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1、西西 南南 石石 油油 大大 学学 2007.082007.08压裂酸化工程技术现状与发展压裂酸化工程技术现状与发展郭建春 博士、教授 Tel:13880566000 E-mail:第一部分 国外水力压裂技术发展现状一、整体情况二、基础理论研究三、压裂液技术四、支撑剂技术五、新工艺技术六、软件与设计技术七、改造后的评估技术一、国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套）研 究 重 点 领 域机理研究新材料研究现场应用研究n裂缝模拟研究 n支撑剂长期导流能力研究 n含砂液流变性 n压裂液伤害机理 n应力敏感性n清洁压裂液 n低分子压裂液（可重复使用） n缔合压裂液 nVDA（清洁自转向酸） n改
2、变相渗特性的压裂液 n超低密度支撑剂 n清洁泡沫压裂液n裂缝诊断 n支撑剂回流控制技术 n新的压裂优化设计技术 n利用压裂压力降落曲线认识储层技术 n大型压裂控制缝高技术 n支撑剂段塞消除近井筒裂缝摩阻技术领 先 技 术n开发压裂技术n重复压裂技术n连续油管压裂酸化技术n低伤害或无伤害压裂酸化技术n压裂防砂与端部脱砂压裂技术n人工裂缝诊断技术n水平井压裂酸化技术n压裂施工过程的计算机自动化控制 与数据远传n清洁压裂液压裂 技术n水压裂技术n低分子压裂液压 裂技术二、基础理论研究1、重复压裂理论 2、薄层、多层压裂模型 3、压裂多裂缝理论1、重复压裂理论研究重新张开、延伸原裂缝的设计方法压新缝重
3、复压裂 重新张开、延伸原裂缝的设计方法国内外常用的方法在油藏数值模拟的基础上，根据油藏特征和重复压裂工艺特点，优选压裂材料并进 行优化设计。SPE50912 给出了从油藏特征、以前的经验入手，根据 不同目标，利用油藏模型和压裂模型进行模拟的基础上进行 优化设计以及矿场施工和压后评估的具体的关于重复压裂的 设计思路。如下面的框图所示。重复压裂研究思路图油田概况：特低渗透油田； 1991年实施整体压裂，1995年末和1996年初 ，对2口井实施重复压裂,但发生砂堵施工未成功。导流能力随时间变化图应用这一方法对中国南部的S油田进行了优化设计。首先，用油藏数值模拟法研究了原裂缝的导流能力变化以 及各种
4、因素对重复压裂效果的影响，并优化了裂缝长度。含水率对重复压裂后生 产动态的影响图油井重复压裂后产量与 支撑裂缝长度关系图地层压力对重复压裂后 生产动态的影响图其次，针对中温、特低渗、有天然裂缝的油藏特性优选了压 裂液和 支撑剂利用软件模拟了裂缝形态，并进行了重复压裂优 化设计。具体的施工参数如下表所示：重复压裂与初次压裂主要施工参数对比表4口井重复压裂后产油量均增加;含水保持稳定或下降,平均 含水由重复压裂前的3.2%下降至2.5%;平均产量由重复压裂前 的7.11/增加到21.64/。至1996年底,阶段累计净增原油 8440,并且继续保持增产趋势。压后效果重复压裂前后产量变化图重复压裂前后
5、产水率变化图 另一种方法利用模糊曲线程序和神经网络程序来 确定每个参数及其组合对成功重复压裂的重要程度， 从而进行优化设计。Shahab mohageah等就利用这一方法对美国俄亥俄州东北 部的克林顿砂岩层重复压裂进行了优化设计。(SPE74715) 基本情况：该区每年进行20多井次的压裂或重复压裂，有的井已经进行了三、四次重复压裂，有的井只进行了一次压 裂。 评价参数：钻井时间、压裂次数、最近一次压裂至今的时间、 压裂液类型、压裂液用量、沙的浓度、酸液体积、 平均泵注排量、施工单位。单参数影响程度表利用模糊曲线对每个 参数以及两个参数组合后 的重要程度进行排序，结 果表明并不是单因素最重 要
6、的前两个组合就是组合 后最重要的。两个组合参数影响程度表两参数的模糊曲线图模糊曲线法得到的结果神经网络法得到的结果利 用 所 有 数 据 得 到 的 影 响 程 度 图不同压裂次数参数影响程度表计算结果 表明，不同的 压裂次数，各 种参数对重复 压裂成功的影 响程度不同， 并且与笼统分 析的结果也不 同应针对不同 的情况优化设 计。Siebrits等人(SPE63030) 通过测斜仪的测量数据研究了Barnett 页岩致密气井中重复压裂裂缝方位变化规律：重复压裂新裂缝方向 从垂直初始裂缝缝长方向变为与初始裂缝缝长方向平行是一个渐进的过程(图 a)，而不是突然转向(图b)，并且为时间的函数(图c
7、) 。 压新缝重复压裂图a 井A的重复压裂测斜仪测得的 原始信号：裂缝方向逐渐变化 图b 井A测斜仪测得的原始信号：时 间为10:20时裂缝方向突然变化 国外的研究者从重复压裂产生的新裂缝重定向角度研究这一问题。 Siebrits和Elbel（SPE48982）在应力轨迹理论的基础上得到了 重定向裂缝与应力轨迹以及原裂缝关系原理图（右图）：从 井眼到各向同性点的距离为Lf，超过应力各向同性点后，新 裂缝逐渐转向平行于原裂缝。图C 井A的重复裂缝方位随 时间变化的俯视图 重定向裂缝延伸示意图无因次时间无因次应力偏斜张量其中：S0原始应力差 *生产诱导应力差，与无因次时间和井筒距离有关无因次断裂韧
8、性在应力轨迹的基础上，通过对影响重复压裂裂缝扩展的无 因次量的分析得到了重复压裂裂缝延伸的轨迹。求出不同下的， 等于1处为应力各向同性点，即求出了 Lf，在超过Lf后利用程序模拟出与有关的裂缝的延伸轨迹。重复压裂基本参数表定压或定产条件下无因次应力 各向性点与无因次时间关系图模拟的不同情况下裂缝轨迹利用右表的参数，用上述方法模拟 了各向同性点的位置以及裂缝轨迹。 模拟结果表明对于给定边界条件，井 眼到各向同性点的距离取决于无因次 参数和 。各向同性点外的裂缝 轨迹则与无因次参数和有关。关于重复压裂前的应力模拟并不是重复压裂的角 度入手研究的，主要从试井的方面入手研究孔隙压力 导致的应力变化。D
9、ewi等（ SPE71091 ）利用完全耦合的二维数值模型计算了 在前次裂缝周围孔隙压力随时间的变化。流体压力方程固体变形方程耦合方程结合边界条件求解上述方程就可以算出 初次压裂后，由于 生产活动导致孔隙压力变化而引起的应力变化。模拟实例计算的基本参数表生产过程中不同地点主应力差以及最小主应力方向随时间变化关系图( 原始应力差=2.8MPa,产气量=8.5104/d)结果表明：应力差可能随时间增加(点2和点3)，也可能随 时间降低(点1)，其取决于研究点的位置。点1处会发生应力方 向重定向，点2和点3处不可能发生的应力重定向。生产速度和初始应力各向异性对最大水平应 力方向影响(=45) 结果表
10、明：对于生产速度一定 时初始应力各向异性 越高，应力重定向越 不容易发生。因此， 应力各向异性是控制 应力重定向发生的至 关重要的参数。同时，生产速度越高 ，应力重定向程度越 大。但如果初始应力 各向异性程度高，则 气体流动速度的影响 程度相对较弱。注入井与生产井之间的最大压应力方向 生产井周围的最大压应力方向 西南石油大学，率先提出了先采用堵剂封堵老裂缝，再在其它方位压开新裂缝的堵老缝压新缝重复压裂技术。并应用多孔弹性介质的流固耦合理论、弹性理论、热力学的基本理论从井筒附近应力场变化规律研究入手，对重复压裂造新缝的力学机理进行了较为系统的研究提出了压新缝的力学条件和时机，并研制了具有选择性和
11、高强度的堵剂来保证压开新裂缝工艺的矿场实现。2、多层、薄层压裂设计对于层状地层的压裂设计，目前国内外采用的思路有三种n 采用封隔工具隔开各层实施分层压裂 ，单独对 每层进行设计n 采用笼统的多层合裂技术，假定只产生一条裂缝 ，使用单裂缝的延伸模拟方法进行设计 n 应用多产层同时进行水力压裂的多裂缝数学模型 进行模拟设计n 多层多裂缝延伸模型设计法Elbel等(SPE23982)基于二维模型的流量粗略分配给出了水力压裂中多层注入剖面的确定方法。Desorches等(SPE64789) 介绍了在拟三维裂缝扩展模型基 础上的多裂缝模拟（MLF/P3D）来设计的方法。 基本思路：以裂缝扩展的拟三维模型
12、为基础，应用“限 流”的基本思想：在每个时间步将流量守恒和压力连续的 原理与裂缝三维扩展模型相结合，实现了在不同各种各种应力 条件下多条裂缝扩展及相应流量分配的模拟。裂缝前缘变化趋势模拟图 压裂过程中排量变化曲线 文中利用上表参数，对裂缝扩展进行 了模拟，从结果可以看出，层1上隔层的 应力较低，裂缝1向上延伸较多，层2的层 间应力差大，因此缝2的高度被限制在层 内。同时由于层2内的应力低于层1内的应 力，大部分的液体都流入裂缝2。在注入 过程中，随缝1高度的增加，缝1的流量的 逐渐增加，到最后大部分液体进入缝1。 实例分析利用上表的参数对无孔眼以及存在孔眼（孔数30，孔径 0.81mm）及其磨
13、蚀情况进行了模拟。 实例分析施工参数表储层参数表没有孔眼压降的裂缝长度有孔眼压降的裂缝长度没有孔眼磨蚀的排量变化曲线有孔眼磨蚀的排量变化曲线在没有射孔孔眼的情况下，进入裂缝2的排量比裂缝的排量多 且缝2比裂缝1长，这是由于层2的层间压差小，裂缝2高。有射孔孔眼的情况下，由于孔眼压降，进入裂缝2流量减小了 ，裂缝2变短了；但在支撑剂泵入一段时间后孔眼被磨蚀了，进入 缝2的流量也增加了，同时，在后期出现了砂堵现象，进入缝2的 流量又减少了。从结果中可以看出: 现场应用油田储层参数：薄砂岩夹层和页岩夹层共7层，3个射开层和4个隔层 隔层的应力超过34.5MPa， 产层应力约为25MPa 检测数据：利
14、用不动管柱测井底压力利用转子流量计测量流量分流曲线 结果：压力吻合程度较好，早期的压力拟合出现差异可能是受近井筒影响 所致，单层排量拟合相当好 。压力的模拟值与检测值对比图 排量0.8m3/min排量0.8m3/min排量的模拟值与检测值对比图 排量0.8m3/min利用物质平衡原理和压力平衡原则建立的利用物质平衡原理和压力平衡原则建立的流量动态分配流量动态分配方程：方程：西南石油大学西南石油大学，考虑地层的多层和非均质特征考虑地层的多层和非均质特征，即任意多层即任意多层的地层厚度、地应力和岩石力学参数（如泊松比、弹性模量、断裂韧的地层厚度、地应力和岩石力学参数（如泊松比、弹性模量、断裂韧性）
15、变化的影响性）变化的影响，在单裂缝延伸的三维模型基础上，考虑裂缝缝在单裂缝延伸的三维模型基础上，考虑裂缝缝口流量的变化，利用流量动态分配模型，口流量的变化，利用流量动态分配模型，模拟任意多层各种应模拟任意多层各种应力分布模式下裂缝穿层后的延伸情况。力分布模式下裂缝穿层后的延伸情况。3、多裂缝研究在斜井、部分直井以及部分复杂岩性储层进行水力压裂改造时，由于可能存在多裂缝，而导致出现施工压力高、低砂比施工压力高、低砂比 砂堵砂堵。国内外多裂缝的研究逐渐增多，本节从下面几个方面介 绍国外的研究动态。 多裂缝的形态、成因与鉴别 多裂缝起裂及延伸 净压拟合通过大量研究，归纳出裂缝形态示意图大致如下扁平多
16、裂缝树枝状多裂缝纵向上多裂缝多裂缝的示意图（SPE 36441） 多裂缝的形态、成因与鉴别近井多裂缝 远井处连接 近井多裂缝发育 ，远井处连接 多裂缝 不连接 措施后，近井裂缝数减 小，较远处连成一条多裂缝的示意图（ SPE 71661 ） 目前已经建立了许多有效的直接（包括岩芯观察、垂直地震剖面 、井下电视 、地面倾角仪SPE 36441）与间接(多级速率测 试-MSRT、注入-降落测试-IT、大型压裂-MHF分析多裂缝压力响应SPE 36551; 净压分析与压力动态分析SPE 64772)的多裂缝检测手段，检测结果与大量室内实验（SPE24823、SPE 37363、SPE 39453 ）证实了多裂缝存在的客观事实。但多裂缝的条数尚不能准确确定，目前的检测手段尤其 是间接的检测手段（分析压力响应）仍需要进一步的研究。 u 成 因多裂缝的产生原因包括射
