水力壓裂在石油工程中的應用

1、(北京)CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（Times New Roman四號居中）畢 業(yè) 論 文(黑體一號居中)題 目（黑體小二號居中）院系名稱：_ 專業(yè)名稱：_學生姓名：_學 號：_指導教師：_（黑體四號，2倍行間距）完成日期 年 月 日摘 要通過對經典水力壓裂技術在油氣田勘探開發(fā)中的現狀分析；通過對水力壓裂技術施工過程及施工材料的簡要概述；通過對幾種經典水力壓裂技術的簡要介紹；通過對水力壓裂在不同條件下的壓裂設計及參數優(yōu)選的簡介；通過對經典水力壓裂數值模擬技術的重點剖析；通過對幾個實例的分析與解答，集中展示了水力壓裂技術在油氣田勘探與開發(fā)中的地位與作用，展示了水力

2、壓裂是一種為了使油氣井增產而使用的一種常規(guī)油氣井作業(yè)增產技術。關鍵詞：水力壓裂；增產技術；裂縫；壓裂液；支撐劑ABSTRACTThrough the analysis of the classic hydraulic fracturing technology in oil exploration and development under the existing condition; Through the brief illustration of the hydraulic fracturing technology in the construction process and co

3、nstruction materials; Through the brief introduction of several classic hydraulic fracturing technology; Through the introduction of the fracturing design and parameter optimization under different conditions; Through empirically analyzing numerical simulation of classic hydraulic fracturing technol

4、ogy ; Through the analysis of several examples with solutions, showcase that the hydraulic fracturing technology play an important role in oil exploration and development, demonstrating that the hydraulic fracturing is a kind of conventional method which increase production.Keywords: hydraulic fract

5、uring; technology of increasing production; fracture; fracturing fluid; proppant目 錄第1章 前 言51.1總體優(yōu)化壓裂技術51.2開發(fā)壓裂技術及按地應力方位布井的優(yōu)化壓裂技術51.3重復壓裂技術61.4大型壓裂技術61.5高砂液比和端部脫砂壓裂技術61.6特殊井壓裂技術71.7CO2泡沫壓裂技術71.8小井眼壓裂技術71.9其它壓裂技術98第2章 水力壓裂的施工過程及入井材料概述92.1壓裂施工時流體的流動過程92.2完成壓裂施工的幾個要素92.3壓裂液102.4支撐劑13第3章 水力壓裂的影響因素153.1地層

6、傷害153.2支撐劑的導流能力153.3壓裂設計163.4壓裂后放噴及生產管理16第4章 水力壓裂的典型施工工藝174.1 定向井壓裂工藝174.1.1 優(yōu)化射孔工藝技術174.1.2 前置液加段塞技術184.1.3線性加砂工藝技術184.1.4變排量壓裂工藝技術194.1.5變粘壓裂液194.1.6增加前置液量、增大加砂規(guī)模194.2 氣井重復壓裂194.2.1 壓裂氣井失效原因分析204.2.2 氣井重復壓裂優(yōu)化設計204.3 煤層壓裂工藝224.3.1射孔工藝224.3.2合理壓裂施工參數確定224.3.3裂縫長度和高度選擇224.3.4壓裂液體系234.3.5酸化預處理244.3.6裂

7、縫監(jiān)測及壓裂施工分析244.4 水力噴射壓裂技術244.4.1 水力噴射壓裂技術原理244.4.2 水力噴射技術特點254.4.3 壓裂參數的計算與優(yōu)選254.5 清水壓裂技術264.5.1清水壓裂工藝264.5.2 混合清水壓裂294.6 壓裂工藝技術發(fā)展方向30第5章 壓裂數模理論與模型325.1 造縫及增產機理325.1.1 造縫機理325.1.2 增產機理355.2 壓裂數值理論與模型365.2.1 裂縫幾何參數模型365.2.2 幾種常用經典模型375.3 壓裂支撐劑選擇與計算405.3.1 支撐劑的選擇方法405.3.2 導流能力的確定40第6章 壓裂實例編寫程序模擬426.1 實

8、例一426.2 實例二446.3 實例三48第7章 結 論51第8章 致 謝52參考文獻53附 錄55第一實例程序代碼55第二實例程序代碼57第三實例代碼59第1章 前 言水力壓裂是油氣田勘探、開發(fā)過程中一項十分重要的技術措施，它是通過地面高壓泵組將粘度前置液以大大超過地層吸收能力的排量注入目的儲層，在井底附近憋起超過井壁附近地應力及巖石抗張強度的壓力后，在地層中形成裂縫并延展，而后泵注混有支撐劑的攜砂液，攜砂液可繼續(xù)延展裂縫，同時攜帶支撐劑深入裂縫，然后使壓裂液破膠降解為低粘度流體流向井底返排而出，在地層中留下一條具有足夠長度、寬度、高度和導流能力的填砂裂縫通道，以利于油氣從遠井地層流向井底

9、。水力壓裂主要通過改變流體滲流方式、溝通油氣儲集層、克服近井污染、增加泄油面積、提高驅油效率來最終提高油氣井產量和采收率，達到有效的增產目標。1.1總體優(yōu)化壓裂技術該技術的指導思想得益于國外單井壓裂經濟優(yōu)化的概念，但總體優(yōu)化壓裂技術觀念的形成則是國內在上個世紀80年代末和90年代初首先提出的，并在吉林的乾安、青海的尕斯庫勒、吐哈的鄯善和江蘇的楊家壩等油田逐步獲得推廣應用9。研究的總體目標是使整個油氣田獲得最佳的開發(fā)效果;研究的思路是把整個油氣藏作為一個研究單元，并對油氣藏的各參數進行覆蓋研究，在此基礎上，考慮在既定井網條件下，不同的裂縫長度和導流能力下的產量和掃油效率等動態(tài)指標的變化，從中優(yōu)選

10、出最佳的裂縫尺寸和導流能力9。并進行現場實施與評估研究，以不斷完善總體優(yōu)化壓裂方案;研究的手段包括:實驗室試驗、裂縫模擬、油藏數值模擬、試井分析、現場測試、質量控制和監(jiān)測等9。1.2開發(fā)壓裂技術及按地應力方位布井的優(yōu)化壓裂技術開發(fā)壓裂的思路與總體優(yōu)化壓裂技術思路相近，研究手段也相差不多。主要區(qū)別是在部署開發(fā)井網前，就考慮到就地應力方位和水力裂縫的匹配關系，并最大限度發(fā)揮水力長縫的潛力，從而實現稀井網有效開采的目標。在研究內容上，比總體優(yōu)化壓裂多了一項重要的研究內容，即儲層就地應力場的研究，主要是最大主應力方位的研究。針對低滲非常規(guī)油氣藏裂縫方位變化較大的情況，中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院壓裂

11、酸化技術服務中心又提出了按地應力方位布井的優(yōu)化壓裂技術，以實現井網與水力裂縫系統的最佳匹配9。1.3重復壓裂技術國外主要在以下方面取得了重要進展9：(1)選井選層技術。綜合應用專家經驗、人工神經網絡技術和模糊邏輯等技術，開發(fā)了重復壓裂選井選層的模型。(2)重復壓裂前儲層就地應力場變化的預測技術。國外已研制成模型，可預測在多井(包括油井和水井)和變產量條件下就地應力場的變化。研究結果表明，就地應力場的變化主要取決于距油水井的距離、整個油氣田投入開發(fā)的時間、注采井別、原始水平主應力差、滲透率的各向異性和產注量等。距井的距離越小、投產投注的時間越長、原始水平主應力差越小、滲透率各向異性程度越小、產注

12、量越大，則越容易發(fā)生就地應力方位的變化。而最佳重復壓裂時機，即是就地應力方向發(fā)生變化的時機，且變化越大，時機越好，可提高波及系數或減少死油區(qū)。(3)改變相滲的壓裂液技術(RPM)。通過加一種改變潤濕和吸附特性的化學藥劑，達到增加產烴量和減少含水的目的。國外已有該壓裂液成功應用的報道。這對中高含水期的重復壓裂而言，尤具吸引力。1.4大型壓裂技術國外主要用該技術提高致密砂巖氣藏的經濟開采價值。國內也曾在四川的八角場氣田進行過現場試驗，2口井的施工排量達到6.07.95 m3/min，壓裂液量為834863 m3，支撐劑量達到244351 t，支撐半長達到187347 m，壓后產量平均在20

13、5;104m3/d以上9。其技術要點主要有:(1)通過小型測試壓裂獲得準確的濾失系數;(2)壓裂液具有很強的耐溫耐剪切性能;(3)縫高控制技術;(4)大排量技術;(5)壓裂液破膠返排技術9。1.5高砂液比和端部脫砂壓裂技術該技術仍停留在現場應用階段，沒有理論上的進一步創(chuàng)新。主要優(yōu)點是:(1)導流能力高;(2)有效期長;(3)濾失傷害小;(4)克服非達西流影響;(5)有效控制縫高等9。其技術要點有:(1)小型測試壓裂獲取準確的濾失系數;(2)斜坡式加砂程序設計;(3)優(yōu)化射孔技術;(4)前置液優(yōu)化技術;(5)楔形追加破膠劑技術;(6)裂縫強制閉合技術9。1.6特殊井壓裂技術(1)斜井、水平井壓裂

14、技術。斜井壓裂的主要問9題是裂縫起裂、近井筒裂縫扭曲(tortuosity)、多裂縫起裂和產量模擬等。解決近井筒裂縫扭曲(早期砂堵的主要原因)的主要措施是:優(yōu)化射孔技術、40/70目小粒徑支撐劑、優(yōu)化排量、優(yōu)化多段加砂技術等。水平井壓裂的主要問題是多裂縫的模擬、產量預測及分段壓裂施工管柱或技術等。(2)深井、超深井壓裂技術。主要集中在:耐高溫并具有延遲交聯作用的壓裂液體系;中密高強度陶粒支撐劑優(yōu)選;應力敏感性研究;排量優(yōu)選;濾失性研究;平均砂液比優(yōu)選及加砂程序研究。1.7CO2泡沫壓裂技術國外CO2壓裂技術分為CO2增能壓裂、CO2泡沫壓裂、純CO2壓裂3種。CO2增能壓裂泡沫質量一般為30%

15、52%，優(yōu)點是施工簡便，CO2主要用于提高返排能力，適用于較大規(guī)模的壓裂。CO2泡沫壓裂和CO2增能壓裂的區(qū)別是CO2比例即泡沫質量有高低，因此可統稱為CO2泡沫壓裂。CO2泡沫壓裂的泡沫質量一般為60%85%，優(yōu)點是水基壓裂液用量少，對地層和裂縫傷害小，泡沫質量高，氣泡呈連續(xù)相，黏度高，攜砂性能好，返排率高。但由于水基壓裂液用量少，常規(guī)壓裂施工中提高砂比有一定難度，且施工壓力偏高。純CO2壓裂采用液態(tài)CO2為壓裂液，即100%CO2壓裂，優(yōu)點是對地層無傷害，返排迅速、徹底，但由于液態(tài)CO2壓裂受施工規(guī)模和井深限制，且需專門的密閉混砂車，因此不適合中、大規(guī)模的壓裂改造。目前，人們采用內相恒定技

16、術，以期提高砂液比，提高壓裂效果9。1.8小井眼壓裂技術小井眼是指小于127 mm的井眼或環(huán)空尺寸小于25.4 mm的井眼。鉆小井眼可使鉆井費用降低35%75%，平均降低50%左右;泥漿用量及排放鉆屑量減少75%，井場占地減少75%，施工鉆具用量也大幅度下降，對環(huán)保有利;還可減少邊遠地區(qū)的勘探費用，縮短勘探的評價時間9。小井眼的適用范圍包括:探井和開發(fā)井;直井、定向井、水平井;新井、老井加深及側鉆;淺井、深井; 油井、氣井。值得指出的是，小井眼不適合高產井。就壓裂而言，小井眼壓裂與常規(guī)井眼壓裂的不同點在于:(1)需與小井眼配套的井下工具和抗高壓的井口裝置;(2)壓裂液在降摩阻、抗剪切上的要求較

17、高;(3)壓裂前后的產量預測方法要考慮到小井眼帶來的特殊性，其經濟優(yōu)化的縫長可能與常規(guī)井眼也有顯著不同。1.9其它壓裂技術9(1)清潔壓裂液技術。該壓裂液不加稠化劑，只加黏彈性表面活性劑(VES)及防膨劑等。其優(yōu)點是無殘渣傷害，且黏度不受剪切速率的影響。但在成本控制及高溫地層的應用中，還需進一步改進。(2)清水加砂壓裂技術。清水壓裂的優(yōu)點有無殘渣傷害及有效控制縫高(由很低黏度決定的)等。但一般要加入0.12%降阻劑(稠化劑)、4070目小粒徑支撐劑，砂濃度一般為17.5%，較高排量，有的高達12m3/min。目前，美國如UT等大學正在對清水輸砂剖面進行試驗研究和理論模型研究。(3)壓裂充填防砂

18、技術。核心技術是端部脫砂壓裂技術(TSO)，起始于1987年，20世紀90年代主要應用于印尼的海上油田。取得重大進展是在墨西哥灣。該技術主要包括壓裂充填與繞絲篩管完井(TSO+礫石充填)、壓裂充填無繞絲篩管(TSO+樹脂支撐劑)2種。(4)裂縫性碳酸鹽巖壓裂技術。核心技術就是早期砂堵的預防。主要技術有:地層濾失性的精細評估;與裂縫方位匹配的優(yōu)化射孔技術;防止近井筒砂堵的支撐劑段塞技術和凍膠的段塞技術;排量的優(yōu)化;加砂程序的優(yōu)化。(5)煤層氣壓裂技術。目前的研究主要集中在煤層的吸附和解析機理研究、壓裂液的傷害機理研究、工藝參數及施工管柱的優(yōu)化設計研究及煤層裂縫的動態(tài)及測井診斷技術等。在煤層的塑性

19、地層裂縫擴展模型及復雜裂縫形態(tài)(如T形縫)的產量預測模型方面，還有許多工作要做。第2章 水力壓裂的施工過程及入井材料概述利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高壓；當此壓力大于井壁附近的地應力和地層巖石抗張強度時，在井底附近地層產生裂縫；繼續(xù)注入帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和導流能力的填砂裂縫，使井達到增產增注目的工藝措施。2.1壓裂施工時流體的流動過程圖2-1 壓裂施工時流體的流動過程2.2完成壓裂施工的幾個要素要素1：施工設備包括地面設備和壓裂車組兩部分要素2：施工管柱

20、施工管柱由油管和下井工具(封隔器、噴砂器)組成，其作用：一是為傳送施工壓力提供通道；二是實現分層。目前應用的施工管柱有普通滑套式分層壓裂管柱、高砂比管柱、55MPa壓裂管柱等。要素3：下井原材料包括壓裂液和支撐劑兩部分。壓裂液的主要作用一是造縫，二是攜砂。支撐劑的作用是支撐裂縫,增加裂縫的導流能力。要素4：施工設計是指導壓裂施工的綱領性文件。其核心內容是根據井層參數、下井原材料參數來優(yōu)化壓裂施工參數（壓力、排量、砂比、砂量、液量），最終給出合理的施工工序表。要素5：施工工藝施工工藝是針對井層條件，為達到改造目的而采取的合理施工方法。根據不同施工井的改造要求，先后研究開發(fā)了普壓、多裂縫、選壓、限

21、流法等十八項壓裂工藝。要素6：施工評價圖2-2 施工評價圖水力壓裂入井材料壓裂液、支撐劑。2.3壓裂液壓裂液的定義：是壓裂施工的工作液，其主要功能是傳遞能量，使油層張開裂縫，并沿裂縫輸送支撐劑，從而在油層中條形成一高導流能力通道，以利油、氣由地層遠處流向井底，達到增產目的。(1) 壓裂液的功能：1. 前置液(Pad Fluid)：造縫、降溫2. 攜砂液(Carrying Fluid)：攜帶支撐劑進入裂縫，形成一定導流能力的填砂裂縫。3. 頂替液(Displacing Fluid)：用來頂替井筒里的攜砂液，將攜砂液送到預定位置。水基壓裂液(Water-based Fracturing Fluid

22、)油基壓裂液(Oil-based Fracturing Fluid)包括：乳化壓裂液(Emulsion-based Fracturing Fluid)泡沫壓裂液(Foamed Fracturing Fluid)醇基壓裂液(Alcohol-based Fracturing Fluid)酸基壓裂液(Acid-based Fracturing Fluid)(2) 壓裂液的性能要求：1. 濾失量少。2. 懸砂性強：粘度高。3. 摩阻低：消耗動力少，排量大。4. 穩(wěn)定性好：溫度，抗剪切。5. 殘渣低：清潔壓裂液。6. 易返排：破膠（水化）。7. 貨源廣，價格低。8. 配伍性好。(3) 壓裂液的流變性：1

23、. 牛頓壓裂液：=D （2-1）2. 冪律液體：=Dn （2-2）a=Dn-1 （2-3）lg=lg+nlgD （2-4）(4) 壓裂液的濾失性：在一定的壓差條件下，壓裂液以線性流垂直濾失進入多孔介質的速度。經典濾失理論：1. 受壓裂液粘度控制的濾失系數CI：C=5.4*10-3(kp)12 （2-5）式中： 裂縫內壓裂液粘度，mPa·s；P裂縫內外壓力差，kPa；k壓裂液在地層的滲透率，m2；地層孔隙度，小數2. 受地層流體壓縮性控制C ：C=4.3*10-3*p(krCfr)12 （2-6）式中： r地層流體粘度，mPa·s ；Cf地層壓縮系數，（kPa）-1。3. 具

24、有造壁性壓裂液濾失系數C：濾失量：V=Vsp+m.t （2-7）濾失速度：v=C't=0.005mAt （2-8）濾失系數：C'=0.005mA （2-9）若實驗壓差與縫內外壓差不一致，則應進行修正:C=C'(pfp)12 （2-10）4. 綜合濾失系數C：在實際壓裂過程中，壓裂液的濾失同時受三種機理控制，所以要用綜合濾失系數來表示：1C=1C+1C+1C （2-11）綜合濾失系數表示三種濾失機理同時存在時的濾失參數。此時的濾失速度可表示為：v=Ct （2-12）2.4支撐劑(1) 支撐劑的性能：1. 粒徑均勻(gain-size distribution)；2. 強度

25、(strength)大，破碎率(crush)?。?. 圓度和球度高(roundness and sphericity)；4. 密度小(density)；5. 雜質少(quantities of fines and impurities)。(2) 兩種常見支撐劑：1. 天然砂：天然砂就是石英砂(silica sand)。特點：強度低；適用條件：中淺層，深度小于2000m。1) 特性：石英是分布廣，硬度大的穩(wěn)定性礦物。2) 產地：石英顆粒大多產于沙漠、河灘或沿海地帶。3) 化學成分：天然石英砂的主要化學成分是氧化硅(Si02)，同時伴生少量的氧化鋁(Al203)、氧化鐵(Fe203)等。4) 礦物

26、成分：礦物組分以石英為主。石英含量是衡量石英砂質量的重要指標，我國壓裂用石英砂的石英含量在80%左右。優(yōu)點：Ø 適用于低閉合壓力的各類儲層；Ø 圓球度較好的石英砂破碎后仍可保持一定的導流能力；Ø 相對密度低，便于施工泵送；價格便宜。缺點：Ø 強度較低，不適于較高閉合壓力的儲層壓裂；Ø 抗壓強度低，破碎后將大大降低裂縫導流能力。2. 人造支撐劑：陶粒、核桃殼、鋁球、玻璃球、包裹砂低密度：1800kg/m3中密度：20003000kg/m3高密度：>3000kg/m3特點：強度高（56105MPa），密度大；適用條件：較深井。優(yōu)點：Ø

27、; 具有較高的強度，在相同的閉合壓力下，與石英比較，具有破碎率低、導流能力高的性能。Ø 陶粒具有抗鹽、耐溫性能。Ø 隨承壓時間的延長，陶粒的導流能力的遞減速率要慢得多，因此會獲得較高的穩(wěn)定產量和更長的有效期。缺點：Ø 陶粒的相對密度高，因此，對壓裂液性能及泵送條件提出更高要求。Ø 陶粒的物料選擇和生產工藝要求嚴格，成本較高。第3章 水力壓裂的影響因素影響低滲透氣藏壓裂效果的因素是多方面的，除了地層本身構造及物性特征以外，導致壓裂效果不理想的主要原因存在于四個方面:地層傷害;支撐劑的導流能力;壓裂設計;壓裂后氣井管理10。3.1地層傷害在壓裂過程中，地層傷

28、害主要源于壓裂液傷害和地層的機械傷害。(1)壓裂液的傷害壓裂液與地層的配伍性是壓裂液傷害的首要來源.(2).裂縫性地層的機械傷害在水力壓裂過程中，水力裂縫產生剪切應力，可以引起天然裂縫剪切滑移;壓裂液濾失造成的孔隙壓力增加，降低了作用于天然裂縫上的法向應力，天然裂縫在剪切應力的作用下發(fā)生錯位?；棋e位破壞了天然裂縫的支撐結構，從而導致裂縫滲透率的下降。(3)水力裂縫支撐引起的傷害這種傷害作用發(fā)生于水力裂縫附近的對附加應力敏感的天然裂縫系統。3.2支撐劑的導流能力支撐裂縫的導流能力低是導致壓裂效果差的直接原因之一。(1)地應力的長期作用在地應力的長期作用下，支撐劑顆粒被壓碎產生“壓實”效應，支撐

29、劑碎屑隨流體運動，堵塞部分流動通道。由此支撐劑導流能力的下降幅度可達40%(2)地層溫度隨著地層溫度升高，支撐劑的應力集中破壞加劇。例如在116條件下，支撐劑導流能力的下降幅度可高達60%(3)濾餅由于濾餅的存在，消除了支撐縫內沿裂縫壁面的流動。這種效應使得裂縫導流能力可以降至無濾餅影響時的20%。(4)非達西流效應由于氣井井筒附近氣體流速相當高，產生的非達西流效應降低了有效的裂縫導流能力，其降低倍數可達20或更高。(5)多相流效應如果地層產水，則增大了氣相的滲流阻力，從而影響裂縫的導流能力。3.3壓裂設計壓裂設計上發(fā)生的主要問題往往是對影響裂縫形態(tài)的關鍵地層參數(如地應力剖面)缺乏認識，軟件

30、選擇不當，設計結果與就地的實際情況相差較大，導致裂縫長度不夠及裂縫導流能力太低，這將直接影響水力壓裂的效果。3.4壓裂后放噴及生產管理壓裂后放噴及生產管理影響井底流壓。作用于支撐劑上的有效閉合壓力為： pc=Sz-p1-pwf （3-1）可見，如果壓裂后放噴使用的油嘴過大，或者氣井重新開井時即陡然以高速度生產，均會造成井底流壓過低，支撐劑承受的閉合壓力急劇增大，從而加速支撐劑的破壞。第4章 水力壓裂的典型施工工藝4.1 定向井壓裂工藝定向井壓裂工藝技術研究主要從減少近井效應，減少或避免多裂縫的產生以及降低施工難度，最大限度提高壓裂效果的角度出發(fā)11。4.1.1 優(yōu)化射孔工藝技術加砂壓裂時裂縫在

31、射孔孔眼起裂，若射孔孔眼不在最大主應力方向，裂縫起裂后發(fā)生轉向，最終轉到最大主應力方向;裂縫轉向發(fā)生的彎曲裂縫會導致裂縫寬度減小，壓裂液的流動阻力增加，在加砂過程中易產生砂堵;若射孔孔眼在最大主應力方向，起裂時易產生平整寬裂縫，減少多條裂縫產生，而且起裂壓力最低。為減少近井效應的影響對定向井射孔時采取的技術措施是優(yōu)化射孔技術。（1） 優(yōu)化射孔段由斜井壓裂裂縫規(guī)律分析，斜井壓裂易產生多裂縫，為解決壓裂多裂縫的問題，射孔時集中射孔段，增加射孔數，集中壓裂液的進入量，以獲得寬縫和長縫。（2） 定向射孔技術斜井壓裂時裂縫方向與地層最大主應力方向不一致，在近井地帶產生較大的彎曲摩阻，裂縫寬度變窄，易發(fā)生

32、砂堵，射孔時進行射孔優(yōu)化設計，確定地層最大主應力方向，采用定向射孔技術，減小彎曲摩阻。在地應力大小和分布確定的情況下，破裂壓力隨著射孔角度的增大而升高，射孔角度為0°時，破裂壓力最小，因此，射孔方位應選擇0°方向。單排射孔形成裂縫形態(tài)較為簡單，多排射孔形成裂縫形態(tài)較為復雜，裂縫條數增加且形態(tài)各異。射孔角度小于30°，沿最大水平應力方向形成平整大裂縫;射孔角度30°75°，多產生轉向裂縫和多條裂縫，裂縫壁面粗糙不平;射孔角度75°90°，有時沿最大水平應力方向產生裂縫，炮孔不起作用，有時沿射孔方向及其他方向同時產生多條裂縫。因

33、此，為了提高水力壓裂效果，形成單條平整大裂縫，射孔方位也應選擇0°方位。（3）優(yōu)化孔密和孔徑在地應力的大小和分布確定的情況下，破裂壓力隨著射孔排數的增加而降低，射孔排數越多(射孔密度越大)，破裂壓力越小，因此，射孔密度在套管強度容許的前提下越大越好;為減少孔眼摩阻，可以增大射孔孔徑，那么在斜井壓裂時，需要對射孔孔密和孔徑進行優(yōu)化。4.1.2 前置液加段塞技術斜井壓裂近井效應突出，易產生彎曲裂縫和多裂縫，近井效應是斜井壓裂施工成敗的主要問題。彎曲裂縫意味著高的近井摩阻，多裂縫意味著短而窄的裂縫和更高的凈壓力，增加砂堵的風險。定向井壓裂優(yōu)化設計應降低近井彎曲摩阻，減少或避免多裂縫的產生。

34、現場應用表明:對斜井進行壓裂施工時，最經濟有效地克服近井效應的方法是使用支撐劑段塞技術。前置液加段塞技術就是在泵注前置液中泵注一段或幾段少量低濃度粉陶或支撐劑的混砂液，從而解決以下斜井壓裂問題:(1)減小孔眼摩阻，提高液體效率。(2)優(yōu)化近井筒附近裂縫壁面。段塞加入增大了近井裂縫的寬度，減小了支撐劑在近井筒砂堵的可能性。支撐劑段塞技術的成功與否可以通過近井摩阻的降低值來衡量?，F場應用研究表明:支撐劑段塞中支撐劑的濃度一般選用50220 kg/m3為宜。如果支撐劑段塞中的支撐劑尺寸太小，它有可能影響支撐裂縫的導流能力，同時還有可能在壓裂液返排時被排出裂縫，降低裂縫的滲透率，甚至堵塞縫口;支撐劑尺

35、寸太大，則其在裂縫中隨壓裂液運移時的沉降速率增大，可能出現過早脫砂，造成砂堵。根據其他油田現場實踐12結合川西區(qū)塊的實踐經驗，下表中推薦了支撐劑段塞中支撐劑的質量濃度、支撐劑尺寸和支撐劑段塞液量的參考值。表4-1 支撐劑段塞參數的選擇4.1.3線性加砂工藝技術線性加砂工藝技術可以避免常規(guī)臺階式加砂施工壓力波動大的缺點，施工泵壓穩(wěn)定性較好，能有效降低施工難度。同時線性加砂有利于裂縫內形成均勻的支撐劑沉降剖面，可以獲得更好的支撐裂縫導流能力。由圖可見，線性加砂較臺階式加砂有利于裂縫內形成均勻的支撐劑沉降剖面，獲得更好的支撐裂縫導流能力。圖4-1 線性和臺階式加砂導流能力與裂縫長度曲線4.1.4變排

36、量壓裂工藝技術為減少定向井壓裂時多裂縫的產生，壓裂施工采用較小的排量起裂，減小近井帶由于初始大排量起裂易產生多裂縫的影響，在地層破裂后逐級加大施工排量，擴張主裂縫寬度，形成多級排量注入施工，確保施工順利完成。4.1.5變粘壓裂液為確保壓裂施工成功和壓后效果，在壓裂液體系方面，可采用變粘壓裂液體系，前置液采用高粘壓裂液造縫，攜砂液采用黏度較低的壓裂液，滿足攜砂能力要求，盡可能減少液體對儲層的傷害。4.1.6增加前置液量、增大加砂規(guī)模定向井因多裂縫的存在，致使裂縫較窄，因此除了使用優(yōu)化射孔技術、支撐劑段塞、線性加砂和優(yōu)選壓裂材料外，還可以通過增加前置液量和適當增大加砂規(guī)模來提高裂縫的寬度和長度，提

37、高裂縫的導流能力。4.2 氣井重復壓裂通過對氣井重復壓裂機理的研究，分析了儲層產生裂縫的形態(tài)，從而改善氣體的流動空間，增加了氣井的控制儲量。針對氣井重復壓裂技術與油井的差別，在重復壓裂選材方面進行了優(yōu)化，減輕在重復壓裂增產措施過程中對儲層的傷害12。4.2.1 壓裂氣井失效原因分析氣井在壓后生產一段時間后，由于低滲透氣藏儲層的地質特征、初次壓裂規(guī)模和壓裂材料的影響，產量急劇下降，最終導致初次增產措施失效。采用試井分析方法評價低滲透氣藏壓裂效果，估算裂縫長度和裂縫導流能力，結合氣井生產動態(tài)進行了分析，得到氣井增產失效原因有:(1)首次壓裂施工規(guī)模受當時壓裂條件的影響，在儲層中形成的有效支撐縫長和

38、裂縫導流能力達不到設計要求，或者壓裂較成功，但隨著氣井生產，裂縫控制范圍內地層能量明顯下降(雖然裂縫控制范圍外有可觀的未動用儲量)。(2)壓裂液選擇不合適，由此造成壓裂液的大量濾失，直接或間接地損害儲層流體流動通道，增加低滲透氣藏天然氣的流動阻力。此外，壓裂液大量濾失會造成早期脫砂，影響裂縫的延伸。(3)支撐劑強度不夠，在裂縫閉合的時候被壓碎;支撐劑濃度低且鋪置不合理，導致有效支撐作用差。4.2.2 氣井重復壓裂優(yōu)化設計（1）重復壓裂方式選擇氣井重復壓裂的方式有延伸原有裂縫、層內壓出新裂縫和改向重復壓裂三種。影響這幾種壓裂方式的主要因素在于儲層的層位和該層位的應力分布。根據上述機理研究，可以通

39、過兩次壓裂前儲層的最大最小主應力的差值來確定最終是否造新縫。（2）壓裂材料優(yōu)選a.壓裂液優(yōu)選氣井重復壓裂過程中控制好壓裂液的濾失是壓裂成敗的關鍵，因為初次壓裂后儲層存在人工裂縫會導致儲層的濾失面積增大，從而造成氣藏儲層的水敏性傷害，極有可能造成水鎖現象。對于低滲透氣藏，水鎖現象導致儲層的含水率升高，最終導致氣相對滲透率降低，影響儲層的增產效果。針對低滲透氣藏的工程地質特征進行壓裂液優(yōu)選:濾失小;具備好的流變性，壓裂施工后方可迅速降粘與返排;選擇無殘渣或殘渣少的壓裂液;壓裂液與儲層配伍性好，不會在儲層中形成固相沉淀。b.支撐劑優(yōu)選選擇恰當的支撐劑是獲得更長的有效支撐裂縫的基礎，從而保證壓裂效果，

40、提高生產效果。支撐劑的粒徑、密度、濃度等因素都會影響其在壓裂過程中沉降。單個支撐劑粒子在靜態(tài)液體中的沉降速度如下式所示:CD=3(s-f)gdpfvt2 (4-1)式中:CD沉滑系數;g重力加速度;dp粒子直徑;vt粒子最終沉降速度;s支撐劑密度;f流體密度。從上式可得，滑降系數隨支撐劑密度、粒徑的增大而增大。此外支撐劑的粒徑越大，分選越好，破碎率越低，其形成的裂縫的導流能力越好。在壓裂施工工藝優(yōu)化設計中，為使支撐劑輸送得更遠，擴大壓裂有效半徑，使用低密度、小顆粒支撐劑。同時為改善壓裂氣井近井地帶的導流能力而采取尾部追加較大顆粒的支撐劑。(3) 施工參數優(yōu)化裂縫長度受控于儲層中天然裂縫狀態(tài)、有

41、效滲透率、地應力狀態(tài)與井的對應關系。這些因素都是不可控制的因素，壓裂過程中通過壓裂規(guī)模、注液量、加砂量等可控因素能夠控制形成裂縫的長度。優(yōu)化裂縫長度的技術思路是通過研究裂縫長度與經濟收益、費用和凈現值的變化關系，以此來進行最佳裂縫長度的選擇。通過氣藏模擬、裂縫模擬和經濟模型進行優(yōu)化計算，得到壓裂費用和壓后產量與支撐縫長的關系。根據以上關系，再結合經濟評價的方法得到支撐縫長與凈現值的關系，即可以得到最大凈現值時最優(yōu)的支撐縫長。最優(yōu)縫長的確定如圖:圖4-2 最優(yōu)化支撐縫長確定方法確定壓裂裂縫長度后，就可以對施工排量、砂比等施工參數進行優(yōu)化，從而獲得理想的壓裂效果。1)通過對施工排量與裂縫高度關系的

42、研究后，確定施工排量的上限，通過地層的最大吸液量，確定施工排量的下限?？紤]摩阻和地面施工設備最終確定合理的施工排量參數。2)加砂的比例關系到形成最終支撐裂縫帶的形狀，形成斜坡式的支撐帶需要采用逐漸增加的加砂程序。最終的砂比和壓裂液用量通過裂縫延伸模擬確定。4.3 煤層壓裂工藝根據煤層物性的基本特點，應用油氣井水力壓裂原理和實踐經驗，在國內進行了14口煤層氣井的成功改造，總結和完善了一套適合于煤層壓裂改造的工藝技術13。4.3.1射孔工藝煤層一般埋藏在1000m以內，在鉆井過程中井壁易坍蹋，因此固井水泥環(huán)比較厚，一般的射孔彈難以射開，我們采用了低壓高聚能射孔彈，其直徑為1215mm，有效穿透距離

43、在400mm以上。為了防止排采過程中支撐劑和煤粉返吐，造成孔眼堵塞影響排采，采取了加密布孔，從8孔/m增大到32孔/m，取得了較好的效果。4.3.2合理壓裂施工參數確定針對煤層裂隙發(fā)育、硬度低、易碎裂以及與上下圍巖物性差別大等特性，研究確定了煤層壓裂施工參數。壓裂液在煤層中的濾失量較砂巖中大，容易造成脫砂，形成“砂丘”，導致泵壓急劇增加，壓裂施工失敗，因此必須確定合理的壓裂施工參數。包括使用大泵注排量，相對減少壓裂液的濾失;加大前置液液量，活性水壓裂液，前置液量平均為加砂量的十倍以上;控制砂比，提高泵效，使裂縫達到預期的長度和期望的最大縫高;分階段提高砂比，使裂縫呈階段性延伸，預防脫砂;對于層

44、較多的煤層氣井進行壓裂改造，很難在多層中同時壓開理想的裂縫長度和高度，因此適宜采用分層壓裂。4.3.3裂縫長度和高度選擇裂縫長度取決于煤層的滲透率和含氣量，一般認為裂縫的橫向長度應在井距的1/31/2之間，裂縫高度受上下圍巖影響，應都控制在煤層之內。4.3.4壓裂液體系(1)，活性水壓裂液活性水壓裂液具有低表面張力、低傷害等特點。但它濾失量大，攜砂能力差，管路摩阻大，施工難度較大。我們用活性水作壓裂液，共壓裂10口井19層(部分參數見表)，其效果明顯。表4-2 活性水壓裂液壓裂井施工參數表 (2)，水基凍膠壓裂液水基凍膠壓裂液具有粘度高，攜砂和造縫能力強等特點。針對煤層特點，篩選出一種適合煤層

45、改造的水基凍膠壓裂液，常溫6h破膠后，水化液粘度接近清水，在沁水盆地潘莊礦區(qū)進行了4口井(n層)壓裂，成功率100%，壓后排采效果良好(見表)。表4-3 水基凍膠壓裂液壓裂井施工參數表(3)，人井添加劑為使壓裂液滿足施工要求，物性達到或接近煤層物性，篩選出了適合煤層物性的添加劑，為降低施工摩阻，加人B型降阻劑，降阻率為50%;為防止煤層中的粘土礦物和煤粉，在水力作用下發(fā)生膨脹和運移，加人煤體穩(wěn)定劑NY一01;為保證凍膠在煤層破膠后有較低的表面張力利于排液，加人表面活性劑NP一11等。(4)，支撐劑的篩選支撐劑的性能是影響支撐裂縫導流能力的重要因素之一，支撐劑粒徑越大，則強度降低，施工中支撐劑的

46、沉降速度增大，攜帶困難;支撐劑粒徑均勻分布比較大，細砂容易引起局部堵塞降低裂縫的滲透率;如果粒徑分布較窄，泥質和粉煤容易運移堵塞。根據煤層閉合壓力較低的特點，分別選用粒徑為0.40.8mm及0.81.2rnm石英砂。4.3.5酸化預處理鉆井和射孔過程中，井筒周圍受泥鉆井和射孔過程中，井筒周圍受泥漿和碎屑污染比較嚴重，為了減少排采過程中煤粉對炮眼的堵塞，煤層在壓前進行酸化處理措施。4.3.6裂縫監(jiān)測及壓裂施工分析先后應用了大地電位法及微地震法裂縫監(jiān)測技術對煤層壓裂進行裂縫監(jiān)測，得知煤層裂縫幾何形狀是多樣的，一口井的煤層有的呈水平縫;有的呈垂直縫;有的呈水平與垂直裂縫共存，一般近井筒為水平縫，遠井

47、筒為垂直縫且形成“T”，“爪”字型縫。通過分析現場壓裂施工曲線，認識了煤層氣壓裂規(guī)律是:無論是活性水壓裂液還是水基凍膠壓裂液，開始壓裂泵注前置液時曲線呈小的正斜率，說明裂縫長度在增加，注攜砂液時壓力在穩(wěn)定之后，大多數是緩慢地上升，到壓力平穩(wěn)后，降低砂比或穩(wěn)定砂比，完成設計;也有少數層在注攜砂液時曲線呈急居陡的正斜率，產生“脫砂”現象，應采用停砂注液或降低砂比，待壓力上升到一定泵壓后再停砂或采用降低砂比與停砂交替進行以完成設計加砂。4.4 水力噴射壓裂技術篩管完井水平井實施壓裂前需要進行射孔，作業(yè)工序多、費用高;而常規(guī)壓裂會帶來多余的多重壓裂裂縫，獲得的裂縫常常僅出現在水平段兩端;常規(guī)壓裂需要下

48、入封隔器等井下工具，水平井作業(yè)風險大大增加。對此，應用了水力噴射壓裂技術，實現了對水平井自動封隔、定點壓裂14。4.4.1 水力噴射壓裂技術原理水力噴射壓裂技術是水力噴砂射孔和水力壓裂相結合的新型增產工藝，由水力噴砂射孔、水力壓裂及環(huán)空擠壓三個過程共同完成。該技術原理基于伯努力方程:流體束的速度變化引起壓力反向變化，噴嘴出口處速度最高壓力最低，隨著流體不斷深入孔道速度逐漸減小，壓力不斷升高，到孔道端處速度達到最低而壓力最高，如圖。圖4-3 水力噴射原理圖安裝在施工管柱上的水力噴射工具，產生高速射流沖擊(或切割)套管和巖石，在地層形成一個(或多個)噴射孔道，完成水力射孔;同時噴射流體在孔道內動能

49、轉換為壓能，利用噴射滯止壓力破巖，在孔道端部產生微裂縫;射流繼續(xù)作用在噴射通道中形成增壓，同時向環(huán)空中泵入流體增加環(huán)空壓力，環(huán)空流體在高速射流的帶動下進入射孔通道和裂縫中，使裂縫得以充分擴展，能夠得到較大的裂縫。噴嘴出口周圍流體速度最高、壓力最低，流體會自動泵入裂縫而不會流到其它地方，環(huán)空的流體也會在壓差作用下進入射流區(qū)被吸入地層。因此水力噴射壓裂技術實現了水平井裂縫的定位控制，達到水平井定點壓裂的目的。4.4.2 水力噴射技術特點水力噴射壓裂技術具有如下特點:無需封隔器或橋塞等隔離工具，實現井段的自動封隔與定點壓裂，水平井施工風險小且操作簡便;無需單獨射孔作業(yè)，實現了射孔、壓裂一次完成，比常

50、規(guī)壓裂工藝節(jié)省了作業(yè)工序;一次管柱可進行多段壓裂，多段壓裂施工周期短，經濟安全，且有利于降低儲層傷害;可用于裸眼、套管、篩管等多種完井方式。4.4.3 壓裂參數的計算與優(yōu)選（1）裂縫參數優(yōu)化；（2）壓裂液配方優(yōu)化；（3）支撐劑的優(yōu)化；支撐劑的類型、粒度和濃度是決定水平井壓裂處理效果的重要因素。為了有利于水平井支撐劑的就位，壓裂水平井時，應使用粒度較小、密度中等的支撐劑。為了提高導流能力，可以使用中密度人工陶粒支撐劑。（4）施工參數優(yōu)化依據設計裂縫長度，并結合油層導流能力要求，結合FracPro PT軟件模擬結果，確定設計支撐裂縫半長、改造規(guī)模和平均砂比。結合儲層物性和工藝要求，設計壓裂總排量、

51、油管排量以及套管排量。（5）施工工藝的確定用原膠液低泵速灌滿油管及環(huán)空;向油管注入低濃度含砂液體，通過噴射工具進行射孔;關閉套管閘門，向油管注入基液、壓開地層;通過噴射工具注入含砂壓裂液，砂比逐漸增加，同時向油套環(huán)空注入補償液，進行加砂壓裂;最后泵入活性水進行頂替。4.5 清水壓裂技術國外從上世紀70年代中期開始進行清水壓裂室內研究和現場試驗。最初的清水壓裂是“滑溜水壓裂”，是將線性凝膠或降阻劑加入清水中，施工中不加入支撐劑，直接產生裂縫。后來，為了增加裂縫的導流能力，在施工中加入了少量支撐劑。其主要發(fā)展歷程為:清水不加支撐劑壓裂(用量800 m31600m3清水，有效縫長9m18m)常規(guī)清水

52、壓裂(攜帶20/40目或40/70目支撐劑，采用前置液+攜砂液交替注入，支撐劑用量9t90t有效縫長增加到20m70m)混合清水壓裂(清水前置液+交聯攜砂液，有效縫長增加到80m100m)。到目前為止，在室內與現場對清水壓裂的增產機理、適用性及其工藝技術已進行了許多綜合性研究，并應用于低滲透油氣藏的改造中取得了明顯的增產效果15。柏靈頓公司，在四川八角場的角62B進行了清水壓裂施工，取得了明顯的增產效果。此外，中油西南油氣田分公司在蓬130井進行了清水壓裂現場試驗，施工亦取得圓滿成功。4.5.1清水壓裂工藝（1）清水壓裂特點所謂清水壓裂，是在低滲透油氣藏改造中，應用在清水中加入降阻劑、活性劑、

53、防膨劑等或線性膠作為工作液進行的壓裂作業(yè)。作業(yè)液中一般只帶有少量支撐劑(早期用清水不加支撐劑)，但也有加砂量較多的。清水壓裂主要有以下特點:較大的施工間隔段;工作液效率低、用量大;工作液粘度低、形成的裂縫寬度較窄;攜砂能力差;要求較高的泵注排量，以補償工作液的高濾失;形成的裂縫幾何形狀較復雜。（2）清水壓裂的增產機理清水壓裂增產依靠以下幾種機理相互作用:1).由于巖石中天然裂縫具一定表面粗糙度，閉合后仍能保持一定的縫隙，就可以形成對低滲儲層來說已經足夠的導流能力。2).清水壓裂基本上不存在殘渣傷害問題，與聚合物壓裂液相比裂縫的導流能力受殘渣傷害有所降低。3).清水(線性膠)攜砂能力弱，支撐劑易

54、沉降到較細垂直天然裂縫中，使微裂縫處于張開狀態(tài)。4).壓裂過程中，巖石脫落下來的碎屑(特別是在頁巖地層中)它們可能形成“自撐”式支撐。5).剪切力使裂縫壁面產生剪切滑移，在裂縫延伸過程中使已存在的微隙裂開，并使斷層面及其它弱面張開?？傊?，當裂縫周邊的巖石在壓力超過“門檻”壓力后，即發(fā)生“滑移”破壞，兩個裂縫粗糙面的滑動，使垂直于縫面的縫隙膨脹。停泵后，張開了的粗糙面使它們不能再滑回到原來的位置，從而剪切產生的裂縫滲透率得到保持。(3)清水壓裂增產的適應性清水壓裂由于攜砂能力差，砂濃度低，故清水壓裂施工的效果取決于是否存在著有利的天然裂縫系統以及它們對壓力及原有的就地應力的響應程度。清水壓裂一般

55、適用于以下條件的地層:a.低滲透地層研究表明:油氣藏滲透率越低，裂縫所要求的導流能力就越低。下面是適合清水壓裂的油藏滲透率劃分界限: 主要應用于油氣藏滲透率<0.05mD; 在滲透率為0.05mD0.1mD的油氣藏中可以使用; 滲透率>0.1mD存在天然裂縫油氣藏。b.高強度巖石地層研究表明:巖石的楊氏模量越高，巖石越堅硬，壓裂易形成粗糙的節(jié)理，越有利于保持裂縫張開，保持裂縫的導流能力。清水壓裂主要應用于楊氏模量>3.4475×104MPa的油氣藏; 在楊氏模量為6.895×103MPa3.4475×104MPa的油氣藏中可以使用。c.具低閉合應力地層低應力有利于使殘余的裂縫保持張開，一般要求閉合應力梯度<0.0176MPa/m，而且閉合應力越低，壓差越大的地層越有利于清水壓裂。d.具天然裂縫的地層天然裂縫的儲層，水力壓裂可以沿天然裂縫網絡延伸，增強裂縫的導流能力，并有利于天然裂縫網絡和井筒之間的連通性。e.壓力較低的地層此種地層采用傳統的凍膠壓裂返排比較困難，凝膠滯留于地層對儲層造成傷害，而清水壓裂有助于加速返排，可以避免凝膠損害。(4)清水壓裂與凍膠壓裂的不同點攜砂能力低;砂濃度低，一般為30Kg/m3360Kg/m3;前置液量大，泵注排量高;支撐劑顆粒小:一般使用30/