水力压裂技术.

汇报人：曲占庆中国石油大学(华东).石油工程学院2015年4月汇报内容绪论一、水力压裂造缝及增产机理二、水力压裂入井材料三、水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算四、水力压裂井效果预测及方案优化设计五、水力压裂裂缝监测及参数识别六、重复压裂技术七、水平井开发技术八、水力压裂存在的问题及新技术绪论“水力压裂”是什么?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。绪论1947年—美国首次水力压裂增产作业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。第二代压裂(1970’-1980’)：中型压裂（MediumFracturing）加砂量增加，压裂规模增大，提高低渗透油层导流能力。第三代压裂(1980’-1990’)：端部脱砂压裂（TipScreenOut-TSO）应用到中、高渗储层，主要是大幅度提高储层导流能力。第四代压裂(1990’-)：大型压裂（MassiveHydraulicFracturing-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论1、工艺技术方面：压裂方式:笼统压裂（CommingledHydraulicFracturing）、分层压裂（SeparateLayerFracturing）压裂工艺:滑套式（SlidingSleeve）分层压裂、选择性压裂（SelectiveFracturing）、多裂缝压裂（Multi-fractureHF)、限流法压裂(LimitedEntryFracturing)、平衡限流法压裂(BalancedLEF)、端部脱砂压裂(TSOFracturing)、热化学压裂工艺(ThermochemicalFracturing)、水平井压裂(HorizontalWellFracturing)、斜直井压裂(Slant-VerticalWellFracturing)、小井眼压裂(SlimHoleFracturing)工艺、高能气体压裂(HighEnergyGasFracturing－HEGF）、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(RiverfracTreatment)、原油，发展到海藻、田菁(SesbaniaGum)、胍胶(GuarGum)、香豆、魔芋、泡沫、高聚物等，支撑剂由石英砂(SilicaSand)发展到陶粒(Ceramsite)、以及核桃壳(WalnutShell)、树脂砂等。另外，在压裂机理（FractureMechanics）研究、设计软件开发方面也都取得了长足进步。绪论压裂技术进步，确保低渗透油藏的有效开发低渗透油藏整体压裂和开发压裂技术低渗透气藏大幅度提高单井产量技术复杂岩性储层酸压裂技术深井、超深井压裂技术大型压裂技术裂缝性储层压裂技术页岩气水力压裂技术……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）……绪论（一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套）一、机理研究裂缝模拟研究支撑剂长期导流能力研究含砂液流变性压裂液伤害机理应力敏感性二、新材料研究清洁压裂液低分子压裂液（可重复使用）缔合压裂液VDA（清洁自转向酸）改变相渗特性的压裂液超低密度支撑剂清洁泡沫压裂液绪论（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裂缝诊断支撑剂回流控制技术新的压裂优化设计技术利用压裂压降曲线认识储层技术大型压裂控制缝高技术支撑剂段塞消除近井筒裂缝摩阻技术目前的领先技术开发压裂技术重复压裂技术连续油管压裂酸化技术低伤害或无伤害压裂酸化技术压裂防砂与端部脱砂压裂技术人工裂缝诊断技术水平井压裂酸化技术压裂过程的计算机自动化控制与数据远传绪论（二）国内水力压裂技术主体技术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。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；（4）新型压裂材料和新工艺技术。一.水力压裂造缝及增产机理1.1水力压裂施工概述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.水力压裂造缝及增产机理压裂施工时液体的流动过程一.水力压裂造缝及增产机理一.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.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.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(EffectiveStress)；为总应力(TotalStress)；为孔隙压力(PorePressure)。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op''op一.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；ABCzzxyyzyxx一.水力压裂造缝及增产机理理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.水力压裂造缝及增产机理一.水力压裂造缝及增产机理降低井底附近地层渗流阻力，增加渗流面积；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TurbulantFlow）的影响3、压裂液形成的滤饼（GelFilterCake）4、相对渗透率（多相流）(Multiphaseflow)5、压裂液对充填裂缝的伤害（GelDamageinPropPack）这些因素都会导致裂缝导流能力的下降或失效！一.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）（LinearFractureFlow）裂缝和地层的双线性流（b）（BilinearFlow）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）（LinearFormationFlow）拟径向流动阶段（d）（Pseudo-RadialFlow）一.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.水力压裂造缝及增产机理室内岩芯重复压实镶嵌试验二.水力压裂入井材料1、压裂液(FracturingFluid)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(PadFluid)：造缝、降温（2）携砂液(CarryingFluid)：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(DisplacingFluid)：用来顶替井筒里的携砂液，将携砂液送到预定位置。2.1压裂液二.水力压裂入井材料3、压裂液类型水基压裂液(Water-basedFracturingFluid)油基压裂液(Oil-basedFracturingFluid)乳化压裂液(Emulsion-basedFracturingFluid)泡沫压裂液(FoamedFracturingFluid)醇基压裂液(Alcohol-basedFracturingFluid)酸基压裂液(Acid-basedFracturingFluid)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.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(Vegetablegum)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(Derivativedcellulose)：羧甲基纤维素钠盐、羟乙基纤维素。（3）生物聚多糖(Biologicpolyose)：黄原胶（4）合成聚合物(Syntheticpolymer)：聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰。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.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.水力压裂入井材料添加剂：（1）缓冲剂(Buffer)(pH值调节剂)（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-lossAdditives)（8）温度稳定剂(TemperatureStabilizer)（9）其它添加剂(OtherAdditives)：起泡