水力压裂技术的发展现状.pdf

2 0 0 2年 1 月 ● 参 厂 口‘ 由 R e n a n P e t r o l e u m 第 l 6卷第 1 期 章编号 1 0 0 6 - 4 0 9 5 2 0 0 2 0 1 一 O O 4 4 0 4 水力压裂技术的发展现状 马新仿 ， 张士诚 石油太学石油工程 系， 北京1 0 2 2 4 9 摘要 综述 了近期 国内外水力L s , 裂工艺技 术的发展 现状 ， 着重阐述 了优 化压裂设计 、 压裂液和 支撑剂 、 裂缝检测 和控高技 术、 端郜脱砂压裂和重复压裂等技术 的应用和发展情观 指 出应研 究和发展裂缝的控制技术 在 中高 渗连地层 中应用端部脱砂压裂技术 ， 扩太水力压裂的技 术范围， 发展矿场 妾时监测技术， 提高施工的成功率。 美键词 水 力压裂 ； 优化设计； 压裂 液； 支撑荆 ； 发展 中国分粪号 T E 3 5 7 ． 1 文藏标识码 A 水力压裂 自 l 9 4 7年在美 国试验成 功至今 ， 已经由简单 的低液量 、 低排量压裂增产方法发展 成 为一项成熟 的开采工艺技术 由 6 o年代的以 解堵和增产为 目的的水力压裂发展到 9 0年代的 “ 压裂开采” ， 即在部署开发井网前就考虑水力裂 缝的方位 、 长度和导流能力等对油藏生产动态可 能造成的影响 ， 通过研究开发井 网系统和水力裂 缝 系统的优化组合 ， 获得较高的经济效益和最终 采收率。在此发展过程 中， 由于压裂液和支撑剂 、 压裂设计等方面的迅速发展 ， 水力压裂技术在缝 高控制技术 、 端部 脱砂 压裂和重复压裂等方面都 取得 了较大 的突破 。 1 优化压裂设计 优化压裂设计在水力压裂技术 中占有主要 位置。这项设计要求首先用油藏动态模拟预测不 同的裂缝长度和导流能力可能达到的油气产量 ， 然后用所测得的数据 建立裂缝长度和经济效 益 之间的关系 ， 确定达到不 同的裂缝长度和导流能 力所需要 的费用， 最大限度地提高经济效益。近 年来优化压裂设计水 平的提高主要表现在压裂 设计模型和压裂液体系设计的发展和应用上 。 l _ l 压裂 设计模型 裂缝几何模 型由简单 的二维模 型发展到全 三维模型 8 0年代以前 ， 压裂设计使用的主要是 二维模 型 P K N、 K G D和 P e n n y径 向模 型 ， 进人 9 0年代 以后 ，拟三维模型得到了广泛的应 用， 特 别是近几年来 ，已经出现了比较成熟的全三维压 裂模 型。 全三维裂缝扩展模型根据弹性理论中的三维 方法计算裂缝的几何尺寸 ， 认为裂缝沿缝长 、 缝高 和缝宽方向同时延伸，裂缝内的压裂液在平行于 裂缝壁面的方 向上作二维矢量流动 ，同时考虑了 压裂液向地层的滤失，从而取消了拟三维裂缝扩 展模型中裂缝长度远大于裂缝高度及压裂液在裂 缝 内作一维流动的假设 。因此适用于各种地层 条件， 更为真实地模拟了水力压裂的物理过程。 但 由于全三维模型需要更多的数据和更长的计算处 理时间， 在现场上不太适用， 目前现场上仍以拟三 维模型为主 另外 ，岩石的力学性质和地应力分布也是优 化压裂设计的重要参数 。 目前新 的测井系统已 被应用于测量岩石的物性参数和地应力的分布状 况，这对设计更有效和更合理的压裂施工方案有 很大的帮助 。 1 ． 2 压裂液体 系设计 压裂液体系设计的基础是施工过程中和裂缝 闭合期问裂缝内温度场的变化 ，它涉及到很多方 面 ， 如裂缝几何模型 、 施工参数等 ， 所 模拟过程 收稿 日期 2 0 0 1 0 1 2 6 ； 政 回日期； 2 0 0 1 0 7 1 5 怍者简 介 马新仿 ， 1 9 7 2 年 出生 。I 9 9 6年毕韭 于西安石油学 院石油工程系 ， 1 9 9 9年毕业于石油大学 北京石油 工程 采 ， 获油气 田开 筮砸士学 位。 现为石-由太学 北泉 石油工程 景在读博士研究生 维普资讯 马新仿等 水力 压裂技术的发展现状 。 4 5 ’ 比较复 杂 。 在施工过程 中， 由于压裂液与地层温度之 间 的温度差 ， 使得裂缝 内 rI意一点 的压力、 温度都 随时间的变化而变化。停泵 以后 ， 在地层温度 的 作用下 ， 裂缝 内的温度逐渐得到恢复。裂缝 内温 度的变化将影响压裂液 的流变性 ， 因而必然会影 响到压裂液和添加剂配比。根据旌工过程和闭合 期 间裂缝 内温度场的变化及成胶 剂在裂缝 内的 浓度， 设计 地面成胶剂 、 交联剂 和破胶剂等 添加 剂的浓度和方案 ， 是 目前世界上正在研究和使用 的减少裂缝伤害和降低压裂施 工成本所采取的 有效措 施之一 。 2 压裂液和支撑剂 2 ． 1 压裂 液 在影响压裂施工成败的各种因素 中， 重要的 是压裂液及其性能。目前国内外已经研究开发出 了剪切敏感性好 、 携 砂能力强 、 适用于高温的压 裂液 ，考虑到其成本和安全性能 ，目前矿 场上 9 o ％以上的水力压裂都使用水基压裂液 ，泡沫压 裂液占 1 0 ％左右 ， 而油基压裂液的使用量很少。 8 O年代末以前 ， 在低温及 中温地层 中普遍使 用的压裂液是硼酸盐交联冻胶 。随后为了适应高 温油层 的开 发 ， 研 制 了有 机钛 交 联 的羟 丙基 胍胶 H P G ／ T i 以及有机锆交联的羧甲基羟丙基瓶胶 C MH P G ／ Z r 。这种压裂液 曾长期广泛用于从低 温到高温的油层压裂，直到 8 O年代末被发现对 裂缝的伤害可达 8 O ％左右时才得到改进 。 近年来 ，延缓交联压裂液获得 了很 大的发 展，这种压裂液由一种复合交联剂或两种交联剂 组成 】 ， 是一种摩阻低、 粘度高、 对地层伤害小的压 裂液 。研究表明 ， 延缓交联剂有利于交联剂的分 散 ， 产生更高的粘度 ， 并改善 压裂液的温度稳定 性。交联凝胶的最终稳定性直接与凝胶在交联时 间内的剪切历史有关 ， 在低剪切速率下 ， 聚合物 线团被均匀展开 ， 交联作用按一种非 常均匀的结 构化的方式发生 ， 最终产生较高的粘度 ， 较好的 温度、 水解和氧化降解稳定 性。 2 ． 2 支撑剂 支撑 剂在水力压裂 中的重要作用是不言而 喻的， 水力压裂最终追求 的是在地层 中形成一条 高导流能力的填砂裂缝。能否满足此项要求 ， 支 撑剂的性能显得非 常重要 。对支撑剂来说 ， 具备 适应不同深度地层的强度 ， 密度要比较轻 ， 最好与 砂子的密度相似或更轻些 ，这对降低压裂液的费 用是很重要 的。 近年来， 随着中等强度支撑剂的逐渐发展 ， 与 高强度支撑剂、 石英砂等形成 了支撑剂系列。 中等 强度 的支撑剂有树脂包层的石英砂，包括可固化 的树脂包层砂和预先 固化的树脂包层砂 。树脂包 层砂在一定的温度下可使砂粒固化， 并加 以粘合。 这种支撑剂渗透率高， 强度比砂大， 具有较好的裂 缝传导率 ， 作为中等强度的支撑剂 ， 其 几何形状 、 强度和耐高温抗化学作用性都很好。 3 裂缝检测技术 压裂后对所产生裂缝 的几何形态的检测是压 裂施工的一项重要工作。对 目前国内外广泛采用 几种不同的检测方法来综合分析[3 1 。 3 ． 1 裂缝高度的检测 目前对水力压裂裂缝高度的检测技术 中， 效 果 比较好的有油井温度测量法和放射性同位素示 踪 法 油井温度测量法是在压裂前先测 出地层基准 温度剖面，然后在压裂时将冷或热的压裂液压人 裂缝中，在压裂结束后测的井温曲线在裂缝段会 发生温度异常 ，根据井温曲线上的温度异常范围 来确定裂缝的高度。 放射形同位素示踪法又分为两种方法，一是 在支撑剂中加入示踪剂，压裂结束后用伽玛射线 测井法测量裂缝中的放射形示踪剂确定裂缝的高 度 二是在施工的最后， 在压裂液 中加入示踪剂 ， 再进行伽玛射线测井。 3 ． 2 裂缝方位和几何尺寸的检测 目前检测裂缝的方位和几何尺寸的主要方法 是在裸眼井 中用下井下电视测量 、 微地震测量 、 无 线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测，通过传送 系统在地面进行实时显示 ，根据图象观察和分析 裂缝的方位和几何形态。 4 裂缝的缝高控制技术 在对薄油层或阻挡层为弱应力层的油层进行 压裂时，裂缝可能会穿透生产层进入上下盖底层 中， 这样既达不到深穿透的 目的， 同时也浪费大量 的支撑剂和压裂液。 为此必须控制裂缝的高度 ， 尽 可能将裂缝控制在油气层 内。 近几年来 ， 国内外对 维普资讯 4 6 - 扫 争 ， 口 E 由 2 0 0 2 年 第1 期 裂缝缝高控制技术进行 了广泛的研究。 4 ． 1 建立人工隔层控制缝高 这种方法主要是根据地层条件 ， 在压裂加砂 之前 ， 通过携砂液注人轻质上浮或重质下沉暂堵 剂 ， 使其聚集在新生成裂缝的顶部或底部 ， 形成 一 块压实的低渗区 ， 形成人工隔层 。再适 当提高 施工压 力， 就能限制裂缝 向上或 向下延伸 。如果 要 同时限制裂缝向上或 向下延伸 ， 就必须将轻质 上浮或重质下沉暂堵剂 同时注人地层 ， 形成上下 人工隔层。 暂堵剂选用空心玻璃或空心陶粒 ， 密度最好 在 0 ． 6 一 O ． 7异 ／ c m 3 的范围内， 粒度为 7 0 - 1 2 0目， 强 度 为在承 受净 压 1 3 ． 8 M P a时颗 粒 的完好 率在 8 0 ％一 8 5 ％以 上 。 4 ． 2 注入非支撑剂液体段塞控制缝高 这种方法主要 是在前 置液 和携砂 液中间注 人非支撑剂的液体段塞 ， 这种液体段塞 由载液和 封 堵颗粒组成 ， 大颗粒形 成桥堵 ， 小颗粒填充大 颗 粒间的缝 隙 ， 形成 非渗 透性 阻隔段 ， 以达到控 制缝高的 目的。 4 - 3 调整压裂液的密度控制缝高 这种方法主要是根据 压裂梯度来计算 压裂 液 的密度。如果要控制裂缝向上延伸 ， 就要采用 密度较大的压裂液 ， 使其在重力作 用下尽可能向 下压开裂缝。反之， 如果要控制裂缝向下延伸 ， 就 必须使用密度较小的压裂液。 4 ． 4 冷却地屡控制缝高 这种方法是先低排量 注人 低温 液体冷 却地 层 ， 降低地层 应力 ， 这 时的注人压力必须小于地 层 的破裂压力。当冷却地层的范围和应力条件达 到一定要求时 ， 再提高 排量 ， 注人高浓度降滤剂 的低温前置液 ， 压开裂缝。在注人 低温液体冷却 地层期间的某一时刻 ， 将注液压力提高到造缝压 力， 进而采用控制排量和压力的方 法控制缝高的 延伸。这种方法主要用 于胶结性较差的地层和用 常规水力压裂难 以控制裂缝延伸方法的油气层 。 5 端部脱砂压裂技术 随着油气 田开采技 术的发展 和多种工 艺技 术 的交叉综合运用 ， 压裂技术应用 范围已不再局 限于低渗透地层 ， 中高渗透地层也 开始用该技术 提高开发效果。当压裂技术应用于中高渗透’ 胜地 层 时， 希望形成短而宽的裂缝 ， 并尽可能地将裂 缝控制在油气层范 围内。为了适应这一特殊的要 求 ， 国外于 8 O年代 中期研制开发了端部脱砂压裂 技术 ， 并很快应用于现场 目前国内也开展了这 方面的研究 ， 并取得 了很大的成就。 5 ． 1 端部脱砂压裂的基本原理 端部脱砂压裂就是在水力压裂的过程中有意 识地使支撑剂在裂缝的端部脱砂， 形成砂堵， 阻止 裂缝进一步向前延伸。继续注人高浓度的砂浆后 使裂缝内的净压力增加 ， 迫使裂缝膨胀变宽， 裂缝 内填砂浓度变大 ，从而造出一条具有较宽和较高 导流能力的裂缝 。端部脱砂压裂成功 的关键是裂 缝的周边脱砂 ，裂缝的前端及上下边 的任何部分 不脱砂都不能完全达到预期的目的。 端部脱砂压裂分两个不同的阶段 ，第一阶段 是造缝到端部脱砂 ，这实际上是一个常规的水力 压裂过程， 目前的二维或三维模型都可以应用。 第 二阶段是裂缝膨胀变宽和支撑剂充填阶段，这一 阶段的设计是以物质平衡为基础 ，把第一阶段最 后时刻的有关参数作为输人参数来完成的。 5 ． 2 端部脱砂压裂的技术特点 在端部脱砂压裂技术中，压裂液 的粘度要满 足两方面的要求 一是保证液体能悬砂 ， 二是有利 于脱砂。 若压裂液的粘度过低， 裂缝内不能保证悬 砂 ， 裂缝的上部就会出现无砂区， 达不到周边脱砂 的目的。另外 ， 粘度太低， 在施工过程中也容易导 致并筒内沉砂。 若 压裂液的粘度过高， 滤失就会较 慢 ， 难以适时脱砂 。 所 以端部脱砂压裂技术对压裂 液的粘度要比常规压裂要严格一些 。 和常规压裂相 比，端部脱砂压裂技术的泵注 排量要小， 这是为了减缓裂缝的延伸速度 ， 控制缝 高和便于脱砂。 前置液的用量也 比常规压裂少 ， 目 的是使砂浆前缘能在停泵之前达到裂缝周边。而 端部脱砂压裂的加砂 比通常高于常规压裂，以提 高裂缝的支撑效率。 5 - 3 端部脱砂压裂的使用条件 端部脱砂压裂技术的突出特点是靠裂缝周边 脱砂蹩压造成短宽缝，因此只能在一定的条件下 使用。 主要用于浅层或中深地层 能够蹩压地层 ； 高渗透或松软地层 ； 必须严格限制缝高的地层。 6 重复压裂 所谓重 复压裂日 ， 是指油井或 水井经过第一 次压裂失效后 ，对其同并同层进行第二次或更多 维普资讯 马新仿等 水力压裂技 术的发展现状 。 4 7 次的压裂， 提高油气井产量 。这种方法不仅适用 于改造低渗透地层 ， 而且也适用于改造 中渗和高 渗地层。 6 ． 1 压裂失效的原因 在施工过程中，导致压裂失效的原因很 多 ， 如压裂的规模 太小 ；压裂液的携砂 能力较弱 ， 粘 度偏低 ， 摩阻偏太 ； 支撵 剂的强度不够 ， 浓度 太 低， 并且铺置也不台理 ； 采用不同粒径 ， 不同强度 的支撑荆混台支撑 ， 另外 ， 套管损伤 ， 固井 质量 差 ， 或者射孔孔 眼的堵塞等 ， 这些原因都会 影响 裂缝导流能力 ， 从而影 响油井的产量 。 6 ． 2 重复压裂的选井选层原则 要获得较好的压裂效果 ， 重复压裂 的选井选 层应该符合以下几种情况和条件 1 所选井层有充足的剩余可采储量 ， 它是 重复压裂后提高油井产量的物质基础 ， 没有充分 的剩余可采储量的井， 就没有重复压裂的必要。 2 所选井层有充 分的地层能量 ， 它是重复 压裂后油井生产时间长短的关键。如果没有充分 的地层能量 ， 即使进行重复压裂油井 的产量也不 会提高。 3 前次压裂的规模不够 ， 裂缝 的导 流能力 低， 油井的产量下降快。 4 前次压裂所使用的压裂液与地层不匹配， 导致地层受到严重伤害 ， 影响产量。 5 前次压裂所使用支撑剂的强度不够， 支撑 剂破损严重 ， 或者支撑剂的铺 置不合理 ， 使产量 下降较快。 6 ． 3 重复压裂的工艺技术 要重新达到增产的 目的， 重复压裂所形成的 裂缝 比前次压裂形成的裂缝要长 ， 导流能力要 比 前次大。 1 由于地层压力 的下降 ， 重 复压裂 过程中 压裂液较前次压裂更容易滤失 ， 因此重复压裂必 须使用粘度高 ， 携砂能力强的压 裂液 ， 同时使用 高排量泵注。 2 为了增加裂缝宽度 ， 提高裂缝 的导 流能 力， 重复压裂应该重新选择支撑剂材料 ， 使用比 前次压裂更 大粒径的支撑剂 ， 同时加大支撑剂的 浓度 ， 形成合理 的支撑剖面 ， 提高裂缝的导流能 力 。 3 随着开发时间的延长 ， 地层的压力会下降， 使产层的地应力发生变化。这样重复压裂在近井 地带就会形成曲折的裂缝 ， 因此 ， 重复压裂施工的 压力必须比前次要高 ，“确保裂缝向地层深部延 伸。 4 对于那些固固井质量差， 部分射孔孔眼被 堵塞而导致前次压裂失效的井，要对孔道进行清 洗 ， 或者重新射孔 ， 蛆保证在重复压裂过程中有 良 好 的通 道。 7 水力压裂的发展方向 1 随着水力压裂施工的要求越来越高 ， 压裂 液和支撑剂的性能也需越来越高，因此必须加强 高性 能压裂液和支撑剂的研究与开发。 2 发展和研究裂缝的检测技术 。目前压裂后 裂缝 的检测技术仍然是水力压裂技术的一个薄弱 环节 ，国内外 采用 的检 测方 法虽然 取得 了一定 的 成效 ，但还有很大的局限性 ，还需要进一步的研 究 。 3 在中高渗透地层中应用端部脱砂压裂技术 ， 扩大水力压裂技术的应用范围。 4 发展矿场实时监测和分析技术 ， 提高施工 的成功率和有效率 。 参考文献 1 王鸨勋 ， 张士诚． 水力压裂设计数 值计算方法I ． 北京 石油工业出版杜 ． 1 9 9 7 2 S h y a p o b e r s k y J ， C h u d a o v s k y A t -e v i e v g e l “ r e o e n t d e v e l o p me n t i n f r a c t u r e me c t , a n i e s wi t h p e t rol e u m e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ． S P E 2 8 0 7 4， 1 9 9 4 3 叶春芳 ． 水力 压裂技 术 进展田． 钻采 工艺 、 I 8 1 ， 1 9 9 5 4 S mi t h M B． Mi l l e r 1 I W ． K． T i p s c r e ∞o u t f r a c t u r i n g A t e c h n i q u e f 0 r s o f t ． t ms ta b [ e f o r a mt i ea r t s ．S P E 1 3 2 7 3、 】 9 8 4 5 叶春 芳 ， 李 红． 重复压裂技术综 述『J _ ． 钻采工 艺、 1 9 9 7 、 2 0 f 6 ． 1 9 9 7 编辑 李垒华 维普资讯