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压裂技术
第六章 油层水力压裂
一、油气井产量低的主要原因
1.近井地带受伤害,导致渗透率严重下降
2.油气层渗透性差
3.地层压力低,油气层剩余能量不足
4.地层原油粘度高
二、油气井增产、水井增注途径
1.提高或恢复地层渗透率
2.保持压力增加地层能量
3.降低井底回压
4.降低原油粘度
三、油气井增产和水井增注方法
1.水力压裂 Hydraulic Fracturing
2.酸化Acidizing
3.爆炸Explosion
4.其它
四、各类储层中增产方法的使用
砂岩储层SandstoneFormation
水力压裂、基质酸化
碳酸盐岩储层
水力压裂、基质酸化、酸压
特低渗坚硬储层
高能气体压裂
五、水力压裂、酸化的作用
在勘探阶段--增加工业可采储量
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
--二次和三次采油中应用
控制井喷
其它--煤层气开采
--工业排污
第一节造缝机理
在压裂中,了解裂缝的形成条件,裂缝形态及方向对有效地发挥压裂在增产,增注中的作用是极为重要的。
但由于地下条件的复杂性,虽然进行了大量的研究,但仍未得到较好的解决。
地层中造缝的影响因素
①岩石力学性质及压裂液渗滤性质
②井底附近的地应力及其分布
③注入方式
1.地应力及其分布
一般情况下,地层中的岩石处于压应力状态。
作用在地下某单元体上的力有垂向主应力及水平主应力。
(1)应力
①垂向应力:
作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量,其数值约为
由于油气层中均有一定的孔隙压力pp(即地层压力或流体压力),部分上覆岩层的压力σz被多孔介质中的流体压力支持。
②有效垂向应力:
σze=σ2-Pp
③岩石的有效水平应力为:
单元体在x轴方向上的应变为:
侧向应变为0,令σx=σy则得
(2)地质构造对应力的影响
受地质构造影响发生很大的变化,各个方向的应力也彼此不等。
如果岩石单元体是各向同性材料,岩石破裂时的裂缝方向总是垂直于最小主应力轴。
(3)井壁上的应力
1)井筒对地应力及其分布的影响
采用弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔模型来分析井壁应力:
圆孔周向的应力分布:
A)当r=a且σx=σy=σH时,σφ=2σx=2σy=2σH
说明圆孔壁上各点的周向应力相等,与φ值无关。
B)当r=a,σx>σy 时,
2)井眼内压所引起的井壁应力
简化:
根据拉梅公式(拉应力取负号),当厚壁筒外边界半径re→∞,厚壁筒外边界压力Pe=0时,井壁上r=a处的周向应力:
井筒内压引起的井壁周向应力与内压大小相等,符号相反。
3)压裂液径向渗入地层所引起的井壁应力
由于注入井中的高压液体在地层破裂前,渗入井筒周围地层中,形成了一个附加应力区,它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。
增加的周向应力值为:
其中:
Cfs--岩石骨架压缩系数
Cf--岩石体积压缩系数
4)井壁上的总应力
总周向应力:
总垂向应力:
2.造缝条件
为使地层破裂,必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度。
(1)形成垂直裂缝
条件:
如果地层的破裂属于纯张力破坏,那么随井内注入压力Piwf的不断增加,当Piwf达到或超过井壁附近地层的最小周向应力及岩石水平方向的抗张强度σth时,在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝,即:
即:
1)当有滤失时:
用σye=σy-Pp 、σxe=σx-Pp
代入上式有:
2)无滤失时:
有:
(2)形成水平裂缝
条件:
当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小垂向应力及岩石的垂向抗张强度时,在垂直于垂向应力的方向上产生水平裂缝,其条件为:
1)存在滤失时:
2)无滤失时:
第二节压裂液
压裂液是为造缝与携砂使用的液体,是水力压裂的关键组成部分。
压裂液是一个总称,根据其在压裂过程中的任务不同可分为前置液、携砂液和顶替液
一、压裂液分类及作用
1)前置液:
作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入,它还起到一定的降温作用。
有时为了提高前置液的工作效率,在一部分前置液中加细砂以堵塞地层中的微隙,减少液体的滤失。
2)携砂液:
作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去。
在压裂液的总量中,这部分占的比重较大。
有造缝及冷却地层的作用。
3)顶替液:
作用是打完携砂液后,用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中。
中间顶替液用来将携砂液送到预定位置,并有预防砂卡的作用。
二、性能要求
前置液及携砂液必须具备的性能要求:
1)滤失少:
压裂液的滤失性主要取决于它的粘度与造壁性,粘度高则滤失少。
在压裂液中添加防滤失剂,能改善造壁性并大大减少滤失量。
2)悬砂能力强:
压裂液的悬砂能力主要取决于粘度,压裂液只要有足够高的粘度,砂子即可完全悬浮,这对砂子在缝中分布是非常有利的。
3)摩阻低:
压裂液的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下,利用造缝的有效功率愈大。
摩阻过高不仅降低了有效功率的利用,且由于井口压力过高,排量降低。
4)稳定性:
压裂液应具有热稳定性,不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低;液体还应有抗机械剪切的稳定性,不因流速的增加而发生大幅度的降解。
5)配伍性:
压裂液进入地层后与各种岩石矿物及流体相接触,不应产生不利于油气渗滤的物理—化学反应。
6)低残渣:
要尽量降低压裂液中水不溶物的数量,以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率。
7)易反排:
施工结束后大部分注入液体反排出井外,排液愈完全,效果愈好。
8)货源广:
便于配制,价钱便宜。
三、压裂液的类型
随着水力压裂技术的发展,压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基、油基、酸基压裂液及泡沫压裂液等。
(1)水基压裂液
水基压裂液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂,制成能悬浮支撑剂的稠化溶液,具有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点。
缺点:
但热稳定性和机械剪切稳定性较差。
为了克服这一缺点,又发展了交链压裂液和延迟交链压裂液。
(2)油基压裂液
a.矿场原油或炼厂粘性成品油
b.稠化油,稠化油=油(原油、汽油、柴油、煤油、凝析油)+稠化剂(脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐
(3)酸基压裂液
用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中,以甲醛交链而得到酸冻胶。
酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压。
(4)多相压裂液
1)泡沫压裂液
外相:
水、水基溶胶或水基冻胶
内相:
气体
优点:
对地层伤害小、携砂能力和造缝能力强、易于反排、摩阻低等特点。
缺点:
所需注入压力高。
2)乳化压裂液
乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系。
优点:
携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损害小、排液快。
缺点:
摩阻大、成本高
四、压裂液的滤失性
压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中的滤失。
主要受三种因素的控制
①压裂液的粘度
②地层岩石及流体的压缩性
③压裂液的造壁性。
(1)受压裂液粘度控制的滤失系数
当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时(即:
μa<μo)时,压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度,压裂液在多孔介质中的实际渗流速度va为:
受压裂液粘度控制的滤失系数
入达西公代式:
(2)受地层流体压缩性控制的滤失系数
当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时,即(μa≈μo)时,压裂液的滤失主要取决于地层流体的压缩性。
这是因为流体受到压缩,让出一部分空间,压裂液才得以滤失进来。
Δq以为因压力降低Δp所引起的液体的膨胀dV(忽略岩石的体积膨胀),则单元地层体积内液体的体积V为:
上式对x求导得缝壁面上的压力梯度值:
(3)具有造壁性压裂液的滤失系数C3
有的压裂液具有很好的造壁性,其中添加有防滤失剂(硅粉或沥青粉等),能在壁面上形成滤饼,有效地降低滤失速度,其滤失系数由实验方法确定。
(4)综合滤失系数C
根据水电相似原理有
第三节 支撑剂
一、支撑剂的种类
1.概念:
压裂地层后用来支撑裂缝壁面,使之在地应力作用下不再重新闭合的固体颗粒。
2.作用:
支撑裂缝,增大地层孔隙度,提高渗透率。
3.种类:
根据其机械性质,一般可分为两大类:
(1)脆性支撑剂
如石英砂、陶粒、玻璃球等。
特点:
硬度大,变形小。
(2)韧性支撑剂
如各种塑料球、核桃壳、铝合金球等。
特点:
变形大,在高压下不易被压碎或嵌入。
支撑剂使用情况
1、目前最广泛使用的支撑剂仍然是石英砂。
原因:
采集方便、分选设备简单,来源广,成本低。
缺点:
强度较低,开始破碎压力约为21~35MPa,不适宜在高闭合压力的井使用。
2.人造陶粒支撑剂
人造支撑剂最常用的是烧结铝钒土,即陶粒。
密度3800kg/m3,强度105MPa。
优点:
强度高,破碎率低,导流能力高,性能稳定。
缺点:
相对密度大,对压裂液提出了更高要求;制造过程比石英砂复杂,成本高,限制了陶粒的使用。
(只能少量使用)
3.树脂包层支撑剂
它的制作方法是用树脂把砂子包裹起来,树脂薄膜的厚度约为0.127~0.25mm。
优点:
①树脂薄膜包裹起来的砂子,增加了砂粒间的接触面积,从而提高了抵抗闭合压力的能力;
②树脂薄膜可将压碎的砂粒小块、粉砂包裹起来,减少了微粒间的运移与堵塞孔道的机会,从而改善了填砂裂缝导流能力;
③树脂包层砂总的体积密度比上述中强度与高强工陶粒要低很多,便于悬浮,因而降低了对携砂液的要求;
④包层砂具有可变形的特点,使其接触面积有所增加,防止了支撑剂在软地层的嵌入。
缺点:
制作加工较复杂,其成本较高。
(因此大量使用还有困难。
)
二、压裂施工对支撑剂的性能要求
一般说来比较理想的支撑剂应具有:
①粒径均匀,密度小
相对密度低,最好低于2,以便于携砂液携带。
②强度大,破碎率小
能承受高闭合压力的作用,以满足深井压裂的要求。
③圆度和球度高
④杂质含量少
⑤来源广、价廉
按体积计算,价格与石英砂同价。
三、支撑剂在裂缝中的运移沉降规律
1.支撑剂在裂缝中的受力分析
支撑剂在裂缝中运动时,共受三个力的作用。
支撑剂自身的重力,压裂液对它产生的浮力,以及压裂液运动对它产生的向前的推力。
1)当浮力大于重力时,砂子处于悬浮状态,在压裂液的推力作用下,将砂子带到地层深处。
2)若浮力小于重力,则砂子就会在裂缝中沉降。
2.支撑剂在垂直裂缝中的运移沉降规律
(一)全悬浮型支撑剂分布
(条件:
浮力大于重力)
压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来,在整个施工过程中很少或没有支撑剂沉降,压裂液所到之处,皆有支撑剂,离井轴越远,该处的支撑剂浓度越高,而井底附近则接近加砂浓度。
裂缝内的砂浓度(裂缝内砂比):
是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量。
地面砂比:
单位体积混砂液中所含支撑剂质量;
(二)沉降式支撑剂分布的矩形理论
1)形成梯形砂堆
初期砂堆-携砂液进入裂缝后,滤失,砂浓度逐渐上升,当浮力小于重力时,砂子逐渐下沉。
在裂缝最下部运动的砂子,首先沉积在裂缝底面上,形成砂堆。
上部的砂子沉积下来,使砂堆迅速加高,此时砂堆长度几乎不变。
这个砂堆称为初期砂堆,如图6-12所示。
由于砂堆不断增高,使携砂液流动的通道逐渐变小,流速加快,沉积在砂堆面上的砂子又被卷起来继续向前运动。
当砂子沉积和被卷起来的速度达到平衡时,砂堆就不再升高了。
平衡状态(液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力,此时颗粒停止沉降,这种状态称为平衡状态)
平衡流速-平衡时的流速称为平衡流速,即为携带颗粒的最小流速。
在此流速下,颗粒的沉降与卷起处于动平衡状态。
2)梯形砂堆延伸
砂子就在液流的携带作用下,越过初期砂堆,沉积在流动的前方,使砂堆以恒定的高度向前延伸,直到加砂结束为止。
即在单一粒径砂子的条件下,先进入裂缝的砂子,先沉降,后进入的砂子后沉降,当达到平衡高度后,后面的砂子才开始向远处运移沉降,其砂堆不断向深处延伸,直到加砂完毕为止。
纵剖面的分布:
3.支撑剂在水平裂缝中的运移沉降规律
压裂液在水平裂缝中的运移,呈幅射状。
远离井筒之后,流动面积迅速增大,流速迅速下降。
同时由于滤失,砂比增大,砂子迅速沉降、堆积。
支撑剂在水平裂缝中的运移沉降规律是:
先注入的砂子沉积在远处,后注入的沉积在近处。
对水平裂缝,欲使形成较长的有效裂缝,就应改善压裂液的携砂性能,并提高施工排量。
根据砂子在裂缝中的运移沉降规律,为了获得较好的压裂效果,可使用不同粒径的混合支撑剂,并使大颗粒支撑剂沉积在井筒附近。
其注入程序为:
垂直缝:
先注入大颗粒砂子,后注入小颗粒砂子,大颗粒便可沉积在井筒附近。
水平缝:
先注入小颗粒砂子,后注入大颗粒砂子,大颗粒即可沉积在井筒附近。
四、支撑剂的选择
一般的定性标准:
所有地层都选择多层紧密排列;
中浅层可考虑选用粒径较大的石英砂;
深层可考虑选用粒径较小的石英砂,铺砂浓度取大一些;
缝口附近可考虑少量使用高强度支撑剂。
第四节压裂设计
水力压裂优化设计是以获得最大经济净现值为目标的压裂设计,一般包括三项内容:
1)不同缝长及裂缝导流能力下的油、气日产量;
2)确保上述缝长及裂缝导流能力的作业设计(压裂液用量、支撑剂用量及加砂程序);
3)可获得最高净现值条件下的缝长
进行这样的经济优化设计,必须以油藏模拟、裂缝模拟与经济模型等为基本手段。
优选出最高经济净现值的设计方案。
1.压裂设计所需参数
压裂设计参数分为不可控制参数和可控制参数。
不可控制参数是指无法进行调整的储层特征参数,包括:
储层渗透率和孔隙度;储层净厚度;储层应力状态;储层压力和温度;储层流体特性及其饱和度;邻近遮挡层的厚度及其延伸范围和应力状态。
可控制参数是指可以加以调整来进行优化压裂设计的完井特征参数,包括:
井筒套管、油管及井口状况;井下设备;射孔位置和射孔数;压裂液和支撑剂;施工排量等。
2.压裂井的产量预测
(1)垂直裂缝
1)普拉兹(Platz)认为如果裂缝的导流能力及填砂裂缝的长度是有限的,裂缝相当于增加了井的有效半径。
如果井半径较小,填砂裂缝又具有较高的导流能力,井的有效半径可按缝长的1/4来计算。
压裂后井的增产倍数可表示为
2)如裂缝的单翼缝长小于供油半径的1/10,即Lf<0.1re时,可采用下式计算
3)麦克奎尔与西克拉法
麦克奎尔(McGuire)与西克拉(Sikora)作出了电模拟曲线,如图13-6;该曲线的拟合方程为:
增产倍数曲线意义
①低渗层(K<10-3um2),因为容易得到较高的裂缝导流能力比值,欲提高压裂效果,应以增加裂缝长度为主。
这是压裂低渗、特低透层采取大型压裂技术增加缝长的根据。
②高渗层,不容易得到较高的裂缝导流能力比值,欲提高压裂效果,应提高(Kb)f,片面追求长Lf得不到好的效果。
③对一定缝长,存在一个最佳裂缝导流能力,超过该值而增加裂缝导流能力的效果甚微。
④无伤害井的最大增产比为13.6倍。
(2)水平裂缝
比尔登(Bearder)认为如果压出的是对称的水平裂缝,则可用下述两种方法预测产量
1)相当于扩大的井径压裂后的稳定生产能力,相当于将井径扩大到裂缝的半径,此时利用径向流动公式:
2)相当于在地层中存在不连续的径向渗透率如果在裂缝半径内的压降为△P1,供油半径至裂缝半径处的压降为△P2,则从供油半径到井底的总压降为△P1+△P2,平均渗透率kav为:
增产倍数可近似的表示为:
qf/qo=kav/k
3.裂缝几何尺寸的确定
压裂设计所需裂缝参数是缝高、支撑缝长和平均支撑缝宽、或者支撑缝宽度剖面。
如前所述,缝高是用目前技术只能做粗略测量的一个参数。
4.砂子在裂缝中的运移及分布
砂子在缝中的移动,主要受重力与液流携带力的控制。
重力企图使砂子沉降下来,携带力则将砂子送至裂缝深处。
压裂液粘度高,砂子在液体中呈悬浮状态,在相当长的施工过程中,砂子很少或基本上没有沉降,液体所到之处,皆有砂子。
由于液体的滤失,离井轴愈远,该处的砂子浓度愈高。
若压裂液粘度不足以使砂子悬浮,砂子进入裂缝后,逐渐沉降下来。
(1)砂子的理论分布裂缝中砂子的理论分布主要有全悬浮式和垂直缝沉降式两种。
全悬浮式砂子分布
压裂的要求:
停泵时支撑剂在缝中仍呈悬浮状态,缝内各处都有一定的导流能力。
若加砂浓度不变,由于压裂液的滤失,缝中的砂分布就会出现缝端部砂浓度(砂比)过高,甚至在缝内发生砂卡,而在近井地带的缝内砂浓度又不足以造成足够的导流能力。
(2)砂子的实际分布
因为砂子粒径不是均等,流速在裂缝中是变化的,粘度也不能保持恒定,这样就出现了复杂的布砂现象。
有的砂沉下来,有的砂还被携带着往远处流动,直到流速低于该粒径的平衡流速,砂子即下沉。
第五节压裂设备及施工工艺
压裂是靠在地层中造出高渗透能力的裂缝,从而提高地层中流体的渗流能力。
从一口井的增产来说,压裂主要解决有一定能量的低渗透地层的产量问题或井底堵塞而影响生产的井。
选井要求:
有足够的地层压力、油饱和度及适当地层系数的井; 另外选井要注意井况,包括套管强度,距边水、气顶的距离,有无较好的遮挡层等。
在选井层的基础上,还要妥善地解决一些工艺技术的问题,保证压裂设计的顺利执行。
一、分层压裂
对多油层的油井压裂,在多层情况下,要进行分层压裂。
利用封隔器的机械分层方法、暂堵剂的分层方法、限流法或填砂法都可以进行分层压裂作业。
(1)堵球法分层压裂
方法:
堵球法分层压裂是将若干堵球随液体泵入井中,堵球将高渗透层的孔眼堵住,待压力蹩起,即可将低渗层压开。
特点:
可在一口井中多次使用,一次施工可压开多层。
施工结束后,井底压力降低,堵球在压差的作用下,可以反排出来。
优点:
是省钱省时,经济效果好。
(2)封隔器卡分法分层压裂
使用封隔器一次多层压裂的施工方法已被广泛采用。
共有三种方法,即憋压分层压裂、上提封隔器分层压裂、滑套分层压裂。
憋压分层压裂是用几个封隔器隔开欲压的各个层段,在每个上封隔器的下面接一个单流凡尔球座,在球座下面的封隔器上安一个带喷嘴的短节,喷嘴用铜皮封隔。
压裂时,先压最下面一层,然后投球封闭底层,再憋压将第二层压开,依次将各层压开。
憋压法压裂一次可压3层。
上提封隔器分层压裂是用封隔器预先按施工设计卡开井下需要压裂的最下1~2个层段,压完后停泵使封隔器胶筒收缩,然后再按预先设计好的上提深度起出部分油管,启泵再进行上一个层段的压裂施工。
滑套分层压裂自下而上进行,首先压裂最下层,压完后不停泵,用井口投球器投一钢球,使之坐在最下面喷砂器的上一级喷砂器的滑套上,憋压剪断销钉后,滑套便会落入下一级喷砂器上,使出液通道封闭,从而压裂第二层,依次类推,可实现多层压裂。
管柱:
采用由导压喷砂封隔器、滑套喷砂器、压裂喷砂器、水力锚、安全接头等工具组成的压裂管柱与限流、炮眼球分级限流、投球法压裂、选择性压裂及常规上提单卡压裂等方法相结合,实现多油层压裂。
(3)限流法分层压裂
限流法分层压裂工艺是当一口井中具有多层而各层之间的破裂压力有一定差别时,通过严格控制各层的孔眼数及孔径的办法,限制各层的吸水能力以达到逐层压开的目的,最后一次加砂同时支撑所有裂缝。
特点:
是在完井射孔时,按照压裂的要求设计射孔方案(包括孔眼位置、孔密度及孔径),从而使压裂成为完井的一个组成部分。
由于严格限制了炮眼的数量和直径以及层内局部射开和层间同时压开,使得该工艺对套管和水泥环的损害较小,一般不会导致串槽。
(1)工艺原理
采取低密度射孔,大排量施工,依靠压裂液通过射孔炮眼时产生的摩阻,大幅度提高井底压力,从而使压裂液自动转向,以相继压开破裂压力相近的各个目的层。
这项技术的关键是:
根据目的地层的物性、砂岩厚度、纵向相邻油层情况及平面上的连通关系,确定合理的布孔方案,确定每个目的层所射孔炮眼数量及直径,以此来控制不同油层的处理强度,获得所需要的产液剖面。
用途:
适用油层多、夹层薄的低渗透新井压裂完井。
通过低密度射孔、大排量供液,造成足够高的炮眼摩阻使井筒内保持相对较高的压力,从而连续压开破裂压力相近的目的层。
二、高砂比、端部脱砂及重复压裂
高砂比、端部脱砂及重复压裂方式都与增加缝中的铺砂浓度有关,都属于高砂比压裂的范畴,但是它们在施工工艺及理论上还有一定差别。
(1)高砂比压裂
所谓高砂比压裂是指裂缝内砂浓度大于10kg/m3的压裂。
主要用于高渗油气层的压裂和重复压裂。
目的:
是要造成高导流能力的裂缝,从而提高压裂的增产效果。
高砂比压裂方法分类
1)大粒径高砂比压裂。
大粒径高砂比压裂基本思想是先压入大量前置液,使地层形成较宽的裂缝,然后泵入携带有高浓度大粒径支撑剂的高粘携砂液,充满裂缝各处,形成具有较高导流能力的裂缝。
2)超高砂比压裂。
超高砂比压裂程序是在压裂前首先对油井及附近地层进行酸化预处理,以清除堵塞及井底附近钙质沉淀物,同时扩大压裂井段孔眼直径,加密孔眼数以防止注入的高砂比携砂液在井底形成砂堵。
通过增加前置液量产生较宽的裂缝,使高砂比携砂液在缝内形成高浓度支撑缝段,提高裂缝导流能力。
(2)端部脱砂压裂
端部脱砂压裂工艺技术的特点是有
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