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22.提高不动管柱水力喷射压裂施工段数


小组名称:特殊作业QC小组
发 布 人:蒙鑫 单 位:油气工艺研究院

中国石油

目录
1、小组概况 2、背景介绍 3、课题选择 4、设定目标 7、确定要因 8、制定对策 9、对策实施 10、效果检查

5、可行性分析
6、原因分析

11、巩固措施
12、

下一步计划
长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组

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1 小组概况
小组单位 小组名称 小组活动时间
姓 名 小 组 人 员 情 况
桂 捷 王在强 蒙 鑫 赵粉霞 任 勇 胡相君 冯 飞 樊 晨 邵 媛 冯长青

油气工艺研究院 课题名称 工具研究室 特殊作业QC小组 2010.3-12

提高4?″套管不动管柱水力喷射 压裂施工段数 成立时间 小组类型
职称
高级工程师 工程师 助理工程师 高级工程师 工程师 工程师 助理工程师 助理工程师 助理工程师 工程师

2010.3 攻关型
主要工作任务
组织协调 现场组织 具体实施 方案设计 具体实施 具体实施 具体实施 具体实施 具体实施 具体实施
时间:2010.3.5

小组中任职务 性别 年龄
组长 组员 组员 组员 组员 组员 组员 组员 组员 组员 男 男 男 女 男 男 男 男 女 女 44 34 28 42 30 30 29 34 28 28

学历
本 科 研究生 研究生 本 科 研究生 本 科 研究生 研究生 本 科 研究生

制表:桂捷

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1 小组概况

获奖情况
?2006年:获陕西省一等奖、全国优秀质量管理小组 ?2007年:获石油工业QC成果一等奖、全国优秀质量管理 小组 ?2008年:获长庆油田分公司一等奖、中国质量协会石油

协会二等奖
?2009年:获长庆油田分公司三等奖、陕西省优秀奖

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2 背景介绍

水力喷射压裂工艺简介
通过水力喷砂射孔在储层形成孔道后持续喷射,在高压水射流作用下孔 道形成增压的同时提升环空压力, 当孔内压力超过地层破裂压力时瞬间将地 层压开,实现水力喷射压裂。

水力喷射压裂的基本原理:
V2 ? gz ? ?C ? 2 p

主要特点:
? 射孔、压裂一体化 ? 无需机械隔离 ? 一趟管柱可以连续实施多段压裂
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2 背景介绍

气田水平井水力喷射压裂发展现状
2008年,在苏10-30-38H井(一段)和苏平14-13-36井 (两段)成功实施了气田水平井的拖动水力喷射压裂施工。 2009年,在靖平33-13等4口水平井开展了不动管柱水力

喷射分段酸压(压裂)三段的工艺试验,施工过程顺利,工具
性能可靠,显示出了较好的应用前景。

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3 课题选择

随着气田开发的需要,水平段大于1000米的长水平段

水平井不断增加。

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3 课题选择

前期井效果分析表明,增加水平段长度和改造段数对

提高水平井产量影响较大。
苏里格气田水平井压裂段数与压后试气产量关系
16

试气井口产量(万方/天)

14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

改造段数×有效储层段长度与采气指数的关系

2.5
采气指数(104m3/d.MPa)

2 1.5 1 0.5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 改造段数×有效储层段长度(m)

压裂段数
有效储层段长度与单位压降下累计采气量关系图
350 300 250 200 150 100 50 0 0.0

单位压差下累计产气量(104m3/MPa)

100.0

200.0

300.0 400.0 500.0 有效储层段长度(m)

600.0

700.0

800.0

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3 课题选择

上级部门提出了不动管柱水力喷射分段压裂五段及五段

以上的要求。

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3 课题选择
水平段大于1000 米的长水平段水 平井不断增加。
前期井效果分析表明 增加水平段长度和改 造段数对提高水平井 产量影响较大。

1

2

3

上级部门提出了不 动管柱水力喷射分 段压裂五段及五段 以上的要求。

提高气田水平井4?″套管不动管柱 水力喷射压裂施工段数

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4 目标设定
5段

3段 2段

1段

活动前

1

目标

设定目标 通过改进工艺完善配套工具等措施,实现气田水平井 4?″套管不动管柱水力喷射压裂五段以上的目标

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5 可行性分析

?技术水平
1、近几年攻关研究使我们对水力喷射压裂技术有了深刻认识。 2、小组大部分成员参加过滑套类相关工具的设计和现场施工, 经验丰富。 3、国外水平井多段改造工艺为我们的设计提供了参考。

?成员素质
团队成员有经验丰富的高级工程师且大部分成员具有较强 的理论、实践基础及小组QC活动经验,有较高的技术素养、管 理水平和团队协作能力。

结论

提高气田水平井4?″套管不动管柱水力 喷射压裂施工段数目标是可以实现的
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6 原因分析
培训不够

人员 不 动 管 柱 水 力 喷 射 压 裂 施 工 段 数 受 限

职业素养不够

设计经验不足 携砂液对工具的冲蚀

施工液体 环 境

液体粘度高导致节流压差大 井筒未彻底清洗

井筒
油管

工具外壁与套管内壁的间隙小
油管接箍与套管内壁的间隙小 油管的强度不够 滑套进入滑套座不能密封

滑套
工 具 密封球 喷嘴

携砂液对滑套冲蚀过大 密封球在高压下密封性能差 喷嘴流道结构不合理

喷嘴排列方式不合理

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7 确定要因
末端因素
培训不够

序 号
1

确认方法
上岗人员是否教育 充分

标准
是否参加过相关培训

负责人
桂 捷

结论
非要因

2
3 4 5 6 7

设计经验不足
携砂液对工具的冲蚀 液体粘度高导致节流 压差大 井筒未彻底清洗 工具外壁与套管内壁 的间隙小 油管接箍与套管内壁 的间隙小

组员是否参加过相 关工具的设计
加砂是否适当 检测液体粘度 对井筒进出口水质 进行对比分析 进行工具入井的可 行性分析 对不同型号油管进 行对比分析

至少参加过一次工具 设计
严格按施工设计执行 搅拌均匀 交联比为100:0.5-0.8 返出洗井液机械杂质 含量小于0.2% 工具外壁与套管内壁 间隙不小于5mm 油套管环空/油管内 孔面积比大于90%

桂 捷
赵粉霞 冯长青 樊 冯 晨 飞

非要因
非要因 非要因 非要因 非要因 要因

王在强

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7 确定要因
末端因素
油管的强度不够 滑套进入滑套座不能密封 携砂液对滑套冲蚀过大 密封球在高压下密封性能差

序 号
8 9 10 11

确认方法
评价油管机械性能 室内试验及理论分析 室内试验及理论分析 室内试验及理论分析

标准
执行API标准 密封合格率率 不低于95% 内径磨损量小 于1.5mm 承压能力大于 45MPa 流量系数不小于 0.95,扩散角不 大于15° 满足施工要求

负责人
邵 媛

结论
非要因 非要因 要因 要因

胡相君 王治国 任 勇

12 13

喷嘴流道结构不合理 喷嘴排列方式不合理

室内试验及理论分析 室内试验及理论分析





要因 非要因

赵粉霞

制表:王在强

时间:2010.5.4

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7 确定要因

要因一:油管接箍与套管内壁的间隙小

影响射孔期间携砂液能顺利通过油套环空的主要因素是油管接箍与套管内壁 的间隙,增加段数就要将油管换成2?″油管,油管接箍与套管内壁间隙明显变小, 2?″N80平式油管油套管环空/油管内孔面积比为62.9%,会增大节流压差,影响 携砂液循环。
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7 确定要因

要因二:携砂液对滑套冲蚀过大
密封球同上一级滑套保持一定间隙的同时必需于本级滑套 有一定的过盈量才能完成正常坐封,在施工过程中滑套被携砂 液冲蚀后会出现内径扩大的现象,在此情况下密封球的密封可 靠性是压裂施工的关键。

三段水力喷射压裂配套工具
级数 一级 二级 三级

球级滑套的过盈量



6.75

5.6

七段水力喷射压裂配套工具
级数 球级滑套的过盈量
制表:蒙鑫

一级


二级
3.575

三级
3.45

四级
3.5

五级
3.575

六级
3.5

七级
4.5

时间:2010.4.20

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7 确定要因

要因三:密封球在高压下密封性能差
密封球在高压作用下可能发生严重变形或破 坏导致其不能正常工作。

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7 确定要因

要因四:喷嘴流道结构不合理
水力喷砂射孔阶段主要依靠等速
u0 bm u=
1/2

u0 2 u b1/ 2

u=

y1 /2
0.9 u 0

um 2

核的水力冲蚀作用射穿套管、水泥环
u

打开储层岩石,要求:1、快速有效的
x

射流源

y

o

等速核
u0 核心区 u m= u 0 um b um

射孔;2、足够的射孔深度。 压裂阶段要求射流扩散角小,通 过射流能将更多的环空液体带入裂缝,

混合区 起始段 过渡段 主体段

实现自动封隔。

水力喷射压裂要求的射流特性:1、等速核长、流速快;2、扩散角小。 喷嘴是形成射流的主要元件,其流道结构直接决定了射流特性,因此喷嘴的 流道结构设计是实现水力喷射压裂的关键。
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7 确定要因

为了增加水力喷射压裂施工段数,喷射器壁厚逐渐变薄,喷嘴不 断变短,严重影响了喷嘴的流道结构。
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8 制定对策
主要原因
油管接箍与套 管内壁间隙小

序号

对策

目标

措施
调研并优选 小接箍油管

实施人
王在强 胡相君 蒙 鑫

完成日期

1

在保证强度的 条件下油套管 优选小接箍 环空/油管内 油管 孔面积比大于 90%
优选滑套的 内径磨损量小 材质 于1.5mm 优选密封球 承压能力大于 材质 45MPa 流量系数大于 优化喷嘴流 0.95,扩散角 道结构 小于15°

2010.6

2

携砂液对滑套 冲蚀过大 密封球在高压 下密封性能差 喷嘴流道结构 不合理

对滑套进行 抗冲蚀实验 进行密封球 密封性实验 理论分析、 模拟实验

桂 捷 赵粉霞 邵 媛 任 勇 冯 飞 樊 晨 蒙 鑫 冯长青 任 勇

2010.6

3

2010.7

4

2010.7

制表:任勇

时间:2010.5.10

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9 对策实施
油管结构 内屈服压力 接头连接强度 挤毁强度 油套管环空 / 油管内 孔面积比 (%) (MPa) (吨) (MPa)
72.9 72.9 72.88 47.94 47.94 46.9 77 77 77 62.9% 91.5% 97%

措施一:优选小接箍油管
API标准结构 73.02*5.51 N80平式油管 山东墨龙 接箍外径为82.5,其余采用API标准

奥钢联VAGT扣 接箍外径81.2

外径 mm
73.02 奥钢联 73.02 常规外加厚
制表:胡相君

壁厚 mm
5.51
5.51

内径 mm
62.00
62.00

接箍外径 mm
81.2
93.2

重量 Kg/m
9.29
9.67

抗内压强 度MPa
72.88
72.9

抗外挤强 度MPa
77.0
76.9

抗拉强度 KN
470
645
时间:2010.5.13

小接箍油管与2?″N80平式油管机械性能相近,但环空间隙明显增大。按1.8 结论: 安全系数计算,小接箍2?″油管最大许可下入深度为2570m左右,可以满足 目前4?″套管井水力喷射压裂需要。
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9 对策实施
力学性能

措施二:优选滑套材质
牌号
20 CrMo 35 CrMo

抗拉强度 0.2%屈服 伸长率 断面收 硬度HB (MPa) 强度 (MPa) (%) 缩率 (%)
≥885(90) ≥985(100) ≥685(70) ≥835(85) ≥12 ≥12 ≥50 ≥45 ≤197HB ≤229HB

冲击功 冲击韧性值 Akv (J) (J/cm2)
≥78 ≥63 ≥98(10) ≥78(8)

试样 尺寸
15mm 25mm

制表:冯飞

时间:2010.5.15

选取一口油井,将滑套连接在压裂管柱上,待施工结束后起出,采用测量的办法 来评价滑套磨损量。
实 验 后 实验前
左侧为20 CrMo试件,右侧为35 CrMo试件 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组

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9 对策实施
测量垂深 (mm)
0 5 8.5 10 15 20 25

名称 序号
1 2 3 4 5 6 7
制表:樊晨

磨损前内径 (mm)
31.19 27.55 25 25 25 25 25

35CrMo材质内径 (mm)
41.42 38 37.16 36.16 31.3 28.46 25.6

20CrMo材质内径 (mm)
40.90 37 36.24 35.7 29.6 26.4 25.2
时间:2010.5.20

结论:
1、20CrMo材质的滑套耐磨性能比35CrMo材质的滑套高; 2、两种材质滑套均存在不同程度磨损,但内壁光滑,密封性能可以满足 现场施工的要求。
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9 对策实施

措施三:优选密封球材质
▲φ44.45mm, φ50.8mm, φ57.15mm 三种规格空心钢球室内承压试验。 ▲φ44.8mm, φ40mm, φ38mm, φ30.1mm 四种规格树脂球室内承压试验

空心钢球打压前实物图

破坏后实物图

树脂球打压前实物图 破坏后实物图

1、所有树脂球在45MPa下均发生较为严重的变形,形状由初期的圆形变为圆台型,不 结论: 能满足水力喷射压裂施工要求。 2、空心钢球在45MPa下均未发生变形且密封良好,可以满足水力喷射压裂施工要求。 压力为60MPa时,φ44.45mm发生破坏。在压力为50MPa时,φ57.15mm发生破坏。 长庆油田油气工艺研究院特殊作业QC小组

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9 对策实施

措施四:喷嘴结构优化设计

喷嘴几何结构: 圆弧+圆锥+圆柱 根据水力喷压裂施工的需要,经过对不同结构参数喷嘴的理论计算, 设计出了流量系数大于0.95、扩散角小于15°、等速核长、与喷射器壁厚 相匹配的喷嘴。
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9 对策实施

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9 对策实施

实施了四项主要措施
水平段选用2?″小接箍(奥钢联)油管
应用20CrMo材质的滑套并对其表面进行热处理

优选承压性能可靠的密封球
设计了与喷射器壁厚相匹配的喷嘴

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10 效果检查
7段

目标实现
5段

3段 2段 1段

目 标

活动前

1

活动后

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10 效果检查
水平段长度 (米)
1103

现场应用效果
井号
苏平14-19-09

目的层位
盒8

有效储层长度 (米)
539.4

改造方式
水力喷射段压裂

改造段数
3

无阻流量 (104m3d)
83.6

苏36-15-11H
靖平33-13 靖平33-1 靖平06-7 靖平47-22 靖平23-24 苏14-18-38H 苏14-7-41H2 苏6-2-10H1 苏6-4-10H1 桃2-6-12H 苏6-4-10H2 桃2-4-7H 制表:桂捷

盒8
马五13 马五13 马五13 马五13 马五13 盒8 盒8 盒8 盒8 盒8 盒8 盒8

382.5
817 1000 1506 1000 1000 1026 1268 1301 850 1000 850 1541

248
175.8 25.7 1078.3 683.5 597.5 255 629 584 625 381 625 930

水力喷射段压裂
水力喷射分段酸压 水力喷射分段酸压 水力喷射分段酸压 水力喷射分段酸压 水力喷射分段酸压 水力喷射分段压裂 水力喷射分段压裂 水力喷射分段压裂 水力喷射分段压裂 水力喷射分段压裂 水力喷射分段压裂 水力喷射分段压裂

3
3 3 7 7 6 5 7 7 5 5 5 7

20
10.13 50.5 161.9 101.1 34.66 15.4 113.4 80.5 34.1 20.26 44 21.1 时间:2010.12.20

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10 效果检查
经过小组成员的不懈努力,将气田水平井不动管柱水力喷射压裂段数由三段

无形效果
提高为五段以上(最高为七段),小组成员又一次在实践中得到了锻炼。在本次 活动中,不仅增强了攻克难关的信心,提高了解决问题的能力,而且还加强了集 体的团队协作精神。
活动前 质量意识 5 4 3

活动后

团队精神

5 4 3

2 1 2 1 1

3 4 解决问题 的信心 5

2

1 1 2

2

3 4

5

个人能力

3 4 5 QC知识

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11 巩固措施

? 绘制了相关工具的加工图纸,制定了配套工具的选材、加工 技术要求及相关标准。负责人:赵粉霞;完成时间:2010.6 ? 进一步学习相关设计软件,总结实验的经验和不足,为以后

工具设计提供参考。负责人:任勇、蒙鑫;完成时间:2010.8
? 采用水力喷射压裂技术施工时将水平段使用小接箍(奥钢联) 油管编入试气工程方案。负责人:桂捷;完成时间:2010.6 ? 做好工具设计、工艺设计和现场实验施工的对接,进一步优 化工具性能。负责人:王在强、胡相君

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12 下一步计划

本次活动提高了气田水平井4?″套管不动管柱水力喷 射压裂施工段数,取得了一定的成绩,为了增加长庆气田 水平井改造段数、满足提高单井产量的需求,小组打算进

一步优化水力喷射压裂工艺,完善相关配套工具,将降低
工具的设计级差、增加压裂施工段数作为下一步QC小组活 动的重点。

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