分层压裂技术

分层压裂技术
前言
1、油藏开发特征
文南油田属于深层、高压、低渗的复杂断块油气藏。

油层埋藏深，一般埋深范围在2210-3800m之间，平均油藏深度3100m；油层压力高，破裂压力在45-85MPa之间，大部分油层破裂压力在60Mpa以上；油层物性复杂，渗透率低，空气渗透率范围4.3-208×10-3um2，平均空气渗透率在25×10-3um2，渗透率差别较大；断块复杂，断层分布较多。

经过多年的开发，大部分油井射孔井段较长，油层跨度较大。

由于油层跨度大，射孔段油层较多，且油层之间物性差异较大，长期的多油层合采使得好油层大面积水淹，差油层注水开发困难，动用程度很低，因此有很大挖潜空间。

2、开展分层压裂的目的意义
以往的长井段笼统压裂目的层段较长，一次施工不能压开尽可能多的油层，部分油层改造不彻底，已经不适应压裂工作的需要。

而分层压裂压裂层段跨度小且比较集中，压裂目的层比较明确，一次施工能够压开较多的油层，能有效改造差油层，因此推广分层压裂工艺技术对于提高二、三类油层的动用程度，提高压裂的整体效果，具有重要的意义。

一、分层压裂工艺技术特点
分层压裂就是针对油层跨度较大的油井，根据油层潜力及工艺可行性分析，选出潜力较大的油层，采用限流、投球暂堵、卡单封、卡双封等分层方式，有针对性的开展压裂施工。

与长井段笼统压裂相比，分层压裂具有以下特点：
1、压裂层段跨度相对较小
分层压裂根据压裂油层的不同情况，采用不同的分层方式，可以有效减少压裂层跨度及总厚度，分层压裂层段的总厚度一般控制在50m以内，这样可以比较彻底的改造油层。

2、降低压裂施工风险，提高压裂成功率
由于分层压裂有效减少了压裂目的层的跨度，这样在施工中就可以减少压裂液的滤失，有利于在井底憋起高压，形成有效的裂缝，减少压裂砂堵的可能，
有效的降低了压裂施工风险。

3、能有效挖掘物性较差油层的潜力
由于分层压裂采用工艺或机械的方式有效分层，这样大大提高了压裂目的层的针对性，能够有效改造物性较差油层的潜力，在一次压裂中可以压开尽可能多的油层，是对油层物性层间差异较大油井的有效压裂方式。

4、卡封分层压裂具有保护上部套管的作用
卡封分层压裂采用封隔器分隔油套环型空间，可以避免压裂施工中的高压对套管的破坏，有效保护上部套管。

二、分层压裂选井选层的原则
选井选层就是综合利用油藏工程和压裂工艺技术，根据各单井的动态和静态资料，油井的生产历史及井况，以改善油流渗流通道，提高裂缝导流能力，获得最大的增油量和最大的经济效益为目标函数，优选出最适合压裂的油层。

分层压裂工艺的选井选层除满足一般压裂选井选层的要求外，还要根据压裂油井的具体情况，优选最合适的分层方式，以获得最大的经济效益为目的，同时尽可能简化施工工序，降低施工风险和施工成本，遵循以下原则。

1、储层物性原则
选井选层要综合考虑每个小层的地层渗透率、孔隙度、原始及目前地层压力、压裂层厚度、含水饱和度、油水对应关系、隔层厚度及岩性特征等因素。

根据文南油田油藏特点及近几年压裂井效果统计分析，一般要求压裂油层总厚度在5-25m之间，层段跨度在5-50m之间，地层系数大于0.5×10-3um2·m；上下隔层良好，一般要求隔层厚度大于10m，如果隔层岩性全部为纯泥岩，则隔层厚度可以放宽到大于8m，避免压串上下隔层。

2、经济效益原则
在选井选层过程中，要以获得较好的经济净现值来进行选井选层，在选井选层的的过程中，不能只是考虑最大的压后产量或最大的增油量，而是要综合考虑压裂投入的各项费用，以获得最大的综合经济效益为目标函数来选井选层。

3、扫油效率原则
该原则要求选井选层过程中，不能只考虑单井的增油量和效益，还应该结合压裂井所在的井组分析，以整个井组达到较高的扫油效率和较高的最终采收率来进行选井选层。

三、分层压裂优化设计
优化设计涉及的内容较多，如压裂方式选择，压裂液、支撑剂和添加剂的优选，泵注程序及施工排量的确定，在此处就分层方式和裂缝几何尺寸的优化做简单介绍。

1、分层方式的优化
分层压裂的方式比较多，针对每一口具体的油井，选择一种最合适的分层压裂方式是十分重要的，每一种分层方式都有自己优缺点和适用范围，分层的原则是即要满足地质要求，尽可能达到一次施工压开较多的目的层，保证压裂效果，又要求压裂方式相对简单，尽可能降低施工成本和施工风险。

（1）、对于压裂目的层相对比较集中，油层跨度较小，目的层上部存在已射开油层的压裂井，在井况及隔层厚度和岩性满足的条件下，一般选择机械卡封压裂方式。

（2）、对于新投井压裂，由于射孔方式还没有确定，如果压裂目的层物性之间存在较大差别，跨度较大且比较分散，可以考虑采用限流压裂方式。

（3）、压裂目的层段上部不存在已射开的油层，目的层之间存在较大的物性差异且已经射孔；或者由于井况原因不能采取卡封分层的油井，一般选择投球分层压裂方式。

（4）、对于压裂目的层上部存在已射油层，目的层内部可以分层明显的两套层段，在井况及隔层条件满足的情况下可以采取卡双封分层压裂方式。

2、裂缝几何尺寸的优化
2.1、裂缝缝高的优化
由于文南油田油藏埋藏深，压裂形成的裂缝以垂直裂缝为主，垂直裂缝的缝高发育一旦突破了上下隔层向上或向下发展，容易造成沟通上部或下部油水层，可能造成压后高含水。

另外从施工安全角度考虑，对于卡封分层压裂来说，
如果缝高向上延伸失去控制，则容易压串上隔层导致砂埋封隔器，造成油井大修事故。

因此控制缝高对分层压裂优化设计来说具有重要的意义。

分层压裂优化设计中，最重要的是控制裂缝的高度，要求裂缝的高度既能沟通较多的压裂小层，又保证不压串上下隔层，在控制好裂缝缝高的前提下，设计出最经济、优化的裂缝长度及裂缝宽度，从而达到最大的经济效益。

裂缝的高度与油层、隔层物性有关，同时其它的施工参数对缝高也有较大的影响，在压裂实际设计中一般通过优化其它参数来达到控制缝高的目的。

2.1.1、优化施工排量控制缝高
施工排量与裂缝高度的关系是排量越大，裂缝越高。

根据油层物性及上下隔层情况优化出合适的施工排量，一般情况下，为了避免裂缝过高，施工排量控制在3.5-4.5m3/min之间。

2.1.2、优化压裂液粘度控制缝高
在其它参数相同的情况下，压裂液粘度越大，裂缝也越高。

根据油井的目的层及隔层的厚度、物性、应力等情况，应用三维压裂设计软件进行模拟计算，调整压裂液粘度，优选最佳压裂液粘度值。

2.1.3、优化施工规模控制缝高
在其它参数相同的情况下，施工规模越大，施工时间越长，裂缝高度也越大。

应用三维压裂设计软件进行模拟计算，优选最佳施工规模，确保裂缝高度不会突破隔层向外发展。

2.1.4、人工隔层控制裂缝高度
人工隔层控制裂缝高度技术包括漂浮式转向剂控制裂缝向上延伸，用重质沉降式转向剂控制裂缝向下延伸和同时使用两种转向剂控制裂缝向上及向下延伸。

2.2、裂缝缝长的优化设计
裂缝长度与累积增油量、压裂有效期有直接的关系。

缝长的设计要求首先分析压裂井所在的构造位置、井距、油水井对应关系等因素；同时参考邻近已压裂油水井的裂缝监测数据，初步确定拟压裂油井的裂缝大概走向；参考对应水井注水压力及累积注水量，综合考虑上述因素，优化出最佳裂缝长度。

确保
形成有效的支撑缝长，提高压裂综合经济效益，同时防止裂缝沟通注入水引起压裂后暴性水淹。

2.2.1、压裂改造井缝长的设计
压裂改造井不存在对应水井，以改善油流的渗流条件为目的，设计缝长主要以达到最大的经济效益为目的，并非越长越好。

同时参考裂缝方位，防止裂缝沟通断层造成施工困难，根据文南油田压裂的经验，一般缝长控制在井距的1/2-2/3之间，在这个范围内优化出一个最佳的裂缝长度。

2.2.1、压裂引效油井的缝长设计
压裂引效油井由于存在对应注水井，在设计缝长时，要考虑油水井的相对位置、对应水井注水压力及累积注水量、局部裂缝方位大概走向等因素，综合分析优化出最佳的裂缝长度，达到即能引效又不压后暴性水淹的目的。

压裂引效油井的缝长设计比较重要，如果设计太长，裂缝沟通注水井导致压后暴性水淹，设计太短不能达到压裂引效的目的。

文南油田的经验是充分收集尽可能多有关资料，把工作做细，综合分析对应注水井的累积注水量、邻近压裂井裂缝监测资料、油水井相对位置及井距大小等因素，优化出最佳的裂缝长度，文南油田的经验一般控制在井距的1/3-1/2之间。

2.3、裂缝宽度的设计
裂缝宽度设计与压裂液粘度、施工排量、施工砂比、油层物性等因素有关，在设计中一般通过设计压裂液粘度及施工排量来达到控制缝宽的目的。

一般的观点认为在其他因素不变的情况下，压裂液粘度越大缝宽较大，施工排量越大缝宽较大，施工时间越长缝宽越大，施工砂比越大缝宽越大。

四、分层压裂工艺技术
针对大部分老井油、气层段跨度大、射孔井段长，非均质严重等特点，2003年我们重点推广了分层压裂技术，根据具体分层方式的不同，分层压裂可以分为限流分层、投球暂堵分层、卡单封分层、卡双封分层、大斜度井卡封分层等方式，下面分别加以论述。

1、限流分层压裂工艺技术
1.1、工艺适用范围
限流法分层压裂是一种完井压裂技术，主要用于未射孔的新井或新层，其特点是射孔方案必须满足压裂施工要求，主要针对压裂层跨度较大、目的层段各个小层之间物性及厚度存在明显差距的新井或新层。

1.2、工艺要点
①根据具体井的压裂要求设计射孔方案，即根据每个处理层的厚度、物性、破裂压力和所需要液量确定射孔位置、孔数及孔眼直径。

②必须保证每个孔眼畅通，一般采取前置酸液预处理目的层，疏通射孔孔眼。

③为了保证一次压裂施工尽可能压开较多的油层，以及每层有足够的排量，应在套管及施工管柱、地面设备允许的条件下尽可能提高施工排量。

④在允许的最大排量下，孔眼摩阻必须大于各层间破裂压力的差值。

即保证形成的井底压力应高于所有层的破裂压力。

⑤压裂目的层的各个小层间不能串通，以达到分层压裂的目的。

1.3、孔眼摩阻计算公式
限流压裂设计中，孔眼摩阻是一个重要的参数，它对射孔方案的确定具有重要的意义。

24229
1025.2αρp D n Q p -⨯=∆ （1）
其中Δp —孔眼摩阻，Mpa ；
Q —注入排量，m3/min;
ρ—液体密度，Kg/m3;
D p —孔眼直径，m;
n —有效孔数。

α—孔眼流量系数，一般取0.8-0.85。

f h B s p
p p p p ∆-+-=∆ （2）
其中：Δp —孔眼摩阻，Mpa ； p s —井口压力，Mpa ；
p B —井底处理压力，Mpa;
p h —液柱压力，Mpa ；
Δp f —油管或套管摩阻，Mpa.
上述公式中，其中公式（1）为美国埃索公司计算公式，公式（2）为矿场资料估算公式。

1.4、射孔方案的确定
对于文南油田来说，因为大部分油层比较深，水力压裂所形成的裂缝都是垂直裂缝，因此重点介绍垂直裂缝条件下的射孔方案的确定。

①压裂层段划分。

首先根据中原油田的压裂设备功率条件，限流压裂井的施工管柱及目的层的跨度、层数、分布情况进行压裂层段划分。

基本原则是尽可能减少压裂层段的总跨度，原则上要小于80m，另一方面在确定的设备功率下，尽可能压开较多的小层。

②确定合理的射孔孔数和注入排量。

具体步骤为：（1）根据拟压裂层的层数和厚度，预设一个注入排量；（2）根据该区块油层破裂压力梯度计算所需的井底处理压力；（3）根据注入方式及注入管柱计算管路摩阻；（4）根据地面注入设备、井口、油套管强度确定一个井口压力；（5）根据矿场资料估算公式确定孔眼摩阻，计算出的孔眼摩阻应大于射开油层的破裂压力差值，否则重新确定井口压力；（6）用公式计算射孔孔数，并将孔眼合理分配到各层；（7）如果计算出的孔数不合理，则改变排量重新计算，直至合理。

③根据各个小层的厚度、物性、上下隔层等因素，将总施工排量分配到各小层。

④确定控制裂缝扩展条件下各层应射孔数。

⑤一般射孔位置应位于油层内储层物性较好部位。

⑥考虑到垂直裂缝在纵向上的延伸作用，当油层较薄且两个小层之间的隔层小于3m时，可以作为一个小层分配射孔数，射孔的位置均向隔层部位靠近。

⑦当目的层附近有非目的层或水层时，为了防止压裂施工中串通非目的层，应增大射孔点与遮挡层的距离。

1.5、井例分析：文72-387井新投压裂。

基本地质情况：补孔S3上1-3，井段：3359.4-3436.5m，共计9.0m/8n，分
析该井的基础资料，小层比较分散,物性差异大，油层跨度77.1m ，跨度较大，每个小层较薄，大部分在1.0m 左右，上隔层厚度25.4m ，岩性为泥砂岩，下隔层厚度18.7m ，岩性为纯泥岩，论证后决定采用限流分层压裂方式。

根据该井的套管组合及井口情况，地面压裂设备功率情况，初步确定该井射孔方式采用89-1枪型射孔，采用φ89mm 油管注入，施工过程中可以监测井底压力，同时可以减少顶替量，降低施工风险，井口采用700型井口。

确定射孔方案及施工排量的过程如下：
①初步设定注入排量为4.0m 3/min 。

②根据文南油田破裂压力梯度上限值计算井底处理压力。

P B =0.02Mpa/m ×3430m=68.6Mpa
③计算油管沿程摩阻：根据油管尺寸、初步设定排量、压裂液ρ、K 、n 值查相应曲线模版，得出沿程摩阻为：0.665Mpa/100m.
ΔP f =0.665×34.3=22.8Mpa
④设定井口压力为70Mpa 。

⑤孔眼摩阻的计算：
f h B s p p p p p ∆-+-=∆
=70-68.6+0.105×103×9.8×3430×10-6-22.8=14.6Mpa
⑥计算破裂压力最大差值
（0.02-0.018）×3430=6.86Mpa
因为14.6Mpa ＞6.86Mpa ，即孔眼摩阻大于破裂压力最大差值，所以此井口最大压力可行。

⑦计算射孔总孔数：
孔）(83.2482.001.06.1410500.41025.21025.22421024210=⨯⨯⨯⨯⨯=∆⨯=--αρpD Q n
设计射孔孔数为25孔，根据每个小层的厚度、相对位置、油层物性等资料，综合考虑，每个小层的详细孔数分配如下表所示：
8月1日现场施工，破裂压力67.2Mpa，停泵压力43.8Mpa，一般排量
4.03m3/min，施工压力范围51.2-69.7Mpa，施工顺利，压后日产油8.5 t，日产气933 m3，截至目前累计增油524t，累计增气9.11×104 m3。

2、投球暂堵分层压裂技术
2.1、工艺适用范围
一次压裂施工中，由于井况、隔层、井斜等因素导致无法实施机械卡封分层，目的层各个小层之间存在明显的物性差异，受层间非均质的影响，存在明显的高渗与低渗透的差别，为了保证压开高渗层的同时压开低渗层，在压裂液中加入一部分蜡球或塑料球暂时封堵高渗层，从而压开低渗透层。

2.2、工艺技术原理
技术原理：投球暂堵分层压裂的主要原理是利用高低渗透层之间吸水能力明显不同，在压裂液中加入塑料球封堵高渗透层，压开低渗透层，达到一次施工中同时压开高渗和低渗的目的，油井投产后，塑料球随压裂液返排而带出，对地层和裂缝不会造成污染。

技术要点：目的层之间存在明显的渗透性差异是选择投球分层压裂的前提条件，设计的关键是投球数量的确定。

如果渗透性差异不大，投球就没有针对性，同时球的数量也难以确定；如果投球量太少不能达到有效封堵高渗透层的目的，如果投球太多则容易导致球到位后压力快速上升导致砂堵，不能有效改造低渗透层。

投球数量的确定：投球分层压裂设计时，应全面考虑压裂目的层的射孔总厚度、有效厚度、渗透率、层间夹层厚度、层段内小层数、射孔枪型及生产数据，以及初步确定施工管柱结构等因素。

在充分分析上述因素的基础上，根据每个小层物性及相对位置等因素，确定哪些小层先压开，一般情况下物性好、油层厚的油层先压开，初步确定投球的个数，一般取每孔一球，最后在总量上
附加10-20%。

2.3、投球分层压裂的投球方式
根据投球在压裂施工中所处的时机及投球次数的不同，一般可以分为投一压一、投一压二、投二压二、投二压三等几种类型，其中投一压一、投一压二比较常用。

投一压一：一次压裂施工中除了目的层以外，还有一套层系，其油层渗透性远远大于目的层的渗透性，在采用机械卡封难度较大或无法卡封情况下，一般采用在压裂施工开始时投入一定数量的球，暂堵高渗透的非目的层，从而对低渗的目的层实施压裂施工。

投一压二：压裂目的层中存在明显的高渗透和低渗透油层，其物性存在明显的差距，施工中首先对高渗透层实施压裂，然后投入塑料球，对高渗透层实施封堵，再对低渗透层实施压裂施工。

投一压二是投球分层压裂施工中最常见的一种方式。

文南油田最常用的投球方式主要有上述两种，在早期还存在投二压二，投二压三等投球方式，因为存在投球数目难以确定及投球的针对性比较差而用的比较少。

2.4、投球分层压裂的优缺点
优点：对于压裂目的层存在明显差异且无法实施机械分层的条件下，可以实现投球分层，尽量压开渗透性较差的目的层。

缺点：投球数量难以确定，受人为因素和个人经验影响较大。

3、机械卡单封分层压裂工艺技术
3.1、工艺适用范围
压裂目的层上部存在已经射开的油层，在井况及隔层条件满足卡封条件下，利用封隔器密封油套环型空间，压裂时压裂液从油管注入地层，达到分层压裂的目的。

如果目的层上部和下部都存在已射开油层，配套使用桥塞、丢手封隔器等配套工具，可以实现封上压下、封两头压中间的分层目的。

井况要求：要求井况满足卡封的需要，不存在套变、缩径等问题，确保封
隔器能够顺利起下及顺利座封、解封。

为了保证封隔器工作正常，要求卡封井段固井良好，避免施工中造成管外串。

隔层要求：为了保证压裂施工的安全，避免压裂施工中地层压串，要求具有良好的隔层，根据文南油田压裂施工经验，一般要求隔层厚度在10m以上，且保证有8m以上的纯泥岩段，这样才能保证隔层不被压串
目的层跨度：为了保证一次压裂尽可能压开较多的目的层，原则上要求压裂目的层总跨度小于50m。

3.2、工艺技术原理
管柱结构如右图所示，主要由φ
89mm喇叭口、RTTSY221封隔器、校深
该Y221封隔器操作方便，耐压、耐温能耐能满足文南油田高温、高压压裂井的要求，是文南油田卡封压裂应用最广泛的一种封隔器。

3.3、工艺优点
采用机械分层，压裂目的层明确；配合φ89mm油管使用，排量能够达到施工要求（可以达到5-6m3/min），顶替量比较小，降低了施工风险；可以与反洗井阀配套使用，一旦施工中出现异常，可以反洗井；最高耐压可以达到80Mpa，能够满足文南油田高压油井压裂的需要。

4、卡双封分层压裂技术
4.1、工艺适用范围
卡双封压裂是一种利用封隔器，实现压裂层段内进一步分层的一种压裂方式，适用于目的层段上部有需要分层保护的油层，或需要卡封保护上部套管的油井，压裂目的层段内油层跨度相对较大，各个小层之间可以进一步划分为明显的两套层段。

隔层要求：要求两套层段间、目的层与非目的层段间有较好的隔层，一般要求隔层厚度超过10m，隔层的岩性要求纯泥岩段厚度大于8m。

井况要求：要求套管不存在变形、缩径、错断等问题，保证封隔器起下顺利，密封性能良好，要求卡点位置固井合格，防止压裂施工过程中造成管外串造成事故。

目的层跨度要求：要求进一步细分的两个层段每个层段跨度小于50m，两个层段间跨度10-50m之间
4.2、工艺技术原理
卡双封分层压裂是通过封隔器分层压裂管柱来实现，运用封隔器和喷砂器将压裂目的层分开，实现分层压裂的目的。

压裂管柱如下图所示。

双封压裂的工作原理：双封分层压裂管柱在下入后，压裂前投入φ35mm 钢球，正打压10Mpa 验管柱密封性，继续打压15Mpa 左右完成封隔器座封，然后继续打压18-22Mp 打掉一级滑套，割缝喷砂器通道打开，压裂第一层。

第一层压完后再投入φ38mm 球杆，加压打掉二级滑套，封闭第一层，压裂第二层。

压后待压力扩散后大排量返洗井，直接上提管柱完成解封过程。

4.3、配套工具 水力锚 安全接头
喷砂器：割缝喷砂器 滑套喷砂器
封隔器；型号Y341-112 Y341-115
4.4、封隔器结构及工作原理
结构：主要由座封机构、密封元件、平衡机构、反洗机构、防撞机构等六部分组成。

Y341封隔器性能参数表
工作原理：油管内憋压作用于双级座封活塞上，双活塞上行压缩胶筒；同
Y341封隔器
Y341封隔
341封隔器
安全接头
卡双封分层压裂管柱图
缝喷砂器
时锁紧机构锁紧，防止胶筒回弹，使其在工作中始终处于密封状态；反洗井时，套管环空泵入洗井液，经过封隔器反洗井通道推开活塞后，到达封隔器下部环空，可以进行大排量反洗井；解封时，直接上提管柱，通过胶筒与套管之间的摩擦力剪断销钉，锁紧机构脱开，胶筒依靠自身弹力回收解封；封隔器下部设计有防撞机构，可以防止下管过程中中途座封。

4.5、工艺技术优点
该技术解决了传统分层压裂工艺存在的弊端，具有以下优点：
（1）、可进行选择性压裂，拓宽了压裂方式；
（2）、对目的层改造的针对性强，效果好；
（3）、适用范围广，温度150℃、井斜50°以下，耐压差可达80Mpa，套管内径在118.6-124.3mm ，单套压裂层段在50米以内的井都可以实施；
（4）、管柱结构简单，可一次施工压裂多层，解封、座封容易；
（5）、管柱具有反洗井功能，封隔器上若有沉砂可以冲洗，便于解封；（6）、工具节流不明显，在高砂比携砂液进地层的情况下略有显示，最高砂比可以达到48%，排量可以达到4.6m3/min；
4.6、工艺技术优点
该技术
5、大斜度油井卡封分层压裂工艺技术
随着油田开发的深入，近年来文南油田定向大斜度油井逐渐增多，大斜度油井卡封压裂一直是压裂工作中的一个难题，主要是由于井斜较大时一般封隔器座封、解封比较困难，封隔器密封性能受到影响。

我局在井斜大于45度油井上卡封压裂一直没有获得突破。

5.1、常规压裂封隔器应用于斜井时存在的问题
（1）座封困难。

常规直井卡封压裂用RTTSY221型封隔器采用上提、旋转、下放方式座封，由于受井斜的影响，旋转扭矩很难传递到封隔器上，不能正常换轨道座封，座封困难或难以座封。