1、水力压裂技术水力压裂技术 汇报人：曲占庆汇报人：曲占庆 中国石油大学中国石油大学( (华东华东). ).石油工程学院石油工程学院 20152015年年4 4月月 汇汇 报报 内内 容容 绪绪 论论 一、一、水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 二、二、水力压裂入井材料水力压裂入井材料 三、三、水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算 四、四、水力压裂井效果预测及方案优化设计水力压裂井效果预测及方案优化设计 五、五、水力压裂裂缝监测及参数识别水力压裂裂缝监测及参数识别 六、六、重复压裂技术重复压裂技术 七、七、水平井开发技术水平井开发技术 八、八、水力压裂存在
2、的问题及新技术水力压裂存在的问题及新技术 绪绪 论论 “水力压裂” 是什么 ? n 利用液体传递压力在地层岩石中形 成人工裂缝； n 液体连续注入使得人工裂缝变得更 大； n 液体将高强度的固体颗粒（支撑剂 ）带入并充填裂缝； n 施工结束，液体返排出来，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。 绪绪 论论 1947年美国首次水力压裂增产作业 u 第一代压裂(1940-1970)：小型压裂（Mini-fracturing） 加砂量较小，主要是解除近井地带污染。 u 第二代压裂(1970-1980)：中型压裂（Medium Fracturing） 加砂量增加，压裂规
3、模增大，提高低渗透油层导流能力。 u 第三代压裂(1980-1990)：端部脱砂压裂（Tip Screen Out-TSO） 应用到中、高渗储层，主要是大幅度提高储层导流能力。 u 第四代压裂(1990-)：大型压裂（Massive Hydraulic Fracturing-MHF）、 开发压裂作为一种开发方式，从油藏系统出发，应用压裂技术。 水力压裂发展历程 绪绪 论论 1、工艺技术方面： 压裂方式:笼统压裂（Commingled Hydraulic Fracturing）、分层压裂（ Separate Layer Fracturing） 压裂工艺:滑套式（Sliding Sleeve）分层
4、压裂、选择性压裂（Selective Fracturing）、多裂缝压裂（Multi-fracture HF)、限流法压裂(Limited Entry Fracturing)、平衡限流法压裂(Balanced LEF)、端部脱砂压裂(TSO Fracturing)、热化学压裂工艺(Thermochemical Fracturing)、水平井压裂 (Horizontal Well Fracturing)、斜直井压裂(Slant-Vertical Well Fracturing)、 小井眼压裂(Slim Hole Fracturing)工艺、高能气体压裂(High Energy Gas Fract
5、uringHEGF）、 2、设备方面：由初期的水泥车,人工加砂,发展到目前机械混砂、自动控制的 K2000型及K1800型压裂车组。 绪绪 论论 3、工具方面：先后研制了水力压差式、压缩式封隔器、导压喷砂器、分层滑 套装置及井口投球装置、地面投蜡球管汇、不压井不放喷井口控制装置等。 4、管柱方面：由初期的光油管喇叭口,发展到分层滑套、可返洗、55MPa、 小井眼等压裂管柱。 5、下井原材料方面：压裂液由初期的清水(Riverfrac Treatment)、原油，发 展到海藻、田菁(Sesbania Gum)、胍胶(Guar Gum)、香豆、魔芋、泡沫、高 聚物等，支撑剂由石英砂(Silica
6、Sand)发展到陶粒(Ceramsite)、以及核桃壳 (Walnut Shell)、树脂砂等。 另外，在压裂机理（Fracture Mechanics）研究、设计软件开发方面也都 取得了长足进步。 绪绪 论论 压裂技术进步，确保低渗透油藏的有效开发 u 低渗透油藏整体压裂和开发压裂技术 u 低渗透气藏大幅度提高单井产量技术 u 复杂岩性储层酸压裂技术 u 深井、超深井压裂技术 u 大型压裂技术 u 裂缝性储层压裂技术 u 页岩气水力压裂技术 u 二、低渗透油气藏水力压裂改造技术现状 工艺技术的基础： 1）压前储层评价 2）室内实验技术 3）新型压裂材料 4）裂缝诊断技术 5）效果评估技术 6
7、） 绪绪 论论 （一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套） 一、机理研究 u 裂缝模拟研究 u 支撑剂长期导流能力研究 u 含砂液流变性 u 压裂液伤害机理 u 应力敏感性 二、新材料研究 u 清洁压裂液 u 低分子压裂液（可重复使用 ） u 缔合压裂液 u VDA（清洁自转向酸） u 改变相渗特性的压裂液 u 超低密度支撑剂 u 清洁泡沫压裂液 绪绪 论论 （一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套） 三、现场应用研究 u 裂缝诊断 u 支撑剂回流控制技术 u 新的压裂优化设计技术 u 利用压裂压降曲线认识储 层技术 u 大型压裂控制缝高技术 u 支撑剂段塞消除近井筒裂 缝摩阻
8、技术 目前的领先技术 u 开发压裂技术 u 重复压裂技术 u 连续油管压裂酸化技术 u 低伤害或无伤害压裂酸化技术 u 压裂防砂与端部脱砂压裂技术 u 人工裂缝诊断技术 u 水平井压裂酸化技术 u 压裂过程的计算机自动化控制与 数据远传 绪绪 论论 （二）国内水力压裂技术主体技术 n 国内发现的油气田越来越复杂，主要类型： （1）低压低渗致密气藏； （2）低渗特低渗透油藏； （3）深层火山岩气藏； （4）致密碳酸盐岩储层； （5）裂缝性储层； （6）页岩气藏。 n 形成的压裂改造主体技术： （1）低渗透油藏开发压裂技术； （2）低渗透气藏大幅度提高单井产量技术； （3）复杂岩性储层改造技术；
9、（4）新型压裂材料和新工艺技术。 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 1.1 水力压裂施工概述 n 压裂施工工艺流程 循环、试挤、压裂、加砂、顶替、压力扩散、施工结束 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 n 压裂施工时液体的流动过程 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 完成一口压裂井施工的几个基本要素 要素1）施工设备 施工设备由地面设备和压裂车组两部分组成。地面设备包括压裂管 汇、蜡球管汇、压裂井口装置；压裂车组包括泵车、混砂车、罐车（液罐 车、砂罐车、添加剂罐车）、仪
10、表车、水泥车。 要素2）施工管柱 施工管柱由油管和下井工具(封隔器、喷砂器)等组成，其作用：一是为 传送施工压力提供通道；二是实现分层。目前应用的施工管柱有普通滑套 式分层压裂管柱、高砂比管柱等。 要素3）下井原材料 包括压裂液和支撑剂两部分。压裂液的主要作用一是造缝，二是携 砂。支撑剂的作用是支撑裂缝,增加裂缝的导流能力。 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 要素4）施工设计 是指导压裂施工的纲领性文件。其核心内容是根据井层参数、下井原 材料参数来优化压裂施工参数（压力、排量、砂比、砂量、液量），最终 给出合理的施工工序表。 要素5）施工工艺 施工工艺是针对井层条件，为
11、达到改造目的而采取的合理施工方法。 根据不同施工井的改造要求，先后研究开发了普压、多裂缝、选压、限流 法等十八项压裂工艺。 要素6）施工评价 一是工艺评价：了评估压裂施工成功与否、检验实际施工与设计的符合 程度和工艺的适应性,积累经验，指导下步施工。 二是经济评价：评价压裂效益，既投入与产出的关系，判断经济合理 性。 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 作用在地层岩石上的应力分两部分：一部分被地层流体承担，另一部 分才是真正作用在岩石的骨架上。作用在岩石骨架上的应力为有效应力。 其中 为有效应力(Effective Stress)； 为总应力(Total Stress)；
12、 为孔隙压力(Pore Pressure)。 n 裂缝形态及方位 人工裂缝的形态取决于油藏地应力的大小和方向。裂缝类型与地层中 的垂向应力和水平应力的相对大小有关。一般认为，人工裂缝垂直于地层 最小主应力，平行于地层最大主应力。但是裂缝形态也受断层、褶皱和天 然裂缝等因素影响。 1.2 水力压裂造缝机理及裂缝形态 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 裂缝方向总是垂直于最小主应力 A 当 最小时，形成水平裂缝； B 当 ，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 方向； C 当 ，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 方向； A B C 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 理
13、想形态垂直缝示意图 多油层条件下，压裂形成多条水平缝 理想形态水平裂缝示意图 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 u 降低井底附近地层渗流阻力， 增加渗流面积； u 改变了流动形态，由径向流双线性流（地层线性流向裂缝，裂缝内流 体线性流入井筒）。 1.3 水力压裂增产机理 影响裂缝导流能力的5个因素 1、支撑剂的嵌入（embedment）/破碎（crush） 2、非达西效应（紊流效应Turbulant Flow ）的影响 3、压裂液形成的滤饼（Gel Filter Cake） 4、相对渗透率（多相流）(Multip
14、hase flow) 5、压裂液对充填裂缝的伤害（ Gel Damage in Prop Pack ） 这些因素都会导致裂缝导流能力的下降或失效！ 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 垂直缝油藏，压后生产过程中，四种不同渗流阶段： 进入井筒的流体大部分来源于裂缝中流体的弹 性膨胀，流动基本上是线性的，该流动阶段时间很 短，意义不大。 裂缝线性流（a） （Linear Fracture Flow） 裂缝和地层的双线性流（b） （Bilinear Flow） 裂缝线性流之后将出现双线性流，流体自地 层线性流入裂缝，同时，裂缝中的流体再线性地流 入井筒。 地层线性流阶段只能在裂
15、缝导流能力较高时 才出现。 拟径向流阶段，由于裂缝的存在，相当于扩 大了井筒半径，增加了渗流面积，渗流阻力比压前 大幅度降低，所以产量也要比压前有较大的提高。 地层线性流（c） （Linear Formation Flow） 拟径向流动阶段（d） （Pseudo-Radial Flow） 一一. . 水力压裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 水平缝油藏，压后井生产过程中的渗流： 裂缝失效的原因 一是缝内支撑剂长期导流能力下降。 二是生产过程裂缝内结垢、结蜡，堵塞裂缝。 三是在压实作用下支撑剂嵌入裂缝壁面，使得壁面渗透率下降，同时 导致地层岩石破碎产生碎屑，堵塞裂缝孔隙。 一一. . 水力压
16、裂造缝及增产机理水力压裂造缝及增产机理 室 内 岩 芯 重 复 压 实 镶 嵌 试 验 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 1、压裂液(Fracturing Fluid)的定义 是压裂施工的工作液，其主要功能是传递能量，使油层张开裂缝，并 沿裂缝输送支撑剂，从而在油层中条形成一高导流能力通道，以利油、气 由地层远处流向井底，达到增产目的。 2、压裂液的功能 （1）前置液(Pad Fluid)：造缝、降温 （2）携砂液(Carrying Fluid)：携带支撑剂进入裂缝，形成一定导流能力 的填砂裂缝。 （3）顶替液(Displacing Fluid)：用来顶替井筒里的携砂液，将携砂液送
17、到 预定位置。 2.1 压裂液 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 3、压裂液类型 水基压裂液(Water-based Fracturing Fluid) 油基压裂液(Oil-based Fracturing Fluid) 乳化压裂液(Emulsion-based Fracturing Fluid) 泡沫压裂液(Foamed Fracturing Fluid) 醇基压裂液(Alcohol-based Fracturing Fluid) 酸基压裂液(Acid-based Fracturing Fluid) 4、水基压裂液 是以水为分散介质，添加各种处理试剂，形成的具有压裂工艺所需的 较
18、强综合性能的工作液。 （1）使用安全；（2）成本低；（3）与油基和泡沫压裂液相比，摩阻低； （4）静水柱压力高，节省地面水马力要求；（5） 流体性质便于控制。 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 稠化剂 压裂液主剂 交联剂 稠化剂分一下四类： （1）植物胶(Vegetable gum)及其衍生物：胍胶、田菁胶、皂仁胶、魔芋胶、 香豆胶、海藻胶。 （2）纤维素衍生物(Derivatived cellulose)：羧甲基纤维素钠盐、羟乙基纤维 素。 （3）生物聚多糖(Biologic polyose)：黄原胶 （4）合成聚合物(Synthetic polymer)：聚丙烯酰胺、部分水解聚
19、丙烯酰。 水溶性聚合物，提高水溶液粘度、 降低液体滤失、悬浮和携带支撑 剂。 能与聚合物线型大分子链形成新的 化学键，使其联结成网状体型结 构。 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 交联剂(Crosslinker):能与聚合物线型大分子链形成新的化学键，使其联结 成网状体型结构。 交联剂分以下四类： （1）两性金属（或非金属）含氧酸盐： 如硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等弱酸盐。 （2）无机酸的两性金属盐： 如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜等强酸弱碱盐。 （3）无机酸脂： 钛酸酯、锆酸酯 （4）醛类 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 添加剂： （1）缓冲剂(Buffer)(pH值
20、调节剂) （2）杀菌剂 （3）破胶剂 （4）助排剂 （5）破乳剂 （6）粘土稳定剂 （7）降滤失剂(Fluid-loss Additives) （8）温度稳定剂(Temperature Stabilizer) （9）其它添加剂(Other Additives)：起泡剂(foam agent)、消泡剂(anti-foam agent)、减阻剂(friction reducer)、转向剂(fiverting agent) 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 压裂液的性能： 流变性(Rheological Property)、滤失性(Loss Property)、破胶性(Viscosity
21、 Breaking Property)、配伍性(Compatibility Property) 压裂液基本性能要求： （1）滤失量少; （2）悬砂性强：粘度高; （3）摩阻低：消耗动力少，排量大; （4）稳定性好：温度，抗剪切; （5）残渣低：清洁压裂液; （6）易返排：破胶（水化）; （7）配伍性好; （8）货源广，价格低。 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 流变性产生的影响： 施工摩阻：用来计算油管及裂缝中的压降，考虑压力对于泵注费用、 油管压力限制。 支撑剂的输送 岩石基质滤失 滤失产生的影响: 裂缝几何尺寸、支撑剂在裂缝中的浓度变化和最终分布、裂缝的闭合 时间、对地层的伤害
22、程度、压裂施工成本 降滤失技术： 1、粉砂降滤失技术 2、油溶性降滤失技术 3、液体降滤失技术 室内实验表明，固体降滤失剂(粉砂/油溶性树脂)+液体降滤失剂效果最 好，其次为固体降滤失剂（粉砂/油溶性树脂）。 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 压裂液优化设计： -目标函数：低成本、低伤害; -设计方法：油藏特点、工艺需要 水力压裂施工过程中压裂液的选择，必须从地质因素和工程因素上考 虑。 地质方面考虑的因素： 储层类型储层温度渗透率 地层压力目的层厚度及天然裂缝粘土矿物含 量及储层敏感性地下原油物性地层水类型及矿化度 工程方面考虑的因素： 深度施工时间排量及管柱 施工规模压后温度恢
23、复及压力扩散速度地应 力分布 压裂液对地层的伤害： 永久性伤害：指压裂液滤失进入地层造成地层矿物水化膨胀、分散运移对地层 的堵塞，以及压裂液残渣及其它碎屑对支撑剂充填层的堵塞。 暂时伤害：指排驱阻力造成排液滞后的伤害。 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 产品要求： 1.粒径均匀；2.强度大，破碎率小；3.圆度和球度高；4.密度小；5.杂质 少。 支撑剂的类型及性能特点： （一）天然砂：石英砂(silica sand)，如美国的Ottwa砂，我国的兰州砂。 特点：强度低； 适用条件：中浅层，深度小于2000m。 优点： 适用于低闭合压力的各类储层； 圆球度较好的石英砂破碎后仍可保持一定的导流能力； 相对密度低，便于施工泵送； 价格便宜。 2.2 支撑剂 二二. . 水力压裂入井材料水力压裂入井材料 缺点： 强度较低，不适于较高闭合压力的储层压裂； 抗压强度低，破碎后将大大降低裂缝导流能力。 （二）人造支撑剂：陶粒、核桃壳、铝球、玻璃球、包裹砂 低密度：1800kg/m3 ； 中密度：20003000kg/m3 ； 高密度：3000kg/m3 特点：强度高（56105MPa），密度大； 适用条件：较深井。 我国于1979年研制成功了铝
