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压裂工艺-中亚石油

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压裂新工艺 压裂工艺
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油气井增产增注措施李凤君中亚石油注采工程部绪论油气井增产 方法酸化、水力压裂的历史各类储层中增产方法的使用压裂、酸化在勘探开发中的作用油气井增产 方法• 油气井产量低的主要原因• 油气井增产途径• 水力压裂• 酸化• 新工艺、新技术油气井产量低的主要原因• 近井地带受伤害 ,导致渗透率严重下降• 油气层渗透性差• 地层压力低,油气层剩余能量不足• 地层原油粘度高油气井增产途径• 提高或恢复地层渗透率• 保持压力增加地层能量• 降低井底回压• 降低原油粘度油气井增产和水井增注方法• 水力压裂 酸化 爆炸 技术• 高能气体压裂• 水力冲击波压裂• 振动压裂酸化 质酸化 、解堵酸化)压裂酸化 称酸压) 前置液酸压普通酸压或一般酸压酸洗 裂水力压裂常规 水力压裂巨型水力压裂1947年 美国 1949年 美国 1952年 延长油矿• 1955年 玉门油田各类储层中增产方法的使用• 砂岩储层 水力压裂、基质酸化• 碳酸盐岩储层– 基质酸化、酸压、水力压裂• 特低渗储层– 特低渗坚硬储层– 高能气体压裂水力压裂、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工业排污水力压裂 控制井喷水力压裂概念造缝机理压裂液支撑剂压裂设计压裂工艺水力压裂概念水力压裂就是利用地面压裂车组将一定粘度的液体以足够高的压力和足够大的排量沿井筒注入井中。由于注入速度远远大于油气层的吸收速度,所以多余的液体在井底憋起高压,当压力超过岩石抗张强度后,油气层就会开始破裂形成裂缝。当裂缝延伸一段时间后,继续注入携带有支撑剂的混砂液扩展延伸裂缝,并使之充填支撑剂。施工完成后 ,由于支撑剂的支撑作用,裂缝不致闭合或至少不完全闭合,因此即可在油气层中形成一条具有足够长度、宽度和高度的填砂裂缝。此裂缝具有很高的渗滤能力,并且扩大了油气水的渗滤面积,故油气可畅流入井,注入水可沿裂缝顺利进入地层,从而达到增产增注的目的。 水力压裂 缝机理– 裂压力– 延伸压力– 地层压力• = 应力及其分布= +xzy yx一)应 力主应力 : x , y,     x, y, z ( H  度,米z  向主应力 ,岩石比重范围 :   3H  23由广义虎克定律 :总应变 :  321 ,,1)]([同理 :)]([([由于周围岩石的围限作用 :10    (二)地质构造对应力的影响• 地质构造的影响使应力变化裂缝方向总是垂直于最小主应力w(三)井壁上的应力(三)井壁上的应力• 井筒对地应力及其分布的影响  2c o s)31(2)1(2 4422当 r == 0及 180时, = 3y- x当 r == 90及 270时, = 3x-  x = = 2y=2 无关•当 x > )0,180= ())90, 270= ()随 迅速降低 (平方次 )• 应力集中• >  拉应力为负 ))()(222222222当 , 0及 r= = -  121)(P 井壁上的总周向应力 121)()3(=地应力 +井筒内压 +渗滤引起的周向应力二、造缝条件• 讨论应力的目的:– 地层在何种条件下形成裂缝a—产生垂直裂缝; b—产生水平裂缝裂缝面垂直于最小主应力方向岩石破裂力学研究两大基础• 弹性力学基础– 第一强度理论--最大拉应力 >最小主应力• 线弹性断裂力学基础(一 )形成垂直缝• 条件  -压为正,拉为负- 最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度• 有液体渗滤 121)()(23当破裂时, P 12123• 无液体渗滤  P    )(3当破裂时, P  3(二 )形成水平缝条件  - 最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度• 有液体渗滤121)(121)(     121)(     -P 1211当破裂时, 无液体渗滤 有效总垂向应力为:)(     -P 1当破裂时, )破裂压力梯度• 定义千帕 /米• 可以用破裂梯度 α 的大小估计裂缝的形态 。 根据应力分析和矿场资料分析结果 ,• α 小于   深地层出现的多为垂直裂缝 , 浅地层出现水平裂缝的几率多 。 这是由于浅地层的垂向应力相对小些 , 且近地表地层中的构造运动也较多 , 使水平应力大于垂直应力的几率也多 。• 破裂梯度值一般由压裂实践统计得出 , 各地区油田的压裂梯度不同 , 一般变化范围为 ((斤 /厘米 2/米 。对破裂压力推导过高地层处理方法 :•酸化预处理•高效射孔•密集射孔三、压裂施工曲线的分析应用• 曲线分析四、判断裂缝方向的方法• 声波测定• 地电测定• 水动力学试井总 结• 地应力及其分布• 造缝条件• 压裂施工曲线的分析应用• 判断裂缝方向的方法第二节 压裂液•压裂液及其性能要求•压裂液的滤失性•压裂液的流动性质•压裂液对储层的伤害及保护一、压裂液及其性能要求• 压裂液组成• 压裂液性能要求• 压裂液类型• 压裂液添加剂(一 )压裂液组成• 前置液• 携砂液• 顶替液前置液• 作用– 造缝– 降温– 减少 携砂液滤失– 防砂卡• 要求– 一定粘度– 足够用量携砂液• 作用– 将支撑剂代入裂缝– 继续扩张裂缝– 冷却地层• 要求– 粘度高– 携砂能力强顶替液• 作用– 中间顶替液– 尾注顶替液• 要求– 用量适当,避免过量顶替(二) 压裂液性能要求• 滤失低 • 携砂能力强 • 摩阻低、比重大 • 稳定性好 • 配伍性好 • 残渣少 • 易于返排 • 货源广、价格便宜、便于配制滤失低• 造长、宽缝• 用量小、压裂液效率高、成本低• 防砂卡• 污染小 携砂能力强 • 深穿透、饱填砂• 防止井筒沉积( 防脱砂 )• 防砂卡 摩阻低、比重大 热稳定性• 抗剪切稳定性 配伍性好 • 与岩石矿物配伍• 与储层流体配伍(三 ) 压裂液类型• 水基压裂液• 油基压裂液• 乳化压裂液 • 泡沫压裂液• 液化汽压裂液• 酸基压裂液压裂液发展• 四十年代和五十年代– 矿场原油– 凝胶油– 粘性乳化液• 六十年代初期– 凝胶水• 六十年代后期– 水包油乳化液– 水基冻胶压裂液发展• 七十年代以来– 国外 : 水基冻胶压裂液的次数占三分之二,用量占总量的90%以上– 国内 : 则基本上使用的都是水基压裂液。– 目前,泡沫压裂液、液体氮压裂液也开始应用。水基压裂液• 发展– 水 稠化水 水基冻胶• 水基冻胶压裂液组成– 水+添加剂+成胶剂(增稠剂) 成胶液– 水+添加剂+交链剂 交链液• 水基压裂液种类水基压裂液种类 A• 田箐胶水基压裂液– 成胶剂:田箐– 交链剂:硼砂、硼酸、重金属盐类– 破胶剂:淀粉酶、氧化剂– 特点A、丰富、配制方便B、摩阻低C、悬砂性能较好,砂比可达 20~ 25%D、滤失低E、不溶物较多,水溶液易变质水基压裂液种类 B• 羧甲基田箐胶水基压裂液– 成胶剂:羧甲基田箐– 特点与前相比,不溶物较少,残渣含量由 20~30%下降到 5~ 10%• 羟丙基羧甲基速溶田箐胶水基压裂液– 工艺复杂,成本高,货源缺水基压裂液种类 C• 羧甲基纤维素( 基冻胶压裂液– 流变性– 热稳定性– 残渣  滤失量 30分– 破胶– 摩阻水基压裂液种类 D• 聚丙烯酰胺 (甲叉基聚丙烯酰胺 (基压裂液– 已成系列, 适应 40~150ºC– 抗剪切性能强– 低温时残渣低– 90º不易溶解, 配制较难水基压裂液种类 E• 羟丙基胍胶压裂液– 热稳定性好– 抗剪切性能强– 残渣少油基压裂液• 适应 :– 水敏性地层– 有些气层• 发展 :– 矿场原油  稠化油 冻胶油油基压裂液之 稠化油• 基液 :– 原油– 汽油– 柴油– 煤油– 凝析油油基压裂液之 稠化油• 稠化剂 :脂肪酸皂– 脂肪酸铝皂– 磷酸脂铝盐等• 特点 :– 遇地层水后会自动破乳。 油基压裂液之 冻胶油• 特点 :– 粘度高– 摩阻低– 滤失性类似于冻胶水– 耐温性好– 抗剪切能力强,– 破胶水化彻底– 施工简单乳化压裂液两份油 + 一份稠化水 (聚合物 )油相 80%, 不稳定或粘度太高乳化压裂液之 特点• 外相为水冻胶• 摩阻低• 粘度高• 热稳定性好• 悬砂能力特别强• 滤失低,压裂液效率高• 伤害小• 在某些地返排困难• 在大多数情况下,易返排泡沫压裂液• 适用 :–   污染•0-4如果怀疑有水层,完井时应当在水层上方至少 30 米处射孔,特别是产层与水层间不存在坚密的页岩遮挡层时更应如此• 经验表明,对于规模较大的压裂来说,如果页岩遮挡层的厚度不超过 15 米,无论其坚密程度如何,它还是常常不能起到控制裂缝窜层的作用 不宜压裂的井一• 油层压力衰竭不宜压裂(低压力) • 在压裂层与水层或气层间的夹层很薄时• 附近有与水或气的接触面(如底水驱油藏或存在底水的油藏),而且位于裂缝可能通过的方向时。• 高含水井或高油气比井,除非出水或出气层可以堵住时。不宜压裂的井二• 井下技术状况差,例如固井质量不好、或可能窜槽、套管变形或有严重损伤、井下有落物经过复杂措施处理过、或经过大修中的磨铣的井层均不宜压裂。 • 注水效果明显,裂缝比较发育的井层,为了避免油井水淹,是否压裂需慎重。• 高渗透地下亏空的井不宜压裂。稠油井不宜压裂,井底附近严重堵塞的除外施工参数的确定• 施工排量• 施工泵压及水功率• 压裂车台数的确定• 压裂液和支撑剂用量施工排量的确定• 为了在井底有足够的流体憋起高压,选择施工排量要考虑的因素是:• 地层的吸液速度。– 施工排量Q必须大于地层吸液速度Q ′,即最小极限排量。 施工排量的确定• 不同排量下所需的压裂液用量 。– 实践表明,当滤失系数一定时欲压开一定大小的裂缝,采用较高的施工排量可减少所需的压裂液用量;并且施工排量大时,可提高压裂液效率,亦有助于减少压裂液用量。 • 摩阻压力 。– 排量越大,产生的射孔孔眼摩阻和井筒摩阻越高,因此所需的井底施工压力愈大,对设备的要求就越高 。施工排量的确定• 裂缝高度。–施工排量太大,极有可能导致裂缝窜层。特别是对于产层与水层之间的遮挡层不足够坚密,其厚度不是足够大时,窜层是很危险的。施工排量太小时,又不能充分压开产层的有效厚度,特别是对于多产层的情况,施工排量高无疑是有利的。施工排量高还有利于输送支撑剂。( 州 28 施工排量的确定• 此外,要注意对设备能力的要求: – 施工排量受管材和井口装置所能承受的压力的限制 – 施工排量受压裂设备处理支撑剂的能力的限制,施工排量大, 易导致砂子传送带或混砂装置超过负荷。 – 施工排量大,压裂车不易达到要求,即使满足要求,也需更多台压裂车 施工排量的确定• 最小极限排量选择施工排量时,必须首先考虑的是所选排量应大于地层吸液速度,否则无法憋起高压。地层吸液速度Q ′即施工最小极限排量Q min 为i n施工排量的确定• 最大极限排量压裂时的最大极限排量由井口和油套管的允许承受压力而定。 压裂施工时,注液方式一般分为油管注液、套管注液、环空注液以及环空与油管同时注液(简称油套合注)几种方式。虽然注液方式不同,但确定最大极限排量的方法类似。施工泵压及水功率的确定• 井口施工泵压设井底破裂压力为P F ,井口施工泵压为P P ,管柱摩阻为P f ,孔眼摩阻为P m ,井筒液柱压力为P H 。根据压开裂缝的条件,必须P P ≥P F +P f +P m -P H施工泵压及水功率的确定• 施工水功率HP=16.55P P Q式中 :       HP ——井口施工水功率 ,kw; P P ——施工泵压,  MPa;Q ——施工排量,m 3 /min压裂车台数的确定• 按功率计算 设压裂车的功率为H η,机械效率为 η,则所需压裂车台数为 压裂车数=)2~1( 压裂车台数的确定• 按排量计算 设压裂车单车排量为q,则所需压裂车台数为 压裂车数=Q /q+(1~2)压裂液和支撑剂用量的确定• 压裂液的选择基于一系列评价试验和工艺要求。• 支撑剂类型、粒径和用量及压裂液用量的确定基于优化设计计算。设计计算• 确定储层及井基本参数• 由 0确定 (WK)f, 预定排量、用液量、加砂量• 动态裂缝几何尺寸计算• 支撑剂沉降及运移计算• 计算支撑缝长、导流能力、增产倍比• 偏差计算经济技术分析和评价• 施工投资大,风险大• 评价目的:确定经济上合理,技术上可行的方案第五节 压裂工艺多层压裂技术暂堵剂分层压裂工艺孔眼堵塞球法压裂工艺限流法分层压裂技术填砂法压裂技术氮气压裂技术控缝高压裂技术端部脱砂压裂技术重复压裂技术油藏整体压裂技术 (油藏优化 )多层压裂技术 大多数油气田都具有多产层 。 在多层的情况下 , 压裂成功率低的原因之一就是压裂液不能按需要进入目的层段 ,从而导致该压开的压不开 , 不应压开的反而压开了 。 因此 , 对于多层的情况应进行分层压裂 。多层压裂技术 B• 在工艺上,分层的方法很多,包括 :使用封隔器的机械分层暂堵剂分层堵塞球分层限流分层填砂分层暂堵剂分层压裂工艺• 应用封隔器 机械分层的压裂 技术在大多数情况下是行之有效的方法 , 但是对于下列两种情况 , 此方法难以实施 。 裸眼段井径过大 , 不能用封隔器隔开压裂层段; 管鞋附近或射孔段之间固井质量差 ,无法封隔压裂层段 。 暂堵剂分层压裂工艺• 暂堵剂选择性压裂 的原理一: –根据油层间或油层内不同部位吸水能力的差别 , 当向井内挤入液体时 , 液体就进入吸能力好的层 , 掺混在液体中的暂堵剂就随之被带到吸收层 , 暂堵剂有一定的粒度 , 进不到油层孔隙中 , 从而将吸收能力好的层或部位的射孔孔眼整个堵住 , 便其不再吸收液体 ,压裂过程中的高压压裂液进不去 , 只能压开吸水能力差的层或部位 。暂堵剂分层压裂工艺• 暂堵剂选择性压裂 的原理二: –当压裂液中添加有堵塞剂后 , 将在井壁处使已经压开并延伸的裂缝堵死 , 隔断压裂液进入裂缝 , 在井底蹩起高压 , 从而在流体封闭井壁较差的地方或是在地层显著薄弱的其它深度处压开新的裂缝 , 这样压开的裂缝 , 暂时先不用临时堵塞剂封堵 , 而是用不含堵塞物质的压裂液加以延伸 , 重复这一过程 , 即能压出多条裂缝 。孔眼堵塞球法压裂工艺 A– 技术原理 将若干堵球随液体泵入井中 , 堵球将高渗层的孔眼堵住 , 待压力蹩起 , 即可将低渗层压开 。 这种方法的基本原理是堵球由压裂液带入井内 , 经压裂管柱 , 最后到达流体所进入的射孔孔眼 。 堵塞球接触孔眼后 , 必将阻止液体流进孔眼 , 因此 , 在孔眼内外出现压差 , 使堵塞球在压差的作用下牢牢地座在孔眼上 , 切断液体进入地层的通道 。 只要井筒压力超过周围的地层压力 , 堵塞球就会堵住孔眼 。孔眼堵塞球法压裂工艺 B一次压裂两个或两个以上的射孔段 , 向井内泵注的压裂液将从渗透率最高的射孔段进入地层 。 第一层压裂完 , 将堵塞球投入顶替液送入井内 , 由于这一射孔段容易吸收液体 , 堵塞球随注入液体 ,在压差作用下坐入孔眼 , 实现密封 。 由于井内仍然保持压力 , 在第一层段压裂完毕进行顶替后 ,紧接着就进行第二个层段的压裂 。 第一个层段的封堵使井内压力蹩高 , 从而压开第二射孔段 , 这一过程 , 视需要可重复进行 , 直到压开全部层段孔眼堵塞球法压裂工艺• 为了在多层压裂中实际而有效地封堵孔眼 , 堵塞球应满足以下条件 :堵球的大小和比重应保证在液体携带下进入并堵住孔眼; 堵球必须十分坚固 , 以免在现场实际压裂压差下从孔眼中挤出;压裂时堵塞球能严密封住孔眼 , 压裂后容易从孔眼中脱落; 堵球的比重应能使堵球脱出孔眼后沉落井底 限流法分层压裂技术– 技术原理: 通过 控制各层的射孔孔眼数及孔眼直径 的办法限制各层的吸水能力以达到压开各层的目的 , 此即限流法 。压开一个以上的射孔段 , 井底注入压力必须超过每一压裂层段的地层原始破裂压力 , 为此必须限制孔眼的大小和数目 。 孔眼摩阻大小直接与压裂液通过孔眼的流量有关 , 因此提高泵注排量 , 必将增大孔眼摩阻 , 每个射孔孔眼好象是一个井下油嘴 , 提高排量 , 井底压力随即上升 , 直到另一层压开 。限流法分层压裂技术• 限流法的特点 是在完井射孔时 , 要按照压裂的要求设计射孔方案 , 包括孔眼位置 、孔眼密度及孔径 , 从而压裂成为完井的一个组成部分 。 由于压裂施工一开始就形成最高压力 、 最大排量 , 因此压裂层段很快相继压开 。 如果地面排量足够大 , 压裂过程可以进行到全部射孔层段压开或者直至注入压力达到套管允许的最大压力为止 。限流法分层压裂技术• 限流压裂法从施工角度讲比较方便简单 ,对于处理多层和薄层很有成效 , 虽然有时水功率费用较高 , 但由于能在一次施工中压开多层 , 总的压裂成本仍较低 。 对于厚层 , 配合采用堵塞球法更为有效 。 填砂法压裂技术• 填砂法是先射开最下部生产层段 , 压裂后用冲洗液将砂子送到井底形成砂柱封堵 ,重复上述过程 , 到全部层段选择性压裂结束为止 。 最后利用在井场的压裂车将砂子从井内反循环带出 。 填砂法压裂技术• 这种方法一是射开一层压裂一层 , 再射开一层再压裂一层 。 另一种不同的方法是一开始便射开全部层段 , 封隔器坐在最底部油层的上部进行压裂 , 然后用砂柱封堵 , 再将封隔器提到上一层的上部 ,重复这一过程即可压开全部层段 , 最后通过反循环把砂柱冲出 。 氮气压裂技术• 在某些特殊地层 , 例如压力低 ( 20MPa以下 ) 、 渗透率小 ( 以内 ) 、 孔隙度低 ( 5 % 以下 ) 、 泥质含量高 、 含有天然裂缝的致密地层 ,不注支撑剂仅用氮气作为压裂液会得到很好的效果 。• 氮气压裂前 , 一般常要借助于酸化手段清洗射孔孔眼 , 酸处理后 , 接着以小排量注氮气破裂地层 , 当施工压力稳定后 , 再提高排量以延伸扩展裂缝 。氮气压裂技术• 与普通压裂相比 , 氮气压裂具有许多优点:– ( 1 ) 没污染 。 氮气相对来讲具有可压缩性并且难溶解 , 所以对水敏性地层几乎没有污染 。由于在氮气压裂中不需要使用降滤剂 , 所以也不会降低地层流体向井底的流动能力 。 此外 ,由于氮气的流动性好 , 因此可以有效地连通地层中的天然裂缝系统 。 氮气压裂技术– 注入液体在地层中的停留时间越长 , 对地层造成的污染越严重 , 对于水敏性地层尤其如此 。使用氮气压裂 , 不需要高成本的返排抽汲装置 ,氮气压裂实际上最大限度地消除了污染问题 ,一旦施工结束 , 注入气体即可马上排出 。 – ( 2 ) 成本低 。 氮气压裂与普通压裂相比成本要低得多 , 一次氮气压裂的费用大约是普通压裂的四分之一 , 有时一口井压裂后 , 几星期的生产利润即可抵消施工成本 。 控缝高压裂技术• 水力压裂时 , 若裂缝向产层上 、 下无限制的延伸 ,进而造成压裂后产量低 、 递减快 、 增产有效期短 ,大大影响了增产增注效果 。 对于存在底水或气顶的油藏 , 裂缝高度无控制延伸 , 容易压穿气顶或含水层 , 造成大量出水出气 。 如果裂缝穿入产层上下的非油气层段 , 造缝长度相应地要减小 , 供油气流动的有效裂缝面积极为有限 , 同时大量的压裂液和支撑剂都消耗在产层以外的裂缝中 。控缝高压裂技术• 控缝高压裂技术就是通过 上浮式和下沉式导向剂 在裂缝的顶部和底部形成人工遮挡层,阻止裂缝中的压力向上下传播,继而达到控制裂缝在高度方向上进一步延伸的目的。端部脱砂压裂技术• 端部脱砂压裂的目的是达到超高导流能力以解决高渗透油气层的稀井高产 、 少投入多产出的经济优化开发问题 , 端部脱砂将使裂缝中的砂浓度面积浓度比常规提高3~4倍以上 , 导流能力由常规的数十 μ m 2 ·cm提高到数百 μ m 2 · cm以上 。 形成超高导流能力除了提高缝中的砂浓度外 , 压开超宽裂缝也是主要技术关键 。 端部脱砂压裂技术• 端部脱砂压裂技术要点 : 从理论上讲 , 前置液应在施工结束时正好从裂缝中全部滤失完毕 , 携砂液恰好达到裂缝最前缘即裂缝端部 , 这时将在裂缝端部附近脱砂产生桥塞 , 裂缝中的净压力因此而急剧升高 。 这在常规施工中是力求避免的 , 但它正是端部脱砂压裂技术的理论依据 。端部脱砂压裂技术• 净压力的升高将迫使裂缝在宽度方向进一步扩展 ,端部脱砂压裂造成的缝宽可以将常规 几个毫米的支撑缝宽增至十到二十甚至更大 , 使裂缝中的面积浓度比常规提高3~4倍以上 , 因此 , 与常规相比 ,必须将地面砂比提高3倍以上 。 端部脱砂压裂技术使净压力有控制地升高而增加缝宽 , 在端部脱砂产生支撑剂桥塞的条件下继续泵注高砂比的混砂液 ,这时支撑剂由裂缝端部向井筒方向回填至缝口 , 形成超高导流能力的裂缝 。 

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