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此评价对我China University of Petroleum水力喷射压裂技术交流水力喷射分段压裂技术研究与应用 及**井水力喷射压裂设计中国石油大学(北京) 2011年06月提 纲一、水力喷射分段压裂机理与参数 二、水力喷射压裂工具设计研制 三、
现场施工工艺设计与应用 四、**井水力喷射压裂设计 四、**井水力喷射压裂设计 五、结论1一、水力喷射分段压裂机理与参数 1 水力喷射分段压裂机理水力喷射分段压裂 (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 可实现多段压裂特别适合分段、分层作业，无须机械封隔 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、提高施工可控性一、水力喷射分段压裂机理与参数 1 水力喷射分段压裂机理射孔过程：Pv Ph 射孔过程：Pv+Ph&FIP，不压裂 环空加压：Pv+Ph+Pa≥FIP，起裂 射流在孔底产生推进压力 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 射流抽吸引射作用，强化封隔效果控制环空流量保持合适环空压力至为关键 补偿井眼漏失、补充裂缝、维持压力 防止地层吐砂，降低施工风险 控制环空压力分层压裂2一、水力喷射分段压裂机理与参数 2 管内和环空水力参数计算喷射排量和射流冲击力计算 调整排量，精确控制Pv和Pa 管内流体压降损失计算 环空流体压降损失计算0.6 500?L/min 0.5 1000?L/min 1500?Lmin 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 500 00 ?L/min环空压耗 （MPa） 耗井深 （m）不同排量环空压耗与井深关系曲线一、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3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-结果分析数模与物模对比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 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展（1）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响—室内实验实验装置示意图4一、水力喷射分段压裂机理与参数 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展（1）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响—室内实验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 29.21MPa降到25.77MPa，下降11.8％。 α角由900降到00 ，起裂压力由30.2MPa降到25.8MPa, 降低4.4MPa(14.5%)一、水力喷射分段压裂机理与参数 4 水力射孔孔眼中裂缝起裂和扩展（2）射孔参数（孔径、孔深、方向）对起裂影响—地面试验定向水力射孔容易实现射孔方向与最大水平主应力方向一致，降低 破裂压力和裂缝延伸压力，控制裂缝在近井地带转向，起导向孔作 用，有利于产生单翼或双翼裂缝，特别为低渗改造、提高压裂效率 和成功率提供有效手段。接泵车 丝堵 返排管线水泥靶 套管 油管 喷枪 丝堵5一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化实验流体参数 射流压力 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率 流速 流量 流体性质 射流反冲力 磨料参数 磨料类型 磨料流量 磨料粒度 混合管直径 工况参数 进给速度 靶距（喷距） 流道数 入喷射角 切割体积 切深或切宽 比能 靶件参数 靶件强度 靶件硬度 靶件孔隙度 靶件渗透率 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 压力 排量 磨料类型 磨料浓度 磨料粒度 岩性 围压 时间影 响 因 素实 验 参 数一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化实验实验装置与方法喷嘴高压泵组岩样磨料加砂系统磨料射流实验装置6一、水力喷射分段压裂机理与参数 5 水力喷射射孔参数优化压 力 磨料粒度选择：20~40目石英砂 影 响射 孔 深 度 （ cm ）40 30 20 10 0 20 25 30 35 压力(MPa) 5分钟 10分钟 15分钟 40 45最优喷嘴压降 最优喷嘴压降：28~35MPa最优磨料体积浓度：6~8% 最优喷砂射孔时间：10~15min 排磨 料 类 型 影 响34 32 30 28 26 24 22 20 0 石英砂 石榴石量 影 响孔 深 （ cm）40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 100孔 深 （ cm）5分钟 10分钟 5分钟 10分钟150 200 排 量（l/min） 250 3005 10 时间（min）15二、水力喷射压裂工具设计研制水力喷射压裂工具是实现水 （1）喷射压裂工具整体方案设计 力喷射压裂工艺的关键之一 （2）滑套设计研制 （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7二、水力喷射压裂工具设计研制喷射器本体拖动式喷射器滑套式喷射器适用于4″～95/8″套管， ～5500m井深 材料和处理：喷嘴工作寿命6h以上 地面泵压力：40～90MPa，排量：2.0～3.4m3/min 施工层段数：1～8层，单层填砂量：15～55m3三、现场施工工艺设计与应用 工艺设计与现场试验自主工具工艺完成200多井次现场试 验井型：直井、水平井、定向井，油井、气井 完井：套管射孔、割缝筛管、裸眼 管柱：油管、连续管，拖动管柱与滑套不动管柱 自主：参数软件、井下工具、工艺设计 施 1.工具入井定位 1 工具入井定位 工 2.油管内加压，射孔 工 3.维持喷嘴压降、环空加压， 艺 孔内起裂、裂缝延伸 与 4.第二段裂缝射孔、压裂 参 5.重复4，完成多段压裂 数1、2 1 2 34、58三、现场施工工艺设计与应用油田井段 (m)单层砂量 (m3)30～50 10～50 20～40 10～25 15 18 15～18 38 18～55井型H+V+X H+V+X H+V H+V H V H+V H+V H+V平均增产 (%)710% 540% 580% 620% 550% 540% 630%完井方式套管+衬管 (压裂完井) 套管+尾管 (压裂完井) 套管 套管+筛管 筛管 筛管 套管＋裸眼四川大庆 中原 吐哈 辽河 华北
90～50～3070三、现场施工工艺设计与应用 直井分层压裂现场试验—BQ110井BQ110井深2250m，因产量低关井停产 日西南油气院与中国石油大 学合作首次应用2”连续管水力喷砂逐层压 裂、一天成功连续压裂3层。 试验层位1105m延续到749m，3层共加入 陶粒30.32 陶粒30 32 m3，单层喷压时间1～2h，工具 单层喷压时间1～2h 工具 寿命达6h，作业跨度达到365m。 施工后，第二天排液140m3，之后产气量 8,000m3/d，稳产1年以上，压裂效果显著。9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井新沙311H Ⅰ、Ⅱ类储量A B气体/液体欠平衡钻井、φ139.7mm衬管完井完钻井深3010m，垂深2480m，水平段长385m层位：JS31 孔隙度13.6%、渗透率0.25md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井采用投球滑套工具，不动管柱常规油管水力喷射分段压裂技术8h完 成三段压裂，这是该工艺在国内衬管完井（裸眼）水平井首次试验成功 成 段压裂 这是该 艺在国内衬管完 首次试验成功。 分别完成40m3 、30m3 、30m3陶粒的施工，油管排量3.0～3.3m3/min， 最高砂浓度700kg/m3，泵压65～76MPa，环空排量0.9～1.5m3/min。 完井仅0.3×104m3/d，压裂后测试天然气无阻流量16.1×104m3/d，增 产倍比达到50倍以上，高于邻井单层压裂11.4×104m3/d的平均水平。20.00 携砂液排量 (m?min) 支撑剂浓度 (kg/m? 地面压力 [油管] (MPa)环空排量 (m?min) 地面压力 [环空] (MPa)20.00 80.00 80 0016.00 16.00 64.0012.00 12.00 48.008.00 800 32.008.00 32.004.00 400 16.004.00 16.000.00 0 0.00115.0188.0261.0334.0407.0480.00.00 0.00Time (min)10三、现场施工工艺设计与应用 套管完井水平井喷射4段压裂－Z66-P21井大庆Z66-P21井2205m，套管139.7mm，施工前日产油4.5t 四级喷枪6×φ6喷嘴，压裂4段：、m 油管排量2.5m3/min，最大油压37.4MPa、套压19.5MPa 加砂量22＋32＋32＋22＝108m3，日产油8.5t，日增油4.0t肇61-平21P1 3 1.0井段 S落ubtitle1.200 1 200 3.000 70.00Rate 3 m^3/min Rate 1 m^/min pressure 1 Mpap p prop conc kg/m^3 g pressure 2 Mpa0.960 2.400 56.000.720 1.800 42.000.480 1.200 28.000.240 0.600 14.000.000 0.0000020 040 060 080 0100 0三、现场施工工艺设计与应用 衬管直井动管柱现场试验—火成岩ND7-9井牛东7-9井是吐哈三塘湖油田牛东区块一口 火成岩开发井，井深1900m。气举放喷未出液。 火成岩开发井 井深1900 气举放喷未出液 之后又连续油管气举未出液。全井段酸化，初 期日产液5.6m3，含水100%，产油0吨，后关井。 对m射孔后常规压裂，入井总砂量 47.9m3，压后初期日产油4.0吨，产量下降严 重。日关井。关井前日产液 0.78m 日产油0 55吨 0 78 3，日产油0.55吨。 采用3 ?’油管实施水力喷射分段加砂压裂， 分别加入陶粒20.0m3和30.1m3，拖动工具对 1480m、1503m两层段进行，取得成功，日产油 14吨，增产效果十分明显。11三、现场施工工艺设计与应用 水平井6段分层压裂—阿尔3平15井单喷枪最大过砂量 单喷枪最大过砂量：57m3 喷射石英砂16.05m3 共加陶粒241m3 施工3天三、现场施工工艺设计与应用油管 套管 石英砂 （m3） 前置 携砂 陶粒 前置液 液 液 （m3） 比例 （m3） （m3） 27.1 116.0 121.5 67.3 0 198.9 194.3 121.8 0 55.5 55.7 31.7 55.6 42.6 241.1 \ 36.8% 38.4% 35.6% 40.4% 39.4% 停泵压力 油管 套管 （MP （M a） Pa） 1.30 1.30 10.5 7 11.0 8 11.7 0 12.7 9 14.1 5排量 压力 排量 压力 （m3/min） （MPa） （m3/min） （MPa） 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 第 第六层 合计 2.7 2.6-3.2 3.4-3.6 3.4-3.7 2.7-3.6 3.5-3.7 \ 44↗74 43↗54 42↗55 46↗58 32↗42 32↗39↘3 3 \ 0 0.5-1.0 1.0-0.5 1.0-0.5 1.0-0.5 0.5 \ 45-60 12.9↗15.1 ↘14.5 14.3↗15.5 12.2↗14.1 10.1↗15.4 ↘14.5 12.8↗16.5 \平均 砂比4.18 2.33 2.18 2.18 2.21 2.97 16.05\19.5% 10.73 21.4% 11.42 19.6% 11.90 25.9% 13.06 26.0% 14.30124.53 184.1 91.4 547.8 140.7 839.812三、现场施工工艺设计与应用 水平井8段分层压裂—阿尔3平21井单喷枪最大过砂量：45m3 喷射石英砂17.65m 喷射石英砂17 65m3 共加陶粒330.8m3 施工4天 自喷油：20t/d三、现场施工工艺设计与应用油管 套管 排量 压力 排量 （m3/mi 压力（MPa） （MPa） （m3/min） n） 第一层 第二层 第三层 第四层 第五层 第六层 第七层 第八层 合计 2.6-2.8 2.6-2.8 3.4-3.7 3.4-3.6 3.4-3.7 3.4-3.8 3.6-3.8 3.7-3.3 \ 45-55 40-49 45-56 47-55 33-42 35-42 32-40 38-28 \ 0.5-1.0 1.0-0.8 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5-0.8 \ 24.5↘12.8 13.3↗14.2↘13.5 14.8↘14.5 14.8↗15.6 16.4↗17.7 18.4↗19.1↘17.6 16.8↗18.9↘18.2↗ 20.3↘19.7 17.9↗19.0↘14.6 \ 停泵压力 石英砂 前置液 携砂液 陶粒 前置液 （m3） （m3） （m3） （m3） 比例 2.2 2.15 2.21 2.15 2.18 2.21 2.23 2.32 17.65 91.85 81.6 89.66 86.55 96.5 98.86 94.7 82.9 722.6 130.93 131.0 165.4 158.5 160.92 160.83 186.54 166.33 38.68 38.59 38.86 38.72 44.46 44.2 43.47 43.86 41.2% 38.4% 35.2% 35.2% 37.5% 38.1% 33.7% 33.3% \ 平均 砂比 22.0% 21.9% 18.7% 19.3% 23.8% 23.7% 20.2% 20.9% \ 油管 套管 （MPa） （MPa） 9.87 10.77 11.27 11.56 12.21 12.48 12.96 11.24 \ 9.41 10.53 10.97 11.28 12.01 12.28 12.87 11.05 \.8413四、**井水力喷射压裂设计 **井基本情况人工井底 井身结构 压裂层段 1765.00m表套：273.1mm*96.2m 表套 273 1 *96 2 油套：139.7mm*1768.24m完井方式 水泥返深Ф139.7mm套管 776.4m49#：2.6m、45-46#：m .2m、38#：5.0m，厚度：51.6m/3层声波 时差 (μs/m) 孔隙 度 (%) 含油饱 和度 （%）层号解释井段(m)厚度 (m)电阻率 (?·m)射孔井段（m）厚度 (m)岩性油气 显示38 45 46 495.0 6.4 7.2 2.626.0 6.4 8.2 11.0221.5 744.2 8.5184.0 178.0 177.0 177.04.7 4.1 4.1 4.73.5 2.5 砂砾岩 3.5 3.5 混合 58.6 6.5 3.5 花岗岩 混合 63.0 5.0 3.5 花岗岩 混合 67.2 2.5 6.0 花岗岩 42.8荧光 油斑 油迹 油迹四、**井水力喷射压裂设计 **井水力喷射压裂方案定点压裂位置：1656.5m、1612m、1523.5m（油层中部，避开套管 定点压裂位置 12m 1523 5m（油层中部 避开套管接箍）压裂工艺：不动管柱式水力喷射分段压裂工艺 设计单层加砂量：12＋20＋20m3陶粒 压裂参数：油管排量2.6-3.4m3/min 环空排量0.8-1.0m3/min 预计油压45～55MPa 预计套压11～13MPa14四、**井水力喷射压裂设计 **井水力喷射压裂工具喷枪：采用6×φ6.0mm和8×φ6.0mm喷嘴 喷枪：采用6×φ6 0mm和8×φ6 0mm喷嘴 工具扶正器外径116mm，本体外径108mm 工具扣型：2-7/8in平式扣 连接工具时丝扣涂抹丝扣油第 三级滑套式喷枪 （定位：1523.5m） 第二级滑套式喷枪 （定位：1612m） 第一级喷枪－无滑套 （定位：1656.5m）四、**井水力喷射压裂设计15四、**井水力喷射压裂设计 **井水力喷射压裂工艺步骤压前工作：通径规通井，洗井 下压裂管柱及工具， 定点误差不大于0.3m 提高油管排量(2.6m3/min)， 加交联剂，泵注前置液 加交联剂 泵注前置液阶梯式加砂，泵注携砂液环空敞开，油管(2.6m3/min)泵注混有石英砂的 基液进行水力喷砂射孔，持续10min加砂完毕，泵注顶替液 （过顶0.1倍油管容积） 停泵，测压降。待套压不降低， 油管或套管放喷。降低油管排量(1.0m3/min)，关闭套管阀门， 环空开始持续泵注基液(1.0m3/min)投球准备压裂下一层四、**井水力喷射压裂设计向油管内投入钢球，环空敞开，油管低排量 替球，待油压突变3-5MPa后，说明滑套打开提高油管排量(3.4m3/min)， 加交联剂，泵注前置液环空敞开，油管(3.4m3/min)泵注混有石英砂的 基液进行水力喷砂射孔，持续8min阶梯式加砂，泵注携砂液加砂完毕，泵注顶替液 降低油管排量(1.0m3/min)，关闭套管阀门， 环空开始持续泵注基液(1.0m3/min)停泵，测压降。待套管压力 降至10MPa以下，油管或套管放喷 油管内投球，油管起泵压裂第三段，打开滑套，重复以上几步16四、**井水力喷射压裂设计 施工注意事项：压裂车组和液体能够保证施工的连续性，防止施工过程 中停泵引起事故的产生； 为了有效实现定点喷射和压裂，施工排量、压力需尽量 保持稳定。加砂过程要平稳，尽量避免砂比突升突降； 由于地层破裂压力过高导致套压超过限压时，要降低套 管排量，若无效则应立即停止环空补液，同时相应提高油 管排量保证施工总排量；四、**井水力喷射压裂设计施工过程中若发现套压急剧上升，应立即停止加砂并 通过油管低排量顶替。若已无法进行顶替则应打开套管 闸门，将井筒中的砂子顶替到地面； 施工过程中若发现油管压力直线下降或套管压力直线 上升到与油管压力相等，表明油管或工具脱断，应立即 停止加砂进行顶替。17五、结 论水力喷射分层压裂集射孔、压裂、分段一体化，无须机械封 隔，造缝准确、有效隔离、一趟管柱多段压裂，新型增产措施； 趟管柱多段压裂， 数值模拟和实验研究了水力喷射压裂机理，探讨了水力定向 射孔辅助压裂可行性； 研制成功自主产权水力喷射分段压裂工具，建立了动管柱和 不动管柱施工工艺，直井、水平井现场试验200余井次取得成功；水力喷射压裂技术交流18
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你可能喜欢张焕芝　 等：国外水平井分段压裂技术发展现状与趋势国外水平井分段压裂技术 发展现状与趋势张焕芝　何艳青　刘　嘉　张华珍 中国石油集团经济技术研究院科技所摘　要：2002 年以来，随着水平井的规模应用，国外许多公司开始尝试水平井分段压裂技术，经过近 10 年的发展，现 已形成较为完善的适应不同完井条件的水平井分段压裂技术。 主流的水平井分段压裂技
术主要有水力喷射分段压裂技术、 裸 眼封隔器分段压裂技术和快钻桥塞分段压裂技术 3 类，其中裸眼封隔器分段压裂技术应用最为广泛。2007 年开始，水平井 分段压裂技术成为非常规油气开发的主体技术，开始在北美大规模应用。目前国外能够提供水平井分段压裂工具及技术服 务的公司有 30 多家，这些公司主要通过自主研发、并购和引进等方式获取该项技术。未来，水平分段压裂技术的发展方向 主要有 4 个，即：高导流能力压裂、段数倍增压裂、缝网压裂、随压甜点探测。 关键词：水平井　分段压裂　发展现状　研发方向 DOI：10.3969/j.issn.12.06.011国外在 20 世纪 80 年代中期开始研究水平井压裂 增产改造技术，最初是沿水平井段进行笼统压裂 。 2002 年以后，随着致密气、页岩气、致密油等非常规 油气资源的大规模开发和水平井的大规模应用，许多 公司开始尝试水平井分段压裂技术。在随后的几年 里，随着微震实时监测技术的提高和工厂化作业模式 的日益成熟，压裂段数越来越多，作业效率和精度越 来越高。2007 年开始，水平井分段压裂技术成为非常 规油气开发的主体技术，开始在北美大规模应用。其 发展历程如图 1 所示。11.1国外水平井分段压裂技术发展现状形成了适用于不同完井条件的水平井分 段压裂技术经过 10 多年的发展，国外已经形成较为完善的适应不同完井条件的水平井分段压裂改造技术。主流的 水平井分段压裂技术有 3 类：水力喷射分段压裂技术、 裸眼封隔器分段压裂技术和快钻桥塞分段压裂技术， 其中裸眼封隔器分段压裂技术应用最为广泛。这 3 类 技术的技术特点、适用范围、局限性及工具结构分别 见表 1 和图 2。1.2 “工厂化”作业模式降低成本美国非常规油气开发的成功之路就是降低钻完井 成本，保证压裂质量，提高单井产量，一种重要的做 法就是“压裂工厂” 。2005 年哈里伯顿公司率先提出 “压裂工厂（FRACFACTORY） ”的概念，即在一个中央 区对相隔数百米至数千米的井进行压裂。所有的压裂 装备都布置在中央区，不需要移动设备、人员和材料 图 1 　水平井分段压裂技术发展历程图 就可以对多个井进行压裂。 “压裂工厂”作业模式成为第一作者简介：张焕芝，1981 年生，2008 年获中国石油大学（华东）硕士学位，现从事油气田开发科技信息研究工作。E-mail： .cn2012 年第 6 期?石油科技论坛 47环 球 石 油表 1 　国外水平井分段压裂主流技术介绍适用性分析 主体技术 常规管柱拖动式 水力喷砂 水力喷砂 连续油管拖动 分段压裂 水力喷砂 技术 不动管柱式 不动管柱；工具外径小；有反洗通道 水力喷砂 液压坐封裸眼 裸眼封 隔器分段 遇油膨胀 压裂技术 封 隔 器 + 滑套 套；施工快捷 同时射孔及坐封压裂桥塞；可进行大 快钻桥塞分段压裂技术 排量施工；分压段数不受限制；压裂 后可快速钻掉，易排出 套管 满足大排量 施工 对套管和套管头抗压要求高；对 电引爆坐封等配套技术要求高； 施工动用设备多、费用高 系统无需机械操作；地面投球打开滑 封 隔 器 + 滑套 不 动 管 柱 , 投 球 打 开 滑 套 分 压 各 段； 兼 有水层的井 做压裂管柱与生产管柱；施工快捷 裸眼 遇油膨胀坐封，封隔环空；隔离套管 套管 应用广泛 封隔器膨胀时间长，无法解封 裂缝起裂位置无法控制 规模小 砂洗井管柱；施工安全 筛管 油井、压裂 井口施工压力高；深井受限 塞留置，封堵已压井段；连续管兼做冲 裸眼 套管尺寸井 井口 技术特点 完井 井下工具简单，长度短；工具外径小； 有反洗通道；砂卡管柱几率小 连续油管喷砂射孔，环空加砂压裂；砂 套管 油井、特殊 道路要求高；要求配套带压作业 适用性 油井、特殊 套管尺寸井 一趟管柱施工段数 2 ～3 段；施工 周期长 对套管和套管头抗压以及井场 局限性图 2 　水平井分段压裂工具结构图 规模化作业的雏形。后来，这一概念逐渐扩展为“工 厂化钻完井” ，即多口井从钻井、射孔、压裂、完井和 生产整个流程都是通过一个“中央区”完成。通过采 用“工厂化钻完井”的作业模式，完井周期从原来每 口井 60 天降至目前的 20 天完成 5 口井，完井成本降低 了近 60%（图 3） 。1.3微震实时监测提高压裂效果随着水平井分段压裂技术应用范围逐步扩大，压裂监测水平也有了重大突破。2006 年，威德福公司推 出 FracMap 微震压裂监测技术，并首次在油气勘探领 域实现商业化应用。随后，斯伦贝谢、贝克休斯、哈 利伯顿也相继推出微震压裂监测技术服务。通过微震 监测，不但可以在压裂进行的过程中实时获取井下信48 石油科技论坛?2012 年第 6 期张焕芝　 等：国外水平井分段压裂技术发展现状与趋势进，水平井分段压裂技术的市场需求必将一 路走高。2 . 2 　服务市场受益于压裂服务市场的强劲需求，北美 压裂技术服务公司成长迅速。目前，北美能 够提供水平井分段压裂工艺、设备、压裂液 等相关服务的公司有很多，其中在技术服务 方面处于领头羊位置的除了有哈利伯顿、斯 图 3 　工厂化钻完井示意图 息（裂缝的方位、高度、长度、复杂度等） ，还可以实 时优化压裂程序。虽然这项技术已经被证实在提高压 裂效果、降低压裂成本等方面可起关键作用，但其应 用并不像报道中那样“火热” 。从目前掌握的资料来 看，北美目前只有 2%～3% 的井采用了微震压裂监测 技术。 伦贝谢、贝克休斯这样的大型综合性油田服 务公司之外，还有 FracTech、Packers Plus 等 专门从事压裂服务的公司，这些公司的水平井分段压 裂工艺已经系列化，并且还在不断地推陈出新（表 2） 。 除了表 2 中列出的这些公司之外还有众多如 Superior 油井服务公司、Cudd 能源服务公司、FracTech 等提供压裂液、压裂设备、压裂工艺等相关压裂服务 的公司，这些压裂服务公司在北美的市场份额见图 5。22.1北美水平井分段压裂技术应用情况、 服务市场及研发方式应用情况水平井分段压裂技术是伴随着页岩气、致密气、致密油等非常规油气的开发而发展起来的一项工程技 术。近几年随着非常规油气开发规模的日益扩大，水 平井占新钻井数的比例越来越大，水平井分段压裂技 术的应用范围也越来越广，北美对水力压裂的需求呈 指数型增长（图 4） 。随着水平井分段压裂技术的不断 进步，水平井压裂段数越来越多，平均压裂段数已经 从 2008 年的 5～10 段增加到目前的 20 段以上。未来5～ 1 0 年，随着全球非常规油气勘探开发进程的不断推2.3研发方式分析水平井分段压裂技术走在国际前列的 6 家公司的技术研发方式可以发现，这些公司的水平井分段 技术和工具主要是通过自主研发，也有通过引进或收 购方式而获取的。以贝克休斯为例，2009 年，贝克休 斯收购了 BJ，BJ 公司拥有 OptiPor t、OptiFra c-SJ、 DirectStimTM 等多项专利技术，通过这次并购，贝克休 斯在水平井分段压裂方面的技术服务能力大大增强 图 4　2003 ― 2011 年北美水力压裂规模（资料来源：Ｓｐｅａｒｓ　＆　Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ“Ｄｒｉｌｌｉｎｇ：Ｍａｒｋｅｔ　Ｆｏｒｅｃａｓｔ” ）（表 3） 。2012 年第 6 期?石油科技论坛 49环 球 石 油表 2 　主要水平井压裂服务公司及其工艺公司 工艺系列及 推出时间 Surgifrac （1998） 工艺 种类 水力喷砂分段 压裂技术 技术原理 工艺特点 精确有效，可在单井中选择裂缝的位置并产生多条裂缝， 可以完全控制裂缝生成，但不能控制裂缝的增长；需 求 的 设备少。缺点是需要两组泵注系统，不是所有井都适合 CobraMax H （2007） 水力喷砂分段 压裂技术 使用连续油管喷砂射孔，通 过环空压裂，留砂塞分隔各 层，作业后连续油管冲砂 Fast Drilling 哈里 Plug 伯顿 裸眼封隔器 + 滑 Delta Stim （2009） 套分段压裂技术 （遇油膨胀封隔器） 通过投直径不同的球逐段打 开滑套 快速可钻桥塞 分段压裂技术 电缆传送射孔，压裂完成后 快速钻掉桥塞 一趟管柱完成射孔和压裂；砂比不受限制，施工规模可以 很大；对连续油管磨损很小，可以保证一盘连续油管完成 多口井的施工；井下工具简单，效率很高，施工风险小 适用于多种套管尺寸；一趟电缆同时射孔及坐封桥塞；压 裂后可快速钻掉桥塞（1 0 m i n 便可钻掉一个） ；材质很轻， 非常容易排出 主要工具是 Delta Stim R 滑套和 Swellpacker R 隔离系统，可 以 精 确布缝，进行有选择性的压裂；滑套可地面投球打开，并 有能力后期关闭不太理想的产层；支持连续泵注，节 约 作 业周期 RapidFrac （2011） 裸 眼 封 隔 器 + 滑套 分段压裂技术 遇油膨胀封隔器；通过一个 计量过程确保一个球可以打 开多个滑套 Frac-Point （2001） Frac-Point EX Frac-Point EX-C 裸 眼 封 隔 器 + 滑套 分段压裂技术 裸 眼 封 隔 器 + 滑套 分段压裂技术 裸 眼 封 隔 器 + 滑套 分段压裂技术 液压坐封封隔器；通过投直 径不同的球逐段打开滑套 液压坐封封隔器；通过投直 径不同的球逐段打开滑套 液压坐封封隔器；通过将投 球尺寸增加 1 / 1 6 i n ，增加了球 座的数量和分压段数 在 多 个 产 层 中 射 孔 和生产，在 快速可钻桥塞分段 QUIK DrillTM 压裂技术 贝克 休斯 用桥塞来分离产层，然后钻 掉桥塞进行生产 包括若干个由压力启动阀开 启的压裂孔，压裂孔开启后， OptiPort （2010） 投球完井 + 环空 压裂 压裂流体被泵入井眼连续管 环空，每 个 层 段 从 井 底 开 始 依次处理，后续层段由连续 管上的井底钻具组合封隔 水力喷砂分段 OptiFrac-SJ 压裂技术 裸眼封隔器 + 滑 套分段压裂技术 连续油管喷砂射孔；环空压 裂；砂塞隔离 主要工具包括投球滑套、压 差滑套和多个封隔器 通过射流产生清洁的孔眼；射孔孔眼迂曲度较小；水 力 裂 缝在低压状态下延伸；泵注过程中连续油管可以放在井内； 压裂级数不受限制，通常一天能压 5 段 每 段 由 两 个 套 管 外 封 隔 器 分 隔；工 具 简 单 、 可 靠 ，性 能 高 ， 易 安 装；可 分 压 9 段 DirectStimTM 投球完井与环空压裂的完美结合；作业迅速，成本低；压 裂液及添加剂用量少 隔可靠性高；分段压裂级数不受限制；裂缝布放位置精准 每一个产层中单独压裂，利 节 省 钻 时（ 同 时 射 孔 及 坐 封 压 裂 桥 塞 ） ；易 钻 ，易 排 出；封 每个滑套都可以根据特殊的压裂需求量身定制以降低操作 风险和提高压后产量；压裂液连续泵注，减少作业周期和 用水量 不固井、不射孔；一趟管柱安装完，节省时间；可以更好 地控制裂缝的延伸；通过小规模、有选择性地处理降低压 裂成本；最多处理 1 1 段 分 压 更 多 的 段 数 ，最多 2 4 段；增 加 初 始 产 量 ；球 座 耐 压 8000psi 在泵送作业中给球座提供了额外的机械支持力量；最 多 处 理 40 段射流产生裂缝，环空压力 + 推进压力使裂缝延伸50 石油科技论坛?2012 年第 6 期张焕芝　 等：国外水平井分段压裂技术发展现状与趋势续表 公司 工艺系列及 推出时间 斯伦 Stage FRAC 贝谢 分段压裂技术 ZoneselectTM 裸 眼 封 隔 器 + 滑套 威德福 ZoneselectTM Monobore 分段压裂技术 管外固井分段 压裂 裸 眼 封 隔 器 + 滑套 StackFRAC 分段压裂技术 开滑套 通过投直径不同的球逐段打 开滑套 通过固井实现层段之间的 封隔 用 RockSEAL R 裸眼封隔器进行 机械隔离，通过投直径不同 的球逐段打开滑套 Packers Plus QuickFRAC 分段压裂技术 面积来进行限流压裂 用一系列套管接箍坐封到套管 BPS Trican （Burst PortTM System）工艺种类 裸 眼 封 隔 器 + 滑套技术原理 通过投直径不同的球逐段打工艺特点依据井眼尺寸大小可分压 6 ～1 7 段耐压 10000psi，常规耐温 149℃多少层不受限制简化泵注作业程序；减少完井时间；提高单井产量一个球可以激活 3 ～5 个滑套， 在地面进行 1 5 次压裂液泵注作业，地下就可以实现 6 0 级压 裸 眼 封 隔 器 + 滑套 3 个滑套依靠不同的滑套过流 裂，比常规的单级投球节约了 6 0 % 的时间的节点位置，预先在这些套管 新型分段 压裂技术 接 箍 内 部 钻 孔 并 放 置 在 特 定 压 选择性压裂工艺，压裂段数不受限制；不投球、不射孔、 力 下 爆 裂 的 爆 发 盘 ，然后用连 不喷砂、不用封隔器、不用滑套；没有流量限制 续油管下入选择性压裂工具表 3 　水平井分段压裂技术研发方式分析公司 工艺系列 Surgifrac CobraMax H 哈里伯顿 Delta Stim 初始获取方式 自主研发 自主研发 自主研发 备注 发明者为 Dr.Jim Surjaatmadja；1998 年投放市场 在 Su rgifra c 基础上研发的，2 0 0 4 年投放市场 这项工艺的主要工具 Swellpa ck er R 封隔器是 2 0 0 5 年收购的 Ea sywell 公司的专利技术， 2 00 9 年投入使用 RapidFrac Fra c-Point 系列产品 OptiPort 贝克休斯 OptiFrac-SJ DirectStim 斯伦贝谢 威德福 Packers Plus QuickFRAC Trican BPS (Burst Port System)TM TM引进 自主研发 收购 收购 收购 引进 自主研发 自主研发 自主研发 自主研发最初由 Brigha m 勘探公司 Willia ms 生产公司研发，并用于 Ba k k en 页岩油气的开发， 哈里伯顿 2 0 1 1 年引进该项技术 可根据客户特殊要求进行有针对性的设计 该技术是 BJ 公司正在申请专利的技术，2 0 0 9 年贝克休斯收购了 BJ ，该技术获 2 0 1 1 年 E & P 增产技术奖 该技术是 B J 公司的专利技术，2 0 0 9 年贝克休斯收购了 B J 该技术是 B J 公司的专利技术，2 0 0 9 年贝克休斯收购了 B J 2005 年从 Packers Plus 公司引进该项技术 包含一系列的技术 核心工具是该公司专有的 R o c k S E A L R 裸眼封隔器 集成了专门的限流技术和公司其他专利技术 2 0 0 9 年推出专利技术，拓展该公司在北美压裂市场的份额Stage FRAC Zoneselect StackFRAC3水平井分段压裂技术研发方向尽管在过去的几年中，水平井分段压裂技术在压重大突破，攻克了页岩气和致密油等非常规油气开发 所面临的难题，但是还存在压裂层位优选、随压甜点 监测、压裂设计优化等问题，其未来发展方向将会集 2012 年第 6 期?石油科技论坛 51裂工具、作业效率、监测手段等方面取得了一系列的环 球 石 油中在以下几个方面。页岩气开发中成功应用。采用该技术的页岩气井短期 内增产非常明显，目前已发展为 4 口井同时压裂。3.1压裂段数倍增技术水平井分段压裂技术研发的近期目标是压裂段数3.4随压甜点探测技术水平井分段压裂技术的远期目标是追求压裂段数越多越好，因为分压段数越多，遇到高产层段的几率 就越大，增产效果就越好，美国页岩气和致密油开发 成功的秘诀即在此。大幅度增加压裂段数可以通过段 数倍增技术（Stage multiplier technologies）和多端口压 裂技术 （Multiport fracturing technologies） 来实现。 段数 倍增技术主要是通过一个允许重复投球的端口工具实 现同一尺寸的球多次投放。2010 年，这一技术使压裂 级数从 20 级提高到了 40 级，下一步研发目标是使压 裂级数增加 4 ～6 倍。多端口压裂技术的典型代表是 Packers Plus 公司新推出的 QuickFrac 工艺，主要原理是 一次投球打开 2～5 个滑套，在地面进行 15 次压裂液 泵送作业，就可以实现多达 60 段的压裂。QuickFrac 系 统已经成功地进行了油田试验，与标准的 StackFRAC 系统相比，该系统可以节约 60% 的作业时间。的少、精、准。通过研究射孔段对产量的贡献表明，只 有 30% 的压裂段真正对产量有贡献，这也就意味着大 部分压裂层段并没有压在出气区域上，从而造成了压 裂段数越多、产量增加越大的认识误区。因此，剑桥 能源的研究人员认为，实际上水平井分段压裂技术的 进步是一个渐进的过程，并不能算是一项革命性的技 术，如果能使每一级压裂都压在产气区上，那么这项 技术进步将是革命性的，对降低成本和提高效率将具 有十分重大的意义。目前业界也在持续探索布缝优化 技术，比如可在压裂前通过 LWD 资料确定哪些地方可 能有断层，哪些地方可能出水，从而提前避免损失的 发生，但是真正能够“闻着气味”走的压裂技术还有 待业界的研究和突破。 【参考文献】 [1]Jody R Augustine. How Do We Achieve Sub-Interval Fracturing[J].SPE 11. [2]Matt Mckeon. Horizontal Fracturing in Shale Plays[R]. Hulliburton, 2011. [3]Dan Themig. New Technologies Enhance Efficiency of Horizontal, Multistage Fracturing [J].JPT, April 2011. [4]George Waters. Technology Enhancements in the Hydraulic Fracturing of Horizontal wells [R].Schlumberger, 2011. [5]Simon Chipper field. Hydraulic Fracturing[J].JPT, March 2010. [6]Dan Themig. Advances in OH Multistage Fracturing Systems ――A Return to Good Frac-Treatment Practices[J].JPT, May 2010. [7]何艳青,张焕芝.未来全球油气技术展望[J].石油科技 论坛,):1-14. [8]杨金华,朱桂清,张焕芝,等.值得关注的国际石油工程 前沿技术(Ⅰ)[J].石油科技论坛,):43-50. [9]杨金华,朱桂清,张焕芝,等.值得关注的国际石油工程 前沿技术(Ⅱ)[J].石油科技论坛,):36-44,58.（收稿日期：）3.2高导流能力压裂技术传统提高裂缝导流能力的策略包括提高支撑剂的圆度和强度，降低支撑剂粉碎和胶化载荷等。斯伦贝 谢公司正在推广一种可以实现无限导流能力的压裂新 方法――高速通道压裂（HIWAY） 。该方法从根本上改 变了依靠支撑剂形成裂缝导流能力的方式，可在压后 裂缝的支撑剂充填层内建立稳定的流动通道，在油藏 和井筒之间实现无限导流能力。这项技术成功的秘诀 在于：①通过特定的射孔设计、脉冲式泵注形成通道； ②添加专有纤维保持通道稳定。目前这项技术已经在 全球完成近 2000 口井的压裂作业，与常规压裂相比， 压后产量提高 20% 以上。3.3有利于形成缝网的压裂技术对于页岩气、致密油等非常规油气的增产改造而言，最理想的状态是形成天然裂缝与人工裂缝相互交 错的裂缝网络, 从而增加改造体积, 提高初始产量和最 终采收率。目前国外正在试验和推广的有利于形成缝 网的压裂技术有 3 种：同步压裂（Simulfrac） 、拉链式压 裂 （Zipperfrac） 和得克萨斯两部跳压裂 （Texas Two Steps） 。 这 3 种压裂技术都是通过巧妙的压裂设计来增加井与 井之间、段与段之间的岩石应力干扰，进而形成复杂 交错的三维缝网。其中同步压裂近几年已经在 Barnett52 石油科技论坛?2012 年第 6 期Key words: innovation DOI: 10.3969/j.issn.12.06.007Active Well Control Measures of Ultra-Low Permeability Reservoir Sun Xue-jun1, Wen Yu-ming2 (1. Petrochina Changqing Oilfield Company Supervision D 2. Technology Institute of The 7th Oil Production Plant, Petrochina Changqing Oilfield Company ) Abstract: Development and utilization of low-permeability and ultra-low permeability oil reservoirs is an issue PetroChina has to face on a long-term basis. Successful development and utilization of ultra-low permeability reservoirs in large areas in Changqing Oilfield allows active well control measures to be gradually established in the drilling sector. So far as the development history of 42 years in Changqing, well control for drilling operation has experienced three technological development stages --- extensive management, re-understanding and active well control. This article focuses on the key technological points of well control and stresses that it is necessary to take active well control measures for low-pressure, low permeability and lowporosity reservoirs. Key words: ultra- technology DOI: 10.3969/j.issn.12.06.008Shale Gas Revolution Leads to Major Creation for Oil and Gas Geology and Exploration Zhang Kang (Sinopec Petroleum Exploration and Development Research Institute) Abstract: Shale gas revolution makes exploration of non-conventional oil and gas resources in parallel with conventional oil and gas resources. Meanwhile, it also means a major breakthrough in traditional oil and gas geological and exploration theories. As for non-conventional oil and gas, “ sourcing, reservoir, caprock, migration, accumulation and storage” are no longer regarded as guide to understand oil and gas existence. Identification and selection of traps are neither taken as the necessary process in exploration. The mindset for exploration experiences a revolutionary creation. The efforts will be focused on the “ sweet spot” with integration of exploration and development at a high level so far as low-degree non-conventional oil and gas distributed in large areas are concerned. Attention should be paid to the characteristics of non-conventional oil and gas exploration and development so as to improve the theories and methods in this area. It is necessary to develop a series of technologies suitable for China’ conditions s in the efforts to promote the nation’ non-conventional oil and gas development. s Key words: non-conv oil exploration process DOI: 10.3969/j.issn.12.06.009Outline of Russia’ Strategic Plan for Exploration of Development of Oil and Gas Resources in North Polar Continental Shelf s Han Xue-qiang (Sinopec International Petroleum Exploration and Development Company Limited) Abstract: In recent years, Russia has been concerned to oil and gas development in North Polar area and defined it as the core area in its strategic oil and gas development in the 21st century. Russia’ North Polar area is distributed in Barents, Pechora Sea, Kala Sea, Laptev Sea, East Siberian Sea and s Chukchi Sea. Based on “ Russia’ Strategic Plan for Exploration and Development of Oil and Gas Resources in North Polar Continental Shelf,”oil and s gas development zones are planned to be established in Yamal Peninsular, Barents, Kaka Sea and Pechora Sea. It is estimated that the oil and natural gas production in the continental shelf will reach 95 million tons and 320 billion cubic meters respectively by 2020. Russia’ development of oil and s gas resources in North Polar continental shelf aims at compensating for onshore oil and gas decline in the future. However, Russia will face considerable bottlenecks and high risks in development of North Polar oil and gas resources. Key words: R North P strategic plan DOI: 10.3969/j.issn.12.06.010Current Conditions and Development Trend of Foreign Phased Fracturing Technology for Horizontal Well Zhang Huan-zhi, He Yan-qing, Liu Jia, Zhang Hua-zhen (CNPC Economics & Technology Research Institute) Abstract: With Horizontal well put into application on a large scale, many foreign companies have tested phased fracturing technology for horizontal well since 2002. This technology is basically perfected and suitable for different well completion conditions after a decade of development. The main phased horizontal well fracturing technology can be classified into three categories: hydraulic jet phased fracturing technology, open-hole packer phased fracturing technology and quick drilling bridge-plug phased fracturing technology. Of those, open-hole packer phased fracturing technology finds widest application. Starting from 2007, phased horizontal well fracturing technology became the main technology for non-conventional oil and2012 年第 6 期?石油科技论坛 71ABSTRACTSgas development and was put into application on a large scale in North America. Currently, more than 30 foreign companies are available for providing phased horizontal well fracturing equipment and technological service. Those companies acquired this technology mainly through independent research and acquisition. There will be four development trends for phased horizontal well fracturing technology in the future --- high diversion fracturing, phase-multiplied fracturing, screen fracturing and sweet spot detecting while fracturing. Key words: current de study orientation DOI: 10.3969/j.issn.12.06.011Series of Closed Swabbing Tools for Oil and Gas Well Safety Deng Ji-xue, Liu Huan, Zhou Jian-zhu, Zhang Min, Gao Hong-ping, Yang Hong-bin (CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co Ltd) Abstract: Closed swabbing units for oil and gas well safety allow no liquid filtrated and no associated gas leaked from the wellhead in the process of swabbing to meet the HSE requirements. The wellhead part of this unit is composed of air controlled stuffing box, wireline centralizer, and anti-pullingout device. The wellbore part is composed of sink bar connected with wireline, safety connector and efficient hydraulic swab. Application of air controlled stuffing box and anti-pulling-out device can keep the wellhead closed in the swabbing process and prevent wireline from broken owing to inappropriate operation. The field application indicates that this unit is reasonable in structure and stable in functions with the swabbing capacity raised to 3-4.5m3 from 0.3-0.45m3, 10 times as high as the original capacity. The sealing capacity is desirable under the wellhead pressure of 3.0 MPa , entirely satisfying the requirements on safety of closed swabbing for oil and gas wells. Key words: unit DOI: 10.3969/j.issn.12.06.012Pipe-End Facing Machine of PFM Series Zhang Feng1, 2 , Zhang Yi1, 2 , Liu Ran1, 2 , Pang Ya-feng3, Wang Chang-jiang1, 2 (1. China Petroleum Pipeline Research I 2. National Engineering Laboratory for Pipeline S 3. No.1 Construction Company of China Petroleum Pipeline Bureau) Abstract: Thanks to rapid development of pipeline automatic welding technology, the requirements on pipe-end facing is higher and higher for welding technique. The groove form and precision are the key factors to influence welding quality. Pipe-end facing machines of PFM series have such advantages as precise positioning and coring, high cutting force, quick in cutting speed and high precision. The series can process various grooves, such as V type, U type, X type and composite types. The tracing profile mechanism on the rotating cutterhead can keep the processed bevel shape in line with the requirements. The throttle automatic control system can allow the processing speed and idle to interchange. With operational convenience and other advantages, this series fully satisfies the engineering demand and has become the indispensible key equipment for pipeline welding. Localization of pipe-end facing machine of the PFM series has broken foreign technological blockage and price monopoly, satisfied the demand for bevel form and precision in the pipe-end automatic welding technological sector, and effectively improved the technological level and economic results of China’ pipeline construction. s Key words: PFM series DOI: 10.3969/j.issn.12.06.013Pipeline Inte rnal Circumferential Automatic Welding Mac hine of PIW Ser ies Zeng Hui-lin1, 2 , Liu Ran1, 2 , Zhao Yong-qiang3, Ma Zhi-feng1, 2 , Yin Tie1, 2 (1. China Petroleum Pipeline Research I 2. National Engineering Laboratory of Pipeline S 3. No.3 Construction Company of China Petroleum Pipeline Bureau) Abstract: With the demand of long-distance pipeline for high-efficiency welding becoming increasingly high, root welding --- the key link in the welding process --- is more and more concerned. The quality and speed of root welding are the bottlenecks for development of effective welding technology. The pipeline internal circumferential automatic welding machine of the PIW series is an integration of machinery, electrical control and pneumatics. The integrate-designed structures of its counterpart system and welding system can allow the lineup and root welding to be completed on concentration in the large-diameter pipeline welding construction. Engineering application shows that the pipeline internal circumferential welding machine of the PIW series is characterized with quick speed, good quality and high efficiency, desirably solving root welding problems and satisfying the demand of the existing pipeline construction for high root welding quality. Localization of the pipeline internal circumferential automatic welding machine of the PIW series has not only made a breakthrough in development of high-efficiency welding technology, but also broken foreign technological blockage and price monopoly, satisfied the demand for bevel form and precision in the pipe-end automatic welding technological sector, effectively improving the technological level and economic results of China’ pipeline construction. s Key words: in PIW series DOI: 10.3969/j.issn.12.06.01472 石油科技论坛?2012 年第 6 期
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