CN103883293A - 水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种水力喷射径向钻孔和压裂一体化方法。其基本工作原理为：以储层中的垂直或水平井筒为中心，钻出一定长度的多个径向孔眼，然后在径向孔眼中实施压裂，最终形成一个由大小不同的裂缝构成的网络，该技术能够极大增加单井控制储量，在径向孔眼的诱导下，水力压裂能够在储层中形成较完善的裂缝网络，该裂缝网络能够极大促进储层中流体运移速度，形成工业产能，从而达到大幅度提高单井产量的目的。

Description

水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法

技术领域

本发明涉及到石油天然气开采领域，为一种新型石油天然气高效开发技术手段，尤其能够在天然裂隙发育的非常规油气藏(如储层气、页岩气)中形成“公路网”式的大规模裂缝网络。

背景技术

随着我国经济快速增长，我国能源需求高速增长，2013年我国石油和天然气的对外依存度分别达到58.1％和31.6％，中国已成为全球第三大天然气消费国。非常规油气资源，如致密气、页岩气、储层气、致密油等非常规油气，作为常规油气资源的重要补充，以其储量巨大、分布集中、开发技术日趋进步等特点，日益成为世界石油市场竞相追逐的新宠。研究表明，中国非常规油气资源丰富，发展潜力大，其中致密气可采资源量为8.8×10¹²～12.1×10¹²m³，页岩气可采资源量为15×10¹²～25×10¹²m³，储层气可采资源量为10.9×10¹²m³，致密油可采资源量为13×10⁸～14×10⁸t，可回收页岩油资源量为160×10⁸t，油砂也具有一定资源潜力。

非常规油气藏属低渗透油气藏，具有渗透率低、孔隙度低，非均质强等特点，绝大多数此类油气井必须实施特殊的钻完井工艺以及后期储层改造措施之后方能见效。目前诸如煤层气、页岩气等在国外已有成功的开发先例，但是国外的成功经验并不能直接适用于我国的实际情况。以煤层气为例，我国煤层气开发与增产技术多借鉴美国的成功经验，如采用分支井、羽状水平井，裸眼洞穴完井、U型井等，但效果均不理想。美国的成功经验均是作用于储层条件较好的气藏(埋深不大、含气量高、对甲烷吸附能力较弱、游离甲烷含量高、地层压力高、渗透率高、适当产水、储层构造完整等)，但我国煤储层普遍具备低压、低渗、低孔隙度的三低特征，构造破环严重，原地应力较大，储层非均质性较强，使我国煤层气开采陷入困境，现有技术均无法经济高效开采。

目前，水力压裂技术是非常规油气开采中最常用的增产措施，该技术在常规油气开发中已十分成熟，以水平井压裂为例，最多可实现60级次的压裂，能够形成较为完善的缝网结构，极大提高油气资源的开采效率与采收程度。但是对于某些特殊物性的岩层，如煤岩(泊松比高，杨氏模量低，强度低，塑性大，天然裂隙发育)，易在井筒附近形成短而宽的裂缝形态，按照传统压裂方式很难形成高导流稳定长裂缝，因而沟通能力有限，在井筒周围形成的压降漏斗范围小，煤层气解吸范围有限，单井产量较低。

水力喷射径向钻孔技术能够垂直于主井眼沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平孔眼。将该技术应用石油天然气开发，不存在压实作用，保持了储层原始的裂隙结构；辐射状的分支水平孔眼与原始裂隙在储层中形成相互连通的网络，更大限度地沟通储层原生裂缝和裂隙系统，大大降低了裂隙内流体的流动阻力，极大地提高油气藏开发效益。但是如果储层构造破坏严重，则储层非均质强，原始孔隙连通性变差，由于径向孔眼偏小，垂向沟通效率偏低，会导致分支孔眼的沟通效率受到很大限制。

鉴于此，本发明人根据多年从事水力压裂和径向钻孔技术研究的经验，以高效开采非常规油气藏为目的，提出了一种新型的提高单井产量的技术思路，即水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的提高石油天然气单井产量的技术思路，尤其是一种可以克服现有技术存在的缺陷，实现非常规油气的高效开采。

为此，本发明提出了在非常规油气藏中进行水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法，综合水力压裂与径向钻孔技术的优势，高效开采油气资源。其特征是：

本发明以储层中垂直或水平主井筒为中心，根据储层储量与品质、地应力状况与天然裂缝系统的走向，设计单层或多层的多个径向孔眼，为保证尽可能多的连通储层中原生裂缝与裂隙系统，要求径向孔眼尽量与裂缝方向正交或斜交；在按照设计完成每个径向孔眼时，通过特殊密封分离短节实现连续油管密封径向孔眼，地面投球使钻径向孔眼的高压软管与连续油管脱离，利用连续油管进行单个径向孔眼水力压裂，实现水力喷射钻径向孔与压裂一体化。通过径向钻孔作业后，沟通主井筒周围多层次20-100m之内的储层，极大地增加单井的控制面积，此时的径向孔眼好比“高速公路网”，将该区域内的原本各自孤立的若干大小不等的岩块连成一体，也将储层划分成多个较小的区域，但此时由于径向孔眼较小，连通裂缝数量有限，且各裂缝始终处于闭合状态，裂缝之间的连通性差，其沟通能力十分有限，不能够形成工业气流。此时，利用连续油管在径向孔眼中进行压裂作业，由于有了径向孔眼的诱导作用，且储层已被划分成多个较小的区域，压裂作业可实现储层稳定裂缝的形成与连通，将储层进行深度压裂，类似于“城乡公路网”，最终形成一个由大小不同裂缝构成的裂缝网络，使每一个大岩块四周的毫米级裂缝与井筒直接相连并与大气相通，在开采过程中较快形成流体的释放，增大其渗流速度，对于具有基质气体解吸与扩散过程的储层而言，这个过程相当于增大了岩块的基质渗透率，反过来加速了储层气的解吸、扩散速度，从而达到大幅度提高单井产量的目的；同时，直接使用钻径向孔眼的连续油管进行压裂，不需要压裂工具，节省了成本，也因此不需要进行压裂管柱的起下作业，减少了作业时间。

该技术综合径向钻孔与水力压裂技术的优势，主要体现在：

1)主井筒中钻进多条径向孔眼，施工成本低，可替代多分支井和定向侧钻的部分功能；

2)径向孔眼在不伤害储层的条件下，可穿透主井筒周边的污染带，更大限度地沟通储层原生裂缝和裂隙系统，极大地增加单井控制储量；

3)径向孔眼诱导了水力压裂起裂位置、延伸方向及发展长度，可降低起裂压力；

4)径向孔眼将原本完整的储层，划分成多个较小的区域，分层段压裂，有利于缝网的形成；

5)水力压裂形成的组合缝网极大促进具有解析、扩散储层中气体解吸、扩散、渗流、汇聚，形成工业气流；

6)不需要压裂工具，不需要压裂管柱起下作业，减少作业时间，节省作业成本。

附图说明

以下附图对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1垂直井水力喷射径向钻孔和压裂效果示意图

图2水平井水力喷射径向钻孔和压裂效果示意图

图3径向孔眼布置示意图

图4垂直井水力喷射径向钻孔施工示意图

图5垂直井径向孔眼内压裂施工示意图

附图符号说明：

1、储层  2、垂直主井筒  3、水力裂缝  4a～4d、垂直井径向孔眼  5、水平主井筒  6a～6f、水平井径向孔眼  7、主井筒  8a～8f、径向孔眼  9、连续油管作业车  10、连续油管  11、液压泵车  12、油管  13、密封短节  14、套管  15、高压软管  16、转向器  17、锚定器18、自进式多孔喷嘴  19、径向孔眼  20、限位销钉  21、O型圈  22、滑套

具体实施方式

本发明提出在石油天然气储层中进行水力喷射径向钻孔和压裂一体化方法，并形成了配套施工方案，为石油天然气，特别是非常规油气藏开采提供了一种有效的技术手段，克服了常规水力压裂不能够形成稳定长裂缝，以及径向钻孔沟通率较低的缺点，对于非常规油气藏的产业化开采具有重要意义。现对照附图说明本发明的具体实施方式。

非常规油气藏属低渗透油气藏，具有渗透率低、孔隙度低，非均质强等特点，绝大多数此类油气井必须实施特殊的钻完井工艺以及后期储层改造措施之后方能见效。本发明专利要求在开发非常规油气藏时，根据地质条件、油藏规模以及储层中油气品质等因素，合理规划设计，选择垂直井水力喷射径向钻孔和压裂一体化技术(图1)或水平井水力喷射径向钻孔与压裂一体化技术(图2)；综合考虑储层中油气品质、储层大小、裂缝与裂隙发育情况、原始地应力分布情况以及后续的水力压裂作业等因素，设计径向孔眼各参数，为保证尽可能多的连通储层原生裂缝与裂隙系统3，径向孔眼8a～8f方位按照图3设计，孔眼数量及长度由实际情况确定；由于径向孔眼的存在，在水力压裂设计时，需要考虑其诱导能力合理设计压裂水力参数。

首先，在已有的直井2或水平井5中进行径向钻孔作业(图4)，具体工序为：通井、洗井；油管12末端连接转向器16、锚定器17等，下入到预定位置；进行套管开窗作业，形成直径不小于20mm的孔眼；开窗结束后，地面泵车11向连续油管10注入高压流体(可为水或超临界CO2)，流体经过多孔喷嘴18形成高压射流沿井筒径向破碎岩石并向前行进，形成径向孔眼19直至密封短节13卡住套管孔眼为止，钻孔作业结束。

径向钻孔作业结束后，开展径向孔眼压裂作业(图5)，具体工序为：继续下放管柱，地面加载不超过1t，迫使密封短节13的锥形面与套管孔眼充分接触，实现径向孔眼密封；地面停泵，投球，坐封于密封分离短节的滑套球座之上，实现憋压，当压力足够大时，限位销钉20被剪断，实现高压软管15与连续油管10的分离；地面泵车11向连续油管10注入前置液，液体经过密封短节13进入径向孔眼19内形成高压将地层压开形成水力裂缝3；裂缝形成后，地面泵车11向连续油管内注入携砂液，携砂液携带支撑剂通过连续油管10进入压开的水力裂缝3，起到支撑裂缝的作用；最后，地面泵车11向连续油管10内注入顶替液，将管内剩余携砂液顶替至地层，压裂施工结束。

密封分离短节13工作原理：密封分离短节13上端通过螺纹与连续油管10相连；其末端外侧成锥形，便于进入套管孔眼，实现径向孔眼密封；在锥形面上分布着四个限位销钉孔，用于限位内部的滑套22；滑套22通过O型圈21实现密封，限位销钉20固定其位置，并通过螺纹与高压软管相连，当比滑套内径大的球坐封于滑套之上可实现憋压，当压力足够大时，限位销钉20剪断，滑套连同高压软管15与密封分离短节13脱离。

待完成一个分支的径向钻孔与压裂作业结束后，上提连续油管10至地面，旋转油管12将转向器16转向另一个方向，重复之前钻孔、压裂步骤，进行下一个钻孔压裂作业，直至所有层位作业全部完成。

另外，水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法其工艺过程也可是在钻完每一层的径向孔眼后，下入封隔器，进行常规的压裂作业，实现所有径向孔眼的同时压裂作业。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法，以及施工方案，其特征是：以储层中的垂直或水平井筒为中心，钻出一定长度的多个径向孔眼，然后在径向孔眼中实施压裂，最终形成一个由大小不同的裂缝构成的网络，使每一个大岩块四周的毫米级裂缝与井筒相通，在开采过程中较快形成储层内流体的释放，从而大幅度提高单井产量。

2.根据权利要求1所述的水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法，以及施工方案，其特征是：在钻完径向孔眼后，继续下放管柱，地面加载，迫使密封分离短节的锥形面与套管孔眼充分接触，实现径向孔眼的密封，为后续径向孔眼内压裂提供了密闭空间。

3.根据权利要求1所述的水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法，以及施工方案，其特征是：在钻完径向孔眼，下放管柱实现径向孔眼密封后，地面投球坐封于密封分离短节内部的滑套上，憋压剪切限位销钉，高压软管与连续油管的分离，为实现大排量压裂提供流动通道。

4.根据权利要求1所述的水力喷射径向钻孔与压裂一体化方法，以及施工方案，其特征是：其工艺过程也可是在钻完每一层的径向孔眼后，下入密封器，进行常规的压裂作业，实现所有径向孔眼的同时压裂作业。

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