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图分类号图分类号图分类号图分类号 TE934 单位代码单位代码单位代码单位代码10425 学学学学 号号号号B0304104 China University of Petroleum Doctoral Dissertation 水平井分段压裂水平井分段压裂水平井分段压裂水平井分段压裂管柱及工具管柱及工具管柱及工具管柱及工具 关键关键关键关键技术技术技术技术研究研究研究研究 Study and Design of Key Technologies On Horizontal Well Stage Fracturing String it is hard to sub-section to horizontal stage effectively, on-site so difficult to control, and so on. Through combination of the design, theoretical analysis, computation and experimental study, do and conduct horizontal well stage fracturing technology research to solve these existing difficulties while fracturing implementation. This paper analysed the shortcomings and problems discussed in analysis of the causes to horizontal fracturing latest achievements , and did mechanical analysis, and experimental research to new horizontal stage- fracturing packer string and tools, and made some new research results Through comprehensive analysis of the horizontal stage fracturing technology and technological achievements from home and abroad, we gave research and development history, technical principles, domestic and international field test applications and technology priorities/weaknesses of six major horizontal stage fracturing technologies. This analysis provides a theoretical basis and research object to the paper. This paper diagnosed various reasons of horizontal fracturing implementation failure , and used fault tree analysis focused on the problems downhole tool failure, and had got a conclusion that the design and material of downhole tools were the main courses to determine the perance of downhole tools and stage- fracturing string in the effectiveness of fracturing process. Developed two new types of horizontal well multi-stage fracturing string technology with packer isolation., and did mechanical analysis to these new fracturing string through the ABAQUS software. Mechanical analysis results provided strongly technical support to the optimization of structural design and perance figure of fracturing string and downhole tools, and improved the security and reliability of the technology and implementation. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 iii Proposed the concept that long rubber expandable packer provided sealing off and anchoring of fracturing string in fracturing process, which can avoid getting stuck while implementing and is easy to back off to downhole tools after fracturing. Pered mechanical analysis and perance analysis of long rubber expandable packer, which gave optimization of plastic tube structure. Developed anti-dust hydraulic anchor and SPK344 packer with anti-dirt function, and did some laboratory experiments. These tools have anti-dirt equipments which have good permeability and high filtration precision to ensure the fracturing perance while effectively prevent sand, wax, scale and other dirt into the internal of tools. Optimized the structure design, did mechanical calculation and lab experiments of main downhole tools, which give supports and assist to horizontal well multi-stage fracturing implementation. Key words horizontal well multi-stage fracturing; Packers string; design; mechanical analysis; experimental study. iv 论文创新点摘要论文创新点摘要论文创新点摘要论文创新点摘要 （1）设计了水平井不动管柱多级封隔器分段压裂工艺管柱和拖动管柱式水平井封 隔器分段压裂工艺管柱，并对新型水平井封隔器分段压裂管柱进行了力学分析，提高了 分段压裂工艺管柱设计的安全性和可靠性。（见第 4、6 章） （2）设计了扩张式长胶筒封隔器，并应用于水平井分段压裂分段封隔和管柱锚定， 进行了扩张式长胶筒封隔器力学分析和技术性能分析； 在压裂实施中应用长胶筒代替卡 瓦锚定工具提供管柱锚定， 可以有效避免卡瓦式锚定工具卡钻和压裂后管柱解卡困难的 问题。（见第 4 章） （3）分段压裂配套工具防砂挡砂性能试验研究。研制了具有防砂挡砂功能的水力 锚和扩张式封隔器等井下工具，进行了工具防砂挡砂实验，实验研究证明该设计能保证 工具各项性能指标和使用性能的同时，可以有效防止砂、垢等赃物进入工具内腔，大大 提高压裂时井下工具的安全性能， 提高水平井分段压裂的可靠性和成功率。 （见第 5 章） 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 v 目目目目 录录录录 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论..............................................................1 1.1 问题的提出.......................................................1 1.2 研究的目的意义...................................................3 1.3 研究现状总结及存在问题...........................................4 1.4 主要研究思路及内容...............................................5 1.5 研究目标及预期结果...............................................7 第第第第 2 2 2 2 章章章章 水平井分段压裂工艺国内外技术分析水平井分段压裂工艺国内外技术分析水平井分段压裂工艺国内外技术分析水平井分段压裂工艺国内外技术分析..................................8 2.1 转向剂分流转向分段压裂工艺技术...................................8 2.2 砂塞隔离水平井分段压裂工艺技术...................................9 2.3 机械桥塞隔离水平井分段压裂工艺技术..............................11 2.4 水平井限流分段压裂工艺技术......................................12 2.5 水平井水力喷射分段压裂工艺技术..................................13 2.6 水平井封隔器分段压裂工艺技术....................................16 2.6.1 钻井完井与管外封隔器分段压裂一体化工艺技术 ...............16 2.6.2 套管完井封隔器分段压裂工艺技术 ...........................18 2.7 水平井分段压裂工艺管柱下入力学应用国内外现状....................20 2.8 本章小结........................................................24 2.8.1 已取得的研究成果 .........................................24 2.8.2 存在的问题和不足之处 .....................................24 2.8.3 本文的主要研究工作 .......................................25 第第第第 3 3 3 3 章章章章 水平井分段压裂工艺失效原因水平井分段压裂工艺失效原因水平井分段压裂工艺失效原因水平井分段压裂工艺失效原因研究研究研究研究...................................26 3.1 分段压裂工艺失效原因............................................26 3.1.1 分段压裂工艺技术的适用性是主要原因 .......................26 vi 3.1.2 工艺管柱设计的影响 .......................................26 3.1.3 配套井下工具的影响 .......................................28 3.1.4 井况的影响 ...............................................30 3.1.5 人为因素 .................................................31 3.1.6 其它因素 .................................................32 3.2 分段压裂井下工具失效故障树......................................33 3.2.1 故障树的建立 .............................................33 3.2.2 故障树的定性分析 .........................................35 3.2.3 故障树的定量分析 .........................................37 3.3 本章小结........................................................38 第第第第 4 4 4 4 章章章章 水平井多级封隔器分段压裂管柱水平井多级封隔器分段压裂管柱水平井多级封隔器分段压裂管柱水平井多级封隔器分段压裂管柱设计设计设计设计及力学分析及力学分析及力学分析及力学分析研究研究研究研究........................................................................ 39393939 4.1 水平井多级封隔器分段压裂工艺管柱的研究..........................39 4.1.1 不动管柱多级封隔器分段压裂工艺管柱研究 ...................39 4.1.2 拖动管柱式封隔器分段压裂工艺管柱研究 .....................41 4.2 水平井压裂工艺管柱基本力学计算..................................43 4.3 水平井多级封隔器分段压裂工艺管柱力学分析........................47 4.3.1 分段压裂管柱动力学基本方程 ...............................47 4.3.2 水平井分段压裂管柱数学力学模型分析 .......................49 4.3.3 水平井分段压裂管柱有限元力学分析 .........................54 4.4 扩张式长胶筒在水平井封隔器分段压裂中的力学研究..................62 4.4.1 扩张式长胶筒结构优化和力学分析 ...........................62 4.4.2 扩张式长胶筒在水平井分段压裂中的技术分析 .................67 4.5 现场试验 .......................................................72 4.6 本章小结 .......................................................72 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 vii 第第第第 5 5 5 5 章章章章 压裂工具防砂性能实验研究压裂工具防砂性能实验研究压裂工具防砂性能实验研究压裂工具防砂性能实验研究.........................................74 5.1 压裂工具防砂设计的目的 .........................................74 5.2 压裂工具防砂机构设计 ...........................................75 5.3 压裂工具防砂机理 ...............................................76 5.4 压裂工具防砂实验研究 ...........................................79 5.4.1 实验目的 .................................................79 5.4.2 实验原理 .................................................79 5.4.3 实验设备及器材 ...........................................79 5.4.4 实验设计 .................................................79 5.4.5 实验结果分析 .............................................81 5.4.6 实验结论 .................................................84 5.5 本章小结 .......................................................84 第第第第 6 6 6 6 章章章章 分段压裂管柱主要配套工具研究分段压裂管柱主要配套工具研究分段压裂管柱主要配套工具研究分段压裂管柱主要配套工具研究.....................................86 6.1 SPK344 扩张式封隔器的研究 .......................................86 6.1.1 结构原理及特点 ...........................................86 6.1.2 设计计算 .................................................87 6.1.3 SPK344 封隔器实验研究.....................................89 6.2 SPY341 封隔器的研究 .............................................92 6.2.1 SPY341 封隔器结构原理及特点...............................92 6.2.2 SPY341 封隔器设计计算.....................................93 6.3 喷砂工具的研究 .................................................97 6.3.1 喷砂工具结构原理及特点 ...................................97 6.3.2 喷砂工具设计计算 .........................................98 6.3.3 喷砂工具实验研究 .........................................98 6.4 安全工具的研究 ................................................100 6.4.1 安全工结构原理 ..........................................100 6.4.2 安全工具设计计算 ........................................101 viii 6.5 本章小结 ......................................................101 结论与展望结论与展望结论与展望结论与展望..............................................................103 参考文献参考文献参考文献参考文献................................................................106 攻读博士学位期间取得的研究成果攻读博士学位期间取得的研究成果攻读博士学位期间取得的研究成果攻读博士学位期间取得的研究成果..........................................113 致谢致谢致谢致谢....................................................................115 作者简介作者简介作者简介作者简介................................................................116 中国石油大学（华东）博士学位论文 1 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1 1 1 1. . . .1 1 1 1 问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出 水平井钻井的时间最早可以追溯到 1927 年， 20 世纪 40 年代付诸实施。 由于二次世 界大战后喷嘴射孔技术在油田应用取得成功， 水平井钻井技术很长时间没有得到人们的 重视。上世纪 70、80 年代，随着国际石油价格的上涨、钻井配套技术的提高以及水平 井钻井开发技术的优势特点，水平井钻井技术再次引起石油界的关注，到了 20 世纪 80 年代，水平井钻井技术相继在美国、加拿大、法国得到广泛工业化应用。至 2007 年底， 全世界完成水平井近 5 万口，主要分布在美国、加拿大、俄罗斯等 69 个国家，其中美 国和加拿大约占 88.4。水平井技术是一项能够有效提高油田开发效率的可靠技术，与 钻直井相比较，水平井具有明显优势。钻水平井能最大钻遇油藏，钻遇多条垂直裂缝， 增加泻油面积，有效提高单井产量以及开发效果，降低采油成本，提高油气采收率。 国内第一口水平井可以追溯到 1965 年的磨 3 井，1990 年胜利油田完成国内第一口 长半径水平井探井埕科 1 井，进入 90 年代后半期以后，水平井在国内得到快速发展。 中石化从 1991 年开始发展水平井，2002 年底共钻水平井 325 口，至 2008 年，中石化已 经完成水平井 1711 口，中石油 2008 年水平井也突破了 1000 口，中海油突破 126 口。 早期水平井仅限于钻短半径井，水平段长约 80m，目前中半径是最常用的水平井钻井技 术；而且，国内外水平井钻井技术已发展成为一项常规技术，无论大、中、短曲率半径 水平井，其井身质量、钻速、钻时、钻井成本、技术风险以及综合效益都可以得到保证； 几乎所有类型的油藏，如枯竭油藏、致密气藏、低渗油藏、边际油藏、高渗油藏等都可 以采用水平井技术来开发。 2008 年国内外水平井最大水平段达 6118m， 最大垂深 6062m， 最大斜深 10172m，多分支水平井总水平段长度达到 11342m。国内最深水平井是 2008 年 7 月完钻的川东北普光 105－1H 井，斜深 6538m，垂深 5883.47m。 水平井技术已经成为高效开发新油田、老油田挖潜和提高采收率的一项重要技术， 与钻直井相比较， 水平井具有明显优势。 钻水平井能最大钻遇油藏， 钻遇多条垂直裂缝， 增加泻油面积，有效提高单井产量以及开发效果，降低采油成本，提高油气采收率。图 1-1 直观表现了水平井对于直井的技术优势。近年来，水平井钻井成本已降至相邻直井 的 1.5～2 倍，而产量达到了相邻直井的 4～8 倍，甚至几十倍。随着水平井钻采配套技 术的研究发展和配套完善，水平井开发技术的优势更加明显。 第 1 章 绪论 2 图图图图 1-1 水平井水平井水平井水平井、、、、直井示意图直井示意图直井示意图直井示意图 Fig 1-1 Schematic diagram of a horizontal well and a vertical well 随着世界各国对石油消费的快速上升， 以及水平井钻井技术的成熟和对低渗透油气 藏的深入研究，利用水平井技术有效开发低渗、特地渗透以及致密性油气藏已经成为国 内外的共识。 低渗透油气藏在世界范围内储量丰富，如美国的 Poe 油田、Tohna 气田，中国的苏 里格气田、华北大牛地气田以及胜利的许多断块油田都属于此类油气田。以中国石化 2004 年统计数据为例 低渗透油藏共投入开发储量 12.7 亿吨， 占动用储量总量的 25.6， 2004 年低渗透年产油量 788.7 万吨，占 20.7。国内外主要国家美国、加拿大、俄罗斯、 中国等都利用水平井大规模开发低渗特低渗透油气藏，取得了良好的效果。 国内外于 20 世纪 80 年代开始研究水平井的储层压裂增产改造技术， 由于一般水平 井穿越油层的水平段较长，全井段酸化压裂很难达到有效的储层改造，所以需要分多段 进行压裂，形成理想的多条相互独立的人工裂缝，才能最大程度发挥水平井开发低渗透 油田的技术优势。图 1-2 形象说明了水平井分段措施改造的好处，与直井、水平井全井 压裂比较，分段压裂可以有效沟通储层裂缝，增加泄流面积，大幅度提高油气井产量。 中国石油大学（华东）博士学位论文 3 图图图图 1-2 水平井分段压裂的优势水平井分段压裂的优势水平井分段压裂的优势水平井分段压裂的优势 Fig 1-2 The advantages of sub –fracturing in horizontal wells 在水平井分段压裂工艺方面，国外比国内研发起步早、技术较为成熟。国外几大著 名油田服务公司一直致力于这方面的研发和实践， 许多原创技术基本上都是由这些服务 公司所研发，并经过实践应用，形成了在水平井分段压裂方面的各自的技术优势；特别 在水平井钻井完井和分段压裂工艺的有效结合应用方面， 例如利用管外封隔器分段压裂 的钻井完井技术，采用连续油管配合分段压裂，快速高效，施工风险也大为降低等等。 国内水平井分段压裂工艺技术的研发参考借鉴了国外的先进经验和技术， 一些油田通过 引进、学习和再创新，也逐步形成了自己的一些相关技术；但在水平井分段压裂改造的 理念上，主要还是把其作为采油生产中提高产量的技术手段，还没有把钻井完井和分段 压裂有效结合在一起进行低渗透油气田的开发； 而且在技术的研发和应用水平上还存在 一定差距。 水平井分段压裂工艺与直井不同， 许多在直井中很好的分段压裂技术却不能适用于 水平井中。我国经过十多年的研发应用，在水平井分段压裂工艺方面取得了一定进展， 特别在水平井封隔器分段压裂工艺技术方面进行了一些研究和试验应用， 但是总体来说 该工艺技术不完善、不配套，现场试验应用中也出现了许多技术问题，特别在水平井分 段压裂工艺和井下工具等方面，与我国实际生产需求还存在较大的差距，相关技术的研 究明显不能满足我国近年来水平井的快速发展和应用，很有必要开展此项研究，补充、 完善和提高我国水平井措施改造的技术水平，提高低渗透油藏水平井开发的效果。 1 1 1 1. . . .2 2 2 2 研究研究研究研究的的的的目的意义目的意义目的意义目的意义 水平井分段压裂是一项世界级难题，主要技术难点是井眼轨迹复杂，管柱起下困 难，砂卡几率大，施工风险高；水平段长、层段多，非均质严重，裂缝起裂、延伸复杂， 现场控制难度大。通过现场调研和研究应用文献资料分析发现，水平井分段压裂改造的 工艺技术难点在于分段压裂工艺方式和有效分段封隔等井下工具方面， 国内水平井开发 经过十余年的科技攻关，取得了一些成果，但在水平井分段压裂工艺配套等方面有待进 第 1 章 绪论 4 一步完善和提高。目前，国内水平井分段压裂以封隔器分段压裂为主，以 2007 年大庆 油田为例，封隔器分段压裂实施井数占水平井压裂总井数的 75.6，在现场应用中，出 现了封隔器不能有效分层、水力锚不能解卡等等诸多问题。 开展本课题的研究，综合调研分析水平井分段压裂工艺技术国内外现状，为国内相 关研究提供参考依据；对现场出现的问题进行分析，解决问题，优化分段压裂工艺，防 患于未然；对分段压裂管柱的下入性进行力学分析研究，并根据国内外现状，重点研究 工艺管柱的锚定问题，用扩张式长胶筒提供锚定，有效解决压后管柱易卡起出困难的难 题，以及研究井下工具进砂不能有效工作的问题等。总之，通过本研究，完善和提高我 国水平井封隔器分段压裂工艺的技术水平，满足我国水平井快速发展的现场需要，提高 低渗透油田水平井开发应用效果。 1 1 1 1. . . .3 3 3 3 研究现状总结研究现状总结研究现状总结研究现状总结及存在问题及存在问题及存在问题及存在问题 20 世纪 80 年代，随着水平井钻井技术的快速发展，特别是水平井技术大量应用于 低渗透等油藏的开发，国内外先后开始研究应用水平井压裂酸化增产改造技术。1985 年 Giger 在“非均质油藏中水平井的开采技术”中提出，他认为水平井是开发非均质性 油藏的一种好方法，只要水平井固井技术成熟水平井压裂就会广泛实施。1987 年 Giger 又提出了利用水平井开发低渗透油田，给出了水平井与垂直井相比的当量半径，评价钻 水平井经济界限问题。1992 年，北海 Danish 油田水平井压裂改造，该油田储层渗透率 为 1.010-3μｍ 2，钻了 10 口水平井，开始每口水平井压裂 5 条裂缝，后来最多压到 10 条，压裂效果十分明显。国内的胜利油田，利用水平井技术对老区高渗透油田挖潜增 效，效果很好，有些区块采出程度接近 50％，有些综合含水大于 95％的区块，利用水 平井技术后居然还有日产油 20～30t/d 的能力； 但是胜利油田低渗透水平井开发效果差 一些，专家分析认为主要原因是后期各种增产措施不配套，缺少先进实用的压裂增产工 艺技术。 从研发的技术实力、技术水平和实施效果看，国内明显落后于国外同行。水平井 钻井技术发展很快，而且水平井钻井技术已经大大领先于水平井采油配套工艺技术，造 成两者技术发展严重脱节。 水平井分段压裂工艺技术的难点在于分段压裂工艺方式选择和水平段的分隔密 封，从而有效实现均匀布液。经过国内外广大科技人员多年的努力，在水平井分段压裂 相关技术研究方面取得了一些研究成果水平井分段压裂工艺方面取得的研究成果，例 如转向剂分流转向分段压裂工艺、砂塞隔离分段压裂工艺、机械桥塞隔离分段压裂工 中国石油大学（华东）博士学位论文 5 艺、限流分段压裂工艺、水力喷射分段压裂工艺等，经过研究和现场试验检验，验证了 其技术的可行性。水平井钻井完井和裸眼管外封隔器分段压裂一体化工艺技术先进，已 经被国际主要石油服务公司所掌握，经过研发和实践，已经成为可行性的封隔器分段压 裂技术。研发了长胶筒封隔器，应用于裸眼完井及分段。管柱下入研究方面，利用能量 法、分析法、实验法等，从不同侧面对入井管柱的稳定性、受力等力学行为进行了研究， 导出了屈曲及受力等力学参数的一些计算公式，部分理论结果进行了实验验证。 以前的研究也存在一些问题和不足之处，影响和限制了已有的研究成果的应用，而 且也不能满足低渗透油藏水平井技术快速发展的要求 分段压裂工艺及配套工具完善程 度不足，现有技术只是部分解决了水平井分段压裂的要求，但是与生产实际需求存在较 大差距，迫切需要进一步研究攻关和提高。分段压裂工艺管柱锚定方式太过单一，一般 采用卡瓦锚定方式，虽然锚定可靠，但是存在砂埋砂卡安全隐患，需要研究其他压裂管 柱锚定方式。配套井下工具优化设计不足，国内许多水平井现场试验所用的工具都是原 来用于直井的工具， 造成许多压裂施工事故。 管柱力学研究方面， 考虑的因素不够全面， 分析方法需要丰富，研究不够系统。 1 1 1 1. . . .4 4 4 4 主要研究主要研究主要研究主要研究思路思路思路思路及及及及内容内容内容内容 水平井压裂存在诸多世界级技术难题， 当然不可能通过一个项目的研究解决所有技 术问题。本文利用调查研究、理论分析、设计计算和实验研究相结合的方法，通过资料 检索和调查研究，收集相关文献资料，分析水平井压裂和分段压裂相关技术失效失败的 原因，可以针对典型井例分析，探讨其在压裂过程中失效原因，为耐压、耐冲击和耐磨 损新工具的设计提供理论基础。通过建立合理的管柱力学分析模型，对带扶正器的压裂 管柱进行力学分析，并通过力学计算和室内实验，为水平井分段压裂管柱和相关工具的 设计提供理论依据和安全保证。通过设计计算和室内实验论证，形成较完善的工艺管柱 系列和工具系列。总之，通过研究，主要解决国内以封隔器分段压裂为主的水平井压裂 工艺存在的一些技术问题压裂管柱下入安全、起下困难、管柱锚定问题，卡瓦式管柱 易卡钻以及砂进工具内腔影响工作性能等等问题。具体研究内容如下 （1）水平井分段压裂工艺国内外现状分析和工艺失效原因分析 通过调查研究和资料检索总结，对国内外水平井分段压裂工艺管柱、井下工具、下 入理论等进行分析研究；分析分段压裂工艺失效的原因和影响因素，并通过故障树方法 分析，为设计和改进新型分段压裂工艺管柱和配套工具提供理论支持，并为相应技术研 究人员提供参考。 第 1 章 绪论 6 （2）水平井分段压裂工艺管柱力学分析研究 水平井井眼设计一般包括直井段、造斜段、稳斜段、水平段等，而水平井根据曲率 半径的不同可以分为长曲率半径水平井（R 305m～914m，造斜率（7～20）/100m）、 中曲率半径水平井（R 50m～213m，造斜率（26～98）/100m）和短曲率半径水平 井（R 6m～12m，造斜率（5～10）/m），不同的井眼轨迹对分段压裂管柱的下入 有不同的影响。通过对水平井分段压裂工艺管柱的分析，建立合理的力学分析模型，综 合分析水平井封隔器分段压裂管柱的力学性能， 提高水平井分段压裂工艺管柱的研究设 计水平。 （3）扩张式长胶筒在水平井压裂管柱中的力学研究 针对水平井封隔器分段压裂管柱，以卡瓦式工具锚定管柱实施中存在压后卡钻、管 柱起出困难的情况，提出用扩张式长胶筒提供管柱锚定、密封等新理念；进行扩张式长 胶筒在水平井压裂施工工况下的有限元分析，进行技术性能分析。 （4）井下工具防砂性能设计及实验研究 工艺管柱是由各种井下工具组合而成，是工艺管柱的主要部分，井下工具的优劣决 定了工艺措施的成败。进行井下工具的优化设计，特别是在水平井压裂施工情况下，压 裂砂及赃物容易进入封隔器、水力锚等井下工具的内腔，造成封隔器和水力锚不能有效 解封和解卡，影响井
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