CN114075958A - 一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具及方法，属于油气增产改造领域。该适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具包括：本体；所述本体为圆筒状结构，在所述本体的壁上开有多组喷嘴安装孔；每组喷嘴安装孔包括两个在圆周上均布的喷嘴安装孔，且所有组的喷嘴安装孔的中心轴线均位于所述本体的一个纵向轴截面内；在每个所述喷嘴安装孔内均安装有喷嘴。利用本发明实现了由横切水平井筒裂缝变为纵切水平井筒裂缝，压裂液集中于此纵向裂缝中，有利于裂缝扩展及穿层，实现了多薄层储层穿层压裂的目的，降低了压裂作业成本，提高了该种类型储层的压裂增产效果。

Description

一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具及方法

技术领域

本发明属于油气增产改造领域，具体涉及一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具及方法。

背景技术

目前，水平井分段压裂技术已被广泛应用于不同岩性的油气藏勘探与开发中，并取得了显著的效果。且水平井筒的方位一般为最小水平主应力方位，因此，压裂的裂缝一般为横切水平井筒的裂缝，这样可以获得更大的裂缝改造体积。

中国专利公开文献CN106596415A公开了一种水平井穿层压裂效果评价方法，解决了现有常规方法不能有效准确评价低渗透薄互层水平井穿层压裂效果的问题，其技术方案是在连通注水直井上部油层(水平井未钻遇的油层)注入一种示踪剂，在连通注入直井的下部油层(水平井未钻遇的油层)注入另外一种示踪剂，在水平采出井井口取样、检测、分析采出液成分，以及两种示踪剂出现时间、连续时间、消失时间，以此检验水平井穿层压裂效果。中国专利公开文献CN109386271A公开了一种水平井穿层压裂方法，其穿层主压裂施工包括第一压裂阶段、第二压裂阶段和第三压裂阶段，以及任选的第四压裂阶段；其中，第二压裂阶段和第三压裂阶段采用粒径均一的支撑剂，且优选为超低密度的支撑剂；第三压裂阶段使用的支撑剂的平均粒径大于第一压裂阶段和第二压裂阶段的支撑剂的平均粒径，可实现多个砂层间的泥岩遮挡层的压穿，以及支撑剂顺利通过泥岩的窄缝宽处运移进水平井井筒上下的砂岩目的层并有效铺置，从而有效解决垂直裂缝纵向穿层问题，实现纵向穿层压裂。

但是上述现有技术在多薄层中应用存在诸多技术局限，主要是常规的水平井横切缝很难实现纵向的穿层压裂。原因在于，段内多簇裂缝分流压裂液流量，每簇裂缝的排量相对较小，尤其是目前段内分簇数越来越多，有的甚至达10簇以上，虽然总的排量可能相对较高，如16-18m³/min甚至更高，但单簇排量一般在2m³/min以内，各个裂缝的高度延伸能力弱，很难穿透纵向多个油气层，解决不了纵向多层穿层压裂的问题。因此，需要研究提出一种新的压裂完井管柱及穿层压裂方法，以解决上述问题的局限性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具及方法，针对目前多薄层储层很难实现穿层压裂的难题，改变原来的水平井筒方位设计理念，由原先的沿最小水平主应力方位，改为沿最大的水平主应力方位，设计水平井井筒顶底双方向定向喷砂射孔工具，由横切水平井筒裂缝变为纵切水平井筒裂缝，压裂液集中于此纵向裂缝中，有利于裂缝扩展及穿层，从而实现多薄层储层穿层压裂的目的，进而降低压裂作业成本，提高该种类型储层的压裂增产效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供了一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具，所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具包括：本体；

所述本体为圆筒状结构，在所述本体的壁上开有多组喷嘴安装孔；

每组喷嘴安装孔包括两个在圆周上均布的喷嘴安装孔，且所有组的喷嘴安装孔的中心轴线均位于所述本体的一个纵向轴截面内；

在每个所述喷嘴安装孔内均安装有喷嘴。

本发明的进一步改进在于，同一组内的两个喷嘴安装孔的中心轴线位于同一个圆面内的一条直径上，该圆面与所述本体的中心轴线垂直。

本发明的进一步改进在于，多组喷嘴安装孔在本体的轴向上等间距设置。

所述喷嘴安装孔的数量为偶数，其范围为6-24个。

每个所述喷嘴的孔径为6-3mm。

本发明的第二个方面，提供了一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，所述方法包括：

(1)确定目标井层中纵向上每个小层的最大主应力方位；

(2)确定最佳水平井筒位置和确定最佳水平井筒方位，并完成压裂泵注程序设计；

(3)根据最佳水平井筒位置和最佳水平井筒方位进行水平井钻井得到水平井筒；

(4)确定水平井筒的压裂段的段数N；

(5)下入所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具；

(6)进行水平井筒顶底定向喷射压裂作业。

所述步骤(2)中的确定最佳水平井筒位置的操作包括：

分别在纵向上每个小层内进行压裂模拟获得该小层的裂缝上下扩展规律；

找出裂缝上下扩展均衡且通过裂缝的扩展能够覆盖纵向所有小层的顶界和底界的小层，将该小层作为布置水平井筒的小层，该小层即为最佳水平井筒位置。

所述裂缝上下扩展均衡是指：在该小层进行压裂时，裂缝向上扩展到达目标井层的顶界时，向下扩展正好到达目标井层的底界。

所述步骤(2)中的确定最佳水平井筒方位的操作包括：

在步骤(1)确定的每个小层的最大主应力方位中，找到所述最佳水平井筒位置对应的最大主应力方位，该最大主应力方位即为最佳水平井筒方位。

所述步骤(3)的操作包括：

在步骤(2)确定的最佳水平井筒位置处进行水平井钻井，水平井钻井的方向与步骤(2)确定的最佳水平井筒方位相同；

钻井完毕后进行固井作业。

所述步骤(4)的操作包括：

根据水平井筒的长度，设置不同的压裂段的段数，分别在水平井筒内进行压裂模拟，得到不同的段数下的模拟结果；

找出纵向切缝能够覆盖整个水平井井筒的模拟结果，该模拟结果对应的压裂段的段数即为水平井筒的压裂段的段数N。

所述步骤(5)的操作包括：

将N个所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具串联好后下入到水平井筒内，且使N个适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具与水平井筒中的N个压裂段一一对齐。

所述步骤(6)的操作包括：

按照步骤(2)中设计的压裂泵注程序，利用N个所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具进行喷射压裂作业，并完成顶替、返排、测试及生产。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明实现了由横切水平井筒裂缝变为纵切水平井筒裂缝，压裂液集中于此纵向裂缝中，有利于裂缝扩展及穿层，实现了多薄层储层穿层压裂的目的，降低了压裂作业成本，提高了该种类型储层的压裂增产效果。

附图说明

图1为本发明工具的结构示意图；

图2为图1中的A-A向剖视结构示意图；

图3为水平井井筒与裂缝对比图；

图4为压裂段在水平井筒上的分布的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明设计了一种实现水平井筒单一纵向裂缝的定向射孔工具，优化了定向射孔的孔数及孔径等参数，要求每个孔眼的压裂液流动速度达到喷射速度的要求，即喷射速度高于130m/s，利用在纵向上高速喷射，实现水平井筒处纵向裂缝的水力切割效应，加速裂缝扩展和纵向穿层的效率。

具体的，如图1和图2所示，本发明适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具包括：本体，所述本体为圆筒状结构，在所述本体的壁上开有多组喷嘴安装孔，每组喷嘴安装孔包括两个在圆周上均布的喷嘴安装孔，且所有组的喷嘴安装孔的中心轴线位于一个平面内，该平面为所述本体的一个纵向轴截面。同一组内的两个喷嘴安装孔的中心轴线位于同一个圆面内的一条直径上，该圆面与所述本体的中心轴线垂直。每个喷嘴安装孔将本体的内腔与本体的外部连通，在每个所述喷嘴安装孔内均安装有喷嘴。

所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具的实施例如下：

【实施例一】

相邻两组喷嘴安装孔的中心轴线所在的圆面之间的距离相等，即多组喷嘴安装孔在本体的轴向上等间距设置。

【实施例二】

所述喷嘴安装孔的数量为偶数，其范围为6-24个。

【实施例三】

每个所述喷嘴的孔径为6-3mm，与上面的喷嘴数量6-24个对应，如果喷嘴数量是6个，则每个喷嘴的孔径取6mm；如果喷嘴数量是24，则每个喷嘴的孔径取3mm；在6-24的区间内取6-3之间相应的值即可。

当要压裂的井排量确定后，根据喷射速度最低要求(130m/s)，即可确定喷嘴安装孔的数量与喷嘴的孔径，采用现有方法计算获得，在此不再赘述。

本发明工具的喷嘴是上下两排均匀分布在喷射器本体上，而现有常规工具中的喷嘴是按照螺旋线方式在喷射器本体上分布或者在一个横切面上圆周分布。本发明通过改变喷嘴的分布方式，实现了上下纵向喷射，结合井筒沿最大主应力方向的要求，实现了纵向压裂裂缝。

本发明还提供了一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，该方法的实施例如下：

【实施例四】

所述方法包括：

(1)确定目标井层中纵向上每个小层的最大主应力方位：目标井层包括多个小层，对目标井层中的各小层的地应力大小及方向进行精细评价，得到纵向上每个小层的最大主应力方位，具体的，可以采用测井、岩心分析等方法，精细评价各层的地应力大小及方向。其中地应力大小还可结合邻井压裂施工压力及压力降落等资料综合权衡确定。这些均是现有技术已经实现的，本发明直接利用相关的解释结果即可。

(2)确定最佳水平井筒位置和最佳水平井筒方位：

首先，分别在纵向上每个小层内应用压裂优化设计常用的商业模拟软件(如stimulant，gofher等)模拟水平井筒进行压裂模拟获得该小层的裂缝上下扩展规律，然后找出裂缝上下扩展均衡(扩展均衡指的是，在该小层压裂，裂缝向上扩展到达目标井层的顶界时，向下扩展正好到达目标井层的底界)且通过裂缝的扩展能够覆盖纵向所有小层的顶界和底边界的小层，将该小层作为布置水平井筒的小层，该小层即为最佳水平井筒位置，将水平井筒布置在该小层进行压裂时，裂缝向上扩展到达顶界时，向下扩展正好到达底界，且通过裂缝的扩展能够基本覆盖纵向所有小层的顶底边界。

在步骤(1)确定的每个小层的最大主应力方位中，找到最佳水平井筒位置对应的最大主应力方位，该最大主应力方位即为最佳水平井筒方位。因为最佳水平井筒位置是纵向上的一个小层，该小层的最大主应力方位即为最佳水平井筒方位。

然后采用上述商业软件完成压裂泵注程序设计。

(3)根据最佳水平井筒位置和最佳水平井筒方位进行水平井钻井得到水平井筒：在步骤(2)确定的最佳水平井筒位置处进行水平井钻井，水平井钻井的方向与最佳水平井筒方位相同，钻井完毕后进行固井作业，这些均采用现有技术实现，在此不再赘述。本发明中的水平井筒即钻出的水平井眼。

(4)确定水平井筒的压裂段的段数N。根据水平井筒的长度，设置不同的压裂段的段数，分别利用成熟的压裂优化软件在水平井筒内进行压裂模拟，得到不同的段数下的模拟结果，从中找出纵向切缝能够覆盖整个水平井井筒的模拟结果，该模拟结果对应的压裂段的段数即为水平井筒的压裂段的段数N，如图4所示，图4中只画出了上半部分的扩展纵向切缝，下部部分与上半部分对称，图4所示实施例中的模拟结果中用4个压裂段实现了对整个水平井井筒的覆盖，即N＝4。

(5)下入所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具：因为每个压裂段采用一个工具进行压裂，N个压裂段需要N个工具，因此将N个所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具串联好后下入到水平井筒内，且使N个适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具与水平井筒中的N个压裂段一一对齐，这样每个所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具能够完成一个压裂段的压裂。

(6)水平井筒顶底定向喷射压裂作业：利用N个所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具进行喷射压裂作业及顶替、返排、测试及生产等环节，按步骤(2)中设计好的压裂泵注程序及常规的返排测试等流程及参数等进行即可，在此不再赘述。

本发明通过新设计的喷射压裂工具配合新的压裂工艺方法,使水平井筒沿着最大主应力方向,喷砂射孔工具喷射顶底双方向定向压开纵切水平井筒裂缝,通过大规模压裂实现了纵向穿层。

本发明改变了水平井筒方位设计理念，由传统的沿最小水平主应力方位，改为沿最大水平主应力方位。换言之，将裂缝由以往的横切缝模式，改变为纵向缝模式。如图3所示，图3中的1表示传统方法中井筒方位与横向裂缝的位置关系，图3中的2表示本发明方法中井筒方位与纵向裂缝的位置关系。

这种改变具有以下优势：

一是垂直水平井筒方位为最小水平主应力(如图3所示，传统方法是最小水平主应力与水平井筒平行)，这样水平井筒承受的应力更小，其稳定性更强；

二是在段内压裂的裂缝基本为一条裂缝(图1所示的工具中设置有上、下两排沿着井筒的轴向方向排列的孔,由于井筒的轴向方向是最大主应力方向，即沿着井筒方向受到的挤压力最大,而裂缝起裂是沿着垂直于井筒的轴向方向的,即最小主应力方向，裂缝在压裂液体的挤压下，更容易起裂及扩展，工具上多个喷嘴喷射得到的裂缝会连通合成一条裂缝，于是就形成了图3中的往上往下延伸的纵向切面缝)，避免了以往的多裂缝效应对排量的分流效应。在此情况下，所有的排量都在一条裂缝内，排列比传统的单缝排量可以提高10倍甚至更多(普通压裂水平井井筒的轴向是沿着最小主应力方向，而裂缝起裂是沿着垂直于井筒的轴向方向起裂，在射孔工具不同位置射开的孔均会形成一条垂直于井筒的裂缝，通常会有10多条裂缝，因此在同样排量下，本发明单条裂缝的排量是传统方法中的每条裂缝缝排量的10多倍)，可以最大限度地发挥单一裂缝在纵向上的扩展及穿层能力。

本发明针对目前多薄层储层很难实现穿层压裂的难题，改变原来的水平井筒方位设计理念，由原先的沿最小水平主应力方位，改为沿最大的水平主应力方位。发明了一种水平井井筒顶底双方向定向喷砂射孔工具，由横切水平井筒裂缝变为纵切水平井筒裂缝，压裂液集中于此纵向裂缝中，有利于裂缝扩展及穿层。从而实现多薄层储层穿层压裂的目的，降低了压裂作业成本，提高了该种类型储层的压裂增产效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (13)

1.一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具，其特征在于：所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具包括：本体；

所述本体为圆筒状结构，在所述本体的壁上开有多组喷嘴安装孔；

每组喷嘴安装孔包括两个在圆周上均布的喷嘴安装孔，且所有组的喷嘴安装孔的中心轴线均位于所述本体的一个纵向轴截面内；

在每个所述喷嘴安装孔内均安装有喷嘴。

2.根据权利要求1所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具，其特征在于：同一组内的两个喷嘴安装孔的中心轴线位于同一个圆面内的一条直径上，该圆面与所述本体的中心轴线垂直。

3.根据权利要求2所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具，其特征在于：多组喷嘴安装孔在本体的轴向上等间距设置。

4.根据权利要求1所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具，其特征在于：所述喷嘴安装孔的数量为偶数，其范围为6-24个。

5.根据权利要求4所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具，其特征在于：每个所述喷嘴的孔径为6-3mm。

6.一种适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)确定目标井层中纵向上每个小层的最大主应力方位；

(2)确定最佳水平井筒位置和确定最佳水平井筒方位，并完成压裂泵注程序设计；

(3)根据最佳水平井筒位置和最佳水平井筒方位进行水平井钻井得到水平井筒；

(4)确定水平井筒的压裂段的段数N；

(5)下入所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具；

(6)进行水平井筒顶底定向喷射压裂作业。

7.根据权利要求6所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的确定最佳水平井筒位置的操作包括：

分别在纵向上每个小层内进行压裂模拟获得该小层的裂缝上下扩展规律；

找出裂缝上下扩展均衡且通过裂缝的扩展能够覆盖纵向所有小层的顶界和底界的小层，将该小层作为布置水平井筒的小层，该小层即为最佳水平井筒位置。

8.根据权利要求7所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述裂缝上下扩展均衡是指：在该小层进行压裂时，裂缝向上扩展到达目标井层的顶界时，向下扩展正好到达目标井层的底界。

9.根据权利要求7所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的确定最佳水平井筒方位的操作包括：

在步骤(1)确定的每个小层的最大主应力方位中，找到所述最佳水平井筒位置对应的最大主应力方位，该最大主应力方位即为最佳水平井筒方位。

10.根据权利要求9所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述步骤(3)的操作包括：

在步骤(2)确定的最佳水平井筒位置处进行水平井钻井，水平井钻井的方向与步骤(2)确定的最佳水平井筒方位相同；

钻井完毕后进行固井作业。

11.根据权利要求10所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述步骤(4)的操作包括：

根据水平井筒的长度，设置不同的压裂段的段数，分别在水平井筒内进行压裂模拟，得到不同的段数下的模拟结果；

找出纵向切缝能够覆盖整个水平井井筒的模拟结果，该模拟结果对应的压裂段的段数即为水平井筒的压裂段的段数N。

12.根据权利要求11所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述步骤(5)的操作包括：

将N个所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具串联好后下入到水平井筒内，且使N个适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具与水平井筒中的N个压裂段一一对齐。

13.根据权利要求12所述的适合于纵向多层水平井穿层压裂的方法，其特征在于：所述步骤(6)的操作包括：

按照步骤(2)中设计的压裂泵注程序，利用N个所述适合于纵向多层水平井穿层压裂的工具进行喷射压裂作业，并完成顶替、返排、测试及生产。

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