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1、重复压裂工艺技术认识与探讨张士诚王鸿勋 (中国石油大学(北京)前言重复压裂技术是低渗透油气藏增加单井产能、确保储层稳产、提高油田经济效益的有效 手段；经过水力压裂的油气井，在生产过程中由于油藏或工艺方面的原因可能导致水力裂缝 失效，从而造成产量递减，必需进行第二次或更屡次数的压裂，才能充分发挥储层潜力。保 证油气井稳产、高产；而重复压裂机理研究、重复压裂的选井及其压裂时机选择是措施能否 成功的关键所在，也是需要持续探索的永恒主题。重复压裂包括两方面的含义：一方面是指同井同层的再次压裂；另一方面是指在限流法 压裂或大段投球法压裂中，虽系一个压裂层段，作业中经常存在已经压开但没有进砂的小 层，这些
2、小层应该具有一定的潜能，也应该进行选择性的分层压裂，因此就出现了对大井段 的压裂对象来说是重复压裂，对其中未进砂子的小层来说，可能是初次压裂。一般情况下， 重复压裂是指同井同层的重复压裂(以下简称复压)。1重复压裂工艺技术简要开展历程水力压裂无论是从1947年还是从1949年算起，至今已有50多年的历史。压裂一次的有 效时间，短那么几个月，多那么数年。有些油气产区，渗透率极低，不经过压裂根本上没有产量 或达不到经济产量；初次压裂失效后，大多要进行再次压裂，因此无论是在机理认识方面还 是在决策方面重复压裂都历经了相当长的开展过程。11复压机理认识方面 自1947年一直到80年代末，加大压裂规模、
3、选用高强度或涂层支撑荆，选用流变性能和破胶性能好的压裂液，注意增加排液效率，提高排量与砂比获得比原来裂缝导流能力与缝 长要高要长的复压裂缝，被认为是复压增产的主要机理。1977年首次提出了水力裂缝周围应力场重新定向的概念完成了水力裂缝使应力场发 生变动，其影响范围与水力裂缝的大小与缝内压力成比例的计算，并在多井实验的根底上证 实了该结论的正确性。1994年通过倾斜仪裂缝成像工作进一步证实了在同一井段中初次压裂形成的填砂裂缝 所引起的地应力变化，同一层位、同一压裂规模形成的复压裂缝在倾角及方位上都有所改变。目前已经从理论上量化了复压形成垂直于初压缝的参数关系，参数的敏感性分析及复压缝长与产量增量
4、的关系，研究成果对复压设计起着重要的作用。12复压决策方面 最初加大压裂规模被认为是复压的主要措施；随着对复压机理认识的不断深入。逐渐发155现应当在选井、问题的诊断及工艺选择与设计方面取得突破，才能取得重复压裂的成功；但 由于地质环境的复杂性，在多层、非均质条件下的完井与不同方法的增产措施，使得到目前 为止，没有一种重复压裂井的选择方法。可在不同地质条件的油气田里通用；近年来，通过 总结复压转向成功的经验及工作方法，认真分析实施过程中存在的问题，认为复压成功的主 要原因是水力裂缝转向，其成功的关键在于复压井的合理选择。另外在整个复压实施过程中 还要有套完整的石油工程决策。2重复压裂的增产机理
5、目前对复压井增产的机理，有两种不同的说法。一种是在原有水力裂缝的根底上，进行 缝长的延伸、提高导流能力等措施以扩大水力缝的泄油范围，这种方法可以称之为老缝薪 生。另一种那么是由于初压填砂缝的存在，在其附近出现两个水平应力大小的换位及应力场的 换向，新缝的倾角及方位角不同程度地偏离了老缝，新缝在未泄油区的扩展，增加了油气井 的产量。21老缝新生的机理研究与对策 (1)初次压裂井低产原因分析 造成初次压裂井低产或裂缝失效的原因大致可分为以下三种类型；初次压裂施工中，各环节的质量控制不到位、压裂液伤害、选择了不适宜的支撑剂、 施工过程中形成砂堵；压裂设计出现错误，如压裂规模过小、压裂液配伍性差；还有
6、一次压 裂多层时出现未处理的小层等都属于此类。生产过程中，供油气能力逐渐变差。这类问题是因为裂缝导流能力因支撑剂嵌人或 受微粒的堵塞而变小；由于微粒运移或结构堵塞了地层；近井地带缝口处因吐砂而失去支撑 等等。对于这些问题，因需要的信息难以获得，给深人分析与了解造成不便，故不能明确地 进行识别。 由于技术的不断进步，目前无论完井或压裂技术上，比过去都有长足的进步。初次 压裂采用“老技术的井，很可能成为复压的对象。(2)压裂井失效的机理研究从初次压裂井低产原因的分析可以看出改善原有裂缝的导流能力。增加有效长度及提高 分层压裂的有效程度是复压措施的重要课题。实验研究说明，在填砂裂缝中，由于压裂液的滤
7、失形成的滤饼，在岩石界面上富集了胶 质，在裂缝闭合的过程中，净滤失也会使胶质集中于裂缝中，出现多相流动时填砂裂缝的导 流能力进一步降低。如果缝中充满了许多未破胶的胶质，流体的流动那么需要很大的启动压 力；在检查影响排液的诸多因素中，排液需要一个最低限度的压力差。水力压裂过程中，当压力高于临界值后，天然裂缝开度增大(涨开)，增加了滤失，冻胶 与防滤剂都有可能进入，从而大大降低了天然裂缝的渗透率。在低压降的情况下，微隙也要 闭合，从而加剧了伤害。(3)老缝新生的相应技术对策为了有效地清理填砂裂缝，需要使填砂“流床化。流床化首要的是大排量，并到达 裂缝深处。实验室中通过比照未处理水与处理过的水的清理
8、效果，结果是相同的。从实用角 度来看，大排量假设能保证将支撑剂从孔眼处冲至射孔孔眼段以下，那么清理填砂裂缝方法将 会是非常有效的。156使天然裂缝涨开并冲洗。也是有效清理的一个重要方面。如果一定要使用化学破胶 剂去破坏已被侵入地层中的胶质物，这些破胶剂可能过早地消耗在岩石中，会给有效地处理 带来风险。无论是填砂裂缝或是天然裂缝中，假设存在天然气饱和度，清理的有效性会得到改善。 这种作用机理虽然还不太清楚，但由于相渗透率的流体转向作用，可能起一定的作用。22复压裂缝转向机理研究 重复压裂所形成的水力裂缝在一定条件下。可能发生裂缝方位及倾角的变化，其主要原因是初次压裂后的生产及初次压裂的填砂裂缝，
9、使裂缝附近的地应力发生变化所致。 (1)生产诱生的应力场 压裂井的生产改变了裂缝周围的压力梯度，导致油气藏中的应力重新分布，如图l所示。 靠近裂缝处，诱生的张应力有平行于缝面的也有垂直的，但是这些张应力被远处诱生的压应力所平衡。起初垂直于缝平面的张 应力大于平行于缝面的。如果由于孔隙 压力所引起的应力差。大于初始的最大 与最小水平压力的差值，原来最大应力 的方向，即成为最小应力的方向。倘假设 在此刻进行重复压裂，那么裂缝方向将垂直于原来的裂缝。油气井在不变的井图l两个水平应力转换的概念图底压力下继续生产，受诱生压应力影响的范围进一步远离裂缝。裂缝外表的诱生应力差，开始是增加，随着张力起作用的距
10、离的增 大而减少。在远离井底位于垂直于原裂缝线上的某一点，诱生应力差在数值上先增后减，如 图2所示。发生应力变化需要的时间随距离井底远近及地层的性质而异。初次压裂后不久，是裂缝垂直于原缝的最有利时机，但是产生这 种结果的范围，非常有限，所以在诱生张 应力地区的裂缝扩展将很快地转向，重新 平行于原裂缝限制了裂缝重新定向的优 越性后来受压缩地区离裂缝越来越远，呈、枷R邋使得复压缝方位与原缝一致以前，逐渐形 成较长的裂缝。时间进一步推移，在距井 某些距离上诱生张应力可能超过不了原有 的应力差。裂缝开始转向的位置距井眼的距离越来越近。 当诱生应力差不大于原有应力差的地圉2不同距离的不同应力差 方。复压
11、裂缝就不再垂直于原来压的裂缝。 由于生产所诱生应力的大小，与原来应力的大小有关，并叠加在现存初始应力场之上，故当 初始应力差较小时，极易发生垂向延伸。为了确定进行复压的最正确时机，要考虑复压缝在转向前的长度与此时的孔隙压力分布。 复压的最正确时间，应该是初次缝很长，复压缝进入地区的孔隙压力仍然很高的时期。 ，157(2)填砂裂缝诱生的应力场 设有一二维水力裂缝，具有垂直于纸面的无限长度，如图3所示： 沿x方向增加诱生应力d。表之以口4p，4P是鐾中的净压力。当工=o，口。最大，等于缝中的净压力P，诱生应力随距离的增加减少的很快，在15圩之外变得很小。显然诱生应力扩及到地层中的距离比例于缝高，亦
12、即裂缝最小的面积尺寸，决定诱生应力在地层中 的扩展深度。由图4的左上角与2日=3的坐标点上作一连线，可得到诱生应力J。的近似 方法。【2维裂缝IJ 爪毒_0。一。I 乒专“。JLt图3计算口，、d，的二维图形图4距缝面距离与诱生应力的关系曲线计算诱生应力J，的等式是：d娜=1一x3b式中的6为半缝高。 当x=0(缝面上)诱生a。等于缝内净压力，应力反转的条件应是：dh+口z口H+口5式中九与JH分别是原来的最小与最大水平主应力，因为吼远小于如故可以忽略。根本概念是膨胀的水力裂缝能改变就地应力，在靠近裂缝处，会出现方位不同的复压裂 缝，可能有以下几种情况：d。4H吼这种情况下，老缝是垂直的，新缝
13、也是垂直的但成正交(见于里专利)， 如果垂向应力是垂直的，井眼也是垂直的，这种结论可能不现实，因为新缝易于顺老缝扩 展。但井眼是倾斜的或应力场与垂向成偏角(地层倾斜)，上述情况那么是可能的。新缝将从不 同的孔眼起裂，与原裂缝成某些角度。如果射开另外一些层系(煤层)。将能增加这种时机。d。4H“这种情况下，有利于形成水平裂缝，这种水平裂缝也改变应力分布，也 导致形成第二条垂直缝。脱砂压裂由于缝内净压高，很可能易于形成水平应力的反转换位这种反转也是复压成 功的因素。虽然在一定的条件，复压缝可能发生反转换位、应力场换向，这是共识，但其中的细节 如反转时的缝长、反转的角度等重要问题上，看法还不尽相同，
14、尚有待于进一步研究。3重复压裂井的选择31复压井选择的主要内容 由于从使用复压技术以来，对它的评价褒贬不一，因此从选井到工艺设计都需要进行深158入研究。其内容主要包括：开发有效、省钱并可靠的复压井的选井方法；对形成低产的不同原因进行识别与分类；开发非压裂增产技术；32复压井选择的重要法那么 在选井问题上的一个重要发现是“8515法那么，此法那么说明85的复压潜力存在于占总井数15的井中。因此，复压成功的关键是找出潜能最大的占总井数15的复压候选井， 恰当地选择候选井对复压方案的经济效益有重大影响。第一步是运用一系列的分析方法，从总井数中逐步筛选一直到剩下15左右的最具潜 能的候选井，在筛选过
15、程中，也可分为几个层次进行分析：开始时采用低费用的快速筛选。 先删除50的井，然后再进一步分析，在此阶段主要是依靠现有的数据对井进行分析，目 的是开发一种有效的用于分析大批量井的方法。第二步是进行精确地选井，此时要分别从油 藏性质与完井效率(即渗透率与表皮系数)两方面去分析油气井动态。那些高潜力的候选井， 往往是既具有高渗透率又具有高表皮系数的井，即油气田中最可能成为复压候选井的是那些 具有上佳生产动态的井。33复压井选择的分析方法 (1)比拟生产动态法 在一定生产区块内，比照每口井与其周围井的生产动态，查明哪些低产井可以作为复压的对象。把井的生产动态分成几个阶段，以洞察其成为低产井的原因，此方法考虑了由于打 加密井而使产量递减以及试图识别高渗透率或高表皮井的生产特征；其缺点是它不能明显地 区别某些处于高渗透率带的高产井，可能改善成为在经济上最有利的复压井，这一点对高度 非均质砂层是很重要的，因此不
