水力喷射工具地面模拟试验

为评价自主研发的水力喷射工具的穿透能力、承压等性能,结合水力喷射压裂工艺基本原理,采用壁厚9.17 mm钢级为P110套管为靶件,以1050型压裂机组为试验设备,并采用φ6.3 mm硬质合金喷嘴进行地面模拟试验。试验发现,在213.86 m/s喷射速度下,套管2 min内被射穿,且在套管壁上形成椭圆形孔眼。计算试验数据表明：设计喷嘴的流量系数较高,达到0.91;试验中最高压差达43.1 MPa,工具相关动作正常,密封良好。地面模拟试验证明了水力喷射工具的结构设计合理,相关性能达到了设计要求,为下一步开展现场试验提供了依据,对射流增压等理论研究也起到了一定的作用。     

水力喷射孔内射流增压规律数值模拟研究

水力喷射压裂过程中,高压射流会使水力射孔孔道内压力高于环空压力,形成孔内射流增压.孔内射流增压值是进行地面泵压预测和套管压力控制的基础.由于受到实验条件的限制,地面很难获得实际工况下的孔内射流增压值,因此,文章采用计算流体力学(CFD)方法,建立了二维水力喷射流场物理模型,模拟得到了实际 工况下水力喷射孔内射流增压值以及喷嘴压降、环空围压和入口面积比对孔内射流增压的影响规律.结果表明,在实际施工参数条件下,孔内射流增压值可达10.7～12.5 MPa;喷嘴压降和入口面积比是影响孔内射流增压的两个主要因素,而环空围压对孔内射流增压没有影响.     

水力喷射压裂关键机理探讨

为了更深入地了解水力喷射压裂技术的部分机理,通过模拟水力喷射射孔孔内的压力分布并分析其规律,进行了现场工况条件下喷嘴压降对孔内压力的定量分析和不同喷嘴直径条件下喷嘴压降与排量关系的计算,结论为:射流速度的衰减将动能转化为静压能,致使孔内压力升高;增加射流喷射压力有助于获得较大的孔内增压;喷嘴要产生较大的压降,需要较大的作业排量.     

超临界CO2喷射压裂孔内增压机理

利用计算 流体力学方法模拟了超临界CO₂喷射压裂过程中的孔内流场,对比和分析了超临界CO₂喷射压裂与水力喷射压裂的增压效果,并研究了各参数对超临界CO₂喷射压裂增压效果的影响。研究结果表明:超临界CO₂喷射压裂在相同条件下具有比水力喷射压裂更强的孔内增压效果,在喷嘴压降为30 MPa时,其增压值比水力喷射压裂高2.4 MPa;超临界CO₂喷射压裂的孔内增压值随着喷嘴压降和喷嘴直径的增大而增大,随着套管孔径的增大而减小,且不受环空压力和超临界CO₂流体温度的影响。     

深井水力喷射压裂可行性分析及设计计算

常规深井压裂面临井底破裂压力大、地面施工泵压高、井下封隔器高温失效等问题,需要探索新的增产改造技术。介绍了水力喷射压裂技术及水力喷砂射孔机理、水力喷射压裂机理、水力喷射压裂工具组合。同时分析了其技术特点,分析认为,该技术具有射孔孔眼直径大、射孔深度长、可降低井底破裂压力、无需机械封隔等优点。在进行深井水力喷射压裂可行性分析的基础上,计算了某深井水力喷射压裂工艺技术参数,校核了深井压裂管柱强度,计算了油管排量、环空排量、油管压力和环空压力等水力喷射压裂水力参数及井口压力。分析和计算结果表明,深井水力喷射压裂切实可行。      

连续油管径向水平井压裂技术研究

一、径向水平井压裂技术原理 水力喷射压裂技术是先用连续油管输送小钻头在油水层部位的套管上开窗，然后使用带喷嘴的软管，根据伯努利方程，将高压泵泵入液体的压能转变为喷嘴处液体的动能，利用高速流出的液体进行破岩．在油水层中的不同方向上钻出多个直径达20-40mm、长度最长为100m左右的小井眼，然后在这些小井眼中进行水力压裂，从而增加原井的泄流半径．     

高压水射流射孔井眼应力数值模拟研究

水力射孔技术是一种新型完井方式,利用深穿透水力射孔技术辅助定向压裂,可实现油层改造和油井增产。考虑套管水泥环的影响,采用有限元理论结合ANSYS软件计算了高压水射流水力射孔井眼周围的应力,重点分析了水力射孔参数对井周应力的影响规律,初步研究了直井水力压裂时水力射孔对裂缝起裂的影响。计算结果表明,沿最大水平地应力方向布孔时,孔眼根部的周向拉应力最大,裂缝将会在孔眼根部起裂;选择合理水力射孔参数可有效降低地层破裂压力。研究结果可为高压水射流水力射孔辅助定向压裂提供参数优选的依据。     

水力喷射多级压裂中水力封隔效果的数值模拟

在多级压裂过程中有效的层间封隔至关重要,水力喷射压裂技术利用水力射流形成的低压区来实现层段间的封隔,但是在井下复杂环境下很难通过试验来定量分析水力封隔效果。鉴于此,首先建立了包含喷嘴、射孔孔道和环空段等结构的CFD模型,模拟了多级水力喷射压裂过程中环空的特性,并将数值模拟结果与试验数据进行对比,验证了该数值模型的正确性;然后根据环空流动特性,提出了用2个出口的质量流量比来评价多级压裂中水力封隔效果;最后,分析了不同参数对封隔效果的影响规律。模拟结果表明:1在一定条件下,高速射流能产生有效的层间封隔;2水力封隔效果随层间压差、喷射相位角和喷距的减小而增强,随喷射流速和喷射层数的增大而增强,且喷射相位角对水力封隔效果的影响大于喷射层数的影响。研究结果可为多级水力喷射压裂水力参数、喷嘴布置和参数组合的优化提供参考。     

水力喷射环空加砂压裂喷嘴结构分析与优化

在水力喷射环空加砂压裂射孔过程中,针对喷嘴射流质量低的问题,运用ANSYS-Fluent数值模拟仿真分析方法,对喷嘴重要结构参数进行分析对比,使喷嘴获得最优射流质量。研究结果表明,圆弧形喷嘴的射流质量优于常用的锥直形喷嘴; 当喷嘴出口直径4.5 ～4.8 mm、直柱段长度7～12 mm、入口曲率半径9 mm时,喷嘴可获得最优射流质量。通过对喷嘴结构的优化,可有效提高喷嘴射流质量,为水力喷射环空加砂压裂工艺提供有效的技术支持。     

水平井水力喷射分段酸压技术

针对深层碳酸盐岩储集层水平井酸压面临的井下温度高、破裂压力高、压裂液流动摩阻高、储集层非均质性严重等难点,研发了水平井水力喷射分段酸压新技术。基于喷射分段酸压机理,自主研制了用于水力喷射分段酸压的井下喷射器和配套管柱,给出了水力喷射酸压工艺设计中喷嘴数量与喷嘴直径组合、喷砂射孔参数、泵注程序的优化设计准则。研究表明,水力喷射压裂酸化技术依靠水动力封隔实现分段酸压,井下工具简单、耐高温(160℃),可节约成本,降低作业风险;水力喷射注酸可延长近井地带有效酸蚀距离,增强酸化效果;井下喷射器最优喷嘴相位60°,宜采用螺旋布置喷嘴;建立了喷嘴最优排量与井口压力的关系图版,可在井口装置承压范围内提高施工排量,实现大排量、深穿透酸压,最终确定喷嘴直径及喷嘴数量布置。现场试验表明,水力喷射酸压试验井最大作业垂深可达6 400.53 m,喷射酸量高达618 m3,对深部水平井分段酸压具有较强的适应性。图4表3参15     

The Boosting Mechanism and Effects in Cavity During Hydrajet Fracturing Process

Abstract

This article presents the boosting mechanism in cavity during a hydrajet fracturing process. It is found that there are two kinds of pressures enhancing the value within a cavity. One is the impact pressure by the jetted fluid from a nozzle, and the other is back-pressure by the hole in a casing. A numerical simulation method was utilized to evaluate boosting effects combined with experiment results. Distribution of pressure in a cavity was obtained. The results show that the pressure in a cavity is higher than that in the wellbore. It will be increased with the nozzle pressure drop and nozzle diameter rising. The hole plays an important seal role to created back-pressure, which boosts the pressure greatly. The boosting value can reach approximately to 8.2 MPa with Φ 6 mm nozzle diameter and differential pressure of 25 MPa.     

水力喷射压裂机理与技术研究进展

水力喷射压裂是集射孔、压裂、隔离一体化的新型增产改造技术,适用于低渗透油藏直井、水平井的增产改造,是低渗透油藏压裂增产的一种有效方法。介绍了水力喷射射孔和水力射孔裂缝起裂控制机理,分析了影响水力喷砂射孔效果的因素。综述了水力喷射压裂原理,依据Bernou lli原理,射流增压与环空压力叠加超过破裂压力产生裂缝并维持裂缝延伸。介绍了水力喷射辅助压裂、水力喷射环空压裂及水力喷射酸压等多种工艺形式。水力喷射压裂工具是现场应用成功的关键因素之一,连续油管与水力喷射压裂技术联作在油田增产作业中有一定优势。水力喷射压裂工艺在国外现场应用已经取得较好效果,在国内尚属现场试验起步阶段。指出了目前研究的不足,并对未来的研究方向做出了分析展望。     

井底围压对高压水射流的影响规律研究

随着油气资源开发的不断深入,井底围压对高压水射流的影响问题越来越突出。为了对比研究井下围压及地面模拟围压条件下高压水射流破岩性能,通过试验研究了高压水射流在井下真实围压条件与3种地面模拟条件下的破岩能力,并研究了锥形喷嘴、直旋混合喷嘴和空化射流喷嘴的破岩效率。研究结果表明:在650 m深的井底,围压约6.45 MPa,喷嘴压降仅17.08 MPa条件下,高压水射流仍能有效破岩;与井下情况相比,在地面无围压淹没条件下,破岩深度和破岩体积较大,而直径较小;在定压降模拟围压条件下,仅破岩直径与井底围压条件下相似,而破岩深度和破岩体积较小;在定排量模拟围压条件下,高压水射流很难有效破岩。分析认为,目前地面模拟围压的方法并不适合研究井下高压水射流性能,井底围压对高压水射流没有影响,无围压淹没条件可满足试验要求。通过对比不同类型喷嘴的破岩能力,推荐使用空化射流喷嘴。研究成果可为高压水射流技术在钻井、压裂和冲砂洗井等领域的应用与研究提供有益指导。     

轮式卡瓦连续加载带压作业装置的研究与应用

普通不压井设备采用固定卡管器和游动卡管器交替夹卡实现管柱起下作业,导致设备操作程序多,速度慢。为此,研制了轮式卡瓦连续加载带压作业装置。设计了加载控制系统和井口密封防喷系统,形成了液压马达驱动滚动头连续滚压的加载控制技术以及内置自封式球封和半全封组合而成的井口密封防喷技术,实现了低压井管柱快速起下和密封防喷,具有加载效率高、作业速度快、安全可靠等优点。现场应用表明,该装置可满足低压不压井作业需要。     

一种适用于普通PDC钻头的新型超高压流道设计

为了突破井下水力增压器只能与特制钻头配套使用的局限性,进行了适用于普通PDC钻头的新型超高压流道设计。根据高压管压力损耗计算,设计了新型分流结构,确定了导流管直径和长度;通过超高压水射流分析,优化了喷嘴结构、喷嘴圆锥段收缩角、喷嘴尺寸参数;通过室内系统测试,验证了不同压力下各部件及连接处的密封性能。由理论分析得知,分流机构上端的理论壁厚下限为3.1 mm,综合考虑施工流量和压力影响,设计超高压管道直径8 mm,配合高压软管长度400 mm,高压水射流喷嘴最大流量系数下的收缩角为13°,高压喷嘴出口段圆柱段的长度选取喷嘴出口直径的2~4倍。现场试验表明,新型超高压流道使平均机械钻速提高71.95%。研究得出,超高压双流道直联式流道系统的分流装置、导流装置、超高压喷嘴满足了现场作业要求,井下增压器直接与普通PDC钻头配合使用拓宽了其应用范围。      

自进式高压水射流破岩数值模拟分析

针对应用于开发低渗透性、裂缝性和薄储层等油气藏的高压水射流技术,基于推导的水射流破岩的临界速度,设计了一种用于油田井下破岩的自进式高压水射流喷头,并应用湍流模型对喷头内部的水射流流场进行数值模拟分析,应用动力学模型对水射流破岩过程进行数值模拟分析。结果表明,入口压力30MPa时,喷头产生的水射流达到了破岩所需速度,能够实现破岩,并且破岩产生的破碎坑的内切圆直径大于喷头的最大外径,可实现自进式破岩,而且破岩过程中水射流速度是"脉动下降"的。这也说明所设计的喷头用于破岩是可行的,这种设计方法、建模方法和数值模拟方法在分析高压水射流破岩方面是可行的。     

页岩气井体积压裂条件下的水泥环界面裂缝扩展

射孔会对井筒完整性造成局部损伤,尤其是导致水泥环本体破坏以及第一界面(套管-水泥环界面)、第二界面(水泥环-围岩界面)的胶结脱离、微环隙等,在后期页岩气水平井体积压裂过程中,由于高压流体的注入,界面微环隙将会加剧甚至发生裂缝扩展,影响封固性能。针对这一问题,建立了界面裂缝扩展数学模型,通过流体连续性方程、泊肃叶定律和净压力与缝宽弹性关系以及边界条件联立得到非线性偏微分方程组,利用对控制方程无因次化的方法求得自相似解。使用该模型对现场算例进行了计算,并分析了各参数对界面裂缝长度的影响。研究结果表明:适当提高水泥环弹性模量,适当降低井口压力和压裂时间有利于减小界面裂缝扩展长度,有利于保障水泥环长期有效封固。研究结果能够对页岩气井体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测,同时在满足油气开采要求的前提下,对相邻射孔段间距的优选,也具有一定的指导意义。     

煤层气U形井水力喷砂压裂技术

为了解决煤层气U形井水力喷砂压裂时射孔砂难以由施工井上返、管柱易砂卡的难题,在对比分析水平井水力喷砂压裂工艺的基础上,根据U形井的井身结构特点,对水力喷砂压裂工具进行了改进,将扶正器的直流流道改为螺旋流道;组合式陶瓷喷嘴改为整体式合金喷嘴;对施工工艺进行了改进,射孔砂和返排液由U形井的直井返出;对工艺参数进行了优化,优选得到最佳喷嘴直径为6 mm,油管排量为2.0 m3/min。现场试验表明,采用改进后的工具和优化的工艺参数避免了管柱砂卡。试验井采用优化的工艺参数,顺利压裂4段,注入活性水1 932 m3,加砂90 m3,最高砂比达到23%。试验井排水降压3个月后产气,目前日产气稳定在500 m3左右,累计产气75 000 m3,增产效果良好。这表明,采用改进的水力喷射压裂工具、工艺及优化的工艺参数能够解决煤层气U形井的压裂难题,为后续煤层气U形井的压裂改造提供了一种技术手段。      

小井眼及套变井压裂工艺研究与应用

小井眼及套变井压裂与常规井眼压裂不同,需要配套相应的小直径井下工具和抗高压的井口装置,对压裂液的携砂性、抗剪切性及降摩阻性能都有更高的要求。为解决小井眼及套变井的压裂难题,针对小井眼及套变井的特点和目前小直径工具的实际情况,研制和改进了Y341-70和K341-98小直径封隔器,完成了 89 mm、 127 mm套管小井眼井和 139.7 mm套变井的压裂工艺管柱设计与配套,优化了压裂液体系和压裂工艺,成功完成了40多井次的现场施工,见到了良好的压裂效果。