水力压裂改造技术剖析

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1、水力压裂改造技术,西南石油大学 2006年10月,胡 永 全 Tel: 08172643559, 2642808 E_mail:huyongquan swpihuyongquan,第二部分：低渗透油田开发技术,第三部分：水力压裂改造,第一部分：低渗透油藏概述,第四部分： 整体压裂技术,第五部分：实例讨论,第一部分：低渗透油田概述 1. 低渗透油田界限 2. 天然裂缝系统识别 3. 地应力测量 4. 低渗透油藏特征,1.1 低渗透储层界限 油藏渗透率上限： 5010-3m2 下限：0.110-3m2 气藏渗透率上限：0.110-3m2,1.2 天然裂缝系统,1.2.1 天然裂缝系统识别 岩心裂缝

2、观测描述 露头裂缝观测描述 测井识别裂缝方法 声波测井 井壁成像技术 井下声波电视 地层微电阻率扫描 全井眼地层微成像仪,裂缝的动态识别方法： 钻井显示 井壁崩落法（注意与地应力影响区别） 试井显示 压裂曲线显示 注水显示 油田生产显示,1.3 地应力 地应力测量方法： 古地磁法确定应力方向 凯瑟尔效应测三向应力 波速各向异性测三向应力 测三向应力 组合测岩心差应变法井曲线确定柱转状应力剖面 水力压裂瞬时停泵测水平最小主应力应力 微地震法确定水力裂缝几何形态,1.4 低渗透油藏特征 低渗透油藏的岩石学特征 低渗透油藏的物性与孔隙结构 低渗透油田的渗流特征 低渗透油田的敏感性,1.5 低渗透油田

3、开发特点 1.表面分子力和毛管压力作用强烈、呈非达西流动, 流动存在启动压力，注水井吸液能力差，注水压力高； 2. 采用衰竭式开采，压力下降块，产量递减迅速，一次采收率低； 3.渗流阻力大，连通性差，需合理地的注采井距； 4.成岩作用与后生作用使孔隙极不均匀、喉道细小、结构复杂，自然产能低，压裂增产幅度大；,1.5 低渗透油田开发特点 1.泥质含量高，易污染和伤害 2.见水后采液指数急剧下降，应深抽放大生产压差；稳产困难； 3.裂缝比较发育，潜在水窜可能性大。尤应注意裂缝识别，合理井网部署与压力控制 4. 油井见注水效果比较慢； 5. 天然能量小，注水水质要求严格 6 先进工艺技术 +简化流程

4、 = 提高开发效果,2 低渗透油田主要开发技术 2.1 低渗透油田开发的基本原则和部署 2.2 低渗透油田油层保护技术 2.3 低渗透油田高效射孔技术 2.4 低渗透油田油层改造技术 2.5 低渗透油田其它开发与开采技术,2.1 低渗透油田开发 基本原则与技术要求 基本原则 开发提前介入，落实产能，优选富集区块 进行早期油藏评价，编制开发概念设计 加深油藏试验研究，优选正式总体方案 整体部署，分批实施、跟踪研究、及时调整 技术要求：成熟、可靠、高效,2.2 低渗透油田储层保护技术 钻井技术：平衡压力、优质钻井液、屏蔽暂堵； 完井技术：泥浆性能、固井工艺 射孔技术： 油藏改造技术：酸液，压裂液、

5、支撑剂、工艺技术、施工质量控制； 注水技术： 生产过程：,2.3 高效射孔技术 射孔器：YD102优于YD89优于YD73 工艺技术 过油管射孔 负压射孔 油管传输射孔 高孔密射孔 方案优化 射孔液,2.4 低渗透油田压裂改造 压裂前评估技术 压裂液和支撑剂 压裂工艺技术 压裂裂缝诊断与评估技术 重复压裂技术 单井优化设计 整体压裂优化设计：,2.5 低渗透油田其它开发与开采技术 2.5.1 机械采油技术 有杆泵采油技术 螺杆泵采油技术 水力活塞泵采油技术 电潜泵采油技术 气举采油技术 防蜡降粘技术,2.5.2 油田动态监测技术 测压工艺技术 现代试井解释方法 采油井分层测试 注水井吸水剖面

6、软件计量技术,2.5.3 其它技术 定向井开采技术 丛式井开采技术 水平井开采技术 小井眼开采技术,第三部分：低渗透水力压裂改造 3.1 水力压裂简介（原理、作用、发展） 3. 2 水力压裂破裂理论 3.3 压裂液与支撑剂 3.4 裂缝延伸模拟与支撑剂运移沉降 3.5 压裂诊断评价 3.6 压裂工艺技术 3.7 压裂设计 3.8 测试压裂,3.1 水力压裂概述,水力压裂就是利用地面压裂车组将一定粘度的液体以足够高的压力和足够大的排量沿井筒注入井中。由于注入速度远远大于油气层的吸收速度，所以多余的液体在井底憋起高压，当压力超过岩石抗张强度后，油气层就会开始破裂形成裂缝。当裂缝延伸一段时间后，继续

7、注入携带有支撑剂的混砂液扩展延伸裂缝，并使之充填支撑剂。施工完成后,由于支撑剂的支撑作用，裂缝不致闭合或至少不完全闭合，因此即可在油气层中形成一条具有足够长度、宽度和高度的填砂裂缝。此裂缝具有很高的渗滤能力，并且扩大了油气水的渗滤面积，故油气可畅流入井，注入水可沿裂缝顺利进入地层，从而达到增产增注的目的。,水力压裂作用,(1) 勘探阶段 增加工业可采储量 (2) 在开发阶段 油气井增产 水井增注 调整层间矛盾 改善吸水剖面 提高采收率 (3) 其它 应用,3.2 水力压裂岩石破碎力学,图6.1 压裂施工曲线 PF破裂压力 PE 延伸压力 PS 地层压力 P井底= PF时,3.2.1 水力压裂造

8、缝机理,地应力分布十分复杂，既与区域动力场和局部构造应力有关，又与现代活动应力场联系密切。假设地层岩石为线弹性体，首先针对裸眼井分析井壁最终应力分布，结合岩石破裂准则讨论水力压裂诱发人工裂缝的造缝条件。 重力应力 构造应力 热应力,地质构造应力,构造运动引起的地应力增量。它以矢量形式迭加在地层重力应力场, 使相邻不同岩性地层受到的应力显著不同，造成水平应力场不均匀。 在断层和裂缝发育区是应力释放区。 正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3， 逆断层或褶皱带的水平应力可大到垂向应力 z的3倍。 特点： 构造应力属于水平的平面应力状态 挤压构造力引起挤压构造应力 张性构造力引起拉张构造应力

9、由于构造运动的边界影响，构造应力在传播过程中逐渐衰减。,地应力的测量及计算,矿场测量 水力压裂法 井眼椭圆法（井壁崩落法） 实验室分析方法 滞弹性应变恢复 （ASR） 微差应变分析 （DSCA） 有限元分析方法,井筒处应力分布,井筒对地应力及其分布的影响 向井筒注液产生的应力分布由弹性力学拉梅公式(拉应力为负) 压裂液渗入地层引起的井壁应力 井壁上总的应力分布,3.2.2 水力压裂造缝条件,条件,压为正，拉为负 最大有效周向应力大于 水平方向抗拉强度,3.2.3 破裂压力梯度,定义 理论计算方法 矿场统计方法 当F 0.0220.025 MPa/m, 形成水平裂缝,3.2.3 人工裂缝方位,根

10、据最小主应力原理 当z最小时，形成水平裂缝; 当Y或xz，形成垂直裂缝。,x,z,y,y,x,z,显裂缝地层很难出现人工裂缝。 微裂缝地层 垂直于最小主应力方向； 基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。,裂缝方向总是垂直于最小主应力,3.3 压裂液,压裂液及其性能要求 压裂液添加剂 压裂液的流动性 压裂液的滤失性 压裂液对储层的伤害 压裂液选择,压裂液的组成,前置液 携砂液 顶替液 （完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前垫液、预前置液）,对压裂液的性能要求,(1) 与地层岩石和地下流体的配伍性； (2) 有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部； (3) 滤失少 ； (4) 低摩阻 ； (5

11、) 低残渣、易返排 ； (6) 热稳定性和抗剪切稳定性 。,3.3.1 压裂液类型,水基压裂液 油基压裂液 乳化压裂液 泡沫压裂液 液化汽压裂液 酸基压裂液,3.3.1.1 水基压裂液,发展 活性水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂液 水基冻胶压裂液组成 水添加剂成胶剂（稠化剂） 成胶液 水添加剂交链剂 交链液 水基压裂液种类,稠化剂, 植物胶及衍生物 胍胶 田箐 纤维素衍生物 羧甲基纤维素钠盐（CMC） 羟乙基纤维素（HEC） 羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC）。 生物聚多糖 工业合成聚合物 聚丙烯酰胺（PAM） 部分水解聚丙酰胺（PHPAM） 甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）,交联剂, 两性金属（非

12、金属）含氧酸盐 硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等弱酸强碱盐 无机盐类两性金属盐 如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆等强酸弱碱盐 无机酸脂 主要为高价两性金属含氧酸脂 如钛酸脂、锆酸脂 醛类 甲醛、乙醛、乙二醛等,破胶剂,生物酶体系 适用温度2154，pH值范围pH=38，最佳pH=5。 氧化破胶剂 适用于pH=314。普通氧化破胶剂适用温度5493，延迟活化氧化破胶剂适用温度83116。常用氧化破胶剂是过硫酸盐 有机弱酸 很少用作水基压裂液的破胶剂 适用温度大于93。 油基压裂液中典型的破胶剂是碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液。,3.3.1.2 油基压裂液,适应性: 水敏性地层、有些气层 发展:

13、矿场原油 稠化油 冻胶油 基液: 原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 稠化剂: 脂肪酸皂（脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等） 特点:,3.3.1.3 乳化压裂液,类型：水外相型 油外相型 常用： 两份油 + 一份稠化水(聚合物) 油相80%， 不稳定或粘度太高 特点：,3.3.1.4 泡沫压裂液,适用: K1MD， 粘土含量高的砂岩气藏 低压、低渗浅油气层压裂 液相 + 气相 + 添加剂泡沫液 液相: 清水、盐水、冻胶水、原油或成品油、酸液 气相 氮气、二氧化碳、空气、天然气等,泡沫质量： 泡沫质量泡沫中气体体积/泡沫总体积 特点: 在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量 一般为 随着泡沫质量的增加，泡沫压

14、裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增 滤失少（气体本身就是降滤剂） 排液较彻底，对地层伤害小 悬砂能力特别强，砂比可高达,3.3.1.5 酸基压裂液,适用: 碳酸盐储层 种类: 常规酸 稠化酸 冻胶酸 乳化酸,3.3.2 压裂液添加剂,破胶剂 降滤剂 防膨剂 杀菌剂 表面活性剂 值调节剂 稳定剂,3.3.3 压裂液的流动性质,各类压裂液的流变曲线 幂律液的视粘度 摩阻计算,3.3.4 压裂液滤失的三个过程,滤饼区的流动 滤饼控制过程,侵入区的流动 压裂液粘度控制过程,地层流体的压缩 地层流体粘度及压缩性控制过程,综合滤失系数的求得,调和平均法： 电容串联 压力平衡法： 非造壁性压裂

15、液 造壁性压裂液,3.3.5 压裂液对储层的伤害,压裂液在地层中滞留产生液堵 地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害 压裂液与原油乳化造成的地层伤害 润湿性发生反转造成的伤害 压裂液残渣对地层造成的损害 压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害 压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,压裂液固相堵塞,来源： 基液或成胶物质的不溶物 降滤剂或支撑剂中的微粒 压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒 化学反应沉淀物等固相颗粒。 作用： 形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害； 它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度而难破胶。,压裂液浓缩,压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。 支撑剂铺置浓度对压裂液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。,3.4 支撑剂及裂缝导流能力,支撑剂性质及种类 裂缝导流能力及其影响因素 支撑剂的选择 支撑剂颗粒的沉降,支撑剂特性要求,强度高、硬度适中 粒径均匀圆球度好 化学温度稳定性好 质量高，杂质含量少 密度适中 货源广、