頁巖氣主要開發技術作者：賽冬指導老師：潘江如專業：機械設計制造班級：12-1學號：2012220071目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"水力壓裂技術綜述 3\o"CurrentDocument"1.1水力壓裂技術應用分析 3\o"CurrentDocument"1.2水力壓裂關鍵因素 31.2.1壓裂設計 31.2.2裂縫監測 31.2.3壓裂液配制 4\o"CurrentDocument"水力壓裂新工藝和新技術 4\o"CurrentDocument"2.1端部脫砂壓裂技術（TSO） 4\o"CurrentDocument"2.1.1端部脫砂壓裂的技術特點 4\o"CurrentDocument"2.1.2端部脫砂壓裂的適用范圍 5\o"CurrentDocument"2.2重復壓裂技術 5\o"CurrentDocument"2.3裂縫檢測技術 6\o"CurrentDocument"2.4壓裂中的縫高控制技術 6\o"CurrentDocument"2.4.1建立人工隔層控制縫高 6\o"CurrentDocument"2.4.2注入非支撐劑液體段塞控制縫高 6\o"CurrentDocument"2.4.3調整壓裂液的密度控制縫高 6\o"CurrentDocument"2.5高滲層防砂壓裂技術 7\o"CurrentDocument"2.6低滲層深穿透壓裂技術 8\o"CurrentDocument"2.7低滲層大砂量多級壓裂技術 8\o"CurrentDocument"2.8壓裂實時監控技術 92.8.1施工參數監控 92.8.2壓裂質量監測 9\o"CurrentDocument"2.8.3壓力分析 9\o"CurrentDocument"2.9FASTFrac壓裂管柱 10\o"CurrentDocument"2.10新型CKFRAQ壓裂充填系統 10\o"CurrentDocument"優化水力壓裂設計 10\o"CurrentDocument"3.1長度和裂縫導流能力 113.2裂參數設計 11\o"CurrentDocument"3.3壓裂數學模型設計 11\o"CurrentDocument"3.4壓裂數學模型應用研究 12水力壓裂技術綜述1.1水力壓裂技術應用分析研究表明：①一次完井只能采出頁巖地質儲量的10%,重復壓裂可以使采收率提高8%—10%，在直井中進行原層復射和用比一次壓裂液量大產層進行單獨壓裂25%的規模處理即可獲得更好的增產效果。②清水壓裂是現階段我國頁巖氣開發儲層改造的適用技術，對于開采長度（厚度）大的頁巖氣井，可以使用多級分段清水壓裂而同步壓裂技術則是規模化的頁巖氣開發的客觀需要。多級壓裂特點就是多段壓裂和分段壓裂，它可以在同一口井對不同的產層進行單獨壓裂1.2水力壓裂關鍵因素頁巖氣開發水力壓裂原理就是利用儲層的天然或誘導裂縫系統，使用含有各種添加劑的壓裂液在高壓下注入地層，是儲層裂縫網絡擴大，并依靠支撐劑支撐裂縫，從而改善儲層裂縫網絡系統，達到增產目的。頁巖水力壓裂的關鍵因素是裂縫系統和壓裂液配置。而裂縫的發育程度又是影響頁巖氣產量的重要因素，獲得更多的裂縫是壓裂設計首先考慮的問題。1.2.1壓裂設計為了獲得好的壓裂效果，在實施壓裂之前，往往要進行壓裂設計。壓裂設計的核心是壓裂效果的模擬，通過壓裂模擬能夠預測裂縫發育的寬度、長度和方向、評價壓裂是否成功。水力壓裂模擬一般通過模擬軟件進行，它可以預測裂縫的三維幾何形狀提供優選的壓裂方案。1.2.2裂縫監測水力壓裂作業過程中，為了了解裂縫的走向和評價壓裂的效果，需要對誘導裂縫的方位、幾何形態進行監測。微地震是用于水力壓裂過程中誘導裂縫監測的主要技術。微地震測量迅速，應用方便，能夠實時確定微地震時間的位置，并確定裂縫的高度、長度和方位。1.2.3壓裂液配制合理配置壓裂液是頁巖儲層鉆井及壓裂面臨的主要問題。頁巖儲層開發采用不同的壓裂方式，壓裂液配置成分也不同。水力壓裂液、減阻水壓裂液、纖維壓裂液、清潔壓裂液、清水壓裂液組成以水和砂為主，含量占總總量的99%以上，添加劑成分占壓裂液總量的不足1%，添加劑所占比例雖小，但對提高頁巖氣產量至關重要。添加劑主要包括凝膠、減阻劑、抗菌劑等。水力壓裂新工藝和新技術2.1端部脫砂壓裂技術（TSO）隨著油氣田開采技術的發展和多種工藝技術的交叉綜合運用，壓裂隨著油氣田開采技術的發展和多種工藝技術的交叉綜合運用，壓裂技術應用范圍已不再局限于低滲透地層，中高滲透地層也開始用該技術提高開發效果。當壓裂技術應用于中高滲透性地層時，希望形成短而寬的裂縫，并盡可能地將裂縫控制在油氣層范圍內。為了適應這一特殊的要求，國外于20世紀80年代中期研制開發了端部脫砂壓裂技術，并很快應用于現場，目前國內也開展了這方面的研究，并取得了很大的進展。（1）端部脫砂壓裂的基本原理端部脫砂壓裂就是在水力壓裂的過程中，有意識地使支撐劑在裂縫的端部脫砂，形成砂堵，阻止裂縫進一步向前延伸；繼續注入高濃度的砂漿后使裂縫內的凈壓力增加，迫使裂縫膨脹變寬，裂縫內填砂濃度變大，從而造出一條具有較寬和較高導流能力的裂縫。端部脫砂壓裂成功的關鍵是裂縫的周邊脫砂，裂縫的前端及上下邊的任何部分不脫砂都不能完全達到預期的目的。端部脫砂壓裂分兩個不同的階段。第一階段是造縫到端部脫砂，這實際上是一個常規的水力壓裂過程，目前的二維或三維模型都可以應用。第二階段是裂縫膨脹變寬和支撐劑充填階段，這一階段的設計是以物質平衡為基礎，把第一階段最后時刻的有關參數作為輸入參數來完成的。2.1.1端部脫砂壓裂的技術特點在端部脫砂壓裂技術中，壓裂液的粘度要滿足兩方面的要求：一是保證液體能懸砂，二是有利于脫砂。若壓裂液的粘度過低，液體內不能保證懸砂，裂縫的上部就會出現無砂區，達不到周邊脫砂的目的，在施工過程中也容易導致井筒內沉砂。若壓裂液的粘度過高，濾失就會較慢，難以適時脫砂。所以端部脫砂壓裂技術對壓裂液的粘度要求比常規壓裂液的要嚴格一些。和常規壓裂相比，端部脫砂壓裂技術的泵注排量要小，這是為了減緩裂縫的延伸速度，控制縫高和便于脫砂。前置液的用量也比常規壓裂少，目的是使砂漿前緣能在停泵之前到達裂縫周邊。而端部脫砂壓裂的加砂比通常高于常規壓裂，以提高裂縫的支撐效率。2.1.2端部脫砂壓裂的適用范圍端部脫砂壓裂技術的突出特點是靠裂縫周邊脫砂憋壓造成短寬縫，因此只能在一定的條件下使用。主要用于淺層或中深地層(能夠憋壓地層)、高滲透或松軟地層以及必須嚴格限制縫高的地層。2.2重復壓裂技術重復壓裂技術是改造失效井和產量已處于經濟生產線以下的壓裂井的有效措施。美國對重復壓裂技術的理論研究、工藝技術和礦場應用都作了大量有成效的工作。如美國的Rangely油田在891口井上作業1700多次，許多井壓裂達4次之多，重復壓裂成功率達到70%?80%。Northwestbarkunit油田在重復壓裂作業時采用先進的強制閉合技術和端部脫砂技術，取得了很好的經濟效益。重復壓裂可用來改造低、中滲透地層；適用于常規直井、大斜度井和水平井。選井原則根據油井生產史、地層評價結果及開發動態綜合分析進行選井。①油井必須有足夠的剩余可采儲量和地層能量；②前次壓裂由于施工方面的原因造成施工失敗；③前次壓裂生產情況良好，壓裂未能處理整個油層或規模不夠；④前次壓裂后效果不錯，但未給整個措施段提供有效支撐，采取重復改造措施，改善出油剖面。工藝技術重復壓裂一般要求比初次壓裂有更高的導流能力。①采用高砂比壓裂技術形成高導流能力裂縫；②采用強制閉合技術使改造段達到最大充填使用的壓裂液有各種類型(硼交聯HPC、胍膠、鈦交聯HPC等)，一般用柴油(5%?50%)或能降解的聚合物作防濾失劑，支撐劑粒徑從20/40目至12/18目不等。2.3裂縫檢測技術裂縫高度的檢測①井溫測量法壓裂前先測出地層基準溫度剖面，壓裂時將冷或熱的壓裂液注入裂縫中，壓裂后測量溫度異常值的垂向分布范圍以確定裂縫高度。②放射性同位素示蹤法一種方法是在支撐劑中混入示蹤劑，壓裂后用伽馬射線測井法測量放射性示蹤劑，以了解支撐裂縫的方位和幾何形態；另一種方法是在施工最后在壓裂液中加入示蹤劑，再進行伽馬射線測井。裂縫方位和幾何形態的檢測目前在套管井中仍無可靠的檢測方法。在裸眼井中已使用井下電視測量、微地震測量、無線電脈沖測量等方法對裂縫進行探測，通過傳送系統在地面進行實時顯示，分析裂縫的方位和幾何形態。2.4壓裂中的縫高控制技術在對薄油層或阻擋層為弱應力層的油層進行壓裂時，裂縫可能會穿透生產層進入上下蓋層，這樣既達不到深穿透的目的，同時也浪費大量的支撐劑和壓裂液。為此必須控制裂縫的高度，盡可能將裂縫控制在油氣層內。近幾年來，國內外對裂縫縫高控制技術進行了廣泛的研究。2.4.1建立人工隔層控制縫高這種方法主要是根據地層條件，在壓裂加砂之前，通過攜砂液注入輕質上浮或重質下沉暫堵劑，使其聚集在新生成裂縫的頂部或底部，形成一塊壓實的低滲區，形成人工隔層。再適當提高施工壓力，就能限制裂縫向上或向下延伸。如果要同時限制裂縫向上或向下延伸，就必須將輕質上浮或重質下沉暫堵劑同時注入地層，形成上下人工隔層。暫堵劑選用空心玻璃或空心陶粒，密度最好在0.6?0.75g/cm3的范圍內，粒度為70?120目，強度為承受凈壓13.8MPa時顆粒的完好率在80%?85%以上。2.4.2注入非支撐劑液體段塞控制縫高這種方法主要是在前置液和攜砂液中間注入非支撐劑的液體段塞，這種液體段塞由載液和封堵顆粒組成，大顆粒形成橋堵，小顆粒填充大顆粒間的縫隙，形成非滲透性阻隔段，以達到控制縫高的目的。2.4.3調整壓裂液的密度控制縫高這種方法主要是根據壓力梯度來計算壓裂液的密度。如果要控制裂縫繼續向上延伸，就要采用密度較大的壓裂液，使其在重力作用下盡可能向下壓開裂縫。反之，如果要控制裂縫不要向下延伸，就必須使用密度較小的壓裂液。2.4.4冷卻地層控制縫高這種方法是先低排量注入低溫液體冷卻地層，降低地層應力，這時的注入壓力必須小于地層的破裂壓力。當冷卻地層的范圍和應力條件達到一定要求時，再提高排量，注入高濃度降濾劑的低溫前置液，壓開裂縫。在注入低溫液體冷卻地層期間的某一時刻，將注入壓力提高到造縫壓力，進而采用控制排量和壓力的方法控制縫高的延伸。這種方法主要用于膠結性較差的地層和用常規水力壓裂難以控制裂縫延伸方向的油氣層。我國中原、長慶等油田應用上述縫高控制技術均取得較好效果，可降低裂縫高度30%左右，并增進了裂縫向水平方向延伸。2.5高滲層防砂壓裂技術高滲透地層的防砂壓裂是指對高滲透地層進行壓裂的同時，又完成了充填防砂作業。常規的礫石充填防砂方法對高滲透地層容易造成傷害，嚴重降低導流能力。該項技術要求采用端部脫砂技術，使裂縫中的支撐劑濃度達到足夠高。加砂之后繼續泵注一段時間增大凈壓力可以進一步擴大裂縫寬度。若有必要，在施工末期略微降低泵速，可以使支撐劑更好地充填于裂縫中。經驗表明，與低滲透地層壓裂相比，高滲透地層壓裂可以產生較高的裂縫導流能力。這不僅能夠獲得更高的產量，而且也是極有效的防砂措施。但是應當注意，產量過高、產量變化、水浸等都有可能導致出砂或出砂加重和減產。借助微壓裂可獲得較精確的裂縫閉合壓力、閉合時間、壓裂液效率、初損量、濾失系數等數據，還可以設計產生短、寬裂縫，以進一步減小表皮因子。常用的水基壓裂液是線性膠凝羥乙基纖維素和硼酸鹽交聯液，前者主要優點是對地層無傷害性，后者具有良好的可逆性，使支撐劑充填層恢復高滲透率。上述兩種壓裂液組成的復合壓裂既能保護地層又能造出高導流能力的裂縫，用于高滲透地層壓裂效果甚佳。采用大顆粒支撐劑效果較好，是發展趨勢。目前優選的是20/40目砂。常規的礫石充填所用的砂的顆粒太小，不能有效地減小近井地帶壓降和防止出砂。采用該項技術在路易斯安那海上氣田滲透率500x10-3?1000x10-3〃m2地層，使單井日產量高達28.3x104m3以上，遠高于在該地區用常規礫石充填的井的產量。在西部非洲一個高滲透新油田的開發中，采用該項技術使表皮因子下降到2.0，生產和防砂均取得良好效果。2.6低滲層深穿透壓裂技術水力壓裂是強化開發低滲層的基本方法之一，如果僅僅用于處理地層的近井地帶，只能取得很有限的效果。近幾年來深穿透壓裂技術的發展，使其產生的裂縫長度可達300?1200m，極大地擴大了低滲層的可采儲量和產量，有力地提高了開發低滲層的效益。前蘇聯借助電子計算機對利用該技術開發低滲層進行了評價和分析。結果表明，目前可有效開發的低滲層儲量占其總儲量的50%以上，其中24%屬于由于利用了該技術而成為新增可采儲量，76%屬于利用該技術可成倍地提高開發速度和提高最終采收率的高效可采儲量；并認為對于深度不超過2500m的井可以用現有的70MPa壓力的壓裂設備和石英砂，而對于較深的井，特別是超過3000m的井，需要用105MPa壓力的壓裂設備和更可靠的支撐劑。借助于近年迅速發展的先進的壓裂工藝、材料和技術設備，深穿透水力壓裂技術從設計到實施，已有可能較好地實現。為了保證該技術有效地廣泛應用，目前需要盡快解決的主要問題是研究應用該項技術處理的井的最佳水動力學系統。為此國內外都在致力于利用電子模型和數學模型研究水力裂縫對油田開發指標的影響，處理好油藏、流體特性和裂縫幾何尺寸、方位及導流能力與開發注采系統之間的關系，最大限度地提高油田的開發指標和經濟指標。低滲透深穿透水力壓裂在北美得到了最廣泛的應用。美國25%?30%的原油儲量是利用該項技術采出來的。每年進行4000?6000次作業，加拿大的低滲層儲量所占比例更大，每年進行大約1500次作業。2.7低滲層大砂量多級壓裂技術低滲透地層往往具有巖性致密、地下閉合應力高等特點。對這樣的低滲透地層采用通常的水力壓裂技術，由于裂縫閉合較快，支撐砂易破碎等原因，作業有效期一般都很短，考慮到經濟因素，甚至是得不償失。如何能建立和維護裂縫的高導流能力，以便保持非穩態流期間的高流量，是作業效果成敗優劣的關鍵。為此，近年還發展了大砂量多級壓裂技術。該項技術目的是在整個生產層段產生較大的導流通道，因此首先需要大的用砂量。據估算，要使無因次裂縫導流能力大于10，用砂量需增加300%。考慮到完井層段的間隔、裂縫高度、現場監控以及機械風險等因素，采取逐步加大用砂量的方式，而且用砂量仍呈增大趨勢，目前已設計一次作業用砂量高達22.7x104?27.24x104kg，并使用壓裂環和投球。因地下閉合應力高，支撐劑選用20/40目砂或其它大顆粒高強度支撐劑，由于用砂量大，要求使用能在高溫剪切作用下保持較高粘度，具有良好抗濾失性和摩阻小的壓裂液。現場用的一種適合地層能量較高的線性凝膠，能保證在較高的井口油壓下具有足夠的攜砂能力，裂縫的穿透度相應也較大，一般達到泄流半徑的70%。施工后液體能快速返排，是保證油井良好生產動態最關鍵的因素。美國俄克拉何馬州南部致密氣層完井層段厚304.8?457.2m，井深2133.6?2743.2m。其主力產層為石灰巖，多處白云巖化，并含有砂質層系，采用大砂量多級壓裂技術后，初產量比常規壓裂平均高63%。在第一個月內平均日產量高于2.8x104m3的井占62%以上，而以前達到這一初產水平的井只有33%。2.8壓裂實時監控技術實時監控和監測技術，是通過在施工現場實時地測定壓裂液、支撐劑和施工參數，模擬水力裂縫幾何形狀的發展，隨時修改施工方案，以獲得最優的支撐裂縫和最佳的經濟效益。2.8.1施工參數監控包括排量、泵壓、砂比等由儀表車直接顯示和控制。2.8.2壓裂質量監測分別監測混砂車出、入口壓裂液（攜砂液）的流變性、溫度、pH值等參數，對壓裂液流變性，特別是加入各種添加劑后的性能以及攜砂能力進行定量分析，常用的儀器為范氏系列粘度計，并在模擬剪切和地層溫度條件下模擬整個施工過程。對于延緩硼交聯壓裂液和延緩釋放破膠劑體系，礦場實時監測更為重要。2.8.3壓力分析根據測定的施工參數和壓裂液參數用三維壓裂模擬器預測井口或井底壓力，并與實際值進行擬合，預測施工壓力變化（泵注和閉合期間）和裂縫幾何形狀。主要用途如下：識別井筒附近的摩阻影響（射孔和井筒附近裂縫的彎曲），并能定性判斷其主要影響因素，判斷井筒附近脫砂的可能性；評價壓裂設計可信程度：如果施工壓力與礦場實時預測壓力相吻合，則設計的裂縫幾何形狀是可信的；預測砂堵的可能性；確定產生的水力裂縫幾何形狀；提供施工過程的圖像和動畫信息。隨著便攜式計算機的發展，礦場實時分析在礦場上得到了廣泛應用，除GRI外，其它石油公司也都相繼研制和發展了這套系統。在實際應用中，經常與小型壓裂測試分析結合應用。2.9FASTFrac壓裂管柱貝克石油工具公司新近開發出一種連續油管壓裂系統一FASTFrac壓裂管柱，用于對先前未處理到的層位進行選擇性的壓裂，從而獲得比常規壓裂更高效、更經濟的壓裂效果。應用該技術能一趟管柱實現多層隔離與措施，從而降低了修井作業成本，節省了完井時間。由于該連續油管傳送系統能保證高比重壓井液不接觸生產層，使完井和增產措施均不造成油井傷害，從而快速實現生產優化。FASTFrac工具與Auto-J系統組成一個整體，Auto-J系統的作用是保證連續油管將壓裂管柱送入或從井筒中起出。措施時，上部封隔元件和下部封隔元件能隔離一個或多個生產層。一旦第一次措施完畢，系統就復位并重新設置，下入另一個生產層。無論是FASTFrac封隔器和橋塞系統，還是固定跨式雙封隔器系統均能對過去遺漏的小型袋狀油氣藏實施經濟高效的增產措施。2.10新型CKFRAQ壓裂充填系統貝克石油工具公司新近研制成功新型CKFRAQ系統，該系統由多個高性能井下工具組件組成，尤其適用于極高流速和高砂比條件下。在應用軟件的輔助下，CKFRAQ系統可以對壓裂充填作業（用陶瓷支撐劑）中泵的排量和容量進行優化，同時還可以將卡泵和套管腐蝕風險降至最低。經過大量模擬和小規模室內實驗，該工具被應用于現場。人們還通過小規模室內試驗，對工具轉向孔的幾何形狀進行了評估，目的是找出哪種幾何形狀的轉向孔遭遇的腐蝕最輕。此外，還進行了樣機試驗，以確保盡可能地延長套管的使用壽命。貝克石油工具公司稱，從毀壞性對比試驗中可以看出，CKFRAQ系統的各種性能都勝過其它競爭產品。優化水力壓裂設計優化水力壓裂設計技術包括以下4個方面。3.1長度和裂縫導流能力首先用油藏動態模擬器預測不同的裂縫長度和裂縫導流能力可望達到的油氣產量，用所測得的數據建立起裂縫長度和凈收益之間的關系，確定達到不同裂縫長度和導流能力所需的費用，最大限度地提高經濟回收總額。最經濟的壓裂優化的主要因素之一是使裂縫特性和地層性質之間達到適當的平衡，一般認為滲透率高的儲層也需高導流能力的裂縫，但裂縫長度相對要求不太長。3.2裂參數設計影響壓裂效果的因素很多，搞好壓裂設計的基礎是參數設計，也是壓裂能否成功的先決條件。目前還不能完全人為地控制裂縫在地層中的延伸狀態，但可以人為地選擇適當的壓裂液、支撐劑等壓裂材料的類型、數量、泵入速度。準確控制儲層裂縫長度、寬度、裂縫的導流能力、縫高、方位、形狀等的方法目前仍處于實驗階段。優化水力壓裂設計的關鍵參數為：支撐裂縫幾何形狀和導流能力，井口施工條件和生產管柱尺寸，巖石力學性質和地應力分布，壓裂液粘度和濾失性，前置液和支撐劑濃度，排量和施工壓力