国内外压裂新技术

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1、国内外压裂新技术 应用与发展水平调研胜利油田有限公司井下作业公司二二年十二月前 言查阅国内外压裂技术文献130余篇 与中科院力学研究所、勘探开发研究院、四川油田、中原油田等多家单位进行信息交流 着重对目前在国内外油田开发中应用广泛的高能气体压裂、层内爆炸、泡沫压裂及酸压裂技术进行调研。SINOPECSLOF1.1.高高能气体压裂技术能气体压裂技术2.2.层内爆炸压裂技术层内爆炸压裂技术3.3.泡沫压裂技术泡沫压裂技术4.4.酸化压裂技术酸化压裂技术SINOPECSLOF国外自60年代开始高能气体压裂的研究与现场应 用，70年代末、80年代初发展尤为迅速。目前美 国和俄罗斯的高能气体压裂技术处于

2、世界领先水 平，应用井深范围1500m-4300m,年压裂施工量为 2000-3000井次。 美国桑迪亚国家实验室在泥盆系页岩地层成功地 应用了高能气体压裂技术，用以处理二叠系页岩 气藏可增产3-4倍。一、国外高能气体压裂技术发展概况SINOPECSLOFCuderman等人在美国内华 达试验场进行了高能气体 压裂先导试验，通过回掘 观察所得到的裂缝沿射孔 方向传播，然后逐渐转向 地应力控制的方向。裂缝 长度小于3米。 Warponski等人也在内华达试验场气井进行高能 气体压裂井下试验，压裂深度1698.9m，压裂弹 长0.3m，两次测量压力峰值分别达到109.68MPa 和83.47MPa

3、，对套管进行测井证实套管无损伤。SINOPECSLOF美国部分高能气体压裂井效果对比SINOPECSLOF1985年西安石油学院首次开展高能气体压裂技术 研究，目前已形成包括压裂机理及理论、设计方 法及软件、施工工艺及工具、测试技术与仪器在 内的配套技术。 在四川、长庆、辽河、青海、大庆、胜利等油田 已得到广泛推广应用，目前常用油管传输和电缆 传输两种方式。 应用范围涉及试油评价、解堵增产、降压增注、 煤层气及地热开采等方面。SINOPECSLOF二、国内高能气体压裂技术发展概况国内发展的几项技术液体药压裂技术，1992年在吉林油田首次实验成功。 射孔-HEGF复合技术，在延长油矿首次实验成功

4、，效果好于单一高能气体压裂。 实现了井下存储和地面直录入式P-t过程测试。 形成电缆传输和过油管传输施工工艺。SINOPECSLOF高能气体压裂技术（HEGF）高能气体压裂技术是一项新型压裂技术，其基本原理是采用推进剂或火药爆燃产生高速压力脉冲气体作用于地层岩石上，通过控制其上升速度使作用力超过岩层的破裂应力，在井筒周围的岩层形成多条自呈放射状的径向裂缝，清除油气层污染及堵塞物，有效降低表皮系数，达到油气井增产的目的。 SINOPECSLOF高能气体压裂的特点形成不受原始地层应力控制的多条径向主裂缝体系，同时伴有微小的裂缝网，增加与天然裂缝沟通的机会。 施工简单，费用低廉，对地层污染小，不受水

5、敏或酸敏地层的限制。 在造缝的同时使裂缝两侧的岩石错位，形成的裂缝不会完全闭合，提高近井地带的渗透率。 SINOPECSLOF高能气体压裂增产机理 在极短时间内产生峰值压力，产生不受地层应力状态控制的多条径向裂缝，有效地穿透在井筒周围的污染带，沟通天然裂缝系统，增大了井筒附近的导流能力。 压力上升速度比水力压裂快得多，产生的多条径向裂缝的方位偏离最大主应力方向，产生偏轴效应，使裂缝发生剪切错动，形成的裂缝不易闭合。SINOPECSLOF高能气体压裂的适用范围（1）天然裂缝发育的油气 层坚硬致密的油气层 HEGF在压裂层段形成的燃气压力将地层压开，形成多条径向裂缝。对于脆性较大的坚硬、致密油气层

6、改造效果较好。 SINOPECSLOF高能气体压裂的适用范围（2）污染或堵塞严重的油气层 水敏、酸敏及碳酸盐油气 层 水敏或酸敏地层进行水力 压裂、酸化处理时，会因 其工作介质与地层岩石发 生各种物理化学反应而堵 塞地层孔隙，使油气井产 量下降。而HEGF由于火药 燃烧后有C02和HCl气体生 成，会对碳酸盐油气藏起 到特殊作用。 SINOPECSLOFHEGF的选井选层原则（1）适用于脆性地层，不适用于蠕变性较强的塑性地层。在泥岩地层中可能产生压实效应。适用于粘土含量少的致密砂岩及天然裂缝发育的碳酸岩储层。胶结疏松的砂岩地层压后可能引起严重的出砂问题，因此选层时应慎重对待。 SINOPECS

7、LOFHEGF的选井选层原则（2）油气井套管抗内压强度高，固井质量良好； 与水层间的间隔10m，水泥返高高于压裂层段 150m以上； 近井地带堵塞严重（S3）； 有较高的地层压力和产能潜力的生产井； 注水速率下降较快或层间矛盾相对突出的注水井。SINOPECSLOF高能气体压裂对套管的影响 目前高能气体压裂充分吸取了脉冲理论的特点，形成了爆燃压裂技术，国外研究资料表明，高能气体压裂在药量设计合理的情况下，不会形成套管内径的永久变形。 多脉冲压裂多脉冲压裂P-TP-T实时监测曲线实时监测曲线 SINOPECSLOFHEGF对水泥环的影响井径测井和声波变密度测井资料表明，采用多脉 冲爆燃压裂工艺对

8、套管的损伤很小，但对水泥环 有一定的影响。 爆燃瞬间使套管向外扩张，引起管外的水泥环发 生变形。 由于套管和水泥环的弹性模量不同，泄压后在套 管与水泥环之间会形成间隙，在固井质量差的情 况下会导致层间窜槽。 SINOPECSLOFHEGF套管保护措施适当降低峰值压力 选用升压速度较慢的推进剂，国外常用M5 、M30、NH4NO3等，国内常用双芳3和18/1- 樟,双铅-2等； 控制一次压裂的用药量，国外推荐每米射 孔段用药量不大于2Kg。 SINOPECSLOF高能气体压裂工艺设计 高能气体压裂技术的关键是对压力时间 曲线的设计与控制，优化和控制的工艺关 键有两方面： 定位起裂的升压时间； 压

9、裂压力的持续时间。 二者匹配应适当，并应有足够的总能量。 SINOPECSLOFP-t曲线的设计与控制 炸药的定向与聚能 火药力的控制与点火顺序 设计一般采用三段装药，中段是定 向聚能炸药，两端是等质量的火药或 推进剂。合理安排炸药与火药的点火 顺序与延迟时间。炸药对着压裂目的 层，爆炸后形成一个低压区，炸药爆 炸引燃的上下两端火药产生高压气体 汇聚于压裂地段，向爆炸形成的径向 短缝冲击，使裂缝延伸。 火药力的定向作用示意图火药力的定向作用示意图 SINOPECSLOF现场施工工艺 目前现场主要采用电缆起下、液柱遮挡，地面引燃施工工艺。 配管柱通井、探冲砂至施工井段以下10-20m，保持井内液

10、柱高度在lOOOm左右，最小不得低于500m。电缆车下气体发生器至设计井深，下放过程中应不断测量用于点火缆芯的导通性。 地面通电引燃，引燃前人员、车辆撤至井口100m以外。 引燃后5-lOmin，起出电缆及气体发生器。 SINOPECSLOF复合压裂技术是高能气体压裂和水力压裂技术相结合的一项工艺，国外资料相关报道较少，国内在四川和土哈油田进行过复合压裂技术的现场试验。胜利油田目前还没有对该项技术的现场应用。复合压裂技术 SINOPECSLOF复合压裂技术特点 复合压裂就是先对地层进行高能气体压裂然后进 行水力压裂或酸压裂。 高能气体压裂形成不受地应力控制的多条放射状 径向裂缝，减小了井壁周围

11、的应力集中，降低水 力压裂的初始破裂压力。 增加了水力压裂或酸压裂的改造面积，进一步提 高井筒周围及深部裂缝的导流能力。SINOPECSLOF复合压裂的裂缝延伸机理水力压裂井底渗流状态示意图水力压裂井底渗流状态示意图 复合压裂井底渗流状态示意图复合压裂井底渗流状态示意图 SINOPECSLOF1.1.高高能气体压裂技术能气体压裂技术2.2.层内爆炸压裂技术层内爆炸压裂技术3.3.泡沫压裂技术泡沫压裂技术4.4.酸化压裂技术酸化压裂技术二、层内爆炸技术该项技术国外没有相关文献资料，调研资料主要 来源于中科院渗流力学研究所及中科院理化中心 的室内试验研究。 利用井筒爆炸、高能气体压裂与核爆采油的爆

12、炸 原理，结合水力压裂的造缝机理，利用水力压裂 工艺将爆燃药压入岩石裂缝。 选择爆燃为炸药释放能量的主要形式。 点燃裂缝中的炸药，在主裂缝周围产生大量裂缝 ，提高地层渗透率。 SINOPECSLOF炸药有三种释放能量的形式：爆轰、爆燃 和燃烧。爆轰时，每公斤炸药可瞬间释放 约5106焦尔能量, 爆轰压力远大于岩石强 度，压力上升极快，使岩石产生密实圈， 会降低近井地带渗透率，对套管破坏力较 强。爆燃压力大于岩石强度，压力上升快 慢适度，适于使岩石产生多裂缝。层内爆 炸选择爆燃为炸药释放能量的主要形式。 基础理论SINOPECSLOF层内爆炸模拟示意图SINOPECSLOF层内爆炸技术实施的可能

13、性 药品能否压入含油气药品能否压入含油气岩层裂缝？岩层裂缝？ 药品压入岩层裂缝后药品压入岩层裂缝后能否发生爆炸？能否发生爆炸？层内爆炸是首先以水力层内爆炸是首先以水力压裂方式使地层破裂，压裂方式使地层破裂，然后象携带支撑剂一样然后象携带支撑剂一样把炸药携带入裂缝，炸把炸药携带入裂缝，炸药粒径药粒径10-2010-20 mm，密度密度1.8-2.0g/cm1.8-2.0g/cm3 3，在保证，在保证炸药安全的情况下把炸炸药安全的情况下把炸药压入含油气层是完全药压入含油气层是完全可行的。可行的。中科院力学研究所实验室建立了中科院力学研究所实验室建立了小尺度模拟实验装置，通过模拟小尺度模拟实验装置，

14、通过模拟实验，找到了一组用特种火炸药实验，找到了一组用特种火炸药基本配方；在不到基本配方；在不到200mm200mm尺度上实尺度上实现了特种火炸药的挤注、点火和现了特种火炸药的挤注、点火和爆燃的基本过程，其峰值压力在爆燃的基本过程，其峰值压力在100MPa100MPa上下；该特种火炸药的经上下；该特种火炸药的经济、安全性可能达到生产要求，济、安全性可能达到生产要求，从而证实从而证实 “ “层内爆炸层内爆炸”原理基本可原理基本可行。行。SINOPECSLOF裂缝中爆燃的可行性中科院力学研究所进行的室内实验表明，层内爆炸是通过 传热来实现点火的，爆燃的过程较缓慢，同时岩石的导温 系数比爆燃药的导温

15、系数大一个量级，建立薄层爆燃药持 续传爆的一维模型。 xwp0T0 0 u0=0岩层岩层药层药层爆燃推进示意图爆燃推进示意图反应产物反应产物 =1 =1 =0=0反应区反应区T TSINOPECSLOF建立一维可压缩流体力学方程 SINOPECSLOF不可压缩假设下薄层药爆燃恒稳推进的参数分布不可压缩假设下薄层药爆燃恒稳推进的参数分布 （实线为相对热流，虚线为相对温度，点划线为化学反应率）（实线为相对热流，虚线为相对温度，点划线为化学反应率） 不同频率因子条件下恒稳推进速度 （界面传热系数为0.5w/m2/K） 药层 厚度 （m）恒稳推进速度（m/s）频率因子 106 s-1频率因子 109

16、s-1频率因子 1012 s-10.16.1100780.40.011.150452.40.0010.510.8150药层 厚度 （m）温度峰值（K）频率因子 106 s-1频率因子 109 s-1频率因子 1012 s-10.13105310531050.013105310531050.001310931133118药层 厚度 传热 系数0.1m0.01m0.001m0.0001 m=0.5100m/s50m/s10.8m/ s7.4m/s=10440m/s25.1m/ s6.1m/s35m/s药层厚 度 反应热0.1m0.01m0.001mQ=3238kJ/kg100m/s50m/s10.8m /sQ=5000kJ/kg150m/s80m/s45m/s不同