定面射孔技术在姬塬地区长9底水油藏的应用

姬塬长9地层总体上裂缝发育程度较弱,压裂裂缝的延伸受地应力控制,储层脆性普遍较大,压裂缝高度控制难度大。在前期理论研究和应用实验的基础上选用定面射孔技术改变井筒内同一横截面的地应力分布,诱导压裂裂缝在射孔孔眼的应力集中带生成,从而有效控制水力压裂裂缝走向沿着井筒径向扩展,达到最佳改造效果。介绍了定面射孔技术,分析了长9储层的裂缝发育情况及地应力方向;研究定面射孔技术配合加酸或采用小规模压裂改造底水油藏的方式。通过试油效果对比,证明定面射孔技术配合加酸工艺或采用小规模压裂方式明显优于常规射孔压裂方式,能有效改善底水油藏易出水的现状。     

特低渗透油藏定面射孔压裂技术研究与应用

安塞油田长6特低渗透油藏注水开发多年，水驱前缘已经波及储层高渗透带，大量剩余油分布于储层纵向低渗段。为开发低渗段剩余油，采用定面射孔压裂技术，利用定面射孔形成垂直于井筒轴向的扇形应力集中面，引导水力裂缝沿井筒径向扩展，控制裂缝纵向延伸，实现低渗段剩余油挖潜。在研究长期注采条件下的剩余油分布及岩石力学参数变化特征的基础上，模拟分析不同定面射孔相位角下的裂缝起裂效果，根据裂缝融合面积优选出最佳射孔相位角；同时，根据较小应力差条件下的裂缝模拟结果，优化压裂改造参数，控制裂缝高度。安塞油田78口井长6油藏开发中应用了定面射孔压裂技术，平均单井增油量达1.8 t/d，是常规压裂的2倍以上，取得了较好的效果。研究与应用表明，定面射孔压裂技术可为特低渗透油藏低渗段剩余油挖潜提供新的技术手段。      

页岩定面射孔水力裂缝起裂特征探索及应用

定面射孔是近年来针对非常规油气井体积压裂发展起来的一项新型射孔技术。该技术改变了常规螺旋布弹方式,采用特制超大孔径射孔弹和特殊布弹方式,射孔后在其方向上形成一个扇面。该射孔工艺在致密油气水平井已得到广泛应用,但在页岩气水平井压裂上还相对较少。文中开展室内物理模拟实验,探索了定面射孔对施工压力、水力裂缝起裂、延伸及形态特征的影响。该技术在国内首次应用于四川盆地某页岩气水平井,并利用软件模拟对定面射孔压后水力裂缝进行分析。现场应用结果及评价结果表明,相对于常规螺旋射孔,该技术有利于降低近井筒孔眼摩阻,也有利于提高页岩压后水力裂缝缝网体积。     

螺旋射孔对水平缝水力压裂过程影响的数值模拟

以非线性流固耦合方程为基础建立了射孔油井和地层的水力压裂三维计算模型,并模拟、讨论了常用螺旋射孔相位角对水平裂缝压裂的影响。数值模拟结果表明,在地应力方向不确切的情况下,采用螺旋射孔是一种有效降低裂缝起裂压力的技术措施。在裂缝扩展过程中,每个射孔都可能形成一条裂缝,但由于相邻射孔之间的距离很近,在井筒附近各条裂缝相互干扰严重,各条裂缝的形态差异很大;伴随着岩石破碎,各个射孔形成的裂缝相互贯通,逐渐融合成一条主裂缝。螺旋射孔对压裂的延伸压力和裂缝形态有相当程度的影响。     

基于交错定面射孔的近井筒裂缝扩展规律物理模拟

基于对射孔压裂各阶段裂缝发育特点及常规射孔方式的分析,提出了交错定面射孔的思路,采用两种型号射孔弹进行了大型射孔打靶实验,模拟页岩中交错定面射孔过程,分析交错定面射孔条件下近井筒裂缝形态、形成机理以及扩展规律,并讨论近井筒裂缝的人工控制方法。研究表明:①交错定面射孔加强了同一定面内以及相邻定面间射孔的联系,易形成连通裂缝并有序扩展;②射孔时伴随着孔道生成,孔周发育3种微裂缝,分别为Ⅰ型径向微裂缝、Ⅱ型斜交微裂缝和Ⅲ型射孔尖端发散微裂缝,3种裂缝相互连通形成复杂的近井筒裂缝;③不同型号射孔弹采用不同定面夹角和交错角组合时,近井筒裂缝形态和扩展规律不同;④采用交错定面射孔方式,对各定面按照螺旋单向或连续"之"字形等方法进行排布,可促进形成所需的近井筒裂缝,有利于非常规油气储集层及复杂常规油气储集层压裂时对主缝的人工控制。图13参18     

水力喷砂射孔分段压裂技术在水平井中的应用

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。通过实施该技术,可以避免常规射孔作业对地层的伤害,在一定程度上控制井筒附近裂缝起裂和延伸,与常规压裂技术相比有明显的优势。该技术成功应用于华北地区的水平井中,对提高油井的采收率有重大意义。     

水平井定面射孔近井筒的破裂形态

水平井定面射孔是致密油气藏体积压裂的一种新型射孔技术,但以往的研究较少考虑射孔对近井区域裂缝起裂位置、破裂形态的调控作用,并将定面射孔的各孔道空间位置均简化为平面,忽略了定面射孔角度参数对水平井破裂压力与近井筒裂缝形态的影响。为了弥补上述不足,建立了流固耦合形式的近井筒破裂力学模型,采用基于连续损伤力学的裂缝单元表征射孔局部三维破裂位置、形态变化,开发了耦合模型有限元数值求解程序以研究裂缝起裂与扩展规律,并运用长庆油气田现场水平井射孔完井参数,定量分析了射孔转角、射角参数变化对初始破裂压力、起裂位置的影响,对比了水平井定面射孔、螺旋射孔近井筒破裂形态的差异。研究结果表明:①射孔可调控水平井破裂压力及初始破裂位置,随射孔转角、射角改变,孔道破裂压力变化显著,初始破裂会产生于射孔—井筒界面、孔道中部等不同位置,定面射孔器材应控制射孔射角介于15°～30°;②定面射孔通过改变孔道射流方向,增加了孔道间应力干扰,能够有效降低水平井破裂压力2.0～3.5 MPa;③定面射孔能够引导和调控近井筒裂缝走向,形成垂直于水平井筒的初始破裂面、避免螺旋射孔导致的近井筒裂缝扭曲,提高了水平井近井筒裂缝系统的完善程度。结论认为,所建立的近井筒破裂力学模型可以模拟水平井射孔—近井筒动态破裂过程,模型计算结果与现场测试数据具有较好的一致性。     

螺旋射孔多孔眼起裂裂缝形态有限元模拟

采用螺旋射孔完井时,准确模拟不同孔眼周围裂缝的起裂形态能够有效指导射孔参数的优化。基于渗流-应力耦合方法建立螺旋射孔井有限元数值模型,引入损伤变量描述岩体破坏后的弹性参数、强度和渗透率随损伤的变化规律,进一步追踪模拟岩体损伤裂隙的演变过程,借此预测近井筒周围的水力裂缝起裂和扩展形态。模拟结果表明:采用耦合损伤变量的有限元模型能够模拟出沿井筒面和射孔方向扩展的两种水力裂缝的起裂及其随液压加载的扩展趋势;针对不同井筒方向条件可模拟出不同孔眼处水力裂缝的起裂差异,以此评估孔眼间水力连接性,并预测近井筒裂缝形态。室内物理模拟实验与数值模拟结果一致,表明建立的有限元数值模型可用于分析近井筒裂缝起裂的复杂性问题,对现场射孔压裂优化设计具有指导意义。     

压裂“X”形裂缝提高单井措施效果的新方法

为了提高特低渗透油藏新井的压裂效果,提出了采用定向射孔技术进行转向压裂从而形成"X"形水力裂缝的新方法。基于有限元三维应力分析,研究了定向射孔下水力裂缝的起裂机理。根据断裂力学理论,建立了基于复合应力强度因子的裂缝延伸和转向判据模型,推导确定了缝内压力分布、复合应力强度因子及裂缝扩展方向角的计算公式,编制了定向射孔转向压裂裂缝延伸形态的模拟软件,分析了射孔方位角、最大水平主应力和最小水平主应力差值对转向裂缝形态的影响程度,采用定向射孔和限流法压裂的施工方式,形成了在单个油层中压开"X"形裂缝的改造方法。现场试验了6口井,通过裂缝监测,证明该技术是可行的。     

双向受压载荷具内压斜裂缝的起裂与扩展

基于力的平衡原理及断裂力学理论，针对射孔方位与最大主应力方向不重合的情况，建立了裂缝模型，推导了双向受压具内压斜裂纹的应力场，提出了裂纹开裂与延伸的最大应力强度准则。根据现场实际情况，应用有限元法对水力压裂初裂缝的应力强度场进行了计算，分析表明，该准则具有很高的精度。通过模型计算可以看出，当射孔方位与主应力方位不匹配时，初裂缝将转向，形成一条曲折的裂缝，给水力压裂施工带来很多困难；应用定方位射孔技术可以有效地解决该问题。     

页岩储层射孔水平井分段压裂的起裂压力

目前,页岩储层水力压裂裂缝起裂和扩展机理研究已成为国内外水力压裂研究领域的重要课题,射孔水平井分段压裂技术是其高效开发的主要手段。针对目前部分裂缝起裂压力模型在计算射孔水平井横向裂缝起裂时破裂压力过低、严重偏离实际的问题,基于Hossain模型和Fallahzadeh模型,建立了新的水平井射孔孔道表面的应力分布模型;同时开展了水平井分段压裂的诱导应力分布研究和不同压裂工艺条件下复合地应力的分析;进而针对页岩储层的岩性特征,建立了考虑诱导应力条件下,页岩储层射孔水平井水力压裂在岩石本体起裂、沿天然裂缝剪切破裂和沿天然裂缝张性起裂3种方式下的起裂压力计算模型,提出了页岩储层水力裂缝起裂方式和起裂压力的判别方法。该成果对于页岩储层水力压裂裂缝起裂机理的研究和现场应用具有一定的指导意义。     

射孔水泥环损伤评价及压裂裂缝扩展规律

为了进一步提高储层段水泥环在射孔作业、压裂充填完井或水力压裂作业过程中的力学完整性,满足后期增产作业对固井质量的需求。以射孔作用下的水泥环损伤响应为研究对象,在模拟地层温度和压力工况条件下分别采用大孔径和深穿透2种射孔弹开展射孔实验,分析射孔水泥环损伤与射孔弹及水泥环性能的关系。结合射孔弹结构,建立射孔动态冲击载荷作用下的水泥环伤响应数值模型,提出以累计塑性应变率和最大偏应力为关键指标,形成射孔水泥环冲击损伤量化评价技术。基于流固耦合理论和压裂裂缝扩展力学理论,建立非均值特性水泥环压裂裂缝延展数值分析模型,针对射孔水泥环初始裂纹的4种状态,开展了压裂过程中的水泥环损伤及裂缝延展规律研究。研究结论可指导优化固井设计、优化射孔方案和优化压裂完井方案,对保障井筒安全具有重要意义。      

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。     

水平井平面射孔实验研究

射孔方式对水平井压裂裂缝起裂和延伸有重要影响。提出了一种旨在降低水平井破裂压力和提高水力裂缝完善程度的平面射孔方法,并采用大型物理模拟实验系统开展了对比实验,对比分析了实验与多种经典理论模型的破裂压力,解剖了水力裂缝形态。实验结果表明:提出的平面射孔,即射孔孔眼和孔道位于同一平面,且该平面垂直于地层最小主应力方向,可大幅度降低水平井压裂破裂压力,同时可降低近井筒的裂缝复杂程度,从而使得裂缝扩展更为充分,提高裂缝的完善程度。结论对于实际的射孔参数优化设计和水力压裂施工具有重要指导意义。     

垂直裂缝大排量限流法压裂工艺

1．垂直裂缝条件下射孔方案的确定 与水平裂缝形态不同，在垂直裂缝条件下，水力裂缝除了向远离井筒方向延伸外，它还会在垂向上向上下遮挡隔层延伸。因此，垂直裂缝条件下确定限流法压裂射孔方案时，除了与水平缝一样要考虑层段总的射孔炮眼数，保证足够射孔炮眼摩阻外，还必须逐层考虑裂缝在垂向上的延伸问题。综合考虑射孔炮眼摩阻要求和控制裂缝扩展外，垂直裂缝条件下确定限流法压裂布孔方案还要考虑如下几个方面：     

射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展影响的实验研究

为了深入研究射孔相位、地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,采用大尺寸真三轴模拟实验系统进行水力压裂实验,通过扫描裂缝断面描述了水力裂缝扩展和分布状态,分析了射孔相位及地应力对薄互层起裂压力及裂缝扩展的影响,并进行初步的机理分析,为压裂设计和施工提供支持。实验结果表明：①岩心在射孔末端沿射孔方向开裂,随后裂缝转向,沿垂直于最小水平主应力方向扩展;相同地应力下,射孔相位60°时岩心起裂压力最小,初次开裂及压裂过程用时最短,且裂缝扩展或产生新缝数量多、形式复杂。②当垂向主应力与最大水平主应力差较大且水平主应力差较小时,岩心起裂压力较小,裂缝扩展过程平稳,受岩石断裂韧性影响微弱;当垂向主应力与最大水平主应力差较小时,水平主应力差越大,则起裂压力越大,裂缝扩展次数越少,压裂过程用时越短。③当水平主应力差较大时,裂缝沿垂向扩展明显,断裂面平直且垂直于最小水平主应力方向;当水平主应力差较小时,裂缝扩展方向难控制,易产生偏转或横向裂缝。④水力裂缝与结构面相遇时产生支裂缝,以及出现分叉、转向、穿层等现象是形成复杂裂缝网络的必要条件。层理影响裂缝穿层,微裂隙与微空隙对起裂压力和裂缝扩展均有影响。     

偏心射孔对水平井压裂的影响

针对水平井在固井和射孔过程中由于重力作用引起射孔枪偏心和水泥环偏置导致井筒上下方向射孔不均匀的问题,研究了偏心射孔对水平井射孔孔径和穿深的影响.偏心射孔实验结果表明,水平段井筒上部和下部的孔径和穿深差异大.在射孔完井水平井筒应力模型理论计算基础上提出了定量表征水平井偏心射孔影响的射孔非均匀指数并给出计算方法,定量分析了偏心射孔对水平井压裂裂缝启裂及延伸的影响.当射孔穿深小于3倍井筒半径时,会出现难以压开的情况;当射孔非均匀指数小于0.3时,上下孔眼破裂压力差将大于2 MPa,致使上部孔眼难以压开,即使能够压开上部裂缝,也会产生严重的上下裂缝面非均匀延伸、上部裂缝口狭窄、易出现砂堵风险.     

新型水力射孔工具改善了水平井的压裂效果

一种新型水力射孔工具改善了水平培压裂启缝的成功率。该工具可在地层中射出径向孔槽，使裂缝精确对准射孔孔眼而得以改善产液流动性能；该工具还在这后射成径向的扇形切缝，同时射成的套管孔口足够小而不破坏套管的整体性，从而消除或降低了通往井筒的裂缝通道的弯曲程度，改善了增产措施，清除地层损害以及分段压裂的效果。     

页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法

页岩储层水平井密切割压裂过程中同一压裂段内各簇水力裂缝难以维持均衡扩展，这一问题严重制约了压裂改造效果。为此，建立了一套完全流固耦合的水平井密切割压裂多簇水力裂缝同步扩展数值模拟方法，采用水力裂缝体积标准差(δ_v)定量表征多簇水力裂缝均匀发育程度，提出了一套科学完善的页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化方法。研究结果表明：单段射孔簇数越多，缝间诱导应力干扰作用越强，各簇水力裂缝发育越不均匀；随着每簇射孔数减少，孔眼摩阻增大，δ_v降低，各簇水力裂缝发育越均匀，当δ_v≤0.01后，继续减少每簇射孔数，对水力裂缝均匀发育程度的改善效果有限，且过度减小射孔数量会导致施工压力过高；以δ_v≤0.01为优化目标，针对2口实例井分别开展了等密度与非等密度限流射孔参数优化设计，均取得了良好的增产效果。研究结果可为页岩储层水平井密切割压裂射孔参数优化设计提供理论依据和优化方法。     

射孔对水力压裂多裂缝的影响

为了深刻认识射孔方式如何影响水力压裂的多裂缝问题,在对已报道的实验结果及文献的研究基础上,采用了理论模拟、实例剖析、归纳总结等手段,得到以下结果:(1)射孔方式影响人们对压裂施工压力的大小与多裂缝条数多少的判断.不利的射孔深度、射孔方式能够增加施工压力,影响对等效裂缝条数的判断,减小裂缝的有效宽度,造成加砂压裂困难.(2)射孔方位与多裂缝的形成密切相关.对于具有不利的地应力对比的构造或改造目的层而言,能够造成同方位的多裂缝,导致加砂压裂困难,此时应根据地应力状态选择合理的射孔方式;不同的射孔方式还可能直接造成不同方位的多裂缝,影响压裂改造的效果.(3)射孔长度影响多裂缝的条数.对于裂缝性地层而言,射孔长度与多裂缝条数有着直接的关系,同样影响着加砂压裂的成功与否,而适当缩短射孔段长度对石炭系地层的压裂改造有着积极的意义.结论为:射孔对水力压裂改造中的多裂缝现象具有重要的影响和支配作用.