求助：水力深穿透

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水力深穿透射孔
在鉆井、完井、增產(chǎn)措施、生產(chǎn)和注入等各個(gè)作業(yè)過程，由于入井液體中固相的浸入或生產(chǎn)、注入等引起的地層內(nèi)微粒的運(yùn)移、物質(zhì)沉淀等多種原因，用于油田生產(chǎn)的油氣水井的近井帶都存在不同程度的地層傷害。在低滲透油藏中，這種傷害更為嚴(yán)重，對(duì)生產(chǎn)的影響也更大。地層傷害造成油氣井產(chǎn)量下降,注水井的注水量降低或注不進(jìn)去。如何有效消除近井帶的地層傷害，提高單井產(chǎn)量或注入量，是石油工程中一直在力求解決的問題之一。
3 \* O# v+ ?) `! N+ G到2004年底，我國(guó)石油探明可采儲(chǔ)量67.91億噸，其中低滲透占28%，動(dòng)用程度僅50%左右；預(yù)計(jì)今后每年新增探明儲(chǔ)量低滲透占50%以上。目前，我國(guó)的低滲油田開發(fā)效果并不理想，開采效率低、經(jīng)濟(jì)效益差的現(xiàn)象普遍存在。據(jù)我國(guó)部分已開發(fā)的低滲油田統(tǒng)計(jì)，單井自然產(chǎn)能一般<5t，采收率≤20%，開采速度<0.5%，產(chǎn)油量年遞減率一般在25～45%之間，最高達(dá)60%。如何找到經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)手段，進(jìn)一步改善低滲油田開發(fā)總體效益，對(duì)我國(guó)石油工業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)具有重要的作用。
  }4 C; x3 y" f# f近20年來的相關(guān)研究和應(yīng)用表明，水力深穿透射孔技術(shù)對(duì)于油田增產(chǎn)增注、低滲透油田近井帶改造都具有重要的意義。
, f4 ^7 \/ p2 A# j& a/ n; x在我國(guó)部分氣田的開發(fā)中，采取打懸空水泥塞或井口水泥塞的方式完井后，再次入井作業(yè)時(shí)直接鉆開水泥塞存在井噴失控的危險(xiǎn)。用水力深穿透垂直鉆孔系統(tǒng)鉆泄壓孔泄壓后再作業(yè)，可保障作業(yè)安全。
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1水力深穿透射孔技術(shù)的研究與應(yīng)用
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* b% N: i% D" Y6 A+ b1.1系統(tǒng)構(gòu)成與基本原理
水力深穿透射孔技術(shù)利用高壓水射流鉆孔的方式形成清潔孔道，借助對(duì)噴管、噴嘴的送進(jìn)實(shí)現(xiàn)深穿透，孔深達(dá)到2m，孔徑為φ20以上，孔道的流通能力為常規(guī)射孔的10～20倍。屬于一種零轉(zhuǎn)向半徑的微型水平孔鉆進(jìn)技術(shù)。系統(tǒng)主要由井下工具和錨定器、過濾器等井下配套工具構(gòu)成。地面采用小型高壓泵組（配套功率110kw）供液，也可使用壓裂車或水泥車分流后供液。目前形成的系統(tǒng)主要適用于φ139.7mm或φ177.8mm垂直套管井。
4 q  W3 l' F/ O井下工具由負(fù)責(zé)對(duì)水泥環(huán)與地層實(shí)施鉆孔的噴射系統(tǒng)和負(fù)責(zé)對(duì)套管開孔的沖孔系統(tǒng)構(gòu)成。其中，噴射系統(tǒng)主要包括噴射控制閥、噴射送進(jìn)系統(tǒng)、噴管和噴嘴，沖孔系統(tǒng)主要包括沖孔控制閥與沖孔機(jī)構(gòu)。
! T* c4 d5 a$ D8 E作業(yè)時(shí)，用油管將井下工具下至預(yù)設(shè)井深并定位，通過在地面調(diào)節(jié)泵壓控制井下工具動(dòng)作，首先由沖孔控制閥控制沖孔機(jī)構(gòu)以液力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械方式刺穿套管形成噴管進(jìn)出的通道，然后再由噴射控制閥控制噴射送進(jìn)系統(tǒng)沿此通道將帶噴嘴的撓性噴管徑向送入地層，由噴嘴噴出的高速射流鉆透地層，邊送進(jìn)邊噴射，形成一定孔徑、一定深度的徑向水平孔。一次下井可完成多個(gè)水平孔。水力深穿透射孔不僅穿透深、孔徑大、流通能力強(qiáng)，而且定位準(zhǔn)確、易于實(shí)現(xiàn)定向射孔。
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1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀


水力深穿透射孔技術(shù)最早于1984年在美國(guó)發(fā)明，1988年開始投入工業(yè)應(yīng)用，在美國(guó)、加拿大作業(yè)數(shù)百口井，并成立了專門從事水力深穿透射孔技術(shù)服務(wù)的Penetrators公司。該公司于1993年前后推出了噴嘴固定噴射的變型產(chǎn)品，以進(jìn)一步降低作業(yè)成本；于2000年前后開發(fā)了利用液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的磨銑頭對(duì)套管開孔、利用液馬達(dá)旋轉(zhuǎn)柔性鉆桿和金剛石鉆頭對(duì)地層鉆孔的PeneDrill機(jī)械射孔工具，突破了利用高壓水射流鉆孔的技術(shù)界限，形成深穿透射孔作業(yè)的系列技術(shù)。
自1992年起我國(guó)大慶油田與美國(guó)ICT公司合作，著手開發(fā)這一技術(shù)，定名為JetDrill完井系統(tǒng)。以該項(xiàng)合作的成果為基礎(chǔ)，ICT公司于2000年初開始，在大慶、遼河、江漢、吐哈等油田，開展了試用與推廣的工作，已先后作業(yè)了50余口井。作業(yè)后大部分井都有較明顯的效果，反映了該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的實(shí)用價(jià)值。
由于水力深穿透射孔技術(shù)所具有的鮮明特點(diǎn)和在近井帶改造方面的良好前景，不僅國(guó)內(nèi)各油田對(duì)該技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣，而且有多家研究院所和專業(yè)院校開展了該技術(shù)的應(yīng)用分析與評(píng)價(jià)等研究工作。

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1.3應(yīng)用與評(píng)價(jià)研究的基本結(jié)論
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; d8 X( i: Q: E6 U' a5 o) }1.3.1滲流場(chǎng)與增產(chǎn)機(jī)理研究
目前，常規(guī)聚能彈射孔深度一般在400～700mm，國(guó)內(nèi)外研究的大孔徑射孔彈和深穿透射孔彈的最大穿透深度也不超過1.37m，直徑為17.5mm。聚能彈射孔產(chǎn)生的損害區(qū)或壓實(shí)帶對(duì)近井筒地層滲透率造成嚴(yán)重傷害，下降后的滲透率為原來地層滲透率的10%～35%左右，損害區(qū)的厚度大約為6～12.5mm，甚至達(dá)25mm。理論和實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，若射孔穿透?jìng)Аp小壓實(shí)帶，并選擇合適的射孔方位，則油井產(chǎn)能比可大大提高。
對(duì)常規(guī)聚能彈射孔與高壓水射流射孔滲流場(chǎng)的研究表明:
/ N8 U! B7 e8 ]7 K( J! |) z1 O（1）常規(guī)聚能彈射孔壓實(shí)帶和鉆井污染帶對(duì)油井產(chǎn)量的影響不可忽略。高壓水射流射孔完井可以避免射孔壓實(shí)帶對(duì)油井產(chǎn)能的嚴(yán)重影響，并且可以減少鉆井污染帶對(duì)產(chǎn)能的影響。對(duì)低滲透率地層，應(yīng)盡量避免采用聚能彈射孔完井方式，而采用高壓水射流射孔完井。
（2）高壓水射流射孔在不同污染帶厚度條件下流速曲線表明，污染帶厚度對(duì)油井產(chǎn)能有很大影響。為了獲得高產(chǎn)油量，油氣井射孔應(yīng)盡可能穿透污染帶。
1 d; v# P5 s+ Y' q水力深穿透射孔的主要增產(chǎn)機(jī)理是：利用高速高壓水射流的沖擊切割和破碎碎巖石形成地層與井筒間的清潔通道，不造成壓實(shí)帶污染；高壓水射流流體破碎巖石形成孔道的過程中，會(huì)使巖石內(nèi)孔道附近出現(xiàn)一些微裂紋，有利于減輕近井筒地帶應(yīng)力集中，提高近井筒地帶滲透率；形成的孔道能穿透近井筒污染帶，消除鉆井污染等造成的近井筒傷害的影響，增大泄油面積，有利于降低生產(chǎn)壓降，提高未污染地層流向井筒的液量，從而提高油井產(chǎn)量。
1.3.2產(chǎn)能研究及影響因素分析
8 z1 J2 F: p5 E( S; T采用計(jì)算分支水平井產(chǎn)能的方法研究水力深穿透射孔井的產(chǎn)能。總孔深一定時(shí)，孔數(shù)越少產(chǎn)能越高，增加孔深是提高產(chǎn)能的重要手段。對(duì)作業(yè)井與直井產(chǎn)能比的計(jì)算分析表明，地層厚度與表皮系數(shù)對(duì)作業(yè)效果的影響較為顯著。水力深穿透射孔技術(shù)在薄油層的開發(fā)中可產(chǎn)生更良好的效果，對(duì)于污染嚴(yán)重的油藏能夠更有效的降低地層污染，大大提高油田的采收率。
1.3.3底水油藏開發(fā)的數(shù)值模擬
# E, }  r9 C  @, I  R運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，研究水力深穿透射孔方案對(duì)底水油藏開發(fā)無水累積產(chǎn)油量和最終采出程度的影響。提高底水油藏開發(fā)效果最重要的是抑制底水錐進(jìn)，水力深穿透射孔可有效降低井筒周圍的壓力降，抑制底水錐進(jìn)。較理想的開發(fā)方案是：射開比小于30%，避水高度大于60%；在存在夾層時(shí)，水力深穿透射孔應(yīng)盡可能布置在非滲透夾層的上方。
1.3.4定向射孔開發(fā)裂縫性油氣藏
我國(guó)不少低滲油氣田為裂縫性油氣藏，天然裂縫發(fā)育，由于地層滲透率低，射孔產(chǎn)能取決于孔眼與天然裂縫的溝通程度。在孔眼方位與裂縫面方位垂直且裂縫密度一定時(shí)，孔眼穿透越深，能被孔眼溝通的裂縫數(shù)量就越多，完井產(chǎn)能就越高。這時(shí)孔密對(duì)產(chǎn)能的影響很小。水力射孔孔深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)射孔，易于實(shí)現(xiàn)定向射孔，對(duì)垂直裂縫發(fā)育的地層，采用水力深穿透射孔具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
1.3.5定向射孔輔助低滲透地層水力壓裂
& B# }9 `( R5 S對(duì)于天然裂縫不發(fā)育的低滲透地層，一般要實(shí)施水力壓裂才能獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。而人工裂縫的走向總是垂直于最小水平地應(yīng)力方向，如果布孔母線平行于最小水平地應(yīng)力方位裂縫將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，不僅導(dǎo)致破裂壓力升高，還有可能出現(xiàn)早期脫砂現(xiàn)象，并會(huì)增加滲流阻力而降低油井產(chǎn)能。因此，壓裂井的射孔完井應(yīng)該與壓裂作業(yè)配套，采取定向射孔，使射孔方位盡可能垂直于最小水平地應(yīng)力方位。
/ U. o" P/ D1 j2 \+ j定向射孔水力壓裂模擬試驗(yàn)表明：裂縫沿射孔孔眼啟裂，裂縫啟裂后發(fā)生轉(zhuǎn)向，最終轉(zhuǎn)到最大主應(yīng)力方向。孔眼在最大主應(yīng)力方向易產(chǎn)生平整大裂縫，且破裂壓力最低。在射孔方位角不為0或不為180°時(shí)，0～30°射孔為最佳射孔方位。
水力深穿透射孔井眼應(yīng)力模擬研究表明：采用水力深穿透射孔技術(shù)完井的直井，預(yù)計(jì)的裂縫起裂位置為孔眼根部的頂面和底面。充分利用其穿透深、孔密低、易定向等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，沿著最大水平地應(yīng)力方向布孔，通過選擇合理的孔眼直徑、合適的射孔密度，增加射孔深度，既可有效降低地層破裂壓力，改善壓裂效果，又可減輕套管損害程度。
6 C2 s  S$ t7 G5 b通過定向容易使水力深穿透射孔方向與最大水平主應(yīng)力方向一致，而且噴射出來的孔道比較深，高壓射流產(chǎn)生的微裂縫及其對(duì)井眼周圍滲透率的改善可進(jìn)一步降低破裂壓力，在裂縫的擴(kuò)展過程中可以起到導(dǎo)向孔的作用。因此，采用水力深穿透定向射孔輔助壓裂，可以在井眼處獲得最大裂縫寬度，有利于產(chǎn)生單條主裂縫，降低破裂壓力和裂縫延伸壓力，為油田增產(chǎn)增注，特別是低滲透油藏開發(fā)提供一種有效手段。另外，水力深穿透射孔后，再注入酸液進(jìn)行酸化，可以大大提高酸化處理范圍，增加酸化效果。

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2水力深穿透垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆水泥塞泄壓孔技術(shù)分析

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" f/ E/ p+ Y! J; I2.1問題的提出
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" r! F1 A* ?3 y1 I8 B在遼河、大慶等氣田開發(fā)的早期，對(duì)于完成固井與射孔作業(yè)、試氣后產(chǎn)量不高的氣井（多為探井），采取先在射開層段以上打懸空水泥塞、再打井口水泥塞的特殊完井方式封井。懸空水泥塞一般以木塞承底，位置距射孔層段上界幾米到十幾米；井口水泥塞一般用毛氈承底，采用將水泥漿在地面混合好后倒入井筒內(nèi)的方式制成，厚度在6～8米，上界距套管頭的深度一般為1米多或幾米。
隨著開發(fā)的深入和對(duì)地層認(rèn)識(shí)的提高，出于地層改造、開發(fā)新層等原因需要鉆開封井的水泥塞重新進(jìn)入這些井作業(yè)。在實(shí)際作業(yè)過程中，作業(yè)者發(fā)現(xiàn)由于封井時(shí)間長(zhǎng)，有些井的井口水泥塞下已被高壓氣體充滿，懸空水泥塞下封有高壓氣體的情況則更為普遍。直接用螺桿鉆等常規(guī)鉆水泥塞的方式鉆開時(shí)，極易發(fā)生井噴，特別是井口水泥塞，由于入井淺、無法靠入井液壓井，井噴失控的風(fēng)險(xiǎn)極大。長(zhǎng)慶靖邊氣田曾發(fā)生過鉆井口水泥塞時(shí)井噴失控的情況，超過20MPa的高壓氣流瞬間噴出，將鉆柱鉆具噴出十多米高后摔成數(shù)截，好在由于井口正好無人、放噴時(shí)間短，未造chengren身傷亡事故和進(jìn)一步的損失。
5 t$ p1 ?5 A8 A0 j. A3 p9 M為此，提出鉆除此類氣井井口水泥塞或環(huán)空水泥塞的一種新方法：先采用高壓水射流鉆進(jìn)技術(shù)鉆出小直徑的泄壓孔，通過泄壓孔控制放噴，使封閉的高壓氣體泄壓后，再用常規(guī)方式鉆除水泥塞。基于水力深穿透射孔技術(shù)改造形成的垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)能較好地滿足水泥塞泄壓孔鉆進(jìn)的要求。


2.2水力深穿透垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)的工作原理
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與水力深穿透射孔作業(yè)相比，鉆水泥塞不需對(duì)套管沖孔，噴管和噴嘴可直接垂直向下送進(jìn)而不必轉(zhuǎn)向?yàn)閺较蛩瓦M(jìn)。因此，去掉沖孔控制閥和沖孔機(jī)構(gòu)、將噴嘴直接用一段直噴管與送進(jìn)機(jī)構(gòu)的空心活塞桿相連，將原有水力深穿透射孔系統(tǒng)簡(jiǎn)化后即可形成水力深穿透垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)。
水力深穿透垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆水泥塞的孔深大于2m，孔徑為φ20以上。作業(yè)時(shí)，先用常規(guī)方法鉆除部分水泥塞，使水泥塞的剩余高度不超過2m。用油管將井下工具下至當(dāng)前塞面，用錨定器等方式固定管柱，井口裝封井器，防止井噴時(shí)將管柱頂出并確保井口處于受控狀態(tài)。
通過在地面調(diào)節(jié)泵壓控制井下工具動(dòng)作，由噴射控制閥控制噴射送進(jìn)系統(tǒng)垂直送進(jìn)噴管和噴嘴，由噴嘴噴出的高速射流對(duì)水泥塞鉆進(jìn)成孔，邊送進(jìn)邊噴射，直至鉆透水泥塞形成泄壓孔。泄壓過程中，可將泵壓調(diào)至高出井口壓力10～20MPa，在保持工具系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)、防止噴出氣流對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的同時(shí)，保證泄壓孔的通暢。待水泥塞下封閉的高壓氣體泄壓后，回收工具，進(jìn)行下一步作業(yè)。

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2.3垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆水泥塞泄壓孔安全性分析
% D0 E. ~0 k( g- }- o6 Q/ A在水力深穿透垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆水泥塞泄壓孔的過程中，不需利用作業(yè)管柱送鉆或施加鉆壓，可利用錨定器等機(jī)械措施固定油管柱有效防止井噴時(shí)的頂出；可關(guān)閉封井器封住井口，從溢流管線控制溢流或放噴，確保井口處于受控狀態(tài)；工具系統(tǒng)內(nèi)的防逆閥可限制井內(nèi)高壓經(jīng)噴嘴反向流動(dòng)，可消除泵壓控制異常時(shí)高壓氣流經(jīng)油管噴出的可能。因此，垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆泄壓孔過程的安全性是有保障的。
$ u5 K, _& t0 B" U0 X解決安全問題的關(guān)鍵，在于消除用常規(guī)措施鉆除部分水泥塞這一配套作業(yè)過程的安全隱患。需要確認(rèn)鉆塞作業(yè)能有效控制水泥塞剩余高度，并保證剩余高度不超過2m時(shí)剩余水泥塞能可靠封住塞下的高壓氣體。
1 N2 O) Y6 B: o( v1 t0 K2 m7 @因此，為確保用水力深穿透垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆水泥塞泄壓孔能起到保障作業(yè)安全的作用，除了按要求進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)備與作業(yè)控制外，還必須準(zhǔn)確掌握水泥塞的資料與數(shù)據(jù)，確保配套作業(yè)過程安全有效。為杜絕嚴(yán)重事故的發(fā)生，利用常規(guī)方法鉆上部部分水泥塞時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備防止工具上頂?shù)念A(yù)防措施和井口控制放噴手段，保證剩余水泥塞不能封住高壓時(shí)不至井噴失控。