压裂过程超级13Cr油管冲刷腐蚀交互作用研究

压裂过程中,高速含砂流体引起的冲蚀-腐蚀协同作用是引起油管、井下工具等设备失效的重要原因之一。利用自行研制的喷射式冲蚀试验装置,以质量分数3.5%的NaCl含砂液、固两相流体模拟加砂压裂液,采用失质量法研究了压裂排量对超级13Cr油管材料的冲刷磨损和腐蚀交互作用。研究结果表明,在质量分数3.5%的NaCl含砂流体中,超级13Cr油管用钢冲刷和腐蚀交互作用可以分为冲刷加速腐蚀和腐蚀加速冲刷磨损2部分。以114.3 mm×6.88 mm油管压裂为例,在液体排量超过2.65 m3/min时,因为冲蚀加速腐蚀和腐蚀加速冲蚀产生的交互作用都明显增大,导致总的冲蚀速率急剧上升;继续增加排量,交互作用开始由冲刷磨损主导,而冲刷加速腐蚀部分产生的交互作用降低。研究结果可为预防油气田压裂过程超级13Cr油管冲蚀提供参考。     

超级13Cr钢在蒸馏水和3.5wt%NaCl含砂流体中的冲蚀实验研究

大型储层改造过程中,高速含砂流体引起的冲蚀是管柱失效的重要原因之一。利用自行研制的喷射式冲蚀实验装置,以蒸馏水和3.5 wt%Na Cl为模拟溶液,对比研究了超级13Cr钢在含砂液固两相流体中的冲蚀速率随主流速度和压裂排量的变化规律。分析了Cl-1对超级13Cr钢的冲蚀的加速作用机理。研究表明,对于89mm×6.45 mm油管压裂,当排量低于2.2 m3/min时,Cl-1加速超级13Cr钢冲蚀速率作用不够明显;当排量在2.2~2.75 m3/min时,Cl-1使得电化学腐蚀加剧,导致总的冲蚀速率急剧增加;当排量大于2.75 m3/min时,冲蚀速率主要由冲刷流体产生及机械作用主导,Cl-1的影响开始降低。     

压裂液对水平井滑套球座冲蚀磨损的数值模拟

针对水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术在施工过程中出现压裂携砂液对滑套球座冲蚀磨损的问题,采用欧拉多相流理论和Finnie微切削理论,建立压裂液对滑套球座冲蚀的液固两相双流体数学模型,结合实际工程模拟不同砂比、粒径、排量等因素对球座冲蚀磨损速率的影响,并进行失效分析和现场应用。分析结果表明,压裂携砂液冲蚀球座最严重的部位发生在滑套前端锥面;施工排量对球座冲蚀磨损的影响最大,且磨损速率与排量成指数关系;粒径次之,冲蚀磨损速率随支撑剂直径的增大而减小;砂比对球座冲蚀磨损的影响最小。该球座冲蚀磨损规律为非常规油藏水平井分段压裂施工方案的优化提供了理论依据。     

套管孔眼压裂冲蚀大型现场实验研究

限流压裂过程中，携砂液高速流经射孔孔眼会产生严重的冲蚀现象，孔眼形态发生改变，导致孔眼限流作用失效，直接影响压裂改造效果。为明确限流压裂条件下孔眼冲蚀规律，本研究设计并搭建了孔眼冲蚀大型现场实验模拟系统，孔眼流速可达到191 m/s,套管压力达到35 MPa以上，采用真实压裂材料进行模拟实验，针对压裂施工的主要参数对套管内壁孔眼冲蚀规律进行实验研究。实验结果表明：井筒内壁孔眼冲蚀分布存在明显的不均匀性，孔眼优先沿跟端侧发生形变；压裂液黏度增大有助于孔眼限流作用保持；相同工况条件下，陶粒组冲蚀速率大于石英砂组；冲蚀速率对排量较为敏感，排量增大会加速孔眼限流失效；冲蚀速率与砂比间呈非线性关系，孔眼冲蚀速率在砂比7%～16%范围内相对稳定，砂比超过16%后，孔眼冲蚀速率急剧增大，在施工过程中建议将砂比控制在16%以下，可减缓孔眼冲蚀导致的孔眼形变。     

连续油管水力喷射冲蚀数值模拟研究

连续油管水力喷射环空加砂压裂技术可实现储层的大规模、高效率改造。但在水力喷砂射孔过程中,连续油管会受到砂粒的严重冲蚀,尤其在连续油管弯曲半径最小处(滚筒处)冲蚀尤为严重。应用CFD软件对连续油管水力喷砂射孔过程中所受的冲蚀进行仿真分析,对冲蚀磨损较严重的部位及区段建立对应的数值计算模型。利用数值模拟结果分析固相颗粒聚集及迁移规律,并合理利用冲蚀模型预测了管壁冲蚀速率与流量、砂粒体积分数等参数的关系。为工程中冲蚀磨损的预测及防治提供理论参考。     

水力压裂过程中套管内流动冲蚀损伤规律研究

油气田水力压裂施工时,高速注入的压裂液会对套管内壁产生一定冲蚀损伤,其中井筒造斜弯肘的冲蚀问题尤为严重。基于欧拉-拉格朗日多相流模型方法,采用RNG k-ε湍流模型和改进的冲蚀模型对水力压裂过程中套管内的携砂压裂液多相流动及冲蚀过程进行了数值模拟,研究了套管内部流场分布规律和压裂参数对套管冲蚀的影响规律。计算结果表明,套管内各位置颗粒浓度分布基本一致;从井口向井下压力逐渐降低,在弯肘处压力明显降低,压裂液流速接近峰值30 m/s;在竖直井与水平井相连接入弯处45°前位置出现了冲蚀破坏危险点,冲蚀速率出现峰值。水力压裂过程中套管壁面平均冲蚀速率随平均砂比、压裂液排量及压裂砂平均粒径的增大而增大,对套管壁面冲蚀影响最为关键参数是平均砂比,其次是颗粒粒径和排量,而压裂压力影响最小。在此基础上,从井眼轨迹和套管设计、压裂工艺参数设置等方面提出了降低压裂过程套管冲刷磨损的优化建议。     

连续管压裂冲蚀磨损性能研究

鉴于连续管压裂冲蚀失效的研究较少,且不全面,采用欧拉-拉格朗日方法以及Finnie冲蚀磨损理论,研究了压裂液对螺旋段连续管冲蚀磨损机理。采用控制变量法分别研究了支撑剂质量浓度、携砂液流量以及支撑剂粒径对螺旋段油管冲蚀磨损率的影响。研究结果表明,压裂液对螺旋段连续管的冲蚀磨损主要发生在油管外侧,除油管入口段外,其余部分冲蚀情况几乎相同;随着压裂液流量及支撑剂质量浓度的增加,螺旋段连续管的冲蚀速率增加,其中压裂液流量对冲蚀速率的影响尤为显著;随着支撑剂粒径的增大,最大冲蚀速率呈现出先减小后增加大的趋势,但是其平均冲蚀速率变化不大。研究结果对连续管压裂技术的现场应用具有一定的指导作用。     

连续油管水平井压裂携砂液流动压降及敏感性

连续油管压裂过程中携沙压裂液流动摩阻压降是压裂设计的重要内容,也是现场压裂施工成功的关键。压裂过程中携砂压裂液流经螺旋管、非螺旋段(垂直段+水平段)、环空压裂段,预测压裂流动压降难度大,现场设计数据与实际出入较大。在前人研究的基础上,以大庆某外径60.3 mm、壁厚2.769 mm的连续油管压裂数据为例,对连续油管水平井压裂携砂液流动压降进行分析。结果表明:螺旋段是连续油管在整个压降系统中最敏感部分,且这种敏感性会随着排量的增大而增强;环空压裂段摩阻压降与排量、环空管径比正相关;整体上压降随岩屑体积分数的增加而增加,但在此过程中会出现短暂下降窗口。     

基于LedaFlow和Fluent的冲蚀临界速率研究

利用水力压裂技术开采页岩气,生产过程中会携带泥砂等固体杂质。气体携砂在管道中流动时,速度过大会对弯头等关键部件产生冲击,从而造成冲蚀,对管道安全运行造成隐患。基于LedaFlow的API RP 14E冲蚀临界速率预测模型对页岩气管道携砂能力进行模拟计算,分析了管道直径、压力、流量对冲蚀临界速率的影响,并通过Fluent数值模拟计算出冲蚀临界速率对应的管壁最大冲蚀损失量,从而给出冲蚀临界速率和管壁最大年冲蚀损失量的关系式,既弥补了LedaFlow无法计算出管壁冲蚀损失的问题,也简化了Fluent的复杂计算过程,为实际生产提供参考。     

基于LedaFlow和Fluent的冲蚀临界速率研究

利用水力压裂技术开采页岩气,生产过程中会携带泥砂等固体杂质。气体携砂在管道中流动时,速度过大会对弯头等关键部件产生冲击,从而造成冲蚀,对管道安全运行造成隐患。基于LedaFlow的API RP 14E冲蚀临界速率预测模型对页岩气管道携砂能力进行模拟计算,分析了管道直径、压力、流量对冲蚀临界速率的影响,并通过Fluent数值模拟计算出冲蚀临界速率对应的管壁最大冲蚀损失量,从而给出冲蚀临界速率和管壁最大年冲蚀损失量的关系式,既弥补了LedaFlow无法计算出管壁冲蚀损失的问题,也简化了Fluent的复杂计算过程,为实际生产提供参考。     

超深储层改造液对完井管柱的腐蚀与缓蚀

井筒完整性对超深井安全高效生产意义重大,为揭示改造液对完井管柱的腐蚀规律,选取超深井改造常用的5种改造液与超级JFE 13Cr材质油管试片,通过金属挂片失重法和应力腐蚀实验,评价了超深层改造液对13Cr材料的腐蚀和新型高密度盐水加重压裂液缓蚀剂的缓蚀性能.结果表明,5种改造液对13Cr材质油管试片均存在一定程度的表面腐...     

基于阿基米德双螺旋线原理的水力喷射压裂技术

针对水平井多级压裂双簇水力喷射效果不佳、上下游喷射器冲蚀不均匀和水平井筒内携砂流体中砂粒易沉降等问题,研究了基于阿基米德双螺旋线原理的水力喷射压裂技术。根据阿基米德双螺旋线原理,设计了双螺旋水力喷射压裂管柱及喷射器,并采用可视化试验方法对双螺旋特性进行了室内携砂评价试验;根据牛顿第二定律建立了水力喷射压裂工况下等径直管和双螺旋管柱内携砂流体中砂粒运移的动力学方程,得出了等径直管和双螺旋管柱内砂粒的运动速度计算模型。研究得出,双螺旋水力喷射压裂管柱及喷射器能起到螺旋旋流作用,均衡双簇水力喷射压裂效果和降低上、下游水力喷射器冲蚀的非均匀性;等径直管内砂粒的运动规律符合恒定加速度运动方程,双螺旋管内砂粒的运动规律符合变加速度运动方程。研究结果表明,采用双螺旋结构水力喷射压裂管柱及喷射器是可行的,在均衡多级水力喷射压裂效果和提高水平井筒内携砂流体携砂能力方面具有显著作用。      

油套混压工艺技术的改进

在油套混压中,压裂液同时通过油管和油套环空进入地层,由于油管内室和油套环空的流动阻力性质不同,导致其流量和流速差异。详细分析了流速差异对油套混压效果的影响:设计的加砂程序发生了变化,使设计的高砂比的尾追砂失去了应有的效能,用常规方法设计顶替液量不适应油套混压方式。指出了油套混压存在的问题,提出了三种工艺改进办法:口袋沉砂法、嘴子调节法和定时关阀法。     

泾河油田连续油管水力喷砂射孔环空多簇压裂技术

针对泾河油田长8油藏水平井压后初期产量低且递减快的问题,根据连续油管水力喷砂射孔环空多簇压裂的技术原理,结合压裂裂缝诱导应力场分析,对簇间距、射孔参数和施工参数进行了优化,形成了泾河油田长8油藏连续油管水力喷砂射孔环空多簇压裂施工方案:压裂簇间距15~38 m,射孔位置距离天然裂缝5~10 m,射孔喷射速度大于190 m/s,压裂施工排量4~5 m3/min,前置液比例28%~32%,段加砂量25~45 m3,平均砂比25.5%~27.0%。该技术在9口井进行了现场应用,与优化前相比,一次压开成功率提高39.3%;与单簇压裂相比,平均单井产量提高3.5 t/d。应用结果表明,连续油管水力喷砂射孔环空多簇压裂技术能实现低孔、特低渗砂岩油藏的有效开发,具备推广应用价值。      

Investigation and Application for Multistage Hydrajet-Fracturing with Coiled Tubing

Abstract

Continuing high prices for oil and gas stimulate new technologies improve the production of low permeability reservoirs. Hydrajet-fracturing with coiled tubing, a unique technology for low-permeability horizontal and vertical wells, uses fluids under high pressure to initiate and accurately place a hydraulic fracture without packer, saving operating time and lowering operating risk. The mechanisms of hydrajet-perforation and hydrajet-fracture initiation are studied in this article. Frictions for one kind of fracturing fluid in coiled tubing have been computed to determine pump pressure and flow rate for field testing. Tools for hydrajet fracturing are designed as well. The first successful field testing in China of multistage hydrajet-fracturing using coiled tubing has proven that the theoretical calculation and field-testing data of hydraulic parameters are basically identical. It has also proven that tools meet the requirement of field testing.     

F142区块大型压裂技术研究与应用

为了提高F142区块油藏开发效益,研究并应用了大型压裂开发技术。在充分考虑大型压裂造长缝基础上,综合利用极限井距、经济极限井距和经济合理井距原理,同时结合区块地应力方向,优化了井网井距;在深穿透、造长缝、饱填砂、低伤害和低风险的设计原则上,利用三维压裂优化设计软件,以产量最优为目标,优化了加砂量、排量、砂比和前置液量等参数;根据大型压裂储层、施工时间和施工规模对压裂液性能的要求,优选了压裂液,确定了F142区块低渗透油藏大型压裂开发模式。根据优化结果,F142区块应采用反九点法井网开发,同时采用大砂量、大排量、高前置液量、中等砂比的大型压裂工艺。完成了22井次大型压裂现场试验,平均单井加砂量75m3;压前平均单井产油量0.8t/d,压后初期平均单井产油量22t/d,取得了显著的增产效果。这表明,大型压裂开发技术能够大幅提高F142区块开发效率,为类似储层的高效开发提供了技术借鉴。     

节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟

建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。节流器内冲蚀最严重的位置发生在距离节流器出口上边缘10mm以内的局部区域。     

水力喷射环空压裂技术在合川区块的应用

连续油管喷砂射孔环空压裂工艺依据Bernoulli原理,利用安装在连续油管上的水力喷射装置产生的高速流体穿透套管、水泥环,在地层岩石中射开一定深度的孔眼,通过油套环空泵注施工,改造完成后用支撑剂掩埋已施工层段,用以隔离已压裂段和其后的未压裂段,最后用连续油管冲砂并开始生产。现场应用表明,该工艺可减轻地层伤害、缩短施工周期、降低开发成本、提高作业安全性并显著增加产能,对开发低渗透、薄互层的油气田具有较大的适应性。     

川西地区压裂施工过程中管柱摩阻计算

以降阻比法为基础,分别对有机硼交联(HPG)压裂液的前置液、携砂液的沿程管柱摩阻计算方法进行分析,结合川西地区部分井压裂施工现场的施工数据,对管柱摩阻计算公式进行修正改进后,提高了压裂施工设计和数值模拟中摩阻参数计算的准确性;同时用计算机程序实现了施工过程管柱沿程摩阻的计算,可用于模拟压裂施工全过程的摩阻计算.对四川川西地区以油管方式注入井的水力压裂施工设计及现场施工过程中井底压力的分析具有重要意义.