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压裂工艺及设计简介采油工艺研究所一、前言油气井增产方法水力压裂的历史各类储层中增产方法的使用压裂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HydraulicFracturing•酸化Acidizing•爆炸Explosion特殊压裂工艺•高能气体压裂•水力冲击波压裂•振动压裂酸化Acidizing常规酸化MatrixAcidizing（基质酸化、解堵酸化）压裂酸化AcidFracturing（简称酸压）普通酸压或一般酸压酸洗AcidWash水力压裂HydraulicFracturing1234压裂压裂水力压裂HydraulicFracturing•常规水力压裂ConventionalHydraulicFracturing•巨型水力压裂MHF---MassiveHydraulicFracturing水力压裂历史•1947年美国Hｏｇｏｔｏｎ气田•1949年美国Aｍｏｃｏ公司•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SandstoneFormation–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–MHF（超大规模压裂）•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其它煤层气开采工业排污水力压裂控制井喷1234压裂二、水力压裂(HydraulicFracturing)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HydraulicFracturing123压裂造缝机理–PF—破裂压力–PE—延伸压力–PS—地层压力•P井底=PF时裂缝形成与应力的关系•在何种条件下形成何种裂缝？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破裂压力梯度•定义千帕/米HPF•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≤0.15-0.18多形成垂直裂缝，≥0.23的则是水平裂缝。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。•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(0.15-0.18)—(0.22-0.25)公斤/厘米2/米。•江汉油田油藏压裂一般形成垂直裂缝，因为α≤0.18。判断裂缝方向的方法•声波测定•地电测定•水动力学试井压裂液•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••••••••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••深穿透、饱填砂•防止井筒沉积•摩阻低、比重大PfmfmFHPPPPPPPPP稳定性好•热稳定性••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••泡沫压裂液•液化汽压裂液•酸基压裂液水基压裂液•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＋交联剂交联液•水基压裂液种类（按照增稠剂种类）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（CMC）水基冻胶压裂液–流变性–热稳定性–残渣2.5~9.7%–滤失量6.5毫升/30分–破胶–摩阻水基压裂液种类D•聚丙烯酰胺(PAM)与甲叉基聚丙烯酰胺(PAMM)水基压裂液–已成系列，适应40~150ºC–抗剪切性能强–低温时残渣低–90ºC以上不易破胶–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:–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50%，压裂液粘度太低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:–K1MD，粘土含量高的砂岩气藏–低压、低渗浅油气层压裂液相+气相+添加剂泡沫液液相:–清水、盐水、冻胶水、原油或成品油、酸液气相–氮气、二氧化碳、空气、天然气等•泡沫质量：泡沫质量＝泡沫中气体体积/•特点:–在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量一般为６０％～８５％–随着泡沫质量的增加，泡沫压裂液的粘度增–滤失少（气体本身就是降滤剂）–排液较彻底，对地层伤害小–液化汽压裂液•适用:–某些对水、残渣特别敏感的气层•特点:–悬砂能力较差–滤失大–费用高–酸基压裂液•适用:–碳酸盐储层•种类:–常规酸–稠化酸–冻胶酸–乳化酸(四)压裂液添加剂•破胶剂•降滤剂•防膨剂•杀菌剂•表面活性剂•ｐＨ值调节剂•稳定剂二、压裂液的流动性质各类压裂液的流变曲线幂律液的视粘度摩阻计算各类压裂液的流变曲线牛顿型液体非牛顿型液体宾汉型液体屈服－假塑性液体触变性液体流凝性液体三、压裂液对储层的伤害及保护按压裂液作用位置分：地层基质伤害支撑裂缝伤害按流体性质分：液体伤害固体伤害压裂液滤饼和浓缩胶压裂液对储层的伤害压裂液在地层中滞留产生液堵地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害压裂液与原油乳化造成的地层伤害润湿性发生反转造成的伤害压裂液残渣对地层造成的损害压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害压裂液在地层中滞留产生液堵在压裂施工中，压裂液沿缝壁渗滤入地层，改变了地层中原始含油饱和度，使水的饱度度增加，并产生两相流动，流动阻力加大。毛管力的作用致使压裂后返排困难和流体流动阻力增加。如果地层压力不能克服升高的毛细管力，水被束缚在地层中，则出现严重和持久的水锁。压裂液滞留的地层保护降低压裂流体的表面张力注入ＣＯ２或Ｎ２帮助排液改善压裂液破胶性能减少压裂液在地层中流动的粘滞阻力，加快压裂液在地层中破胶强制排液，减少压裂液在地层的滞留时间地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害粘土矿物与水为基液的压裂液接触，立即产生膨胀，使流动孔隙减小。松散粘附于孔道壁面的粘土颗粒与压裂液接触时分散、剥落，随压裂液滤入地层或沿裂缝运动，在孔喉处被卡住，形成桥堵，降低渗透率，从而引起伤害。粘土矿物膨胀和运移的地层保护在压裂液中添加粘土稳定剂利用高分子材料的长链对粘土颗粒表面的“包被”作用，阻止水分子进入采用油基压裂液压裂液与原油乳化造成的地层伤害用水基压裂液压裂时，压裂液与地层原油由于油水两相互不相溶，原油中有天然乳化剂如胶质、沥青和蜡等，压裂时压裂液的流动具有搅拌作用，因而当油水在地层孔隙中流动时就形成了油水乳化液。原油中的天然乳化剂附着在水滴上形成保护膜，使乳化液具有较高的稳定性。原油乳化的地层保护慎用表面活性剂使用优质压裂液，彻底破胶，减少压裂液残渣，降低破胶液粘度以及防止地层微粒”生成，消除油水界面稳定因素在压裂液中使用优质破乳剂，消除压裂液进入地层后潜在的乳化堵塞润湿性发生反转造成的伤害润湿性是指岩石表面具有被一层液膜选择性覆盖的能力。对于砂岩油藏，岩石表面一般为亲水性，即优先被水润湿。如果由于表面活性剂使用不当，使润湿性发生反转，即将亲水性转为亲油性，则油相渗透率将大大降低。正常是水湿的地层变成油湿后，一般会降低油相渗透率４０％。压裂液残渣对地层造成的损害残渣对压裂效果的影响存在双重性，一是残渣在岩石表面形成滤饼，可降低压裂液的滤失，并且阻止大颗粒继续流入地层内。压裂结束后，这些残渣返流堵塞填砂裂缝，降低裂缝导流能力；另一方面较小颗粒残渣，穿过滤饼随压裂液一道进入地层深部，堵塞孔隙喉道增强乳化液的界面膜厚度，难于破乳，降低地层和裂缝渗透率。压裂液残渣的地层保护加强现场质量控制选用低水不溶物成胶剂和易降解破胶的交链剂优选破胶体系，实现压裂液彻底破胶、水化压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害冷的压裂液进入地层，会使地层温度降低，从而使原油中的蜡及沥青等析出，造成地层伤害。此种伤害取决于地层原油的性质、地层原始温度、地层降温幅度及地层渗透率等因素。原油含蜡量高，降温幅度大，地层渗透率低和地层原始温度低的油层，“冷却效应”引起的地层伤害就大.压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害在生产过程中滤饼阻碍地层流体向裂缝的流动，并且由于裂缝闭合，支撑剂嵌入，滤饼占据了部分以至整个支撑剂颗粒之间的孔隙，导致裂缝导流能力大大降低。压裂施工和裂缝闭合过程的压裂液滤失要导致交联聚合物在裂缝中的浓度升高即浓缩。对高度浓缩的压裂液，常规破胶剂用量不可能实现破胶降解，将会形成大量残胶，严重影响裂缝导流能力。压裂液滤饼和浓缩的地层保护提高破胶剂用量压裂施工结束后以小排量挤入滤饼溶解剂支撑剂及裂缝导流能力支撑剂性质及种类裂缝导流能力及其影响因素支撑剂的选择支撑剂颗粒的沉降基本概念闭合压力支撑剂颗粒大小支撑剂颗粒形状支撑剂砂堆孔隙度支撑剂强度和硬度闭合压力定义:停泵后作用在裂缝壁面上欲使之闭合的力为闭合压力。计算:（１）ＰＣ＝αＦＨ－ＰＳ（２）ＰＣ＝ＰＩ＋ＰＨ－ＰＳ支撑剂颗粒大小支撑剂颗粒大小一般用筛析法确定，并且大多使用美国材料试验协会即ＡＳＴＭ标准。筛析法的筛孔表示方法通常有两种：一种是以每英寸长的孔数来表示，称之为目或号；另一种则是用毫米直接表示筛孔孔眼的大小。筛号(每英寸孔数)筛孔孔眼尺寸(mm)筛号(每英寸孔数)筛孔孔眼尺寸(mm)82.30450.35102.00500.30121.68600.25141.41700.21161.191000.149181.001200.125200.841400.105250.711700.088300.592000.074350.502300.064400.423250.044支撑剂颗粒形状支撑剂的颗粒形状一般用圆度和球度描述。圆度是指颗粒表面光滑的程度，用ψ表示