浅谈压裂工艺.ppt

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浅谈压裂工艺,单位：

湖北中油科昊机械制造有限公司主讲人：

付祥日期：

2015年8月,主讲提纲,四、压后管理评价,一、水力压裂基础知识,二、压裂储层评价,三、压裂设计优化,压裂是怎么回事？

一、水力压裂基础知识,利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝。

液体连续注入使得人工裂缝变得更大。

液体将高强度的固体颗粒（支撑剂）带入并充填裂缝。

施工结束，液体返排，支撑剂留在裂缝中，形成高流通能力的油气通道，并扩大油气的渗流面积。

水力裂缝生长过程,一、水力压裂基础知识,1、岩石力学相关知识,一、水力压裂基础知识,1）岩石的泊松比当岩石受到压应力时,在弹性范围内,岩石侧向应变和轴向应变的比值称之为泊松比,单位:

无因次。

1、岩石力学相关知识,一、水力压裂基础知识,2）岩石的弹性模量当岩石受到拉应力或压应力时,轴向应力与应变的比值为一常数E（A到B）,这个常数称之为岩石弹性模量（应力和应变成线性关系）,单位MPa。

2、相关压力概念,一、水力压裂基础知识,1）破裂压力使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时井底流体压力。

2）破裂压力梯度破裂压力和深度的比值称之为破裂压力梯度，单位MPa/m。

影响因素：

最小水平地应力及地应力非均匀性；渗透性，孔隙度，泊松比，抗拉强度，孔隙压力；地层孔隙连通性的系数；,破裂压力的作用,一、水力压裂基础知识,地层破裂压力是确定井下管柱、井下工具、井口装置压力极限的主要依据；根据破裂压力可以确定压裂施工时的最高地面泵压、泵注排量以及需用设备功率。

地应力大（井深）；非均匀性弱（高温高压下塑性强，泊松比大）,地层破裂压力高。

地层渗透性低，破裂压力高，高渗透和非渗透层间的破裂压力差值可达30以上。

地层塑性大，可变形性强，不易压裂。

地层破裂压力高的原因,2、相关压力概念,3）延伸压力水力裂缝在长宽高三个方向扩展所需缝内流体压力。

一般它比闭合压力大,且与裂缝大小急压裂施工有关,单位MPa。

一、水力压裂基础知识,2、相关压力概念,地面延伸压力计算井底延伸压力：

瞬时停泵压力计算井底延伸压力：

4）闭合压力开始张开一条已存在的裂缝所需流体压力或是裂缝恰好保持不闭合所需的流体压力。

这一压力与地层中垂直于裂缝面上的最小主应力大小相等方向相反。

闭合压力小于开始形成裂缝所需破裂压力,并始终小于裂缝延伸压力（岩石的抗拉强度）。

一、水力压裂基础知识,2、相关压力概念,一、水力压裂基础知识,2、相关压力概念,PF破裂压力PE延伸压力PS地层压力,一、水力压裂基础知识,3、破裂模式裂缝延伸准则,1）裂缝破裂模式,一、水力压裂基础知识,3、破裂模式裂缝延伸准则,2）裂缝延伸准则,一、水力压裂基础知识,4、压裂液,1）概念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。

2）压裂液分类及作用,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。

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。

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。

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。

一、水力压裂基础知识,4、压裂液,2）压裂液分类及作用,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。

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）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。

一、水力压裂基础知识,4、压裂液,2）压裂液分类及作用,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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

货源广便于配制，价钱便宜。

一、水力压裂基础知识,5、支撑剂,1）概念层形成裂缝后,由携砂液输送、携带充填至裂缝中的具有一定强度与圆球度的固体颗粒。

2）作用泵注停止且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态，地层流体可通过支撑剂由裂缝流向井底。

3）支撑剂分类按其力学性质分为两大类脆性支撑剂（如石英砂、玻璃珠等），特点是硬度大，变形小韧性支撑剂（如核桃壳、铝球等），特点是变形大，承压面积随之加大，高压下不易破碎。

一、水力压裂基础知识,5、支撑剂,4）支撑剂要求粒径均匀。

支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压能力及渗透性。

目前使用的支撑剂直径多半是0.420.84mm（4020目），有时也用少量直径为0.842mm（2010目）的。

强度高。

支撑剂组成不同，其强度也不同，强度越高，承压能力越大。

杂质含量少。

压裂砂中的杂质是指混在砂中的碳酸盐、长石、铁的氧化物及粘土等矿物质。

常用酸溶解度来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐、长石和氧化铁含量；用浊度来衡量存在于压裂砂中的粘土、淤泥或无机物质微粒的含量。

主讲提纲,四、压后管理评价,一、水力压裂基础知识,二、压裂储层评价,三、压裂设计优化,二、压前储层评价,1、储层地质特征分析,1）地质沉积及韵律特征主要从沉积相及沉积微相来分析。

结合物源的方向，从宏观上掌握砂体在平面上的岩性、物性分布情况。

结合就地应力的方位，如裂缝走向与砂体岩性及物性变好的方向一致，对压裂的效果就非常有利，此时可根据储层的有效渗透率大小定性确定施工规模的大小。

如砂体分布不连续的透镜状储层，如通过长缝连成一体，也可望获得理想的增产效果。

其次，小层在纵向上的分布特点及岩性、物性差异也须值得关注。

如小层纵向上分布集中，岩性、物性差异较小，可统一作为压裂对象。

另外，地层沉积的韵律特征也同样值得关注。

一般而言，反韵律储层对压裂较为有利，而正韵律或复合韵律油层就不太适合。

但如见到注水效果，韵律油层都没有非韵律油层理想的含量。

砂泥岩组合特征及开发现状分析,二、压前储层评价,1、储层地质特征分析,2）剩余油分布集中区陆相沉积的特点就是储层的纵横向非均质性较强。

即使在一次采油期，在纵向上也存在产出较少而地层压力系数相对较高的潜力层；如储层的连通性相对较好，则在二次采油期，潜力层产出及注入量都较小。

因此，即使全井的综合含水率较高，有的甚至达80%以上，但仍可对其潜力层进行分层压裂，并达到增油降水的显著效果。

3）物质基础与能量基础压裂要有效，首先必须有物质前提，也就是剩余可采储量的多少。

能量基础就是目前储层压力系数的高低。

矿场经验表明，压力系数过高或过低都难以获得理想的增产效果。

一般而言，压力系数以0.7-1.3范围为好。

砂泥岩组合特征及开发现状分析,二、压前储层评价,2、储层敏感性分析,储层的速敏性：

是指在钻井、测试、试油、采油、增产作业、注水等作业或生产过程中，当流体在储层中流动时，引起储层中微粒运移并堵塞喉道造成储层渗透率下降的现象。

速敏评价实验的目的找出由于流速作用导致微粒运移从而发生损害的临界流速，以及找出由速度敏感引起的储层损害程度；为水敏、盐敏、碱敏、酸敏四种实验及其它的各种损害评价实验确定合理的实验流速提供依据。

一般来说，由速敏实验求出临界流速后，可将其它各类评价实验的实验流速定为0.8倍临界流速，因此速敏评价实验必须要先于其它实验；为确定合理的注采速度提供科学依据。

速敏评价实验,二、压前储层评价,2、储层敏感性分析,酸敏概念：

酸化酸液进入储层后，一方面可改善储层的渗透率，另一方面又与储层中的矿物及地层流体反应产生沉淀并堵塞储层的孔喉。

指储层与酸作用后引起渗透率降低的现象。

酸敏实验目的：

其本质是研究酸液与储层的配伍性，为储层基质酸化和酸化解堵设计提供依据。

酸敏评价实验,主讲提纲,四、压后管理评价,一、水力压裂基础知识,二、压裂储层评价,三、压裂设计优化,三、优化压裂设计,1、需收集的资料,井身结构、套管、油管及井口状况包括井口装置的规范、井身结构、井下管柱（套管、油管），油套管尺寸、钢级、抗拉、抗内压、抗外挤及下深等，水泥返深、固井质量等。

井下工具井下工具的名称、尺寸、耐温耐压、位置及工作原理等射孔参数射孔井段，弹型号，孔密、孔径、相位等。

主要资料,三、优化压裂设计,2、压裂设计所需参数,压裂目的层及邻层的厚度及其横向展布；压裂目的层的渗透率和孔隙度大小及其邻层岩石力学特性；岩石力学特性包括应力大小、杨氏模量、泊松比、断裂韧性；天然裂缝的发育及分布；断层的发育及分布；岩性及矿物组成和储层敏感性；储层流体特性；压裂液性能；压裂液的类型、流变性能、耐温耐剪切性能、滤失性能、摩阻及对岩心的伤害等。

支撑剂特性；支撑剂的类型、粒径范围、密度、圆度、球度、抗破碎率等物理性能，酸溶解度等化学性能及不同闭合压力下的导流能力和渗透率等。

三、优化压裂设计,2、压裂设计主要内容,2.1、压裂设计储层保护原则2.2、设计优化思路2.3、裂缝长度的确定2.4、平均砂比确定2.5、前置液量确定2.6、施工排量的优化2.7、泵注程序优化2.8、压裂液优化2.9、注入方式优化2.10、压裂井段优化,三、优化压裂设计,2、压裂设计主要内容,1）以预防为主，解堵为辅地层损害常常是不可逆的；解堵损害困难、成本高、效果差；2）尽可能不让入井流体进入或少进入油气层入井流体进入后可能造成地层岩石或流体复杂的物理化学变化；入井流体返排常常困难；3）进入的流体应与储层岩石或流体配伍；,压裂措施在改善储层渗透性的同时也不可避免对储层产生了伤害,压裂改造对储层伤害主要表现以下方面:

液锁（降低油水界面张力）、压裂液残渣（优选压裂液）、水敏（加粘土稳定剂）、乳化（防乳化剂）、固相侵入（支撑剂优选）。

2.1、压裂设计储层保护原则,三、优化压裂设计,2、压裂设计主要内容,2.2、设计优化思路,三、优化压裂设计,2、压裂设计主要内容,2.2、设计优化思路,a.根据增产要求确定裂缝长度和导流能力；b.预选施工排量、前置液量和携砂液量；c.计算动态裂缝几何尺寸；d.支撑剂在裂缝中的运移与分布，确定支撑裂缝几何尺寸；e.计算支撑裂缝长度和导流能力以及增产倍比；f.如果满足增产要求则结束，否则重选液量、砂量，返回（c）重新计算。

三、优化压裂设计,2.3、裂缝长度的确定,低渗层（K10-3um2），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。

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。

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。

2、压裂设计主要内容,三、优化压裂设计,2.4、砂比的确定,砂液比综合反映了压裂材料的性能，设备能力以及压裂设计与现场施工水平，是衡量压裂工艺技术水平的一项重要指标。

提高砂液比并非易事，但经努力是可以实现的。

一般情况下，对低渗油气藏需造长缝，但不需太高导流能力，因此平均砂液比在30%即可。

对中、高渗油、气藏则需短、宽高导流裂缝，因此平均砂液比要达到40%以上。

对深井和/或杨氏模量大的井层，起始砂液比和平均砂液比适当低些，以保证施工的安全。

为预防砂堵，提倡多级渐近式加砂程序设计。

2、压裂设计主要内容,三、优化压裂设计,前置液用量考虑两个因素：

一是地层高温，需要冷却；二是为了高砂比压裂的施工安全。

根据增产要求确定裂缝长度和导流能力；Vpad,前置液体积，m3；Vinj注入体积，m3；压裂液效率。

Nolte提出了基于压裂液效率确定前置液量的近似解析法。

fc与压裂液效率有关的系数,2、压裂设计主要内容,2.5、前置液量确定,三、优化压裂设计,1）选择施工排量考虑的因素,

（1）地层的吸液速度施工排量必须大于地层吸液速度，即最小极限排量。

（2）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。

（3）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，根据井底破裂压力、液柱压力、套管或采油树允许承受压力确定套管极限摩阻压力。

设井底破裂压力为，井口施工泵压为，管柱摩阻为，孔眼摩阻为，井筒液柱压力为。

=,2、压裂设计主要内容,2.6、施工排量的优化,三、优化压裂设计,1）选择施工排量考虑的因素,（3）设备能力的要求根据压裂时的压力P和总流量Q计算出发动机应配备的功率，再计算压裂车的台数，即：

发动机功率（压力Px总流量Q）/总效率压裂车数目=发动机功率/每台压裂车动力及功率考虑到压裂车数目的工作条件、新旧程度等，确定压裂车的数目应留余地；,2、压裂设计主要内容,2.6、施工排量的优化,三、优化压裂设计,1）选择施工排量考虑的因素,（4）裂缝高度一般在井口限压允许的条件下，应尽可能提高施工排量，但由于增加排量裂缝垂向延伸也将增加，故施工排量的选择应使用裂缝模拟，确保提高排量时裂缝不至于过度垂向延伸。

2、压裂设计主要内容,2.6、施工排量的优化,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，特别是对于多层的情况，施工排量高是有利的。

三、优化压裂设计,优化加砂程序的目的：

安全施工为最基本要求，如超深井以低起步多级渐近式加砂程序为好；获得合理的裂缝支撑剖面，防止井筒附近裂缝内渗流阻力的突变；以地层压力容量为界限，在安全的前提下，尽量提高阶段砂液比，以减少滤饼的影响。

2、压裂设计主要内容,2.7、泵注程序的优化,需考虑的主要因素：

储层的滤失性及其变化；就地应力及其变化；多层压裂，薄互层的影响；排量及其变化；压裂液的携砂性能及变化；,考虑砂浓度、粒径与造缝宽度的优化匹配关系。

三、优化压裂设计,根据储层敏感性评价选择压裂液体系油基、水基、酸基、压裂液添加剂优选稠化剂、交联剂、破胶剂、助排剂、PH调节剂、杀菌剂等压裂液质量控制交联时间及破胶时间优化,2、压裂设计主要内容,2.8、压裂液的优化,三、优化压裂设计,压裂液综合滤失对裂缝尺寸影响很大,2、压裂设计主要内容,2.8、压裂液的优化,三、优化压裂设计,2、压裂设计主要内容,2.9、注入方式的优化,注入方式优选的原则是在满足泵注参数的前提下，在限压以下尽可能选择最简单的注入方式，同时使压裂液在井筒中的流动摩阻最低。

通常注入方式有油管注入、环空注入、油套混注入等。

裸眼井水力喷射套管完井;,三、优化压裂设计,2、压裂设计主要内容,2.10、压裂井段优化,优点是压裂目的明确，针对性强，相对施工强度大，有效率高，由于封隔器与桥塞的间距不受限制，因此可以结合限流量或封堵球等分压方法分段处理过长的压裂井段。

要求:

各目的层组之间具有良好的封隔性能，除了各个目的层之间具有厚的隔层外，还要求封隔层上的最小主应力值与目的层（相邻目的层）中最小主应力之差约大于7.0MPa，否则将难以隔开，而形成一条裂缝，进而无法达到压裂改造的目的。

分压（封隔器桥塞法）,主讲提纲,四、压后管理评价,一、水力压裂基础知识,二、压裂储层评价,三、压裂设计优化,四、压后管理评价,1、排液及助排,1）排液,根据压裂液破胶时间和裂缝闭合压力，制定合理的排液时间与排液方式，保证获得较高的自喷返排率。

关井时间：

一般为2小时开井排液,特殊井可做适当调整：

尾追树脂砂关井时间一般3-6小时，若地层温度较低，压裂规模过大可适当延长，破胶液粘度低于5厘泊。

现场排液一律要求使用油嘴排液，油嘴使用视开井时井口压力而定，参考以下油嘴执行。

若不能自排要及时采取有效措施助排。

酸压井排液要做好排液前有害气体防护及相关安全保护措施。

四、压后管理评价,1、排液及助排,2）气举快速返排,气举排液理论是在气举采油理论基础上的进一步发展和延伸，是以较低的井口注气压力，充分利用气体的膨胀能和举升效率，以较短的时间来达到排空井筒液体和地层滞留的压裂残液为目的。

气举排液过程类似于气举采油卸载过程，但同气举采油相比，二者存在一定的相同点，同时在实质上存在很大差异。

四、压后管理评价,1、排液及助排,3）气举助排,气举技术特点：

可实现压裂气举排液一趟管柱，压裂后即可以实施快速返排，简化了作业工序，缩短压裂液在地层的滞留时间,避免伤害地层；使用多级气举阀，可有效降低深井排液启动压力，避免或减少回压过高对地层造成的伤害；承压能力高，过流通径大，配套压裂管柱不形成节流；返排速度快，全井返排时间为48小时；返排液量大可一次性返排至井底；配套设备少，工艺简单可靠。

配套防硫工具，可在含硫油井中安全应用。

四、压后管理评价,1、排液及助排,3）气举助排,气举快速返排技术应用效果：

气举排液技术，气举排液工具承压达100MPa，可实现压裂、排液、完井一趟管，排液速度快，极大的减少油层伤害，大幅度提高作业效果。

四、压后管理评价,1、排液及助排,4）液氮助排,利用氮气隔离、降滤及增能助排功能，在压裂时注一定量的前置液氮或与前置液和携砂液混注，实现压后压裂液快速返排，减少压裂液对储层及支撑裂缝导流能力的伤害。

四、压后管理评价,2、裂缝评价,水力压裂效果评价的意义:

评价的结果可以验证或修正水力压裂中使用的模型、选择压裂液、确定加砂量、加砂程序、采用的工艺以及开发方案等，进而降低压裂成本和提高油气采收率，达到合理高效开发油气田的目的。

四、压后管理评价,2、裂缝评价,四、压后管理评价,2、裂缝评价,1）温度测井,压裂施工期间，压裂液使地层冷却，由压前和压后的井温剖面对比，确定压裂裂缝的高度。

压前和压后的井温测量,四、压后管理评价,2、裂缝评价,2）伽玛射线测试,监测压裂液和支撑剂中的放射性示踪剂，确定压裂施工期间压裂液和支撑剂所到达的区域。

使用不同的放射性同位素可以确定不同的施工阶段。

要求：

放射性同位素不发生自然扩散。

伽玛射线测井与温度测井对比,四、压后管理评价,2、裂缝评价,3）井下微地震,使用地下声波遥测技术，利用震源的压缩波和剪切波先后到达的时间差，确定震源到各检波器之间的距离。

利用井下地震声波和震动记录，可确定裂缝方位，以及在目标层上、下邻近层内的裂缝延伸状况。

四、压后管理评价,敬请指正！