Application of Abrasive Water Jet Perforation Assisting Fracturing

Abstract

This article presents a new technology of abrasive water jet perforation assisting fracturing on Well Zheng 408-8, Bin Nan Production Plant, Shengli Oilfield. First, the balsting tool, with 9 nozzles, was lowered down to the payzone and perforated 90 tunnels with abrasive water jet after being moved upward 9 times. Then the fracture work was conducted and 18 m³ sands were squeezed into the formations. After that the well production reached 11.6 t/d liquid and 8.7 t/d oil, respectively, and this continued for 9 months. But before the job, nothing was produced from this well.     

超临界二氧化碳射流中的颗粒跟随及影响因素

超临界二氧化碳射流具有破岩速度高、门限压力低等优势,加入磨料颗粒形成超临界二氧化碳磨料射流,将取得更高的冲蚀切割效率。为研究超临界二氧化碳磨料射流可行性,采用数值模拟方法,对比分析了单个颗粒在超临界二氧化碳等流体射流中的运动特征,揭示了流体温度、磨料粒径对颗粒跟随运动的影响规律。结果表明,与相同条件下在水与压裂液射流中相比,磨料颗粒在超临界二氧化碳射流中运动规律相似,但初始滑脱速度较大、跟随能力较弱,获得的喷射速度与撞击靶件壁面速度较高,表明超临界二氧化碳具有良好的颗粒携带能力;流体温度升高、磨料粒径增大均会使颗粒滑脱速度增大、削弱跟随运动效率,但同时也降低了喷嘴外流场中颗粒所受运动阻力,显著提高了喷射速度与撞击壁面速度。由此可知,对于石英、陶粒等常用磨料材质,在常规储层温度(60~140℃)与粒径范围(20~70目)内,超临界二氧化碳磨料射流可有效形成并进行高效冲蚀切割作业。     

旋转磨料射流破岩钻孔试验研究

针对径向水平井钻井技术中旋转水射流在硬地层和深井中破岩能力低的不足,利用磨料射流破岩能力强的优势,对旋转磨料射流进行了试验研究。结果表明,旋转磨料射流破岩具有钻孔直径大和破岩效率高的双重优点,并随泵压增加,钻孔直径也增加。与非旋转磨料射流相比,同样条件下旋转磨料射流钻孔直径和破岩体积都比前者高出多倍。该试验研究为磨料旋转射流应用于径向水平钻井提供了基础     

液氮磨料射流破碎高温花岗岩机理

液氮磨料射流是一种高效的破碎干热岩方式。为进一步探究其破岩机理,开展液氮磨料射流喷射高温花岗岩室内实验。从宏观角度分析岩石破碎形式、射流孔眼形态及表面特征,从微观角度分析断裂面形貌和微裂缝分布等,探究液氮磨料射流破碎高温岩石特征。同时,开展磨料水射流和氮气磨料射流破岩实验作为对照。实验结果表明,液氮磨料射流形成的孔眼形状不规则,表面凹凸不平,且破碎体积明显大于磨料水射流和氮气磨料射流。扫描电镜实验显示,低温、冲击载荷作用下,在孔眼壁面和孔眼附近区域生成大量微裂缝,其主要断裂方式为拉伸、剪切作用下岩石的脆性断裂,表现为穿晶断裂和沿晶断裂。理论分析和数值模拟研究表明,液氮低温作用对岩石造成损伤,而热应力、磨料冲击载荷和流体水楔作用在损伤岩石基础上主要以剪切和拉伸两种方式破碎岩石。     

井底岩屑磨料脉冲射流室内实验研究

提高深部复杂地层机械钻速，迫切需要发展新型高效破岩钻井技术。在分析现有技术的基础上，指出发展新型复合射流钻井技术是提高深部地层石油钻探效率的一个重要途径。提出了井底岩屑磨料脉冲射流钻井的技术构想，设计了相关的工具，分析了井底岩屑磨料脉冲射流破岩、辅助破岩的机理，进行了后混合磨料脉冲射流破岩室内实验研究。结果表明:冲蚀体积随泵压增大而增加，存在破岩的最佳喷距、磨料浓度和磨料粒径；在较低浓度下，后混合磨料脉冲射流的冲蚀性能较接近于前混合磨料脉冲射流；引入外部流体后射流的动压力增大了7%，脉冲幅值提高了1.5倍。研究结果为井底岩屑磨料脉冲射流钻井工具的研制和相关技术的开发提供了依据。     

煤层气水平井扇形磨料射流造穴喷嘴结构设计

现有煤层气开发直井采用水力造穴方式不能确定造穴的几何尺寸和形态,采用机械造穴方式刀杆容易变形、易使工具落入井内,水力-机械复合造穴技术操作复杂、成本高。为此,提出煤层气水平井扇形磨料射流喷射造穴的新思路。采用室内试验和数值模拟相结合的方法,优选和优化了扇形喷嘴的几何结构参数,分析了磨料颗粒在流场中的运动轨迹及加速特性,探索了射流参数和磨料参数对颗粒运动速度的影响规律。研究结果表明:椭圆形出口的扇形喷嘴适用于煤层气水平井喷射造穴;扇形磨料射流的颗粒加速区域主要集中在喷嘴收缩段和射流等速核区域内;流体的速度矢量场特征和磨料的运动轨迹特性表明,喷射造穴的主要作用机理是切割煤体的同时冲击破碎煤块;优化布置不同喷射角度的扇形喷嘴组合、提高喷嘴压降及合理控制砂比,可收到“网格式”切割破碎煤岩的效果,从而达到大范围应力释放的目的。所得结论可为煤层气水平井喷射造穴提供理论基础和设计参考。     

磨料射流射孔压裂一体化工具的设计

磨料射流射孔技术的工作原理是利用机械冲顶、磨铣或者水力冲击的方式在套管上形成水射流通道,然后利用高压水射流冲蚀地层,从而在地层中形成具有一定深度和孔径的油气渗流通道。研究了长庆油田的地质与水力压裂状况,并根据磨料射流射孔的技术状况设计了磨料射流射孔压裂一体化工具。通过对油井实施磨料射流射孔压裂一体化操作,在地层中形成了具有高渗透能力的通道。利用该工具可节省作业时间,降低生产成本。     

水力喷砂射孔参数实验研究

通过室内模拟实验，对影响水力喷砂射孔能力的7个参数（射流压力，射流排量，射流磨料性质，磨料体积分数，磨料粒度。岩性和围压）进行了系统研究。初步得出了各参数对射流破岩能力的影响规律，实验表明，水力喷砂射孔能力随压力和排量的增加而增加；磨料粒度和体积分数都存在着一个最优值。磨料体积分数为6%-8%，磨料粒度为0.4-0.6mm；磨料的性质对水力喷砂射孔能力有一定的影响；岩石的性质和围压对射孔能力有很大影响；固定条件下存在着最大射孔深度和最优喷射时间。     

磨料射流射孔增产技术研究与应用

介绍了磨料射流射孔机理、参数影响规律室内试验和油井射孔现场试验结果。研究表明，磨料射流射孔过程可分为脆性和延展性材料切割两个不同阶段，并得出了主要参数(包括压力、排量、磨料类别、磨料粒度、磨料体积分数、围压和岩石性质等)对射孔深度的影响规律和合理的参数范围。在地面模拟试验井，24～27MPa压力条件下射孔和割缝深度达0.50m以上；10口井11井次现场施工证明，磨料射流射孔工艺技术降低破裂压力5～10MPa，油井增产效果明显。     

油水井井下造缝解堵工具应用研究

对磨粒射流井下造缝解堵工具的研究设计作了解析.井下淹没射流割缝技术就是在水射流束中按一定比例混入固体颗粒(石英砂)作为磨料对套管及岩体进行切割的一种技术,为了方便现场工作,井下造缝解堵工具可带多对喷嘴一并下井,实现了不动管柱地面更换喷嘴.通过地面和现场实际验证,磨粒射流井下造缝解堵工具可实现一趟管柱割多对缝,满足了细分...     

围压对射流破岩特性影响的试验研究

围压是石油工程中影响射流动力学特性的重要参数之一。应用高压井筒模拟试验装置进行了围压对常规连续射流、空化射流和磨料射流破岩效果影响的试验，最高围压达到20MPa。试验结果表明，围压对常规连续射流和空化射流破岩效果影响明显，破碎体积随围压的增大而减小，减小的速度随围压增大逐渐变缓；而对获得最大破碎体积的最优喷距影响不大，为3～5倍喷嘴直径，说明围压对射流基本结构特性影响不明显。当围压小于15MPa时，磨料射流射孔深度随围压的增大而近似呈线性减小。该试验可为射流参数的优选提供依据。     

高压水射流理论及其在石油工程中应用研究进展

近年来新型水射流理论研究及其在石油工程中的应用进展主要包括：①自激振荡射流调制机理研究，创制了新型高效自振空化射流，发明了自激振荡射流钻头，首创了自振旋转射流处理近井地层解堵增产增注技术和自激波动注水技术。②机械及水力联合破岩理论研究，揭示了在钻井压入与旋转双向应力作用下，岩石裂纹形成和发展规律，建立了联合破岩钻头设计理论。③旋转射流理论和破岩机理研究，研制了径向水平钻井技术。①磨料射流特性和参数影响规律研究，优化了水力喷砂射孔参数设计，发展和完善了水力喷砂射孔技术。⑤高压水射液深穿透水力射孔及辅助压裂可行性研究，不仅可以提高射孔和压裂效率，而且为油田(特别是低渗透油藏)增产增注提供了一种有效方法。⑥双射流理论及其特性研究，双射流有利于形成大而深的破岩孔道，避免孔眼凸底的形成。可以提高射流破岩钻孔效率。⑦探索超高压射流辅助破岩理论及辅助钻井新方法，建立了超高压射流辅助破岩的三维PDC钻头模型。参18     

磨料射流切割套管技术研究及在海上弃井中的应用

为安全有效地从泥线以下切割海上废弃井套管和管桩,研究开发了磨料射流切割技术。基于高能磨料射流从套管串内部一次冲蚀切割多层管材的技术思路,设计了液压马达驱动式和水力自旋式切割装置,经过室内试验优化喷嘴、泵压、转速和磨料类型等参数,形成了配套的磨料射流切割多层套管工艺。地面综合切割试验及在曹妃甸 1-6-1 井的现场应用表明,该切割装置约在6 h内即可割断4层(φ244.5~φ762.0 mm)被水泥固为一体的套管,满足现场应用的要求,而且可利用工程船作业,能节省海洋钻机作业费用。实践证明,磨料射流切割技术具有切割能力强、效率高、环保无污染等特点,为国内海上油气田弃井作业提供了新的技术手段。      

Research and application of water jet technology in well completion and stimulation in China

In recent years, rapid progress in the use of high pressure water jets (HPWJ) has been made in oil and gas well drilling, completion, and stimulation; and good results have been achieved in field applications. Advances in technologies and developments of well completion and stimulation with hydrajet are reviewed in this paper. Experiments were conducted to study the characteristics of abrasive water jetting and to optimize jet parameters, which can provide methods for the well completion and hydrajet fractu...     

应用磨料射流割缝技术改善近井地层流场的实验研究

油田开发到中后期,油层压力下降,油层流动阻力增加,地层渗透率降低,使油井产量很低或成为死井。为此进行了磨料射流割缝技术研究。该技术应用磨料射流切割技术在井下对井壁周围岩层切割为与井轴线平行的深缝,使井周地层高压力得以松驰,解除压密效应,使近井地层得以恢复原有的渗透率。地面模拟试验和现场井下实验结果表明,通过应用磨料射流割缝技术可以改善近井地层流场,恢复地层渗透性,实现油(水)井增产增注的目的,现场应用取得良好的效果。     

粒子冲击钻井技术理论与现场试验

粒子冲击钻井技术作为高效破岩的前沿技术,有望成为一项解决高研磨性地层钻井速度慢的新型破岩技术,先导性试验评价是理论研究成果进入工业化应用阶段之前不可或缺的重要环节。为此,开展了粒子射流冲击破碎大理岩的室内实验,在粒子射流速度大于100m/s,冲击频率约为500万次/min的实验条件下,粒子射流的破岩体积是水射流破岩体积的3~4倍。进而设计了粒子钻井的工艺流程,研制出与之配套的粒子注入系统、粒子冲击钻头及粒子回收系统,其中关键设备高压粒子罐工作压力为30MPa,磁选机的处理量介于70~120m3/h,渣浆泵排量为65m3/h,满足了粒子钻进的安全均匀注入与粒子高效的回收。在四川盆地龙岗气田022-H7井的上三叠统须家河组高研磨性的砂岩地层中成功地开展了第1次现场试验,试验井段比该井上部井段的机械钻速提高了92.7%,表明该技术在提高钻井速度方面具有广阔的应用前景。     

PAM对磨料浆体射流速度的影响规律研究

利用PIV测速技术对淹没条件下磨料浆体射流中，流体及磨料的速度与PAM的浓度的关系进行了系统的测量研究。研究发现，随浆体中聚合物浓度增加，射流中流体速度以及磨料颗粒的速度都相应增加，并且随聚物的浓度提高，射流的会聚性增加；磨料颗粒的粒径大小对磨料在射流中的跟随速度有重要影响。同样条件下，颗粒粒径越大在射流中的速度越低。大理石切割实验基本证明了PIV速度测量的结果。     

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     

水射流射孔对套管冲击压力的数值模拟

为了进一步认识水力喷砂射孔过程及射孔成孔的形态,分析了靶距、砂粒体积分数和喷射速度对套管射孔压力的影响。采用射流理论、材料冲蚀理论和计算流体力学,利用计算机仿真软件,对不同靶距、砂粒体积分数和射流速度下的喷砂射孔进行数值研究。研究结果表明,随着靶距的减少,套管壁上的射孔压力增加; 随着靶距的增加,套管壁上产生的射孔压力面积增加; 射孔压力随着砂粒浓度和喷射速度的增加而增加。该研究结果可为水力喷砂射孔及套管射开孔型的优化研究提供参考。     

Micro-mechanisms of residual oil mobilization by viscoelastic fluids

Four typical types of residual oil, residual oil trapped in dead ends, oil ganglia in pore throats, oil at pore corners and oil film adhered to pore walls, were studied. According to main pore structure characteristics and the fundamental morphological features of residual oil, four displacement models for residual oil were proposed, in which pore-scale flow behavior of viscoelastic fluid was analyzed by a numerical method and micro-mechanisms for mobilization of residual oil were discussed. Calculated results indicate that the viscoelastic effect enhances micro displacement efficiency and increases swept volume. For residual oil trapped in dead ends, the flow field of viscoelastic fluid is developed in dead ends more deeply, resulting in more contact with oil by the displacing fluid, and consequently increasing swept volume. In addition, intense viscoelastic vortex has great stress, under which residual oil becomes small oil ganglia, and finally be carried into main channels. For residual oil at pore throats, its displacement mechanisms are similar to the oil trapped in dead ends. Vortices are developed in the depths of the throats and oil ganglia become smaller. Besides, viscoelastic fluid causes higher pressure drop on oil ganglia, as a driving force, which can overcome capillary force, consequently, flow direction can be changed and the displacing fluid enter smaller throats. For oil at pore corners, viscoelastic fluid can enhance displacement efficiency as a result of greater velocity and stress near the corners. For residual oil adhered to pore wall, viscoelastic fluid can provide a greater displacing force on the interface between viscoelastic fluid and oil, thus, making it easier to exceed the minimum interfacial tension for mobilizing the oil film.