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1、水力压裂优化设计2006 年 11 月 26 日1 压裂设计依据1.1 井概况1.2 测试解释结果1.3 岩石学特征对整个区块进行系统的岩石学研究。1.4粘土矿物特征与储层敏感性粘土矿物成分及其分布方式研究，开展储层敏感性评价试验。1.5 储层参数评估压裂设计前，必须了解压裂侯选井的储层地质及构造情况、进行地层 测试与评价、结合所在区块位置和井对应关系，以便设计出合理的、可靠 的压裂施工参数。1.5.1 地应力地应力包括地应力的大小和方向， 地应力在水力压裂设计中十分重要 的位置。剖面上的地应力影响水力裂缝高度，平面上的地应力场影响施工 压力和与井网的最优裂缝几何尺寸匹配关系。目前，所涉及到的
2、区块并没有对地应力分布进行研究，依据我国地应 力特点从整体估计地应力状况。中国大陆板块受到外部两大板块的推挤， 即印度板块每年以 5cm 的速度推挤和太平洋板块每年以数厘米的速度推 挤，同时受到西伯利亚和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，板块 发生变形。据陈宗基预测，其最大水平主应力迹线将沿图示曲线延伸。图 1-1 我国地应力分布概图据李方全研究，按行政区域划分： (1) 中等构造应力区包括河北、山 西、吉林延吉地区、辽宁南部、山东等； (2) 低构造应力区包括：江苏 浙江、黑龙江、吉林及内蒙古大部分地区。水力压裂设计中，没有地应力资料和其它测试资料以判定人工裂缝方 位，并结合水平主应力方
3、向与井网部署确定压裂改造规模。但作为探井压 裂，必须考虑到存在的附加风险，应将地应力适当高估。1.5.2 岩石力学性质岩石力学性质主要指储层、盖层和底层的杨氏模量、泊松比和断裂韧 性值，它们对裂缝几何尺寸有很大的影响 , 它可能决定了压裂的成功或失 败。岩石力学性质可通过取心在实验室测试，由于储层岩石的非均质性、 地面与储层条件的差异，测试结果与实际情况有一定出入。现场常用长源距声波测井结合密度测井计算岩石弹性模量和泊松比。 但长源距声波测井得到的是动态值，而在压裂作业中使用静态值更合理。1.5.3 孔渗饱参数这是最基本的参数要求， 可采用岩心常规分析技术或岩心特殊分析技术确定，后者可模拟就地
4、条件，因而分析结果更可靠。试井分析可以进一 步评价地层，确定储层的渗透率、表皮系数、地层压力及其它性质。1.6 压裂设计主要参数1.6.1 地层压力预测本井压力系数和压力。1.6.2 地层温度1.6.3 孔渗饱参数1.6.4 射孔参数1.6.5 地应力与破裂压力估计取上覆岩石密度，结合该地区地层压力和构造分析，估计井的主应力 为：垂向应力，最小水平主应力，最大水平主应力。水力压裂裂缝为垂直 裂缝/水平缝。Eaton 法估计地层破裂压力只适于地层沉积较新、受构造影响较小的 连续沉积。对于地层年代较老、构造影响大的地层不适用。1.6.6 闭合压力按上覆岩压计算：则 Pc = 33MPa ； 按破裂
5、压力估计作用于水力裂缝中的闭合压力： Pc = 22MPa ； 按最小水平主应力考虑， Pc = 25Mpa ；综合考虑，取闭合压力 Pc = 25Mpa 。1.6.7 套管强度采用cp 139.7、壁厚9.17mm、N-80套管，抗内压64MPa，能够满足强 度要求，考虑采用光油管压裂、且有利于进行压裂压力监测。1.7 小结水力压裂的核心在于围绕降低对储层的伤害以充分发挥地层潜力。2 压裂液性能压裂液是水力压裂改造油气层过程中的工作液，起着传递压力、形 成和延伸裂缝、携带支撑剂的作用，压裂液性能的好坏直接影响到压裂 作业的成败。因此，压裂液必须满足： (1) 与地层岩石和地下流体的配 伍性；
6、 (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) 低残渣、易返排； (6) 良好的热稳定性和抗剪切稳定性。压裂液选择的基本依据是 (1) 与油气藏的适应性； (2) 满足压裂工 艺要求，减少油层伤害。2.1 压裂液类型选择由于压裂地层的温度、渗透率、岩石成分和孔隙压力千差万别以及压 裂工艺的不同要求，必须开发研究与之相适应的压裂液体系。目前，约有 70%的压裂采用胍胶和羟丙基胍胶为主的水基压裂液， 5%为油基压裂液， 25%采用增能气体。水基压裂液 水基压裂液成本低、水头高、风险小、易使用，是国内外 目前使用最广泛的压裂液。除少数低压、油湿、强水敏地层
7、外，它适用于 多数油气层和不同规模的压裂改造。 主要问题是在水敏地层引起粘土膨胀 和迁移，在井眼附近引起油水乳化、未破胶聚合物、不相容残渣和添加剂 引起支撑裂缝带渗透率损失。油基压裂液 矿场原油或炼厂粘性成品油均可用于配制油基压裂液， 但 性能较差，故多用稠化油，其基液为原油、汽油、柴油、煤油及凝析油。 目前主要采用的稠化剂是铝磷酸脂与碱的反应产物。如铝酸钠、脂和碱的 反应是一种络合反应，依次生成某种溶液，增加了柴油或中高比重原油体系的粘度，并提高了温度稳定性，可用于井底温度达127 C的油井。油基压裂液的最大特点是避免水敏性地层由于水敏引起的水基压裂 液伤害，而且稠化油压裂液遇地层水自动破乳
8、。但是油基压裂液易燃且成 本高；流动摩阻一般高于延迟交联水基压裂液体系；而且高温条件下温度 稳定性不及延迟交联水基体系；技术和质量控制要求高。因此，油基压裂 液主要用于不太深的水敏性油气藏改造 。乳化压裂液 乳化压裂液是用表面活性剂稳定的两种非混相的高粘分 散体系。水相有水或盐水、聚合物稠化水、水冻胶和酸类及醇类，油相有 现场原油、成品油和凝析油。最常用的是聚乳状液，为水相连续，油相分散的单相体系。水相加入 聚合物（标准水基液 1/31/6）稠化可降低摩阻， 提高其稳定性。 典型组成 是：1/3 稠化盐水 （外相）+2/3 油（内相）+成胶剂、表面活性剂。内相百分 比越大，粘度越高，内相浓度低
9、于 50%则粘度太低，高于 80%则乳化液不 稳定或粘度太高。乳化压裂液的主要特点是：乳化剂被岩石吸附而破乳，故排液快，对 地层污染小；摩阻特性介于线性胶和交联液之间；温度增加，聚状乳化压 裂液变稀，限制了在高温井的应用；而且成本高（除非油相能有效回收） 。泡沫压裂液 泡沫压裂液是气体分散于液体的分散体系，典型组成是： 水相（稠化水、水冻胶、酸液、醇或油）+气相（CO2、N2、空气）+起泡剂（多 为非离子型表面活性剂 ）。泡沫压裂液的粘度稳定性取决于泡沫干度 （泡沫 质量） ，典型值为 7080%。泡沫压裂液的主要特点是：泡沫液滤失系数低，液体滤失量小，浸入深度浅，返排速度快，对地层伤害小；摩
10、阻损失小(比清水低4060% )压裂液效率高，在相同液量下裂缝穿透深度大。因此，泡沫压裂液尤其适 于低渗低压水敏性油气藏。但是泡沫压裂液温度稳定性差；而且粘度不够 高，难以适应高砂比要求。综合前面所述，选择压裂液要从地层条件出发，根据欲压生产层段及 流体的物理、化学性质决定，压裂液的携砂能力和提供良好裂缝导流能力 是选择压裂液的关键。地层渗透性决定了支撑裂缝尺寸，也影响到压裂液 用量与聚合物用量。由于压裂液费用通常占压裂总成本的一半左右，使用 恰当性能的压裂液是提高压裂经济性的重要途径。 选择压裂液时应考虑下 述原则。(1) 富含粘土的水敏地层，优先选用油基压裂液， 或油水乳化压裂液， 或泡沫
11、压裂液(浅井)，也可以结合粘土稳定剂使用水基压裂液。(2) 低渗低压低孔隙地层，压裂液应有残渣低、滤失少、返排强的特 点；采用粘土稳定剂抑制粘土水化和微粒运移；加入表面活性剂降低界面 张力，加入破乳剂或 /和破胶剂利于返排。(3) 高温井的压裂液具有良好的热稳定性、 抗剪切稳定性和延迟交联 特性，保证压裂液的高粘度和携砂特性。2.2 压裂液体系压裂液体系必须储层特点相适应性，储层压力系数低 (0.92) 、油藏温度较低(约59。0、粘土含量主要为伊利石和蒙脱石、没有天然裂缝的低渗透油藏。鉴于探井需偏高估计储层破裂压力，按 0.025MPa/m 计。最好采用乳化压裂液，但限于目前时间关系，也采用
12、(延迟 )交联的胍胶水基冻胶压裂液 ，并根据地层条件需要而加入各种添加剂，如 KCl 粘土稳定剂、杀菌剂、表面活性剂、催化剂、杀菌剂等。并考察在压裂 液体系中添加剂的性能指标变化和温度稳定性。2.2.1 稠化剂植物胶是水基压裂液的主要稠化剂，占使用量的 90% 以上。目前国 内广泛使用的植物胶稠化剂是瓜尔胶和香豆胶。国产植物胶稠化剂和美 国改性瓜尔胶性能对比还存在较大差距，但与其它植物胶相比，羟丙基 瓜尔胶和香豆胶性能较好，优于田菁胶、皂仁胶及其改性产品等。改性 瓜尔胶和香豆胶均具有较低摩阻特性，是良好的减阻剂，通过延迟交联 作用，可形成低摩阻的压裂流体。国内目前生产羟丙基胍胶的厂家有山东东营
13、、上海昆山和南充正达 等三家公司。分别对三家公司的羟丙基胍胶 HPG 进行了取样和检测。通 过实验寻找到残渣相对较低、粘度相对较高的羟丙基胍胶，以保证压裂 液有足够的悬砂能力和低伤害特性。表 2-1 是五种稠化剂在不同浓度下的粘度及水不溶残渣量比较，评价实验严格按标准 SY/T5764-1995 、SY/T6074-94 执行。表 2-1 不同植物胶稠化剂主要性能对比品种浓度（%）粘度（170S-1）山东 胍胶昆山 胍胶南充 胍胶胍胶 原粉羟丙基 田菁0.6067.573.584.072.049.50.5560.064.573.564.040.50.5048.052.560.052.530.0
14、0.4537.540.546.540.522.50.4030.036.039.036.018.00.3519.522.530.025.513.5水不溶物（）7.228.04注：商业品样品，直接按 100%计算3.6421.2624.3聿配制浓度，未进彳丁水份测定折干。选择稠化剂的原则是增粘性能好、水不溶物低、降阻效果明显、用量 少。在考察稠化剂性能时，水不溶物残渣含量显得尤为重要，基于对国内 几种常用植物胶稠化剂的水不溶物和增粘能力实验评估结果， 南充正达的 羟丙基胍胶在各种浓度下的粘度都相对高一些，而水不溶残渣相对也低 一些。故选用南充正达羟丙基胍胶为本压裂液配方的稠化剂。2.2.2 交联剂
15、交联剂是通过交联离子将植物胶分子链上的活性基团以化学键连结 起来，形成具有粘弹性的三维网状冻胶。不同的交联剂具有不同的延迟交 联特性、耐温耐剪切性能和破胶降解性能，国内油田常用以有机硼为代表 的交联剂。室内实验表明， SW-3 交联剂针对该储层可以克服对支撑裂缝导 流能力伤害较重、对机械剪切较敏感和粘弹性难以恢复等缺点。2.2.3 表面活性剂 （助排剂 ）使用表面活性剂即助排剂， 改善气藏储层的润湿性，降低毛细管阻力， 消除“水锁”效应和油水乳化的“贾敏效应”是改善压裂液助排性能的重 要内容，这也是大塔地区沙一储层成功改造的关键之一。常规的助排剂是 通过降低表面张力或油水界面张力和增大接触角而减少毛管力， 达到助排 效果的。表 2-给出了五种助排剂的表面张力测试结果， 5 种助排剂的表 面张力都在 2533mN/m 之间。可见 SW-5 助排剂表现出良好的综合性能， 即较低的表面张力和界面张力，较高的接触角，还具有良好的助排效果。表 4 为几种助排剂的表面张力种类 浓度BD1-5 (mN/m
