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国内外压裂新技术

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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 ΟΟ 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。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世界领先水平,应用井深范围 1500压裂施工量为2000 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、国外高能气体压裂技术发展概况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。• 裂深度 裂弹长 次测量压力峰值分别达到 套管进行测井证实套管无损伤。1985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。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 延长油矿首次实验成功,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 形成电缆传输和过油管传输施工工艺。 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。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。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。1)• 天然裂缝发育的油气层• 坚硬致密的油气层成多条径向裂缝。对于脆性较大的坚硬、致密油气层改造效果较好。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 02和 对碳酸盐油气藏起到特殊作用。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。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150 近井地带堵塞严重( S> 3);• 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。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 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。适当降低峰值压力• 选用升压速度较慢的推进剂,国外常用 30、 内常用双芳 3和 18/1双铅 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 2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;• 压裂压力的持续时间。• 二者匹配应适当,并应有足够的总能量。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持井内液柱高度在 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 100 引燃后 5出电缆及气体发生器。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。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。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 5106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 爆 炸 模 拟 示 意 图前置液泵前置液含能敏感压裂液压裂缝井筒油层药剂药品能否压入含油气岩层裂缝?• 药品压入岩层裂缝后能否发生爆炸?层内爆炸是首先以水力压裂方式使地层破裂,然后象携带支撑剂一样把炸药携带入裂缝,炸药粒径 10m, 保证炸药安全的情况下把炸药压入含油气层是完全可行的。中科院力学研究所实验室建立了小尺度模拟实验装置,通过模拟实验,找到了一组用特种火炸药基本配方;在不到 200火和爆燃的基本过程,其峰值压力在100特种火炸药的经济、安全性可能达到生产要求,从而证实 “ 层内爆炸 ” 原理基本可行。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系数大一个量级,建立薄层爆燃药持续传爆的一维模型。xw 0 岩层药层爆 燃 推 进 示 意 图反应产物=1  =0反应区   2 02,  ,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 K)药层厚度( m)恒稳推进速度( m/s)频率因子106 09 012 00 0 50药层厚度( m)温度峰值( K)频率因子106 09 012 105 3105 105 3105 109 3113 3118药层厚度传热系数 001m=00m/s 50m/s s s=104 40m/s s s 35m/238kJ/00m/s 50m/s 000kJ/50m/s 80m/s 45m/面传热系数为 ))不同界面传热系数条件下恒稳推进速度 不同化学反应热条件下恒稳推进速度 给定药层的厚度,药层越薄,维持反应需要的温度越高。• 频率因子越大,恒稳推进速度越大;化学反应热越大,恒稳推进速度越大;界面传热系数越大,恒稳推进速度越小;药层厚度越大,恒稳推进速度越大。) 未爆炸的炸药颗粒是否会随产出液流到井筒和地面?(2) 随产出液进入集输系统的残药颗粒能否分离?(3) 残留在分离后原油中的炸药进入炼油系统后是否会爆炸。井产液携带的未爆炸药颗粒2、油井产油中炸药颗粒的分离进入污水池分解油井产出液携带的未爆炸药颗粒返排压裂液携带的未爆炸药颗粒进入集输系统炸药粒度 >10m,与油水密度差 .0 g/积浓度 93℃ 时,反应主要受传质控制,其反应速度基本与灰岩相当。因此,对低温白云岩,降低酸岩反应速度,可以实现深度酸化的目的。而对于高温白云岩,除可降低反应速度之外,主要应以控制液体滤失的方法来实现深度酸化的目的。级注入的滤失控制机理分析• 国外研究表明,多级注入酸压工艺的滤失控制机理是利用高粘前置液进行造缝,在裂缝壁画形成滤饼,从而控制液体滤失,在酸穿透前一级前置液形成的滤饼并形成酸蚀孔洞的短时间内,再次注入一级粘性前置液,封堵前一级酸液溶蚀出的孔洞,同时形成新的降滤失滤饼,使后一级酸液在穿透这层滤饼之前的滤失得到控制。交替注入粘性前置液和酸液,可以减少后续酸液在前级酸液形成的酸蚀孔洞内的迅速滤失,而使其在裂缝壁面上充分反应。其次,粘性液的流变性能及其对滤失的控制,使酸岩反应的面容比减小,从而明显延缓酸岩反应速度。同注入方式的液体效率比较液滤失控制与提高裂缝导流能力技术•酸液滤失控制技术• 国外以油溶性树脂、 100目硅粉、盐粒等降滤失剂用来桥堵孔隙喉道及微细天然裂缝。采用各种耐酸丙烯酰胺聚合物,以及某些有增稠作用的表面活性剂形成的稠化酸是广泛用来控制酸液滤失的方法。此外,地下交联酸、泡沫酸、前置液酸压和多级前置液酸压技术是目前控制酸液滤失的有效工艺技术。高酸蚀裂缝导流能力方法• 为了在高闭合应力条件下获得较高的导流能力,最好采用多级交替注入闭合酸压技术,以形成粘性指进,增大裂缝不均匀刻蚀程度;通过闭合酸化技术,提高近井裂缝壁面的粗糙度,保持高导流通道。合酸化后闭合压力 (加倍数3 10 20 30 40 40 501 人工模拟模拟酸蚀裂缝 1120 1009 907 815 815 731 7252 常规酸 3级注入闭合酸化 规酸 5级注入闭合酸化 化酸 3级注入闭合酸化 化酸 5级注入闭合酸化 闭合酸化裂缝导流试验结果级注入酸压闭合酸化工艺技术研究及应用•室内试验研究成果• 对均质白云岩地层来说,酸岩反应使裂缝壁面易产生均匀刻蚀,当裂缝闭合后,导流能力会很低。若在常规深度酸压后再采用闭合酸化技术,使裂缝在闭合条件下与酸反应,产生不均匀溶蚀,形成较深的不均匀沟槽,则能保持闭合裂缝有较高的有效导流能力。试验研究表明:采用闭合酸化技术将比常规深度酸化获得更高的有效酸蚀导流能力,其增大倍数高达 50层岩石力学性质研究• 开展就地应力下的岩石力学性质研究,并采用测井方法计算岩石最小水平主应力。利用波速各向异性、古地磁等研究方法确定水力裂缝方位。现场可利用井斜测量仪或微地震法确定裂缝方位。岩反应动力学方程 :• 通过地层岩芯在旋转圆盘实验仪的流动实验,分析酸岩化学反应规律和氢离子有效传质系数的变化规律,确定酸 — 岩反应动力学方程。度酸压改造效果影响因素• 低渗储层的深度酸压改造效果,主要取决于有效酸蚀缝长和酸蚀裂缝导流能力。对这两个参数的影响因素可以分为不可控和可控两类。前者包括地质构造、岩性、渗透率、孔隙度、产层厚度等;后者则为施工工艺类型、液体体系、浓度、液量、排量等因素。在认识储层的基础上,通过对可控影响因素的优化选择,能够实现对滤失速度和反应速度的控制 ,从而获得最佳的有效缝长和裂缝导流能力。 级注入酸压优化设计及参数优选研究• 优化设计软件研究及参数选择• 根据多级注入酸压工艺的需要,目前国外已开发了全三维酸压设计软件,国内万庄压裂酸化中心研制了 “ 多级注入酸压设计软件 ” 、 “ 二维酸压设计软件 ” 、 “ 拟三维酸压设计软件 ” 等软件设计技术。运用这些软件进行模拟计算研究取得了许多成果,如对多级注入酸压实现深度酸压的机理的认识;针对不同地质模式获得的优化设计理论及优化施工参数;各种参数的敏感性分析及结论等。 模拟研究中依据对岩心伤害试验及试井分析确认的储层伤害半径范围及伤害程度 ,输入伤害半径数据和伤害程度、有效渗透率、孔隙度、排量、注入级数、阶段液量等测井或实验数据,模拟研究普通酸常规酸压、稠化酸酸压、前置液 +普通酸酸压、前置液 +稠化酸酸压、前置液 /酸液多级注入酸压等工艺类型,对其产生的裂缝导流能力进行评价优选,对设计进行优化。井筒及缝中温度场模拟研究表明:在注液量达到 30孔孔眼处的温度将从地层温度 (120 下降到50,形成的缝中温度剖面,从射孔孔眼处到地层深部,一般则从 50逐渐上升到地层温度。缝中温度场的变化说明,从缝口到缝内一定距离处的酸岩反应具有表面反应与传质反应的双重待征,裂缝前端的一段距离内以传质反应为主。在高温情况下,白云岩的反应速度接近灰岩的反应速度。缝中温度场的这些变化待点,对液体的耐温性、前置液的破胶时间、破胶剂的加量等方面都有较大的影响,因此可以指导优选液体体系、配方和工艺类型。模拟研究表明:动态裂缝在高度方向上的扩展主要有三种形态:①裂缝在产层内延伸,高度小于产层厚度;②裂缝高度等于产层厚度,这时裂缝呈二维扩展;③裂缝高度穿出产层厚度,裂缝呈三维扩展。在酸压过程中,缝离扩展除受产层和上下遮挡层的应力差、厚度、注液排量等因素的影响之外,注入液体的流变性(如粘度)对其扩展形态影响极大。注入高粘前置液,缝高呈扩展形态;注入酸液,如注普通酸则缝高会较快地停止扩展,并逐渐开始闭合;如注粘性酸液,缝高扩展受粘度高低及滤失大小的控制,即需比较前置液与酸液的粘度高低、滤失大小等情况 ,才能确定其缝高是继续扩展还是保持不变或者是开始闭合。研究表明,注入高粘酸液比注入普通酸缝高扩展明显,但比只注入高粘前置液要小。控制缝高能延长酸岩反应时间 21550%研究表明:①高渗储层( K> 5× 10),有效酸蚀缝长不是决定增产效果的主要因素,导流能力才是主要因素。②中渗储层( 1× 10< K< 5× 10)选用不同的工艺及施工参数,增产效果与设计参数没有 明显待征是有效缝长随排量增大而延长。该类储层优选什么工艺、排量、用酸强度等要视具体的井层条件 ,并进行单井模拟而定。③对低渗储层( K< 1× 10) ,有效缝长对增产效果起主导作用,多级注入酸压是最好的选择。( 2)前置液造缝后 ,注入酸液,动态裂缝开始闭合;再次注入前置液,裂缝又开始扩展,如此往复交替注入前置液与酸液,可以控制裂缝壁面溶蚀孔洞的增长和缝中液体滤失,提高施工液体效率,从而控制动态裂缝几何尺寸(缝长)的变化与酸岩反应面容比(缝宽),实现深度穿透的目的。在注液结束时,注入缝中的第一级前置液所剩无几,裂缝闭合严重,而保留4前端残酸浓度较高,应考虑关井反应;选择高排量、高浓度施工,必须选择控制滤失较好的酸液体系,才能获得较好的改造效果。)、酸液体系的建立• 稠化酸、乳化酸以及地下交联酸是目前广泛应用于碳酸盐岩储层酸压的酸液体系。稠化酸具有良好的低摩阻、缓速、降滤失特性,如压裂酸化中心研制的 0耐温 90 缓速性能是普通酸的 4倍以上。乳化酸一般是油外相乳化液,乳化剂用阳离子与非离子复配而成,具有良好的缓速效果,试验表明乳化酸的有效扩散系数比稠化酸小十倍以上,缺点是摩阻较大,只适用于中浅井的酸压裂。地下交联酸( 一种具有独特流变性的酸液体系,由稠化剂交联酸缓冲剂和交联破胶剂组成。 时不交联,当酸在地层中消耗 ,有优良的降滤失和转向功能,最近国内四川、塔里木引进并应用了该项技术。第一级液体一般采用交联高粘前置液造缝,封堵高渗层及天然裂缝,对重复酸化井,还需充填过去酸化改造所产生及扩大的溶蚀孔洞;后面注入的前置液应选高粘不交联的基液。用液量的选择视试验及软件模拟结果而定。• 注入前置液与酸液的密度要求相近,即实现等密度酸压。目的是将裂缝中受液体密度控制的液体流动效应减小到最低限度。• 各级处理液规模应考虑两段液体交替相之间混合区前置液与酸液相遇使酸稀释,从而减少了各段的有效液量及浓度的问题。因此在较大规模的施工中(如注液级数不小于 7级),不宜选用低浓度酸液。根据多级注入酸压机理,不宜选用滤失控制较差的酸液作为工作液。• 每级液量应选择采用较小的用量,以实现控制每段酸液最后一部分的滤失增长速度和增大的滤失量,一般每一级酸液与前一级前置液液量相同。• 采用过顶替时,后顶液用量要足以保证把最后注入的酸液顶入地层深处并充分反应。重复酸压井则可不用后顶,最后注入的酸液段也可相应降低浓度。国内高能气体压裂技术在施工工艺和 在现场峰值压力控制方面与国外相比还有一定差距。• 射孔 好地疏通油气层。• 复合压裂技术能够有效地降低水力压裂的初始破裂压力,增加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。层内爆炸技术的应用前景广阔,可以开拓压裂改造的新局面,目前该技术还处于研究阶段,距离现场应用还存在较大的技术难题。• 泡沫压裂技术还处于发展阶段,在实验水平、泡沫质量、施工规模、施工工艺等方面与国外还存在较大差距。胜利油田目前还没有进行过泡沫压裂的现场实验,没有相关施工设备。酸压裂技术,国内以勘探开发研究院压裂中心和四川油田为代表,进行了大量的实验研究和现场实践,在理论研究和施工规模方面与国外技术相比差距不大,但实验技术相对较低。• 胜利油田近两年来在这一技术领域进行了相对较多的现场应用,取得了较好的增产效果,但实验研究设备和实验技术相对落后,施工工艺和酸液体系还不够完善。对中、高渗透层进行射孔 高射孔有效率,对其增产效果进行跟踪评价。• 利用现有的水力压裂技术结合高能气体压裂技术进行复合压裂技术的现场应用,提高对低渗透复杂地层的施工成功率和改造效果。• 继续保持对层内爆炸技术的研究进展情况的跟踪调研,掌握其最新发展动态。建议 :加强泡沫压裂工艺技术的研究并进行先导试验,引进泡沫压裂设备或加强与国内外技术合作,利用胜利油田丰富的 展 善现有的压裂手段。• 提高酸压裂工艺技术的应用水平,在碳酸盐岩储层的改造中推广应用,并结合近年来发展的泡沫酸液、乳化酸及交联酸等酸液体系,全面完善提高胜利油田的酸压工艺技术,提高胜利油田裂缝性油藏的动用程度。继续保持对国内外压裂新技术的跟踪,及时获取其最新研究成果及发展动态,并结合胜利油田压裂技术现状进行相关技术的研究,加强与国内外先进技术的交流与合作,为胜利油田的压裂技术进一步提高奠定基础。!
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