水力压裂技术的进展.pdf

域外传真 早在几十年前 就已有水力压裂 ，而提高 压 裂 技 术 的最 重 要 贡 献 还 是 在 于 未来 。这 种 技术有助于管理天然气层 ，满足 国内对 于采 出天然气的增长需求 ，降低海洋井 完井失败 的可能性 ，改善作业者的现金流动 。 今天 ． 油层管理人员综合 了地球物理学、 岩石物理学 ． 地质学和石油工程的所有方面 ． 以提 高 烃 的 采 收 率和 收 益 。作 业者 正 在 把 精 力放 在 油 田所 需 的 新 技 术 的叙 述 ．解 释 和 最 佳 化 上 。虽 然 人 们 使 用 它 的 能 力 有 了更 进 一 步的提高 ， 但仍需大力改进软件和硬件工具。 正在研究采用的新技术 ． 其重点放在降低 油气井 压裂成 本和 提高 以前 压裂 过 的油井 性能 上。 如果独立生产者要想在缩小勘探面积 的情 况 下 满 足 对 国 内采 出 天 然 气 的 强烈 和 增 长 需 求 。 并从钻井各种采油修理作业费用极高的相 邻油 田 采油 ，他 就 必 须遵 循这 条 路 线 。 在 过 去 2 O年 中 ，水 力压 裂 方 面 的 改进 是 以地层评价 ． 水力压裂理论和模拟 ． 设 备、 液 体体系和支撑剂 ． 测量技术等为基础的。 一次 水 力压 裂 的 成 功 要 经 历过 如 下 几个 步 骤 ① 候选井 的选择 ．包括现有地质岩石物理和油 层 资 料 的分 析 、 经 济和 风 险 的评 价 。 油 井 的重 新压裂正在成为一种具有吸引力的选择方案 ； _ ②作为油层和油井构形的一个函数 ．选择完 昌井技术； ③液体、 支撑剂和添加剂材料与设备 ■的选择； ④实时监控和诊断； ⑤处理过后的评 价 n * l- 救 。 候选井 的选择 随着水力压裂应用范围的扩大，候选井 的选择变得特别重要 。 与韦伯基 We b b a s e d 信息技术结合 的综合性预处理 数据 的采 集 ． 改善 了油层 的特性 ．帮助压裂最佳化 。目前 ． 候选井的选择要有地质学家、岩石物理学家、 完井 和 采 油 工 程 师 连 同 压 裂 设 计 专 家在 内 的 配合 ．详 细 的 岩 石 物 理 分 析通 常包 括 沿 着井 筒的渗透率、 饱和度和应 力剖面 、 以及完井完 整性的估计 。 如果没有这种资料可供利用 ． 就 应进行风险分析 ．并采用树状决策 图和净现 值分析 ． 计算获得缺少资料的价值 。 净现值分 析 可 采 用 与 压 裂 设计 和 产 量预 测 结 合 的综 合 软件进行 ，而决策分析软件可 与净现值软件 l 一 结 合 ． 并 供 勘 探 与开 采 利 用 。 油 层 的 渗透 率 对 完井和压裂决策都有影响 ，因为不 同的油层 有 着 不 同 的最 佳压 裂 要 求 。在 最低 渗 透 率 时 ， 经济效 益有限 。 对于较高渗透 率。 裂缝 的长度 是决定性 的设计因素。 而在高渗透率下 ． 裂缝 导 液 率则 占据 主要 位 置 。 多油层压裂 一 口井 的 多 层段 有效 处 理 ，其 费 用是 昂 贵的 ， 一 家服务公司要对其进行测井 、射孔 、 压裂 ． 清 洗和测试等 多种作业 ， 可能需要几天 至 几 个星 期 才 能完 成 。 在 加拿 大 ， 首 先是 应 用 由连 续 油 管 输 送 压 裂 系统 ．这 种 系 统 不 仅 提 高 一 次 起 下 的 中 场效 率 ，使 多次 修 井 作 业 减 到 最 少 ．而 且还 能使 置 于油 层 中的 液 体 有 效 性 达 到 最 大 。最 后使 受 旁通 的产 油 层 段 能 够 经济地完井 ，增加油层的采收率 。 采用连续油管进 行压 裂作业在几年前简 直是不可想象的 ， 而在 目前 ， 这种即使使得通 过连续油管使 用寿命预 测模型 的研制 、井底 总成和像粘弹性表面剂那样 的低摩擦 力压裂 液 的 研 制 来 提高 连 续 油管 的可 靠 性 有 可 能 实 现 。在希亚塔气田，气井通常在大于 4 6米的 井段中完井并压裂 ， 压裂效率较低 。 采用斯伦 贝谢公 司连续油管压裂 ．可将 2 9 米的较短 井段隔开并压裂 ．获得 的产量 比常规压裂提 高 了 2 5倍 。 碳酸盐油层压裂 在碳 酸 盐 油层 中 ， 常规 支 撑 剂压 裂 的应 用 已经受到限制 ，通常是采用酸体系更为有效 ， 因为酸蚀会留下通到槽 ， 无需支撑 。 在压裂的 同时通过三维模拟器的引进 ， 把杂岩溶解模拟 与液体 的对流和扩散结合起来 ， 从而获得重大 的提高 。 此外 ， 包括大量凝胶体系在内的大多 数酸有可能产生反作 用． 使其有可能通过井筒 附 近 的酸 蚀孑 L 洞 泄 漏 ， 大 大地 限 制着 酸蚀 裂 缝 的长度 。 为了克服上述这些缺点 ． 已经研制出 两种新型酸压裂液 第一种酸压裂液应用暂时 停止酸蚀孑 L 洞增长的泄漏控制机理 ， 使酸液能 够进一步穿透油层 ； 第二种酸压裂液是以乳化 基 酸为 基 础 的采 用有 能 力处 理 井 温 高达 1 4 9 C 油井的粘弹性液体 。 第二种酸压裂液已在油田 上使 用几 年 ， 但 受到 井 温 的限 制 。一 种采 用新 型稳 定 剂 的有 稳定 配 方 的酸压 裂 液 已在 温 度 高 于 1 3 8 。 C下使 用 。 阿拉姆科 的纳斯埃尔丁博士叙述 了乳 化 酸 在沙 特 的 克 霍 夫油 田 上应 用 ， 埃 尔博 士注意到 ． 随着含硫介质的出现 ， 完善的 实验 室测试是用这种体系进行 的。 目的在 于 保 护 管材 ， 在 采 用 的所 有 添 加 剂 中保 证 乳化物的稳定性。 在 1 1 口井中一共进行 了 1 5次 处理 。处理 后 天 然气 产 量 增 加 了 6 倍 以上 。 实时监控和诊断 二 十世 纪 八 十年 代 初 期 。 石 油工 业 就 引 进 了实 时监 控 和 诊 断 软件 ，由 努尔 特 ． 史密斯和其他人对压裂压 力解释所进行的 最 早研 究 工作 已经 引 起在 压裂 期 间所 采 用 的综合性软件 的发展 ， 在三维 3 D 裂缝 几何形状模拟方面的进步和在计算动 力方 面的提高 ，使 P 3 D ／ 3 D压裂模拟 器能够用 作实时水上作 业的绘图工具。 除了压力解释之外 ， 接近井筒和离开 井筒裂缝几何形状的技术， 其应 用也在增 多。 接近井筒裂缝可采 用测井工具来估计 其高度 ，是以温度或放射 性示踪为基础 的 ， 他们 自二十世纪七十年代 以来就已得 到应 用。 而离开井筒 的裂缝则力求估计其 方向长度和高度 。 为 了控制压裂作业的质 量 ， 还 引进 微 地 震 裂缝 绘 图 仪和 井 底 倾斜 裂缝 绘 图 仪 。 减少风险和降低成本 以高压泵送 的压裂处理费 用昂贵 ， 套 管、油管或设备损坏 的可能性 大，安全风 险高 。为此 ， 常把已废弃的老井选作高压 压裂试验井 ， 这样做可 以节省费用， 但套 管和 油 管 产生 断裂 的 风险 相 当大 。 如果采取的任何压裂措施使作业者能 够在 低压 下 进行 处理 或 避 免泵 入 液体 之 间 的相 互接触 。 完井时就能节省费 用和提高 储 量 ．解决 的办 法是 采 用 新化 学 液 体 或把 连续油管用作导液管。 新液体包括聚合物 含量低的凝胶 、 粘弹性表面剂和延迟的活 化体系 。 斯伦贝谢公 司的项 目经理威 尔伯 格叙述了第一次为雪佛龙公司在洛斯特希 维普资讯 尔斯硅藻 土地层 中采 用纤维基压裂 液的情 况 ，他特别注意到 ，只要细心计划 ， 这种技 术就能够给作业者提供一个降低摩擦力、 控 制支撑剂回流 提高有效裂缝长度和最后提 高 生产 率 的 最 大优 点 。 粘弹性 表面剂摩擦压 力低 、混合容易 ， 支撑剂干净 ，生产率高 。降低摩擦压力的其 他 技 术包 括 包膜 延迟 的 交联 剂 的应 用 。 降低处理压 力的另一种方法是把弹孔和 水 力压裂裂缝之间的压降降到最小 。 弹孔常 常不 与 理 想 裂 缝 平 面 重 合 ，产 生 一 种 叫做 扭 曲度 ” 的现 象 ， 而且 由于 支撑 剂流 道 受 到 限制而导致处理失败 。 如果采用交叉偶极 声 波成 像 仪 、地 层 微 成像 仪 或 超 声 波井 眼成 像 仪 联 合 测量 ，就 可 获得 主 应 力 的 方 向 。已 经 研 制 出 一 种 能 将 弹 孔 定 向 的 新 型 钢 丝 绳 工 具 ，这 种 工 具 采 用 了专 门 设计 的旋 转 接 头 、 测斜 仪 和 陀螺 仪 。 水 压 裂 的重 新 应 用 1 o 多年前 ， 美国天然气生产者就 已开始 寻找 像 只 致 密天 然气 砂 层 、天 然气 页 岩 和 煤 床甲烷那样的非常规的天然气资源作 为代替 天然 气 储 量 的一 种 手段 ， 迫 使 油 井压 裂 工 业 把重点放在采用能把支撑剂运送并放置在水 力压 裂 裂 缝 中 的更 有 经济 效 益 的方 法 上 。 早期 使 用的 常规 压 裂技 术 主要 放 在开 发 低渗 透 率 的致 密 天然气 砂 层 和裂 缝 性 天然 气 页岩上 但在许 多情况下 ， 压裂处理成本高 使 得 储 量 不经 济 。二 十 世 纪 九 十 年 代 中 期 ， 几家有成本意识的作业者力求通过降低在大 型压裂 中支撑剂浓度和采用低费用与低粘度 液体来降低成本 。 有 一种 与 4 0年 前 合成 聚合 物组 成 的 摩 擦 减低 剂 所进 行 的处 理 相类 似 的称 作 轻 质砂 压 裂 的 水压 裂 可 供 利 用 要 采 用 这 种 技 术 ． 必 须 对候 选 油 层 进行 适 当 的选 择 。水压 裂 处 理应有带有摩擦降低剂 表面和粘土稳定 剂 的大 体积 处 理 水 ．为 了保 证 裂缝 和 井 筒 之 间 有好的连通性 ， 还应采 用一个含 有o 0 6克／ 厘 米 。 的稳 定砂 子 的尾 随液 ，最 后是 1 ～5 ％ 的处 理 液 。也 可 改 用线 性 凝胶 、砂 子 浓 度低 达 o0 3～o 1 2克 ／厘 米 。 无 砂清 扫 、不 同 量 的前 置 液 和 没 有 高 浓 度 的尾 随 液 。 目前 ， 人们正通过在这种液体 中加入低浓度的粘弹 性表 面 剂 ．以起 摩 擦 降低 剂 和 支撑 剂 携 带 剂 的作 用 ，从 而 提 高 液体 性 能 。 采 用水压 裂 的 井 ， 其 短 期 性 能 已有 米 切 尔 能 源公 司在 弗特 沃 思 盆地 的 巴 内特 页 岩 联合太平洋资源公司在东得克萨斯盆地的科 顿沃利地层和南得克萨斯的奥斯汀查尔克地 层 以及阿那达科公司在东得克萨斯博西尔 砂 层所 进 行 的压 裂 作 业作 了报 道 。而长 期 的 经 济效 益 还 有待 于 评 价 。 处理 后 的 评价 和 补 救 用压 力瞬变 分析 进 行处 理 过后 的 评价 常 常 会 得 出 比 初 始 设 计 短 的 裂 缝 和 小 的 导 液 率 ， 理由是对于依 赖支撑剂类型 的支撑裂缝 导 液 率 、由压 裂 随残 渣 和 液 流特 性 所 留 下 的 危 害 了 解不 够 ，还 需要 了解 非达 西 液 流 作 用 和 多相流 的影 响 。这种 方 式 目前 正在 用 来 为 能 够提 供 最佳 净 现 值 的支 撑 剂的选 择 提 供 理 性 认 识 。 由聚合 物残 渣 对 裂缝 导 液率 的 危害 已 经 开 始 引起 像 常规 酶 和包 膜 酶那 样 的分 散 剂 用 量 的增 加 。采 用 包膜 酶 ，分 散 剂 用量 的 增 加 较为灵活 ， 裂缝导液率可达 到5 O ％。在原先 受到 聚 合物 压 裂 液损 伤 的 压 裂 井 中 需 要 进 行 补 救 处理 ， 通 过 在低 于压 裂 速 率条 件 下 注 入 聚 合 物溶 解材 料 就可 达 到 目的 。最 近 曾 在得克萨斯 引起 了生物剂 微生物 用于降 解裂 缝 中的聚 合 物 。 很 清 楚 ， 应 选 择 那 些不 会 留 下任 何 聚 合 物残渣的液体 。 在全世界油气井压裂 中粘弹 性 表 面 剂 应 用增 加 证 明 ， 工 业 对 于裂 缝 清 洗 重要 性 的 认 识提 高 了。 为 重 新 压 裂寻 找 最好 候 选 井 当进行提高 油井性能的作业时 ， 作业者 不愿 意 对一 口有合 理 产 量的 油 井重 新 进行 压 裂 即使 是 油 井 的产 量 有机 会 再 次 获 得重 大 增 加 。石 油 工 业 同意 进 行 重新 压 裂 的 井也 只 是 那些 性能 最 差 的油 井 而不 是 那些 最 大潜 能 提 高产 量 的 油 井 。 天 然气 技 术 学会 用 了 2 5年 的 时 间 完成 有 关 重新 压 裂候 选 井 选 择 方法 的研 究 ， 结 果 表 明 ， 油 田中 约 1 5 ％ 的油 井 ， 8 5 ％ 有 可 以进 行 重 新 压 裂 的 能 力 。 在 每 一 个 地 区 分 析 了 2 0 0～3 0 0口井后 ，天然 气 技 术学 会 在 科 罗拉 多州 使 盛斯 盆 地 的梅 萨 维 德 地 层 重新 压 裂 2 口井 ，在怀 俄 明 卅I 绿河 盆 地 的 弗兰 蒂 尔地 层 重新压裂 4口井 ，在东得克萨斯盆地的科顿 沃 利 地 层重 新 压 裂 3口井 。 天 然气 技 术 学 会 的一 家 承 包商 ， 高 级 资 源 国 际 副总 裁斯 科特 里 维 斯 负责 进行 分 析后 提 出 ， 9口重新 压 裂 井 中有 7口获得 成 功 。天 然 气 技术 学 会 曾与 帕蒂 纳 石 油天 然气 公 司合 作 ，在 科 罗 拉 多州 的 邓 维 一吐 莱斯 伯 格 盆地 的瓦 庭 伯格 油 田 的柯德 尔 凝析 油 层对 其 选 择 方 法 进 行 了试 验 。1 9 9 9年 ，帕 蒂纳 石 油 天 然 气 公 司 重 新压 裂 1 1 o口井 ，每 口 井 的总 储 量 都 有 很 大 的增 加 。 能 源部 的国 家能 源技 术 实验 室 天 然气 战 略中心 正在 为类似 的分 析提供 资金 ． 目的在 于 为希望把低产气井用作补救井的生产者提供一 套方法 。 国家能源技术实验室项 目经理格利科 沃特茨希望给生产者提供一种有代表性的候选 井选择方法， 这样生产者就能采取一种适应其 特殊地 区工作的方法 。 把重点放在确定具有最 高产 能油井 的低 成本 方法 的研究 上 。 斯伦 贝谢 公司 的霍尔迪特茨 油层技术公 司将会寻 找一种 能 用于调整 生产过 程 的新方 法 。 以识 别有高 产 能 力的补救候 选油 层 。 最佳化生产率的综合压裂和防垢剂 利用水平砾石充填和支撑裂缝井的现代 化 技 术 完 井体 系 存 在 有 污垢 控 制 问题 ，已经 研 制 出一种 名 叫S C AL E P R OP 的高性 能污 垢 控 制体系 它可 以与砾石填料完井和支撑裂缝 完 井 连 用 ，能 够 减 少 或 消 除 常 规 处 理 的 需 求 ， 长 期 保 护 完井 和 出油管 线 不 受 各种 类 型 污垢 的 损 伤 。这 种 污 垢 控 制体 系 已 在北 海 和 墨西哥湾使用 ，其性能满足预期的要求 。 斯 伦 贝谢 公 司 的项 目经 理特 利 威 里斯 提 到 ，在 有 效 和 经济 地 防 止 污垢 形 成 之前 ，主 要 问题 是 制 止其 发 生 。当需要 保 护 支 撑裂 缝 井 免 受污 垢 沉积 所 损 害 时 ， 挤 抑 垢 剂 或注 化 学 物 那样 的 常规 化 学 物 处 理 可 能 是 无 效 的 是 难 于放 置 的 ，费 用是 昂贵 的 。有 一种 符 合 要 求 的解 决办 法是 在 压 裂过 后 为 支撑 裂缝 井 和砾石填料井提供有经济效益的保护 ， 从而 降低或无需重新处理 。 压 裂最佳化前进的方 向 随 着油 井 选 择和 压 裂 设 计 、执 行 和评 价 不同阶段的进步 ， 作业者和服务公司之间的 沟 通 已成 为 压 裂成 功 的一 个 关键 因素 ， 缩 短 决 策 时 间 。如 果 能 把高 速 数 据传 送 和 智 能管 理 结 合 起来 ，采 用 专 家系 统 ，压 裂 人 员 就能 获 得 广 泛而 丰 富 的压 裂 经 验 。 在 未来 采 用 的设 备 也 将 受 到信 息 技术 的影 响 。当前 ，石 油 工业 的 规 则是 使 设 备拥 有裕余能力 降低损坏风险 但处理成本将 会 增 加 。如果 采 用 改进 的 以计算 机 为 基 础 的 维 护 ，就可 延 长 井 场所 采 用 的 主要 设 备 的平 均 失 效 间 隔 时间 。 采 用连 续 油管 压 裂将 会 随地 面和 井 底设 备 可 靠性 提 高 而 增加 而 在 今 天 ，连 续 油 管 压 裂 只 限 于单 井 筒 的应 用 。若 采 用过 油 管 技 术 ， 可 以越过 以前 受 旁通 的层 段 ， 成 本低 。 采 用连 续 油管 和过 油 管 技术 是 提高 油 层采 受 率 的关 键 ， 目前 ，采 收 率平 均 已 达 3 5 ％ 。 水力压裂的发展历程 1 9 4 6 年 堪 萨 斯 州休 哥 顿边 远 油 井 的压 裂 技 术 ； 1 9 6 3年 委 内 瑞 拉 的沙 一油挤 压 ； 2 O世纪 7 O年代 科 罗拉 多州 洛矶 山致 密 气层的大规模压裂 ； 1 9 8 2年 科 罗 拉 多 州三 江 盆 地煤 缝 甲 烷 排泄 ； 1 9 8 5年 设 计 净 现值 软 件 1 9 9 0年 墨西哥湾的压裂填料 ； 1 9 9 1 年 以个人计 算机为基础 的压 裂软件 ； 1 9 9 3年 低 聚 合 物压 裂液 ； 1 9 9 4年 支 撑 剂 回流 控 制 ； 1 9 9 7 年 无 聚合 物 压 裂 。压 裂 液 、连 续 油 管压 裂 ； 2 0 0 1年 采 用连 续 油 管 的水 平 井压 裂 ， 用 测 斜 仪 绘 制 裂 缝 图 。 维普资讯