水力壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

根據(jù)中國第三次油氣資源調(diào)查，低滲透油和氣勘探資源分別占49.0%和42.8%。分布在松遼、遼海灣、二連、鄂爾多斯、四川、準(zhǔn)噶爾、塔里木等盆地。2008年,中國石油提交的探明儲量中82%為低滲透儲藏,原油產(chǎn)量中低滲透油區(qū)產(chǎn)量占34%。低滲透儲層低孔、低滲、非均質(zhì)性強、儲量豐度低,易受損害,絕大多數(shù)油氣井必須實施壓裂增產(chǎn)措施后方見產(chǎn)能。水力壓裂已經(jīng)成為低滲透、特低滲透油田改造的重要措施,其工藝技術(shù)水平對油氣的經(jīng)濟開發(fā)有著直接影響。從水力壓裂工藝技術(shù)入手,總結(jié)了重復(fù)壓裂、復(fù)雜井壓裂的難點及解決方案,介紹了水基壓裂液、壓裂液損害儲層機理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。1壓裂工藝和技術(shù)1.1重復(fù)壓裂裂縫產(chǎn)生機理重復(fù)壓裂是指對儲層進行第2次或更多次的壓裂措施,重復(fù)壓裂對象多為壓裂效果差的新井和油氣產(chǎn)量已處于經(jīng)濟生產(chǎn)線以下具改造價值的老井,美國壓裂井的近1/3為重復(fù)壓裂井。中國多數(shù)主力油氣田都已進入開發(fā)中后期,由于種種原因,先前水力裂縫已失效或成為地層水運移的主要通道,對這類儲層堵水和造新縫便成為老油區(qū)油氣穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、提高油氣采收率的主要工藝措施。重復(fù)壓裂裂縫的產(chǎn)生機理主要包括使老裂縫延伸變長和在層內(nèi)產(chǎn)生新的裂縫2種。在實際老井重復(fù)壓裂作業(yè)中這2種機理都存在,第2種機理產(chǎn)生的裂縫的作用效果和效益好于第1種。影響重復(fù)壓裂效果的因素一般可分為3類。(1)決定產(chǎn)生新裂縫的因素包括遠場水平地應(yīng)力差、彈性模量、初次裂縫長度、初次裂縫寬度、生產(chǎn)壓差和滲透率,如果上述某個因素的數(shù)值低于某一臨界值,無論生產(chǎn)時間多長,均不會產(chǎn)生新裂縫。遠場水平地應(yīng)力差較小、彈性模量較大、初次裂縫長度和寬度較大、低滲透、初次改造后平均生產(chǎn)壓差較大等因素對重復(fù)壓裂產(chǎn)生新裂縫有利。(2)影響最優(yōu)重復(fù)壓裂時機的因素是滲透率、孔隙度和流體黏度,即重復(fù)壓裂更適用于低滲透油氣藏,具較高孔隙度和較高黏度流體的地層,要較長的生產(chǎn)時間再進行重復(fù)壓裂才能獲得較長的新裂縫。(3)可以忽略的因素有泊松比、井眼直徑等參數(shù)。1.2井壁地應(yīng)力場和張性破裂準(zhǔn)則隨著低孔、低滲及作業(yè)環(huán)境復(fù)雜的油氣藏的增加,水平井、大斜度井,大位移井?dāng)?shù)量也不斷增多,隨之而來的這些復(fù)雜井的壓裂問題均提上日程。1)水平井壓裂。目前,水平井壓裂工藝主要是限流法壓裂、分段壓裂工藝。對于水平段較短的水平井多數(shù)采用限流法壓裂,而水平段較長的水平井必須采用分段壓裂法壓裂儲層。限流壓裂是壓裂液通過射孔孔眼進入儲層時會產(chǎn)生孔眼摩阻,且摩阻隨泵注排量的增加而增大,帶動井底壓力的上升,一旦井底壓力超過多個壓裂層段的破裂壓力時,便在每一個層段上壓開裂縫,該技術(shù)對壓裂泵排量、儲層性質(zhì)、射孔工藝等要求較高,存在多條裂縫控制困難、壓裂針對性差等問題,因此應(yīng)用受到限制。分段壓裂是利用封隔器或其它材料段塞,在水平井筒內(nèi)一次壓裂一個井段,逐段逐次壓裂。分段壓裂方式有:橋塞壓裂、連續(xù)油管攜帶跨隔封隔器壓裂、凝膠復(fù)合段塞法壓裂和水力噴射分段壓裂。裂縫起裂與延伸是壓裂施工取得成功的主要條件。水平井儲層改造中地應(yīng)力場的分布決定著水力壓裂裂縫的起裂壓力及位置、裂縫的延伸方向及裂縫高度,最大水平主應(yīng)力方向是壓裂裂縫的延伸方向。對于射孔完井的水平井,在壓裂施工過程中,水平井筒周圍的巖石主要受井筒內(nèi)壓、射孔應(yīng)力集中、原地應(yīng)力、壓裂液滲流效應(yīng)和熱應(yīng)力等的聯(lián)合作用。因此依據(jù)水平井筒井壁受力模型、起裂角計算模型及張性破裂準(zhǔn)則,可得出以下結(jié)論。(1)當(dāng)水平井井眼方位角為0°時,裂縫沿水平井筒軸線起裂,并向前延伸為90°時,裂縫先沿水平井軸線方向起裂,在離井筒一定距離時開始轉(zhuǎn)向,最終轉(zhuǎn)到與最小主應(yīng)力相垂直的方向向前延伸,壓裂過程中將會產(chǎn)生最大附加扭曲摩阻;當(dāng)水平井井眼方位角介于0°~90°之間時,裂縫面與水平井軸線呈一定角度起裂,最終轉(zhuǎn)到與最小主應(yīng)力相垂直的方向向前延伸。(2)當(dāng)縫間距較小時,2條裂縫間出現(xiàn)相互干擾,而且裂縫可能轉(zhuǎn)向。(3)產(chǎn)層和隔層的水平地應(yīng)力差是影響裂縫垂向延伸的主要因素,裂縫能從強度大的巖石進入強度小的巖石,反之則不能。(4)如果沿裂縫方向的滲透率(Kx)與沿井筒方向的滲透率(Ky)相等或相差較小,那么裂縫的最佳條數(shù)為3~5條,如果Kx>Ky,那么裂縫的最佳條數(shù)將有所增加。壓裂后水平井產(chǎn)能計算的準(zhǔn)確程度不僅影響水平井水力壓裂優(yōu)化設(shè)計和壓裂經(jīng)濟評價結(jié)果,而且對壓裂施工成功率和有效率也有重要的影響,根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)文獻資料,水平井產(chǎn)能預(yù)測的模型以解析模型和數(shù)值模型為主。水平井產(chǎn)能受以下因素影響:(1)在其它條件相同的情況下,多條裂縫之間的相互干擾可使壓裂井日產(chǎn)量降低20%左右,且裂縫面與井筒夾角越小,則裂縫的產(chǎn)量越小;(2)高導(dǎo)流能力裂縫可以克服由于水平井周圍流線匯集引起的附加壓降,隨著裂縫導(dǎo)流能力和裂縫長度的增加,壓裂井的產(chǎn)能也在增加,但當(dāng)裂縫導(dǎo)流能力和裂縫長度增加到一定程度時,裂縫導(dǎo)流能力和裂縫長度的變化對產(chǎn)能的影響不再顯著;(3)有多條橫向裂縫的水平井,兩邊的裂縫對產(chǎn)能的貢獻比中間的裂縫大,并且最外面2條裂縫的產(chǎn)量在整個產(chǎn)量中占了很大比例。2)定向井和大斜度井壓裂。與直井相比,定向井、大斜度井易出現(xiàn)破裂壓力異常、近井摩阻大、施工壓力高、壓后效果普遍較差等問題。近井效應(yīng)顯著、裂縫空間轉(zhuǎn)向、多條裂縫的形成是造成定向井、大斜度井壓裂施工難度大和壓裂后效果普遍較直井差的主要原因。因此,該類井常采取優(yōu)化射孔工藝技術(shù)、前置液加段塞工藝技術(shù)、線性加砂工藝技術(shù)、變排量壓裂工藝技術(shù)、增加前置液量和增大加砂規(guī)模等工藝措施來減少多裂縫和近井摩阻,達到增加裂縫長度和寬度、降低施工難度以及提高壓裂施工效果的目的。目前,中國已經(jīng)實施了較多井次的老井重復(fù)壓裂和復(fù)雜井的壓裂,取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。然而相關(guān)的配套技術(shù)和工具還不完善,仍處在引進、借用及粗獷的設(shè)計和施工階段,需加大科研和投資力度,如水平井分段壓裂工具等還主要依賴進口和仿制,缺少甚至沒有水平井和大斜度井壓裂的模擬設(shè)計軟件等。2被廣泛采用的優(yōu)缺點由于水基壓裂液具有黏度高、攜砂能力強、濾失量小、摩阻低、成本低、環(huán)境保護性能好等優(yōu)點,因此被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計,國內(nèi)外70%的壓裂施工采用水基壓裂液,5%采用油基壓裂液,25%采用氣體及其它壓裂液體系。2.1經(jīng)濟效益分析清水壓裂液(KCl+降阻劑十黏土防膨劑+助排劑)具有配方簡單、添加劑種類少、成本低、容易進行質(zhì)量控制等特點,適宜采用邊配邊注施工工藝。清水壓裂液黏度低、濾失量高,在低滲透儲層形成的裂縫相對較長、較窄,然而由于清水壓裂液的損害程度遠低于凍膠壓裂液,因此清水壓裂形成的裂縫仍具有相對較高的導(dǎo)流能力,加上成本只有凍膠壓裂液的40%~60%,故仍具較高的經(jīng)濟效益。在高滲透儲層中,清水壓裂比凍膠壓裂產(chǎn)生的裂縫短,但高滲層施工的主要目的是解除近井損害,故清水壓裂在高滲層同樣也能滿足施工的要求。近年來,國內(nèi)外已經(jīng)在低滲透油氣藏中成功地應(yīng)用了清水壓裂技術(shù),并作了大量的實驗和理論研究工作。清水的高濾失性使其造縫效率較低,需提高排量來補償液體的濾失,故對泵注有較高要求;同時其攜砂能力差,不能保持相對較寬的裂縫寬度,影響了該壓裂液的應(yīng)用和增產(chǎn)效果。為減少清水的高濾失量、低黏度、攜砂差的不利影響,提出了凍膠與滑溜水聯(lián)合的混合清水壓裂技術(shù)。該技術(shù)首先泵送滑溜水以便形成長裂縫,隨后泵送交聯(lián)凝膠前置液,最后泵送粒徑為0.45~0.90mm的石英砂支撐劑和交聯(lián)凝膠?；旌蠅毫勋@得的有效裂縫半長比交聯(lián)凝膠壓裂或清水壓裂獲得的有效裂縫半長要長,具有廣泛的發(fā)展和應(yīng)用空間?？梢?改性清水壓裂液使其具有較好的攜砂性能和較低的濾失量、完善清水壓裂技術(shù)及相關(guān)工具和材料(支撐劑等),將明顯提高清水壓裂技術(shù)的適用范圍和增產(chǎn)效果。2.2合黏土穩(wěn)定劑的應(yīng)用壓裂液在壓裂增產(chǎn)成功率和有效率中起著至關(guān)重要的作用,而其低損害性能可最大程度地提高增產(chǎn)效果。就目前工藝技術(shù)而言,降低壓裂液的損害主要從降濾失、高返排和高配伍性等方面入手。朱鴻亮等研究的由復(fù)合表面活性劑和復(fù)合黏土穩(wěn)定劑組成的低損害壓裂預(yù)前置液的平均損害率僅為0.66%。使用該壓裂液在現(xiàn)場進行了的10井次壓裂施工,使文23井和戶部寨氣田的施工成功率和壓裂效果明顯增加。刁素等開發(fā)了一套高效返排新技術(shù)(液氮助排+纖維防砂+優(yōu)化放噴),并在川西油田的4口井中進行了先導(dǎo)性試驗,施工成功率為100%,24h內(nèi)的返排率均在65%以上,并且返排中未見出砂現(xiàn)象。黃禹忠等針對川西低滲致密氣藏壓裂工藝突出表現(xiàn)出的壓裂液損害大、壓裂后返排效果差等問題,以降低稠化劑濃度和優(yōu)選添加劑為手段,研制形成了低濃度稠化劑壓裂液體系,該壓裂液的稠化劑濃度較過去常規(guī)壓裂液下降了20%,損害率下降了11.7%,殘渣下降了16%,成本下降了10%。2.3gpp膠束破膠液體系隨著常規(guī)淺層油氣資源的不斷減少,鉆井和壓裂的目的層不斷向深層、致密、高溫方向發(fā)展,傳統(tǒng)低溫壓裂液已經(jīng)不能滿足深層高溫致密地層的壓裂需要,抗高溫低損害清潔壓裂液由此應(yīng)運而生。GPP+NaCl、GPP+KCl、GPP+C7H5O3Na壓裂液在常溫及120℃高溫下各項性能良好,其交聯(lián)機理是:在較低的KCl、NaCl、C7H5O3Na濃度下,GPP不會生成膠束,KCl、NaCl、C7H5O3Na濃度增加后,由于正、負離子濃度增加,受GPP分子擠壓而改變?nèi)芤旱酿ざ?GPP擠壓成膠束,使壓裂液成為黏彈性液體。破膠液體系是在壓裂液中加入2%煤油,20min內(nèi)便可以破膠,使體系黏度降到0。該抗高溫清潔壓裂液不用交聯(lián)劑,不用破膠劑,攜砂能力強,返排率高,對巖石裂縫無損害。VES(Viscoelasticsurfactantfrcfluid)壓裂液體系由表面活性劑組成,不含高分子量聚合物,其增稠性能由特殊的表面活性劑分子和助劑來實現(xiàn)。室內(nèi)實驗表明,該壓裂液在100℃下,以170s-1的速率剪切1h后,黏度仍在100mPa·s以上。當(dāng)溫度升高到130℃,以170s-1的速率剪切1h后,黏度仍在50mPa·s以上。因為該體系不含高分子量聚合物,故極大地降低了其對縫孔界面的損害,增加了高溫、低滲儲層的壓裂成功率和有效率。3采用損害機理、合理措施,改善壓裂損害壓裂是低滲透儲層最常用的增產(chǎn)措施,然而如果壓裂液及其添加劑與地層巖石的礦物組成、地層流體的性質(zhì)配伍性差,則出現(xiàn)縫孔界面黏土膨脹、微粒運移、相滲透率降低及破膠不完善等現(xiàn)象,引起壓裂二次損害,從而降低壓裂增產(chǎn)效果,甚至使壓裂無效。理論及實驗研究表明,液相侵入和固相堵塞仍是壓裂損害的主要機理,低滲、低壓儲層受到的損害更嚴(yán)重。在強大壓差下,壓裂液濾失侵入引起水相圈閉或敏感礦物分散運移,增加了返排啟動壓差,降低了滲透率。壓裂液中的固相顆?；蚋叻肿恿烤酆衔镌诹芽p表面形成濾餅,損害裂縫的縫孔界面。室內(nèi)實驗顯示,壓裂液濾餅對巖心的損害率最高可達95%。另外,壓裂液破膠不徹底、壓裂液殘渣的滯留、壓裂液老化等因素,均降低了壓裂增產(chǎn)效果。陳紅軍等針對江漢盆地松滋油田鄂深10井壓裂損害情況,研制出了能分解瓜膠殘渣、解除水力裂縫堵塞的配套酸液體系(以裂縫清洗劑為前置液,較高濃度鹽酸為主體酸液),并優(yōu)化設(shè)計出集裂縫清洗與基質(zhì)酸化解堵于一體的施工工藝,取得了較好的效果。依據(jù)損害機理,可從以下幾個方面降低壓裂損害,改善壓裂效果:(1)加大壓裂液與儲層的配伍性研究,盡量減少液體對儲層的浸泡時間,加快液體返排;(2)改進壓裂液,減少壓裂液中的固相顆粒和高分子量聚合物;(3)研制低損害壓裂液,優(yōu)化壓裂設(shè)計、研究高效返排工藝及解堵措施。4加大研究力度,進一步加大技術(shù)保障力度1.低滲透油氣藏是未來中國油氣開發(fā)建設(shè)的主戰(zhàn)場,水力壓裂技術(shù)是經(jīng)濟開發(fā)此類油氣藏的重要增產(chǎn)配套措施。目前,中國重復(fù)壓裂及復(fù)雜井