中的应用优势。

同时，分析水力喷射分段压裂的机理和工作原理，探究该技术的施工过程和施工条件对油气井压裂效果的影响。

2. 参数研究分析影响水力喷射分段压裂效果的参数，比如压裂液浓度、压力、流量、固含量等，探究不同参数的变化对压裂效果的影响。

在此基础上，优化水力喷射分段压裂的参数，提出具体的建议。

3. 实验研究设计一种适用于水力喷射分段压裂的实验装置，将不同参数下的水力喷射分段压裂效果进行实验研究，验证参数优化后的效果，给出实验数据和结论。

四、研究意义本研究具有以下意义：1. 对水力喷射分段压裂技术进行深入研究，掌握其机理和原理，提高油气井勘探的技术水平；2. 分析参数对水力喷射分段压裂效果的影响，为优化参数提供理论基础和实验数据；3. 设计适用于水力喷射分段压裂的实验装置，进行实验研究；4. 为水力喷射分段压裂技术的实际应用提供参考依据。

五、研究方法1. 文献研究法：查阅相关文献，了解水力喷射分段压裂技术的基本原理和工作机理。

2. 参数分析法：分析影响水力喷射分段压裂效果的参数，对不同参数下的压裂效果进行比较分析，提出优化建议。