壓裂工藝技術(shù)課件

第十章壓裂

——壓裂工藝技術(shù)一、分層及選擇性壓裂技術(shù)二、測試壓裂技術(shù)三、裂縫高度控制技術(shù)四、泡沫壓裂工藝技術(shù)五、高能氣體壓裂技術(shù)一、分層及選擇性壓裂技術(shù)主要用于多層的油氣井中，對其中某個或某些目的層進行壓裂。

(一)封隔器分層壓裂1．單封隔器分層壓裂(1)管柱結(jié)構(gòu)圖(2)用途對最下面一層進行壓裂。

(3)特點

1)管柱結(jié)構(gòu)簡單；

2)施工比較安全，不易發(fā)生砂卡；

3)適用于各種類型油氣層，特別是深井和大型壓裂。(4)技術(shù)要求

1)水力錨的嚙合力必須大于施工時作用于封隔器上的上頂力，以免頂彎油管；

2)施工時作用于封隔器上下的壓差必須小于封隔器允許的最大壓差；

3)壓裂層的射孔段與上面一層射孔段之間的距離，中深井應(yīng)不小于3m，深井應(yīng)不小于5m。2．雙封隔器分層壓裂(1)管柱結(jié)構(gòu)圖(2)用途在射開多層的油氣井中，對其中任意一層進行壓裂。(3)特點

1)控制壓裂層位準確可靠；

2)施工中兩個封隔器之間拉力較大，對深井和破裂壓力高的地層，不宜采用此種工藝技術(shù)。(4)技術(shù)要求

1)兩個封隔器之間的所有井下工具、短節(jié)的本體和螺紋抗拉強度必須大于施工時的最大拉力；

2)噴砂器應(yīng)緊接于下封隔器上部，以免施工時在下封隔器上形成沉砂；

3)壓裂層射孔段與上下層射孔段之間的距離一最不應(yīng)小于5m，最少不小于3m；

4)起管柱前，應(yīng)先反循環(huán)將下封隔器上部沉砂沖凈。起管柱時，應(yīng)先上下活動，不得猛提。3．橋塞封隔器分層壓裂

(1)管柱結(jié)構(gòu)圖

(2)用途在射開多層的油氣井中，對其中任意一層進行壓裂。

(3)特點

1)施工比較安全，不易發(fā)生砂卡和拉斷油管等事故；

2)控制壓裂層段準確可靠；

3)適用于深井壓裂；

4)施工工藝較復(fù)雜，壓裂前需先下入橋塞；壓裂后，若橋塞下面有產(chǎn)層，則需打撈或鉆掉橋塞。(4)技術(shù)要求1)施工時，橋塞上下壓差不能超過允許的最大壓差；2)水力錨的嚙合力必須大于施工時作用于封隔器的上頂力；3)打撈橋塞時，應(yīng)先將橋塞上沉砂沖干凈；

4)撈住橋塞后，起管柱時應(yīng)先上下活動將橋塞解封，卡瓦收回，再慢慢上起，不得猛提；

5)若使用可鉆式橋塞，鉆橋塞時應(yīng)注意保護油氣層和防止發(fā)生井噴。橋塞:/C-swf.asp

4．滑套封隔器分層壓裂有兩種管柱類型，而且開關(guān)滑套方式也有兩種。國內(nèi)最常用的是只有噴砂器帶滑套的管柱和采用投球憋壓方法打開滑套。(1)管柱結(jié)構(gòu)圖(2)用途

1)可以不動管柱、不壓井、不放噴一次施工分壓多層；

2)對多層進行遠層壓裂和投產(chǎn)。(3)特點

1)對油氣層傷害小，有利于保護油氣層；

2)由于受管柱內(nèi)徑限制，一般最多只能用三級滑套，一次分壓四層；

3)如果一次壓多層，必須起鉆換管柱，才能對下部層位進行排液投產(chǎn)。(4)技術(shù)要求1)滑套內(nèi)徑自上而下要逐級減小，壓裂時自下而上逐層壓裂；

2)為保證封隔器有較好的坐封位置，每個射孔段之間的距離一般不能小于5m；

3)用于深井，為保證封隔器坐封位置準確，應(yīng)對油管進行測井校深；

4)因這套管校結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易造成砂卡，施工完后應(yīng)立即起出管柱；

5)如果逐層壓裂求產(chǎn)完后再打開滑套壓上層。在打開滑套前應(yīng)先反循環(huán)將管柱內(nèi)外沉砂沖凈，以免造成砂卡；

6)滑套外徑應(yīng)小于所通過的管柱最小內(nèi)徑，并與滑套坐落短節(jié)密封良好。（二）堵塞球選擇性壓裂

1．堵塞球選擇性壓裂工藝原理2．堵塞球分類1)高密度堵球—球的密度大于壓裂液密度(效率低，不返出）2)低密度堵球—球的密度低于壓裂液密度(效率高，但是返出）3．堵塞球封堵效果計算公式(1)堵球在套管內(nèi)的運動速度fd是雷諾數(shù)的函數(shù)，而雷諾數(shù)中又有未知參量Vs，因此需試算為簡化計算，也可用(fd-NRe)關(guān)系曲線求其值。將式(5-4)兩端乘以NRe平方可得利用式(5-6)和(5-7)分別求出NRe和fd后，在圖5-6上標出兩點，由兩點所連直線與(fd-NRe)曲線交點所對應(yīng)的值，即為實際的NRe和fd值。然后用式(5-3)或下式求Vs。堵球在套管中沉降時，如在層流中，計算出的Vs不受管壁影響。如在紊流中，則應(yīng)進行修正。此時式(5-1)為

(2)堵球在套管中運動的慣性力

(3)孔眼對堵球的吸引力取VR為孔眼內(nèi)最大水平流速的一半，則將(5-14)代入(5-13)得式中的fd可從圖5-4中查出，此處的雷諾數(shù)可用下式計算當FD＞Fi時，封堵成功！

(4)使球脫離孔眼的力查fd的雷諾數(shù)可用下式計算如果忽略球進入孔眼內(nèi)之面積，5-17和5-18簡化為：

(5)孔眼持球力考慮孔眼和堵球幾何尺寸的影響，需對上式進行修正。即

當FH’＞Fu時，堵球才能坐封在孔眼處不脫落！

4．選擇堵球直徑與堵球數(shù)量的經(jīng)驗公式

(1)選擇堵球直徑經(jīng)驗公式

(2)選擇堵球數(shù)量的經(jīng)驗公式

5．不同密度差、不同流量與封堵效率關(guān)系（三）限流法分層壓裂1.限流法分層壓裂工藝原理

2．限流法分層壓裂工藝要點

1)根據(jù)壓裂要求設(shè)計射孔方案。

2)必須保證每個孔眼暢通，可先用稀酸預(yù)處理疏通孔眼。3)為保證盡可能多的射孔層段被壓開和每層有足夠的排量，應(yīng)在套管允許的條件下盡可能提高排量。

4)在允許的最大排量下，孔眼摩阻必須大于各層間破裂壓力的差值，即形成的井底壓力應(yīng)高于所有層的破裂壓力。

5)各層間不能串通，以達到分層壓裂的目的。3．孔眼摩阻計算公式（1）美國埃索生產(chǎn)研究公司計算公式(2)利用礦場資料估算孔眼摩阻公式(四)蠟球選擇性壓裂

1．工作原理和作用蠟球選擇性壓裂是利用高滲層與低滲層吸水能力不同，在壓裂液中加入蠟球暫堵劑將高滲層封堵，從而壓開低滲層。油井投產(chǎn)后，蠟球被原油逐漸溶解，而使堵塞解除。采用蠟球選擇性壓裂可以使低滲層得到改造，提高單井產(chǎn)量。若高滲層為高含水層，還可封堵產(chǎn)水層段降低油井含水率。2．國內(nèi)使用的幾種蠟球配方及粒度組成(1)新疆石油管理局蠟球配方及粒度組成1)配方：2)粒度組成：2)玉門石油管理局蠟球配方及粒度組成1)配方：2)粒度組成(3)長慶石油勘探局蠟球配方及粒度組成1)配方：

2)粒度組成：3．計算蠟球用量經(jīng)驗公式(1)初次壓裂計算蠟球用量經(jīng)驗公式(2)重復(fù)壓裂層計算蠟球用量經(jīng)驗公式二、測試壓裂技術(shù)稱為小型試驗壓裂，是通過進行一次小型壓裂，并對壓裂壓力進行分析來取得裂縫有關(guān)參數(shù)：延伸壓力、閉合壓力、閉合時間、縫長、縫寬、濾失系數(shù)等。

(一)測試壓裂井下和地面裝置示意圖（二）裂縫延伸壓力測試指地層被壓開以后，繼續(xù)延伸裂縫所需的壓力。測試的步驟和方法：

1)以基巖能接收的速率注入2％濃度的氯化鉀水溶液或壓裂用的前置液；

2)排量按臺階式增加，每次增量為80-160L/min；

3)在每個排量下穩(wěn)定注入一定時間，直至取得該排量的最大穩(wěn)定壓力；

4)用所取得的排量、壓力數(shù)據(jù)，繪制壓力與排量關(guān)系曲線；

5)找出圖中的斜率變化點(即拐點)，該點的井底壓力即為裂縫延伸壓力。（三）裂縫閉合壓力測試指當裂縫面即將相互接觸時的井底壓力。裂縫閉合壓力測試有兩種方法：一種是在保持裂縫延伸的速率下注入一定量的液體，使裂縫達到足夠的長度后，停泵關(guān)井，待裂縫閉合；另一種是在停泵后，用油嘴控制在恒定速率下返排，使裂縫閉合。步驟和方法：

1)在保持裂縫延伸的速率下注入2％濃度的氯化鉀水溶液或壓裂施工的前置液；

2)在裂縫延伸一定長度后停泵，并用油嘴控制在恒定速率下返排；3)繪制井底壓力與返徘時間關(guān)系曲線(如圖5-11)；

4)找出曲線的斜率變化點(即拐點)，該點壓力即為裂縫閉合壓力。（四）利用小型測試壓裂求取裂縫幾何尺寸和壓裂液參數(shù)

1．小型測試壓裂的步驟和方法

1)選擇與今后壓裂施工前置液相同的液體作工作液；

2)按壓裂設(shè)計所用的排量泵注；

3)注入液量達到使縫長與縫高之比超過2：1后停泵：

4)關(guān)井監(jiān)測停泵后壓力遞減數(shù)據(jù)和曲線，如有可能應(yīng)使壓力遞減至裂縫閉合以后；

5)根據(jù)壓力遞減速度利用曲線擬合等方法求取裂縫和壓裂液參數(shù)；

6)如壓力已遞減至壓裂閉合后，也可通過繪制停泵后井底壓力與閉合時間的平方根曲線，從曲線上的拐點直接求取閉合壓力和閉合時間，然后再用曲線擬合等方法求取其它參數(shù)。

2．用曲線擬合法求裂縫和壓裂液參數(shù)Nolte提出的曲線擬合法求取裂縫和壓裂液參數(shù)。

參考p615-619。三、裂縫高度控制技術(shù)

(一)常規(guī)裂縫高度控制技術(shù)通過選擇和利用油氣層上下的致密泥質(zhì)隔層、施工排量、壓裂液粘度與密度來控制裂縫高度。簡便易行，但推廣應(yīng)用有一定的局限性。

1．利用地應(yīng)力高的泥質(zhì)隔層控制裂縫高度具備條件：

1)對于常規(guī)作業(yè)，在砂巖油氣層上下的泥質(zhì)隔層厚度一般應(yīng)不小于5m；

2)上下限層地應(yīng)力高于油氣層的地應(yīng)力2.1-3.5MPa時更為有利。2．利用施工排量控制裂縫高度美國棉谷地區(qū)總結(jié)出施工排量與裂縫高度有如下關(guān)系：

3．利用壓裂液粘度和密度控制裂縫高度壓裂液粘度越大，裂縫越高，保持在50-100mPa·s較合適。要控制裂縫向上延伸，應(yīng)采用密度較高的壓裂液；要控制裂縫向下延伸，則應(yīng)采用密度較低的壓裂液。(二)人工隔層控制裂縫高度技術(shù)

1．用漂浮式轉(zhuǎn)向劑控制裂縫向上延伸技術(shù)（1）工作原理

(2)對漂浮式轉(zhuǎn)向劑性能要求

1)密度小于壓裂液密度。對水基壓裂液漂浮式轉(zhuǎn)向劑密度最好在0.6-0.7g/cm3之間；

2)粒徑70-120目。最大范圍不應(yīng)超過70-200目；

3)能適應(yīng)裂縫中壓力、溫度及流體環(huán)境。承受靜壓14MPa時，顆粒完好率在80-85％以上；

4)形成阻擋條帶后，能在轉(zhuǎn)向劑層兩邊產(chǎn)生很大的壓力降；

5)對裂縫導(dǎo)流能力影響小。

(3)漂浮式轉(zhuǎn)向劑壓裂工藝

1)用前置液造縫，最好選用水基壓裂液；

2)用加有漂浮式轉(zhuǎn)向劑的低粘壓裂液延伸裂縫，并制造人工隔層。要求壓裂液粘度應(yīng)小于20mPa·s，漂浮式轉(zhuǎn)向劑濃度推薦選用30-120kg/m3；

3)保持原有排量和壓力繼續(xù)注入不加轉(zhuǎn)向劑的低粘壓裂液；

4)逐步提高排量和壓力注入高粘前置液和攜砂液，繼續(xù)延伸裂縫和支撐裂縫，完成壓裂全過程。

(4)應(yīng)用范圍

1)生產(chǎn)層與非生產(chǎn)層互層的塊狀均質(zhì)地層；

2)水層位于生產(chǎn)層之上，兩者之間無良好隔層；

3)生產(chǎn)層與氣頂之間隔層很??；4)生產(chǎn)層與上隔層的地應(yīng)力差較小，不能阻止裂縫垂向延伸。

2．用重質(zhì)沉降式轉(zhuǎn)向劑控制裂縫向下延伸技術(shù)通過使用重質(zhì)沉降式轉(zhuǎn)向劑在裂縫底部形成壓實的低滲透層，阻止裂縫向下延伸。其工藝過程基本上與使用漂浮式轉(zhuǎn)向劑相同。主要用石英砂和陶粒。

3．同時使用兩種轉(zhuǎn)向劑控制裂縫向上和向下延伸技術(shù)將上述兩種技術(shù)綜合應(yīng)用。為了使兩種轉(zhuǎn)向劑在裂縫中能上浮和下沉，一般在注入加有轉(zhuǎn)向劑的液體之后短時間關(guān)井，然后再進行正常壓裂作業(yè)。(三)冷水水力壓裂控制裂縫高度技術(shù)

1．作用原理通過向溫度較高的地層注入冷水，使地層產(chǎn)生熱彈性應(yīng)力，大幅度地降低地層應(yīng)力，而使縫高和縫長控制在產(chǎn)層范圍內(nèi)。

2．壓裂工藝

1)在低于地層破裂壓力的條件下，向地層注入冷水預(yù)冷地層；

2)提高排量和壓力，使壓力僅大于被冷卻區(qū)水平應(yīng)力，在冷卻區(qū)內(nèi)壓開一條裂縫；

3)控制排量和壓力，注入含高濃度降濾劑的冷水前置液延伸裂縫。推薦的降濾劑為植物膠或石英粉；

4)注入低溫粘性攜砂液支撐裂縫，完成壓裂全過程。3．應(yīng)用范圍

1)產(chǎn)層不存在清水傷害問題；

2)膠結(jié)性較差的地層；

3)用常規(guī)水力壓裂技術(shù)難以控制裂縫延伸方向的油氣層。四、泡沫壓裂工藝技術(shù)(一)泡沫壓裂的優(yōu)點

1)視粘度高，攜砂和懸砂性能好。

2)濾失系數(shù)低，液體濾失量小。

3)液體含量低，對地層傷害小。

4)摩阻損失小，比清水可降低40-60％；

5)壓裂液效率高，在相同液量下裂縫穿透深度大；

6)壓裂液返排速度快，排出程度高。(助排作用）（二）組成

1．氣相一般N2（常用）、CO2。

2．液相水或鹽水、原油、凝析油、精煉油、酸類。

3．表面活性劑在氣、液混合后，使氣體成氣泡狀均勻分散在液體中形成泡沫。

(1)對表面活性劑(也稱起泡劑)的技術(shù)要求1)起泡性能強，注入氣體后能立刻起泡；2)與泡沫液的液相能相互混溶；3)當壓力釋放時，氣泡能迅速破裂；4)與地層巖石和流體配伍性好；5)使用濃度低，一般為流體的0.5-1％；6)凝固點低，具有生物降解能力，毒性小；7)成本較低，來源廣。(2)常用的表面活性劑及其特點

1)陰離子表面活性劑：硫酸脂和磺酸脂。與陽離子不相容。

2)陽離子表面活性劑：胺化物。相容性好。3)非離子表面活性劑：環(huán)氧乙烷或環(huán)氧丙烷與疏水膠體的縮合物。相容性好，但是泡沫質(zhì)量和穩(wěn)定性差。

4．泡沫穩(wěn)定劑（也稱增稠劑或增粘劑）。常用的泡沫穩(wěn)定劑有：

1)對水溶液或甲醇溶液：植物膠和纖維素聚合物，如胍膠、羧甲基纖維素等。

2)對濃度較低的酸液體系：改性胍膠；對濃度高的酸液：氧雜蒽胍膠。

3)對液相是原油、凝析油或精煉油：磷酸脂、脂肪酸和鋅酸鋁等。用量：應(yīng)根據(jù)使基液粘度達到15-20mPa.s來確定，一般2.4-4.8kg/m3。5．其它添加劑對不同地層和不同液相所需加入的常規(guī)添加劑。用法和用量：與常規(guī)壓裂液相同。

(三)泡沫壓裂液的性質(zhì)及參數(shù)計算

1．泡沫質(zhì)量與N2用量計算

(1)泡沫質(zhì)量（也稱泡沫干度）表示氣相在泡沫中的體積百分數(shù)，在某一溫度和壓力下的泡沫質(zhì)量可用下式計算

(2)

N2用量計算

2．泡沫壓裂液的流變性及視粘度計算(1)在管道中流動(2)在環(huán)形空間中流動(3)在裂縫中流動3．泡沫壓裂液的摩阻計算(1)管道中流動的摩阻1)雷諾數(shù)NRe2)管道中流動的摩阻(2)在環(huán)形空間中流動的摩阻4．泡沫壓裂液的濾失性及濾失系數(shù)(四)泡沫壓裂工藝

1．工藝要點

1)泡沫質(zhì)量應(yīng)不小于65％；

2)泡沫壓裂液的液體部分應(yīng)有較高的攜砂能力，在形成泡沫前應(yīng)通過支撐劑濃縮器提高液相含砂濃度；3)液體起泡性能好，注入氣體后能立即起泡形成泡沫；

4)因泡沫壓裂液濾失量小，泵注排量不需太高，一般以不超過3.2m3/min為宜；5)有一定的穩(wěn)定時間，在整個施工過程中應(yīng)保持性能基本穩(wěn)定；

6)對油井作業(yè)，泡沫壓裂液的液相若用水基液體，應(yīng)具有較好的破乳性，以防止形成油水乳化液；

7)泡沫液應(yīng)與地層巖石和流體配伍，在施工前應(yīng)對泡沫系統(tǒng)內(nèi)各種化學(xué)添加劑進行室內(nèi)試驗。2．現(xiàn)場配制泡沫壓裂液的方法

1)在地面將N2和加有起泡劑的液體在泡沫發(fā)生器內(nèi)混合形成泡沫。

2)將加有起泡劑的液體從油套環(huán)形空間注入，氣體從油管注入，在井底混合形成泡沫。（實際施工中很少采用。）3．泡沫壓裂返排時應(yīng)注意的問題

1)應(yīng)根據(jù)地層的閉合壓力和閉合時間確定關(guān)井時間和返排方法，防止將支撐劑帶出地層。（返排壓力比pc低1.4Mpa）

2)返排時要用可變油嘴或針閥由小到大控制返排速度。

3)要注意觀察返排液的含砂量，若出砂太多應(yīng)關(guān)井一段時間再返排。

4)當管柱的噴砂器位于油層中部或油層以下時，返排時不要過分洗井，造成縫口處于無支撐狀態(tài)降低裂縫導(dǎo)流能力。4．提高泡沫壓裂砂比的技術(shù)(1)采用交聯(lián)泡沫壓裂液提高砂比；

(2)采用泡沫和液體混合壓裂提高砂比；

(3)使用砂濃縮器提高砂比。

5．泡沫壓裂工藝流程需要常規(guī)壓裂的設(shè)備外，還需要增加液氮泵車、泵送起泡劑的專用泵和砂濃縮器。(五)泡沫壓裂的適用范圍五、高能氣體壓裂技術(shù)亦稱可控脈沖壓裂、爆燃壓裂，國外70年代開始試驗，80年代發(fā)展完善的油氣井增產(chǎn)新技術(shù)，國內(nèi)1985年開始試驗研究。(一)基本原理和特點利用火藥或推進劑在油氣井中有控制地燃燒，產(chǎn)生大量超過油氣層最大就地應(yīng)力值的高溫高壓氣體以脈沖加載方式作用于油氣層，使井筒周圍油氣層巖石發(fā)生破裂形成不受地應(yīng)力控制的多條徑向裂縫。特點：

1)高能氣體壓裂形成的是多條徑向裂縫，提高了井筒附近地層的導(dǎo)流能力，增加了溝通天然裂縫的可能性。但由于所產(chǎn)生的氣體能量有限，形成的裂縫長度較短；2)高能氣體壓裂是利用巖石破裂時產(chǎn)生的顆粒和裂縫兩側(cè)地層在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小錯位形成支撐，因此不加支撐劑裂縫也不致完全閉合；3)推進劑燃燒產(chǎn)生的氣體不會對油氣層造成污染，有利于保護油氣層；

4)能量釋放過程若控制得當，不會對套管造成破壞，因而不僅可用于裸眼井，也可用于套管井；

5)使用的地面設(shè)備少，施工時間短，施工后不需進行排液，成本較低。（二）適用范圍1)取心顯示和測井解釋均較好，由于鉆井和完井過程中污染嚴重，射孔后產(chǎn)能較低或無產(chǎn)能的油氣層；

2)地層物性較差，但天然裂縫比較發(fā)育的油氣層；

3)水敏或酸敏性油氣層；

4)酸化或壓裂后，因井筒附近堵塞而造成產(chǎn)量下降的油氣層；

5)地層破裂壓力很高的油氣層；

6)產(chǎn)能很低不適宜用其它高成本增產(chǎn)措施的油氣層；

7)不宜進行水力壓裂的底水油氣藏。不適合進行高能氣體壓裂的油氣層主要有：

1)顆粒運移嚴重的油氣層；2)膠結(jié)差的油氣層；

3)天然裂縫不發(fā)育的致密地層。（三）主要技術(shù)參數(shù)選擇高能氣體壓裂的主要技術(shù)參數(shù)是升壓時間和峰值壓力個參數(shù)決定了壓裂后所形成的裂縫類型。

1．升壓時間指從推進劑燃燒到升至最高壓力的時間，裸眼井形成多方位徑向裂縫的升壓時間可以由下式確定：2．峰值壓力大于地層最大水平地應(yīng)力和小于套管能承受的極限壓力。為了保護套管，一般應(yīng)將峰值壓力控制在100MPa以內(nèi)。

(四)高能氣體壓裂工藝

1．電纜送彈地面引爆壓裂工藝

(1)裸眼井施工工藝用電纜將爆燃壓裂彈下至目的層，然后在距彈頂上方3-5m處打水泥塞封堵井筒，再由地面點火引爆。若目的層距人工井底較深，在下壓裂彈之前還應(yīng)打下水泥塞封堵下部井段，以便于充分利用燃氣能量，提高壓裂效果。施工程序：

1)起出井中生產(chǎn)管柱，下通井管柱通井探人工井底。若井內(nèi)砂面太高，沖砂至施工目的層以下5-10m；2)若目的層下界面距人工井底較深，在目的層以下打下水泥塞，其塞面距目的層下界面5-10m；

3)用電纜將爆燃壓裂彈下至目的層；

4)在距彈頂3-5m處打上水泥塞，候凝24小時后探水泥塞面，若高度不夠應(yīng)采取補救措施，直至達到設(shè)計要求；

5)地面通電引爆；

6)從水泥塞面以上預(yù)先設(shè)置的弱點處將電纜拔斷，并起出井筒；

7)鉆掉水泥塞，并清除井下雜物；