國外水力壓裂技術新進展張士誠國外水力壓裂技術新進展張士誠1新方法水力壓裂診斷技術及裂縫模型的標定

新工藝清水壓裂及其進展新材料高強度超低密度支撐劑（ULW）

主要內容國外水力壓裂技術新進展主要內容國外水力壓裂技術新進展2地下水力裂縫的幾何尺寸、方位與位置？對進一步提高壓裂技術水平是重要的關鍵問題之一！１、新方法－水力壓裂診斷技術及裂縫模型的標定地下水力裂縫的幾何尺寸、方位與位置？１、新方法－水力3間接方法直接的近井地帶方法直接的遠場地帶方法新方法－水力壓裂診斷技術的方法間接方法直接的近井地帶方法直接的遠場地帶方法新方法－水力壓裂4間接方法

診斷方法主要限制可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流凈壓力分析油藏描述提供的模擬假設√√√

√√試井需要準確的滲透率與壓力√

√

√生產分析需要準確的滲透率與壓力√

√

√

間接方法

可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流凈壓5

診斷方法主要限制可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流放射性示蹤劑探測深度1”－2”

√√√√

溫度測井小層巖石的導溫系數影響結果

√

HIT對管柱尺寸改變敏感

√生產測井只能確定何層生產

√

井眼成像測井只能由于裸眼井

√√

井下電視用于套管井，有孔眼的部分

√

井徑測井裸眼井結果，取決于井眼質量

√

近井地帶直接方法幾英尺范圍，察看射孔段的縫高、砂濃度和生產剖面！

可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流放射性示蹤劑探測深6遠場直接方法診斷方法主要限制可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流地面傾斜圖像受深度限制√√

⊙⊙⊙周圍井井下傾斜圖像受井距限制⊙⊙√√√√√微地震像圖不可能應用與所有地層⊙⊙

⊙√

施工井傾斜儀像圖要用縫高及縫寬計算縫長√⊙⊙

能夠被確定數十到數百英尺，兩大工具：傾斜儀和微地震圖像可提供宏觀尺寸遠場直接方法可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流地面傾斜7直接遠場裂縫診斷技術解決的問題：裂縫是否像設計的那樣，已經覆蓋整個目的層？是否都在目的層以內？加砂量的砂比是否恰當？形成的裂縫尺寸及與模型計算相比較的結果如何？產量預測情況如何？裂縫長度與方位是否影響了原設計的布井方案？直接遠場裂縫診斷技術解決的問題：裂縫是否像設計的那樣，已經8地層中形成裂縫后的巖體位移情況原理水力壓裂遠場裂縫診斷方法之一壓裂井井下傾斜儀成象（TWTM）地層中形成裂縫后的巖體位移情況原理水力壓裂遠場裂縫診斷方法9可直接測量水力裂縫縫高與縫寬；可用于不加砂的測試壓裂和實際加砂壓裂；壓裂井井下傾斜儀成象技術與地面傾斜儀或周邊井井傾斜儀相比，可獲得高

六個數量級的強信號。特點新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之一（TWTM）可直接測量水力裂縫縫高與縫寬；特點新方法－水力壓裂遠場裂10壓裂作業前先在井中下入一串小尺寸（111/16”

—27/8”）多達20個的傾斜儀，依據射孔段長度與可能的縫高，傾斜儀的布距約20—80英尺，用5/16”的細電纜將實時采集到的信號，傳遞到地面。可將傾斜儀偏心貼于套管壁上，或置于環形空間，以避免注液過程中，在井筒內紊流及支撐劑騷動所產生的噪音或對傾斜儀的損傷。方法壓裂作業前先在井中下入一串小尺寸（111/16”—211TWTM－應用實例新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之一（TWTM）壓裂過程，不同位置傾斜儀測出的縫高隨時間的擴展傾角反響曲線

TWTM－應用實例新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之一（TWT12微地震壓裂成象（MFM）目的－確定裂縫的縫高、縫長和方位方法－在觀察井井下放入檢波器，監測壓裂過程中產生的地震波應用－東得克薩斯盆地的博西爾砂層組的清水壓裂

砂層埋深：4000米，細、粉砂與頁巖互層砂層溫度：126°Ｃ平均孔隙度：6-10％平均滲透率：0.005-0.05毫達西

新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二微地震壓裂成象（MFM）目的－確定裂縫的縫高、縫長和方位新13A井與觀察井的井筒布置圖觀察井下入12個三分量檢波器新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二（MFM）A井與觀察井的井筒布置圖觀察井下入12個三分量檢波器新方法－14A井壓裂過程中的地震平面成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二（MFM）A井壓裂過程中的地震平面成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之15A井壓裂過程中的北向及西向地震成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二（MFM）A井壓裂過程中的北向及西向地震成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷16地點：東得克薩斯卡爾薩杰氣田方法：井下傾斜儀成象

CGU22-09MonitorWellCGU21-10MonitorWellCGU21-09MonitorWellPhase2TreatmentWellPhase1TreatmentWellEast(ft)North(ft)微地震裂縫監測實例（1997年）地點：東得克薩斯卡爾薩杰氣田方法：井下傾斜儀成象CGU217CGU21-10常規凍膠壓裂數據表CGU21-09清水壓裂數據表2.4kg/m^3線性膠1.75~3.5%砂比3kg/m^3交聯凍膠1～35％砂比施工參數及工藝CGU21-10CGU21-092.4kg/m^3線性膠3k18縫高向上延伸，縫長不對稱！縫高向下延伸，縫長不對稱！裂縫在產層延伸，縫長不對稱！縫高向上延伸，縫長不對稱！縫高向下延伸，縫長不對稱！裂縫在產19CGU21-10常規凍膠壓裂井測出縫長CGU21-09清水壓裂井測出縫長東西向相差２～４倍監測結果－縫長不對稱！CGU21-10CGU21-09東西向相差２～４倍監測結果－20裂縫診斷結果的作用裂縫模擬結果與實際情況不一致的原因①直觀顯示了裂縫的長度、高度、走向等重要信息②為裂縫模擬提供了標定的依據

①裂縫模擬軟件未經與裂縫實際測量及凈壓力動態結果相標定②裂縫模擬軟件沒有與具體區塊的真實壓裂幾何尺寸相結合裂縫診斷結果的應用－標定裂縫模型裂縫診斷結果的作用裂縫模擬結果與實際情況不一致的原因①直觀21標定后的模型應滿足的條件：接近實際診斷的裂縫高度（例如用TWTM方法）接近觀察到的壓裂過程的凈壓力值保持原有的巖石性質對所有井的裂縫模擬具有相容性新方法－裂縫模型的標定滿足：標定后的模型應滿足的條件：接近實際診斷的裂縫高度（例如用T22地應力剖面測定－凈壓力和三維模擬基礎（小型壓裂、地應力測試）地應力剖面測定－凈壓力和三維模擬基礎（小型壓裂、地應力測試）23施工壓力擬合

－確定裂縫延伸狀態和幾何參數施工壓力擬合

－確定裂24注意：在模型的標定中，要注意裂縫擴展模型經典理論以外的現象，例如在多層壓裂中，裂縫的高度就不但受各小層的閉合應力及滲透率差別的控制，并且也受“多層效應”的約束。

凈壓力歷史的擬合注意：在模型的標定中，要注意裂縫擴展模型經典理論以外的現象，25實例分析－常規縫高與多層縫高擴展的差別新方法－裂縫模型的標定實例分析－常規縫高與多層縫高擴展的差別新方法－裂縫模型的標定26實例分析標定前標定后凈壓力擬合結果裂縫模型的標定實例分析標定前裂縫模型的標定27所謂的清水壓裂，除了早期用清水不帶砂外，多數是用化學處理劑，如減阻劑、活性劑、防膨劑處理過的清水或線性膠，這種水也常常稱作滑溜水（slickwater-frac)。作業中帶有少量砂的，但也有加砂量較多的，砂比常為3.5%。用水量多，排量大是它們的共性，至于造縫導流能力的大小與儲層物性有關。２、新工藝－清水壓裂技術及其進展低滲透油氣藏高效開采的關鍵：

降低壓裂液對地層的傷害！降低開采成本！所謂的清水壓裂，除了早期用清水不帶砂外，多數是用化學處理28清水壓裂技術清水壓裂技術的發展歷程兩個砂巖地層的應用效果對比清水壓裂對致密氣藏傷害評價清水壓裂增產機理及適應性壓裂液返排監測技術清水壓裂技術清水壓裂技術的發展歷程2970年代中期，在俄克拉荷馬西北的密西西比裂縫性石灰巖地層進行了有規模的清水壓裂；用大量的清水，每分鐘排量為8—12方，砂比為1.75%，由于砂量及砂比都較低，難以長期支撐形成的裂縫。

1986至1987年在吉丁斯油田（澳斯汀白堊石灰巖地層）進行了清水壓裂，基質巖石的滲透率為0.005至0.2毫達西，地層厚度為50至500英尺。壓裂后，油井從平均日產油0.64方增加至6.4方。壓裂規模平均2400方清水，排量平均7方，平均用濃度7.5至15%的鹽酸500方。

清水壓裂技術新進展1988年聯合太平洋能源（UPR）公司在其第一口水平井中也進行了清水壓裂，在作業中使用了蠟珠作為分流劑。95年以后，廣泛應用于裂縫性致密砂巖氣藏；提出了凍膠與滑溜水聯合的混合清水壓裂技術。

70年代中期，在俄克拉荷馬西北的密西西比裂縫性石灰巖地層進行301995年UPR公司－東得克薩斯盆地棉花谷致密、低滲砂巖地層施工概況：泰勒段砂巖，對150口井進行了250次的清水壓裂儲層情況：滲透率0.001至0.05毫達西無論縱向上和橫向上都非常不均質，縱向上砂－頁巖交替，砂層總厚為1000到1500英尺清水壓裂技術應用實例1壓裂工藝：采用大量清水與少量的化學劑（降阻劑、活性劑、防膨劑等）20/40目的Ottawa砂子，總砂用量在2273公斤到136噸之間砂比3.5%，少數作業中使用砂比達到15%的尾隨支撐劑排量為1.6方到13方，用水量約為64方到3180方，前置液占40%到50%1995年UPR公司－東得克薩斯盆地棉花谷致密、低滲砂巖地層31棉花谷泰勒砂層A氣田大型清水壓裂與常規壓裂的比較新工藝－清水壓裂與凍膠壓裂效果比較棉花谷泰勒砂層A氣田大型清水壓裂與常規壓裂的比較新工藝－清32泰勒砂層Ｂ氣藏清水壓裂與常規壓裂產量對比新工藝－清水壓裂與凍膠壓裂效果比較泰勒砂層Ｂ氣藏清水壓裂與常規壓裂產量對比新工藝－清水壓裂與33泰勒砂層C氣田清水壓裂與常規壓裂產量的比較造縫后導流能力不足！所以要根據地層物性設計合理的導流能力、選擇施工工藝新工藝－清水壓裂與凍膠壓裂效果比較泰勒砂層C氣田清水壓裂與常規壓裂產量的比較造縫后導流能力不足3490年代中期安納達柯石油公司－東得克薩斯棉花谷上侏羅紀博西爾砂層儲層情況：博西爾砂層位于棉花谷砂巖之下，是黑灰色頁巖間夾有細砂、粉細泥質砂巖的大厚層粘土的主要成分是綠泥石與伊利石平均孔隙度與滲透率分別為6~10%及0.005~0.05毫達西低滲儲層的含水飽和度為50%，高滲透率儲層為5%

清水壓裂技術應用實例2－混合清水壓裂工藝技術－混合清水壓裂法：在工藝實踐中發現，對某些儲層清水壓裂導流能力得不到保證，采用了混合清水壓裂工藝：用清水造一定的縫長及縫寬后，繼以硼交鏈的3.6—4.2公斤/方的胍膠壓裂液，帶有20/40、40/70目砂子，從而產生較高導流能力的水力裂縫。90年代中期安納達柯石油公司－東得克薩斯棉花谷上侏羅紀博西35EXT-4氣井清水壓裂加少量砂子壓后采氣曲線EXT-4氣井清水壓裂加少量砂子壓后采氣曲線36EXT-9氣井清水壓裂加大量砂子壓后采氣曲線EXT-9氣井清水壓裂加大量砂子壓后采氣曲線37EXT-15氣井混合清水壓裂壓后采氣曲線EXT-15氣井混合清水壓裂壓后采氣曲線38研究的目的在上侏羅系砂巖的博西爾地層進行了清水壓裂，施工中泵入大量清水并在裂縫擴展過程中又毫無防濾措施，在這樣致密的砂層內毛管力自吸現象又嚴重地存在；同時考慮到泵入水在裂縫擴展過程中，也會受到應力依賴的滲透率的影響。所以采用數值模擬方法研究這些因素對氣井產能的影響。清水壓裂對致密砂巖地層傷害評價研究的目的在上侏羅系砂巖的博西爾地層進行了清水壓裂，39壓裂施工及監測情況滑溜水1590方40/70目涂層砂（RCS）50方

平均排量12方

井口平均作業壓力53MPa微地震成象監測

有效厚度：169ft孔隙度：8.89%水平滲透率：0.0297md垂向滲透率：0.00297md新工藝－清水壓裂中水鎖及巖石物性應力依賴性的影響壓裂施工及監測情況滑溜水1590方有效厚度：169f40采用油藏—地質力學—壓裂模擬的綜合模型進行擬合，擬合時的限制條件如下：壓裂壓力約在81~84.5MPa之間;裂縫微震成像的半長約為106—137米，垂直于縫的寬度很大（每邊可達15米－－地層變形的范圍！）;返排期間水產量遞減很快，到生產晚期基本為常數;不穩定試井得出的縫長較短，縫導流能力約為1.52~3dc.cm。

研究方法－數值模擬方法（地層－裂縫模型，單相與氣水兩相）采用油藏—地質力學—壓裂模擬的綜合模型進行擬合，擬合41擬合時的計算參數1滲透率：0.03－0.0107md2導流能力：1.52dc.cm3填砂縫長：67m壓裂作業擬合結果擬合時的計算參數壓裂作業擬合結果42QgQw排液與生產時間的擬合QgQw排液與生產時間的擬合43停泵時，濾失區達到了15英尺停泵時刻裂縫壁面附近地層含水飽和度分布停泵時，濾失區達到了15英尺停泵時刻裂縫壁面附近地層含水飽和44平均進水深度5-10英尺停泵時井筒附近地層含水飽和度分布平均進水深度停泵時井筒附近地層含水飽和度分布45水侵入區域在井底周圍已大大減少，但在縫端部的含水飽和度仍然很高，此處的排液程度較低，排液的初速度與井底周圍的水飽和度、濾失區的厚度有關，并受控于隨應力而變化的滲透率。生產10天后裂縫附近地層含水飽和度的分布水侵入區域在井底周圍已大大減少，但在縫端部的含水飽和度仍然很46水鎖和水相滲透率對產量影響單相氣與氣水兩相流對產量影響不大！因此，水鎖影響并不大！水鎖和水相滲透率對產量影響單相氣與氣水兩相流對產量影響不大！47滲透率傷害（粘土膨脹、堵塞等）對產量影響裂縫附近地層滲透率降低2％，產量降低10～15％！因此，清水壓裂也應針對性地選擇添加劑，以減少對儲層的傷害！滲透率傷害（粘土膨脹、堵塞等）對產量影響裂縫附近地層滲透率降48巖石中的天然裂縫多半是表面粗糙，閉合后仍能保持一定的縫隙，這樣形成的導流能力，對低滲儲層來說已經足夠了。這種情況已在實驗室中觀察到。

常規凍膠壓裂，由于排液不完善，裂縫的導流能力受殘渣傷害等有所降低，清水壓裂基本上不存在不易排液的問題。

清水（線性膠）易于使砂子沉到垂直縫周邊較細的天然裂縫中，擴大了滲濾面積。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”式的支撐劑。清水壓裂增產機理－常規解釋巖石中的天然裂縫多半是表面粗糙，閉合后仍能保持一定的縫隙，這49認為剪切力能使裂縫壁面從原位置上移動，從而產生不重合并出現許多粗糙泡體表面，由于存在剪切滑移，在裂縫延伸過程中也能使已存在的微隙裂開，并使斷層面及其它弱面張開，這些現象可以發生在水力裂縫的端部或裂縫周圍的濾失帶中。

剪切膨脹擴展裂縫－基本假設清水壓裂增產機理－新解釋認為剪切力能使裂縫壁面從原位置上移動，從而產生不重合50剪切膨脹擴展裂縫－物理過程當裂縫周邊的巖石在壓力超過門檻壓力后，即發生“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，從而剪切膨脹的裂縫滲透率得到保持。

剪切膨脹擴展裂縫－物理過程當裂縫周邊的巖石在壓力超過門檻壓51清水壓裂在這種情況下的成功與否，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。質地強硬的巖石有許多粗糙的節理，很高的抗剪程度，很好的剪切與裂縫導流能力的耦合性，清水壓裂適用（裂縫性致密砂巖、灰巖地層等）；強度較弱的巖石如泥質砂巖就不適合清水壓裂；儲層的裂縫網狀分布及流體流動過程都可以用以評價是否應該采用清水壓裂。清水壓裂增產的適應性清水壓裂在這種情況下的成功與否，取決于是否存52由于清水壓裂可免去制備凍膠所消耗的化學劑量，包括成膠劑、交鏈劑與破膠劑，不含殘渣，不會堵塞地層；減少了砂（支撐劑）的用量及運砂的費用所以

清水壓裂與常規凍膠壓裂在相同規模的作業中可節省費用40%—60%。對于那些滲透率很低的邊際油氣田，清水壓裂將是開采這類油氣田的重要措施，也是降低采油成本，增加動用儲量的有效途徑。

清水壓裂技術－結論由于清水壓裂清水壓裂技術－結論53

１、記錄泵入水的回采率，但是此值受地層產出水的影響很大。２、計量排液中的聚合物濃度，此方法操作上非常復雜，測試結果也不十分確切，由于濾失而使聚合物濃度提高，在泵入水回采率的計算方面，可能產生誤導。

３、分析注入前后的聚合物溶液以確定碳水化合物的總含量，從而計算水的回采率。此方法同樣受縫中濾失的影響。壓裂液排液或回排的監測常規方法返排率？１、記錄泵入水的回采率，但是此值受地層產出水的影響很大。壓54問題獲得的水回采率都不是從作業中各個壓裂液段中得到，是籠統的整個作業過程中的情況。有時返排率很高，但壓后生產動態很差！（往往是最后注入的一段液體未排出堵塞了裂縫！）？問題獲得的水回采率都不是從作業中各個壓裂液段中得到，是籠55特點：示蹤劑具有獨特性質，各不相同：它們彼此不起反應，與巖層或金屬管類也沒有化學反應；不隨時間或溫度的變化而發生降解，示蹤劑在極低濃度（50ppt）下仍可被察覺。無論在運輸、泵入或廢棄時，都是安全的。易溶于水，濾失后也不會濃集。性質各異的壓裂用化學示蹤劑（CFT）壓裂液排液或回排的監測新方法方法：在泵的低壓部分注入，濃度是1ppm。壓裂后返排每隔15分鐘采樣一次一直到有天然氣突破，可以分析到樣品中1ppb的含量。由于分層分液段泵入性質獨特的CFT，可用物質平衡方法計算分層，分液段回排效率，從而獲得每口井的回排效率。

特點：性質各異的壓裂用化學示蹤劑（CFT）壓裂液排液或回排的56一是井底附近

從井底附近地區回排是由于井底附近的濾失量太大，前置液階段的液體濾失于此地。當作業井回排時，井底附近濾失液先排出來。二是從裂縫端部

當井筒附近的滲透率低或沒有濾失時，前置液回流至井中并將它前面的液段推向井底，先泵入的最后排出。

壓裂液的兩種回排類型一是井底附近壓裂液的兩種回排類型57常規凍膠壓裂液與滑溜水壓裂液回排區別凍膠液可以看作全懸浮液，靠粘度和排量攜砂，液段和支撐劑分布密切，最后注入的最先回排！（受破膠劑的影響）滑溜水靠排量攜砂，砂子沉降后液體在砂堤形成漩渦流，使先后加入的液段混合在一起，在相同的時間以相同的濃度排出！常規凍膠壓裂液與滑溜水壓裂液回排區別凍膠液可以看作全懸浮液，58博西爾砂層凍膠壓裂的回排剖面化學壓裂示蹤劑技術的應用－凍膠博西爾砂層凍膠壓裂的回排剖面化學壓裂示蹤劑技術的應用－凍膠59博西爾砂層滑溜水基清水壓裂的回排剖面化學壓裂示蹤劑技術的應用－清水博西爾砂層滑溜水基清水壓裂的回排剖面化學壓裂示蹤劑技術的應用60高密度支撐劑材料強度的提高，密度也隨著加大，顆粒密度的增加，直接導致了輸砂的難度，也很難做到在水力裂縫內均勻的布砂。沉降速度過快，也會導致壓裂過程中在地層中出現橋堵。

低密度低密度支撐劑能夠在低排量下保證支撐劑的輸送，能提供在絕大部分裂縫面積上得到支撐劑的機會，降低支撐劑密度還可以減少配制壓裂液系統的復雜性從而減少了對填砂裂縫的傷害。高強度超低密度支撐劑－ULW３、新材料－高強度超低密度支撐劑高密度低密度高強度超低密度支撐劑－ULW３、新材料－高強度超61美國BJ服務公司?2003年?兩種ULW支撐劑ULW1.25支撐劑－被樹脂浸透并涂層的化學改性核桃殼ULW1.75支撐劑－樹脂涂層的多孔陶粒新材料－高強度超低密度支撐劑ULW美國BJ服務公司?2003年?兩種ULW支撐劑新材料－高強度62ULW1.25支撐劑－化學改性核桃殼ULW1.25支撐劑－化學改性核桃殼63ULW1.75支撐劑－樹脂涂層的多孔陶粒ULW1.75支撐劑－樹脂涂層的多孔陶粒64新材料－ULW1.25支撐劑制作工序：

先將粒徑比較接近的核桃殼微粒（20/30目）用強樹脂浸漬，然后將浸透的核桃殼用酚醛樹脂涂層，后一步與現今用的涂層砂的工藝相似。主要特點：視密度為0.85克/毫升(是石英砂的一半)79攝氏度下能承受41.4MPa的閉合應力，溫度升高則強度降低，107°Ｃ時僅為27.6MPa；可破碎到任意API（泰勒網目）的大小，6－100目。新材料－ULW1.25支撐劑制作工序：主要特點：65新材料－ULW1.75支撐劑為樹脂涂層的多孔陶粒，制造過程與常規低比重的陶粒支撐劑（LWP）相似，二者性能也比較接近，密度有較大的差別。ULW的密度約在1.75到1.9克/毫升之間，與制造過程中控制顆粒的孔隙度有關。涂層的多孔陶粒，一方面增加了它的強度并封閉了顆粒外部的孔隙，防止了外部液體的入浸從而也保持了低密度的特點。新材料－ULW1.75支撐劑為樹脂涂層的多孔陶粒，制66經1#樹脂處理后，產生了共價鍵結構，不僅增加了顆粒變形尺寸的能力，并且提高了抗壓強度。

用2#樹脂處理后，由于產生了巨大的共價鍵力及在核桃殼基質內聚合物鏈間交混的,所以顆粒的強度達到最大值。新材料－ULW支撐劑性能評價經1#樹脂處理后，產生了共價鍵結構，不僅增加了顆粒變形尺寸的67天然核桃殼、超低密核桃殼支撐劑的滲透率和導流能力隨閉合壓力變化的曲線溫度：66攝氏度鋪砂濃度：4.88公斤/平方米砂粒徑：20/40滲透率、導流能力與閉合壓力的關系ULW支撐劑性能評價天然核桃殼、超低密核桃殼支撐劑的滲透率和導流能力隨閉合壓力變68溫度：135攝氏度鋪砂濃度：9.76公斤/平方米(Ottawa砂與經濟陶粒)6.83公斤/平方米(涂層與未涂層超低密支撐劑)涂層與未涂層超低密支撐劑及標準Ottawa砂、經濟陶粒的滲透率與閉合應力的關系滲透率、導流能力與閉合壓力的關系ULW支撐劑性能評價溫度：135攝氏度鋪砂濃度：9.76公斤/平方米(Ot69ULW支撐劑性能評價靜態沉降ULW支撐劑性能評價靜態沉降70動態沉降動態沉降71ULW支撐劑性能評價流動實驗支撐劑的平衡高度與水平流速的關系支撐劑（20/40）Ottawa砂、ULW1.25、ULW1.75液體（7cp）添加有聚丙稀酰胺降阻劑的水溶液（滑溜水）

濃度（kg/m3）120（砂）60（超低密支撐劑）0.19m^3/min0.03785m^3/min0.095m^3/minULW支撐劑性能評價流動實驗支撐劑的平衡高度與水平流速的關系72壓裂條件地點美國德州某氣田氣藏埋深2484米閉合壓力35.2MPa層厚40米滑溜水738.2方排量12方／分支撐劑Ottawa砂、ULW1.25模擬結果由于砂重大部分砂子在井底附近很快沉到氣層以下，形成砂堤，所以支撐長度也比壓裂長度短很多。ULW1.25支撐劑則均勻地分布在裂縫內，改善了縫的支撐長度，從而無論在長度上還是縱向上都改善了導流能力。目前測得的井初產能力為每日56677方，后來穩定在45340方。ULW支撐劑應用實例地點美國德州某氣田氣藏埋深2484米閉合壓力35.273Ottawa砂支撐裂縫模擬結果Ottawa砂28077kg，基本沉入底層！Ottawa砂支撐裂縫模擬結果Ottawa砂28077kg，74ULW1.7支撐劑支撐裂縫模擬結果28835kg支撐劑基本在產層內！ULW1.7支撐劑支撐裂縫模擬結果28835kg支撐劑基本在75國外水力壓裂技術新進展張士誠國外水力壓裂技術新進展張士誠76新方法水力壓裂診斷技術及裂縫模型的標定

新工藝清水壓裂及其進展新材料高強度超低密度支撐劑（ULW）

主要內容國外水力壓裂技術新進展主要內容國外水力壓裂技術新進展77地下水力裂縫的幾何尺寸、方位與位置？對進一步提高壓裂技術水平是重要的關鍵問題之一！１、新方法－水力壓裂診斷技術及裂縫模型的標定地下水力裂縫的幾何尺寸、方位與位置？１、新方法－水力78間接方法直接的近井地帶方法直接的遠場地帶方法新方法－水力壓裂診斷技術的方法間接方法直接的近井地帶方法直接的遠場地帶方法新方法－水力壓裂79間接方法

診斷方法主要限制可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流凈壓力分析油藏描述提供的模擬假設√√√

√√試井需要準確的滲透率與壓力√

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√生產分析需要準確的滲透率與壓力√

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間接方法

可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流凈壓80

診斷方法主要限制可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流放射性示蹤劑探測深度1”－2”

√√√√

溫度測井小層巖石的導溫系數影響結果

√

HIT對管柱尺寸改變敏感

√生產測井只能確定何層生產

√

井眼成像測井只能由于裸眼井

√√

井下電視用于套管井，有孔眼的部分

√

井徑測井裸眼井結果，取決于井眼質量

√

近井地帶直接方法幾英尺范圍，察看射孔段的縫高、砂濃度和生產剖面！

可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流放射性示蹤劑探測深81遠場直接方法診斷方法主要限制可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流地面傾斜圖像受深度限制√√

⊙⊙⊙周圍井井下傾斜圖像受井距限制⊙⊙√√√√√微地震像圖不可能應用與所有地層⊙⊙

⊙√

施工井傾斜儀像圖要用縫高及縫寬計算縫長√⊙⊙

能夠被確定數十到數百英尺，兩大工具：傾斜儀和微地震圖像可提供宏觀尺寸遠場直接方法可能估計項目長度高度寬度方位傾角體積導流地面傾斜82直接遠場裂縫診斷技術解決的問題：裂縫是否像設計的那樣，已經覆蓋整個目的層？是否都在目的層以內？加砂量的砂比是否恰當？形成的裂縫尺寸及與模型計算相比較的結果如何？產量預測情況如何？裂縫長度與方位是否影響了原設計的布井方案？直接遠場裂縫診斷技術解決的問題：裂縫是否像設計的那樣，已經83地層中形成裂縫后的巖體位移情況原理水力壓裂遠場裂縫診斷方法之一壓裂井井下傾斜儀成象（TWTM）地層中形成裂縫后的巖體位移情況原理水力壓裂遠場裂縫診斷方法84可直接測量水力裂縫縫高與縫寬；可用于不加砂的測試壓裂和實際加砂壓裂；壓裂井井下傾斜儀成象技術與地面傾斜儀或周邊井井傾斜儀相比，可獲得高

六個數量級的強信號。特點新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之一（TWTM）可直接測量水力裂縫縫高與縫寬；特點新方法－水力壓裂遠場裂85壓裂作業前先在井中下入一串小尺寸（111/16”

—27/8”）多達20個的傾斜儀，依據射孔段長度與可能的縫高，傾斜儀的布距約20—80英尺，用5/16”的細電纜將實時采集到的信號，傳遞到地面。可將傾斜儀偏心貼于套管壁上，或置于環形空間，以避免注液過程中，在井筒內紊流及支撐劑騷動所產生的噪音或對傾斜儀的損傷。方法壓裂作業前先在井中下入一串小尺寸（111/16”—286TWTM－應用實例新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之一（TWTM）壓裂過程，不同位置傾斜儀測出的縫高隨時間的擴展傾角反響曲線

TWTM－應用實例新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之一（TWT87微地震壓裂成象（MFM）目的－確定裂縫的縫高、縫長和方位方法－在觀察井井下放入檢波器，監測壓裂過程中產生的地震波應用－東得克薩斯盆地的博西爾砂層組的清水壓裂

砂層埋深：4000米，細、粉砂與頁巖互層砂層溫度：126°Ｃ平均孔隙度：6-10％平均滲透率：0.005-0.05毫達西

新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二微地震壓裂成象（MFM）目的－確定裂縫的縫高、縫長和方位新88A井與觀察井的井筒布置圖觀察井下入12個三分量檢波器新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二（MFM）A井與觀察井的井筒布置圖觀察井下入12個三分量檢波器新方法－89A井壓裂過程中的地震平面成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二（MFM）A井壓裂過程中的地震平面成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之90A井壓裂過程中的北向及西向地震成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷方法之二（MFM）A井壓裂過程中的北向及西向地震成像新方法－水力壓裂遠場裂縫斷91地點：東得克薩斯卡爾薩杰氣田方法：井下傾斜儀成象

CGU22-09MonitorWellCGU21-10MonitorWellCGU21-09MonitorWellPhase2TreatmentWellPhase1TreatmentWellEast(ft)North(ft)微地震裂縫監測實例（1997年）地點：東得克薩斯卡爾薩杰氣田方法：井下傾斜儀成象CGU292CGU21-10常規凍膠壓裂數據表CGU21-09清水壓裂數據表2.4kg/m^3線性膠1.75~3.5%砂比3kg/m^3交聯凍膠1～35％砂比施工參數及工藝CGU21-10CGU21-092.4kg/m^3線性膠3k93縫高向上延伸，縫長不對稱！縫高向下延伸，縫長不對稱！裂縫在產層延伸，縫長不對稱！縫高向上延伸，縫長不對稱！縫高向下延伸，縫長不對稱！裂縫在產94CGU21-10常規凍膠壓裂井測出縫長CGU21-09清水壓裂井測出縫長東西向相差２～４倍監測結果－縫長不對稱！CGU21-10CGU21-09東西向相差２～４倍監測結果－95裂縫診斷結果的作用裂縫模擬結果與實際情況不一致的原因①直觀顯示了裂縫的長度、高度、走向等重要信息②為裂縫模擬提供了標定的依據

①裂縫模擬軟件未經與裂縫實際測量及凈壓力動態結果相標定②裂縫模擬軟件沒有與具體區塊的真實壓裂幾何尺寸相結合裂縫診斷結果的應用－標定裂縫模型裂縫診斷結果的作用裂縫模擬結果與實際情況不一致的原因①直觀96標定后的模型應滿足的條件：接近實際診斷的裂縫高度（例如用TWTM方法）接近觀察到的壓裂過程的凈壓力值保持原有的巖石性質對所有井的裂縫模擬具有相容性新方法－裂縫模型的標定滿足：標定后的模型應滿足的條件：接近實際診斷的裂縫高度（例如用T97地應力剖面測定－凈壓力和三維模擬基礎（小型壓裂、地應力測試）地應力剖面測定－凈壓力和三維模擬基礎（小型壓裂、地應力測試）98施工壓力擬合

－確定裂縫延伸狀態和幾何參數施工壓力擬合

－確定裂99注意：在模型的標定中，要注意裂縫擴展模型經典理論以外的現象，例如在多層壓裂中，裂縫的高度就不但受各小層的閉合應力及滲透率差別的控制，并且也受“多層效應”的約束。

凈壓力歷史的擬合注意：在模型的標定中，要注意裂縫擴展模型經典理論以外的現象，100實例分析－常規縫高與多層縫高擴展的差別新方法－裂縫模型的標定實例分析－常規縫高與多層縫高擴展的差別新方法－裂縫模型的標定101實例分析標定前標定后凈壓力擬合結果裂縫模型的標定實例分析標定前裂縫模型的標定102所謂的清水壓裂，除了早期用清水不帶砂外，多數是用化學處理劑，如減阻劑、活性劑、防膨劑處理過的清水或線性膠，這種水也常常稱作滑溜水（slickwater-frac)。作業中帶有少量砂的，但也有加砂量較多的，砂比常為3.5%。用水量多，排量大是它們的共性，至于造縫導流能力的大小與儲層物性有關。２、新工藝－清水壓裂技術及其進展低滲透油氣藏高效開采的關鍵：

降低壓裂液對地層的傷害！降低開采成本！所謂的清水壓裂，除了早期用清水不帶砂外，多數是用化學處理103清水壓裂技術清水壓裂技術的發展歷程兩個砂巖地層的應用效果對比清水壓裂對致密氣藏傷害評價清水壓裂增產機理及適應性壓裂液返排監測技術清水壓裂技術清水壓裂技術的發展歷程10470年代中期，在俄克拉荷馬西北的密西西比裂縫性石灰巖地層進行了有規模的清水壓裂；用大量的清水，每分鐘排量為8—12方，砂比為1.75%，由于砂量及砂比都較低，難以長期支撐形成的裂縫。

1986至1987年在吉丁斯油田（澳斯汀白堊石灰巖地層）進行了清水壓裂，基質巖石的滲透率為0.005至0.2毫達西，地層厚度為50至500英尺。壓裂后，油井從平均日產油0.64方增加至6.4方。壓裂規模平均2400方清水，排量平均7方，平均用濃度7.5至15%的鹽酸500方。

清水壓裂技術新進展1988年聯合太平洋能源（UPR）公司在其第一口水平井中也進行了清水壓裂，在作業中使用了蠟珠作為分流劑。95年以后，廣泛應用于裂縫性致密砂巖氣藏；提出了凍膠與滑溜水聯合的混合清水壓裂技術。

70年代中期，在俄克拉荷馬西北的密西西比裂縫性石灰巖地層進行1051995年UPR公司－東得克薩斯盆地棉花谷致密、低滲砂巖地層施工概況：泰勒段砂巖，對150口井進行了250次的清水壓裂儲層情況：滲透率0.001至0.05毫達西無論縱向上和橫向上都非常不均質，縱向上砂－頁巖交替，砂層總厚為1000到1500英尺清水壓裂技術應用實例1壓裂工藝：采用大量清水與少量的化學劑（降阻劑、活性劑、防膨劑等）20/40目的Ottawa砂子，總砂用量在2273公斤到136噸之間砂比3.5%，少數作業中使用砂比達到15%的尾隨支撐劑排量為1.6方到13方，用水量約為64方到3180方，前置液占40%到50%1995年UPR公司－東得克薩斯盆地棉花谷致密、低滲砂巖地層106棉花谷泰勒砂層A氣田大型清水壓裂與常規壓裂的比較新工藝－清水壓裂與凍膠壓裂效果比較棉花谷泰勒砂層A氣田大型清水壓裂與常規壓裂的比較新工藝－清107泰勒砂層Ｂ氣藏清水壓裂與常規壓裂產量對比新工藝－清水壓裂與凍膠壓裂效果比較泰勒砂層Ｂ氣藏清水壓裂與常規壓裂產量對比新工藝－清水壓裂與108泰勒砂層C氣田清水壓裂與常規壓裂產量的比較造縫后導流能力不足！所以要根據地層物性設計合理的導流能力、選擇施工工藝新工藝－清水壓裂與凍膠壓裂效果比較泰勒砂層C氣田清水壓裂與常規壓裂產量的比較造縫后導流能力不足10990年代中期安納達柯石油公司－東得克薩斯棉花谷上侏羅紀博西爾砂層儲層情況：博西爾砂層位于棉花谷砂巖之下，是黑灰色頁巖間夾有細砂、粉細泥質砂巖的大厚層粘土的主要成分是綠泥石與伊利石平均孔隙度與滲透率分別為6~10%及0.005~0.05毫達西低滲儲層的含水飽和度為50%，高滲透率儲層為5%

清水壓裂技術應用實例2－混合清水壓裂工藝技術－混合清水壓裂法：在工藝實踐中發現，對某些儲層清水壓裂導流能力得不到保證，采用了混合清水壓裂工藝：用清水造一定的縫長及縫寬后，繼以硼交鏈的3.6—4.2公斤/方的胍膠壓裂液，帶有20/40、40/70目砂子，從而產生較高導流能力的水力裂縫。90年代中期安納達柯石油公司－東得克薩斯棉花谷上侏羅紀博西110EXT-4氣井清水壓裂加少量砂子壓后采氣曲線EXT-4氣井清水壓裂加少量砂子壓后采氣曲線111EXT-9氣井清水壓裂加大量砂子壓后采氣曲線EXT-9氣井清水壓裂加大量砂子壓后采氣曲線112EXT-15氣井混合清水壓裂壓后采氣曲線EXT-15氣井混合清水壓裂壓后采氣曲線113研究的目的在上侏羅系砂巖的博西爾地層進行了清水壓裂，施工中泵入大量清水并在裂縫擴展過程中又毫無防濾措施，在這樣致密的砂層內毛管力自吸現象又嚴重地存在；同時考慮到泵入水在裂縫擴展過程中，也會受到應力依賴的滲透率的影響。所以采用數值模擬方法研究這些因素對氣井產能的影響。清水壓裂對致密砂巖地層傷害評價研究的目的在上侏羅系砂巖的博西爾地層進行了清水壓裂，114壓裂施工及監測情況滑溜水1590方40/70目涂層砂（RCS）50方

平均排量12方

井口平均作業壓力53MPa微地震成象監測

有效厚度：169ft孔隙度：8.89%水平滲透率：0.0297md垂向滲透率：0.00297md新工藝－清水壓裂中水鎖及巖石物性應力依賴性的影響壓裂施工及監測情況滑溜水1590方有效厚度：169f115采用油藏—地質力學—壓裂模擬的綜合模型進行擬合，擬合時的限制條件如下：壓裂壓力約在81~84.5MPa之間;裂縫微震成像的半長約為106—137米，垂直于縫的寬度很大（每邊可達15米－－地層變形的范圍！）;返排期間水產量遞減很快，到生產晚期基本為常數;不穩定試井得出的縫長較短，縫導流能力約為1.52~3dc.cm。

研究方法－數值模擬方法（地層－裂縫模型，單相與氣水兩相）采用油藏—地質力學—壓裂模擬的綜合模型進行擬合，擬合116擬合時的計算參數1滲透率：0.03－0.0107md2導流能力：1.52dc.cm3填砂縫長：67m壓裂作業擬合結果擬合時的計算參數壓裂作業擬合結果117QgQw排液與生產時間的擬合QgQw排液與生產時間的擬合118停泵時，濾失區達到了15英尺停泵時刻裂縫壁面附近地層含水飽和度分布停泵時，濾失區達到了15英尺停泵時刻裂縫壁面附近地層含水飽和119平均進水深度5-10英尺停泵時井筒附近地層含水飽和度分布平均進水深度停泵時井筒附近地層含水飽和度分布120水侵入區域在井底周圍已大大減少，但在縫端部的含水飽和度仍然很高，此處的排液程度較低，排液的初速度與井底周圍的水飽和度、濾失區的厚度有關，并受控于隨應力而變化的滲透率。生產10天后裂縫附近地層含水飽和度的分布水侵入區域在井底周圍已大大減少，但在縫端部的含水飽和度仍然很121水鎖和水相滲透率對產量影響單相氣與氣水兩相流對產量影響不大！因此，水鎖影響并不大！水鎖和水相滲透率對產量影響單相氣與氣水兩相流對產量影響不大！122滲透率傷害（粘土膨脹、堵塞等）對產量影響裂縫附近地層滲透率降低2％，產量降低10～15％！因此，清水壓裂也應針對性地選擇添加劑，以減少對儲層的傷害！滲透率傷害（粘土膨脹、堵塞等）對產量影響裂縫附近地層滲透率降123巖石中的天然裂縫多半是表面粗糙，閉合后仍能保持一定的縫隙，這樣形成的導流能力，對低滲儲層來說已經足夠了。這種情況已在實驗室中觀察到。

常規凍膠壓裂，由于排液不完善，裂縫的導流能力受殘渣傷害等有所降低，清水壓裂基本上不存在不易排液的問題。

清水（線性膠）易于使砂子沉到垂直縫周邊較細的天然裂縫中，擴大了滲濾面積。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”式的支撐劑。清水壓裂增產機理－常規解釋巖石中的天然裂縫多半是表面粗糙，閉合后仍能保持一定的縫隙，這124認為剪切力能使裂縫壁面從原位置上移動，從而產生不重合并出現許多粗糙泡體表面，由于存在剪切滑移，在裂縫延伸過程中也能使已存在的微隙裂開，并使斷層面及其它弱面張開，這些現象可以發生在水力裂縫的端部或裂縫周圍的濾失帶中。

剪切膨脹擴展裂縫－基本假設清水壓裂增產機理－新解釋認為剪切力能使裂縫壁面從原位置上移動，從而產生不重合125剪切膨脹擴展裂縫－物理過程當裂縫周邊的巖石在壓力超過門檻壓力后，即發生“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，從而剪切膨脹的裂縫滲透率得到保持。

剪切膨脹擴展裂縫－物理過程當裂縫周邊的巖石在壓力超過門檻壓126清水壓裂在這種情況下的成功與否，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。質地強硬的巖石有許多粗糙的節理，很高的抗剪程度，很好的剪切與裂縫導流能力的耦合性，清水壓裂適用（裂縫性致密砂巖、灰巖地層等）；強度較弱的巖石如泥質砂巖就不適合清水壓裂；儲層的裂縫網狀分布及流體流動過程都可以用以評價是否應該采用清水壓裂。清水壓裂增產的適應性清水壓裂在這種情況下的成功與否，取決于是否存127由于清水壓裂可免去制備凍膠所消耗的化學劑量，包括成膠劑、交鏈劑與破膠劑，不含殘渣，不會堵塞地層；減少了砂（支撐劑）的用量及運砂的費用所以

清水壓裂與常規凍膠壓裂在相同規模的作業中可節省費用40%—60%。對于那些滲透率很低的邊際油氣田，清水壓裂將是開采這類油氣田的重要措施，也是降低采油成本，增加動用儲量的有效途徑。

清水壓裂技術－結論由于清水壓裂清水壓裂技術－結論128

１、記錄泵入水的回采率，但是此值受地層產出水的影響很大。２、計量排液中的聚合物濃度，此方法操作上非常復雜，測試結果也不十分確切，由于濾失而使聚合物濃度提高，在泵入水回采率的計算方面，可能產生誤導。

３、分析注入前后的聚合物溶液以確定碳水化合物的總含量，從而計算水的回采率。此方法同樣受縫中濾失的影響。壓裂液排液或回排的監測常規方法返排率？１、記錄泵入水的回采率，但是此值受地層產出水的影響很大。壓129問題獲得的水回采率都不是從作業中各個壓裂液段中得到，是籠統的整個作業過程中的情況。有時返排率很高，但壓后生產動態很差！（往往是最后注入的一段液體未排出堵塞了裂縫！）？問題獲得的水回采率都不是從作業中各個壓裂液段中得到，是籠130特點：示蹤劑具有獨特性質，各不相同：它們彼此不起反應，與巖層或金屬管類也沒有化學反應；不隨時間或溫度的變化而發生降解，示蹤劑在極低濃度（50ppt）下仍可被察覺。無論在運輸、泵入或廢棄時，都是安全的。易溶于水，濾失后也不會濃集。性質各異的壓裂用化學示蹤劑（CFT）壓裂液排液或回排的監測新方法方法：在泵的低壓部分注入，濃度是1ppm。壓裂后返排每隔15分鐘采樣一次一直到有天然氣突破，可以分析到樣品中1ppb的含量。由于分層分液段泵入性質獨特的CFT，可用物質平衡方法計算分層，分液段回排效率，從而獲得每口井的回排效率。

特點：性質各異的壓裂用化學示蹤劑（CFT）壓裂液排液或回排的131一是井底附近

從井底附近地區回排是由于井底附近的濾失量太大，前置液階段的液體濾失于此地。當作業井回排時，井底附近濾失液先排出來。二是從裂縫端部

當井筒附近的滲透率低或沒有濾失時，前置液回流至井中并將它前面的液段推向井底，先泵入的最后排出。

壓裂液的兩種回排類型一是井底附近壓裂液的兩種回排類型132常規凍膠壓裂液與滑溜水壓裂液回排區別凍膠液可以看作全懸浮液，靠粘度和排量攜砂，液段和支撐劑分布密切，最后注入的最先回排！（受破膠劑的影響）滑溜水靠排量攜砂，砂子沉降后液體在砂堤形成漩渦流，使先后加入的液段混合在一起，在相同的時間以相同的濃度排出！常規凍膠壓裂液與滑溜水壓裂液回排區別凍膠液可以看作全懸浮液，133博西爾砂層凍膠壓裂的回排剖面化學壓裂示蹤劑技術的應用－凍膠博西爾砂層凍膠壓裂的回排剖面化學壓裂示蹤劑技術的應用－凍膠134博西爾砂層滑溜水基清水壓裂的回排剖面化學壓裂示蹤劑技術的應