贺云飞

水力压裂新技术的研究与应用
系部石油工程系
专业班级油气开采（2）班
学生姓名贺云飞
学号0813950020211221
指导教师燕伟
摘要
由于水力压裂技术在低渗透油气田勘探、开发及其它工业生产领域中广泛地应用，并且获得了极大的经济效益，从而使水力压裂技术在理论方法、工艺、设备及工具等方面都得到了迅速的发展。

低渗透油藏的科学合理开发是十分重要和迫切的。

随着油田开发新技术的发展，相应的各方面理论及技术也在深入地进行着。

压裂在低渗油藏增产措施中占有相当大的比重，而且是提高油气采收率的主要方法，因此对压裂的研究尤为重要为此，在过去措施前地层评估的基础上，深入研究了引起支撑裂缝渗透率(导流能力)伤害的原因，提出了减少伤害的各种措施和方法。

同时，为了保证施工质量，探索出了一整套压裂实时监测和施工参数监控技术，并研制出了一整套适用于不同地层条件(温度、渗透率)的低伤害新型压裂材料(支撑剂、压裂液、添加剂等)以及相应的新工艺、新技术（高砂比压裂、重复压裂、压裂监测和裂缝检测等）。

关键词：压裂，重复压裂，多缝压裂，射孔参数，射孔，地应力，发展展望
一．地应力及射孔参数对水力压裂影响的研究进展
孔眼周围应力分布在进行钻井及射孔之前，地层应力处于平衡状态，钻开井眼，以流体替换固态岩石，原来的平衡状态被破坏，井眼周围应力重新分布，而应力集中的范围一般不超过5倍井眼直径的距离。

目前，国内外大多采用摩尔一库伦准则作为岩石破裂的判据。

在分析孔眼周围应力分布时，常基于以下基本假设：岩石线弹性，均质，各向同性，体力为零，垂向作用力不变，压应力为正。

在三向原地应力已知的情况下，建立圆柱面和笛卡儿坐标系，其中圆柱面坐标系的z轴沿井眼轴向；笛卡儿坐标系的3个轴分别为垂向应力、最大水平应力及最小水平应力方向，然后对任意方位、倾角的孔眼周围应力进行分析，原始地应力常用垂向应力仃v、最大水平主应力H．和最小水平主应力H，。

来表示。

原始地应力的测量方法很多，如水力压裂法、井壁崩落法、地面电位法等。

在得出上述3个原地主应力后，即可求出正交坐标系下正应力分量巧：，钆，如及切应力分量k。

，r。

，r。

，进而利用坐标旋转法则，求出圆柱面坐标系下孔眼壁面处的应力分量田，∞，盯胡研，r。

和吻。

上述应力分量在非准静态条件下还可发生改变。

Hidayati等…指出，在采油、注水过程中，由于孔隙压力发生改变，原始地层应力分量将会发生变化，而且由于各层生产情况不同，地应力分量方向的改变也将不同，重复压裂时，各层间第二次压裂产生的裂缝有可能和第一次压裂产生的裂缝发展方向某一角度甚至垂直。

张毅的研究结果也表明，不同地层间的地应力差最大可达14 MPa，相邻地层间的主应力差达2～3Ⅷa时，便会对垂向水力压裂裂缝的延伸起阻挡作用。

已有学者建立了分层地应力三维弹性力学计算模型和三维构造应力场的数学模型，实现了地应力的分层计算和构造应力的计算机模拟。

从目前的文献来看，三维分层伪造地应力方面的理论研究相对较少，考虑地应力对压裂的影响时，大多笼统考虑三向应力对裂缝扩展的影响。

1现场应用
近年来，在常规水力压裂技术的基础上，逐步发展了多种新型压裂技术和方法，如高能气体压裂、复合压裂、重复压裂等。

1.1 高能气体压裂
自1985年高能气体压裂在国内开展研究与推广以来，已发展为一项成熟的、正在向综合性压裂发展的油气层改造增产新技术。

高能气体压裂一般可以形成3～5条径
向垂直裂缝，由于高能气体压裂形成的裂缝不受地应力的控制，所以能全方位改善近井地带裂缝形态，裂缝长度虽不及水力压裂，但它破了近井带的“瓶颈”区，可以改善近井带的导流能力。

1997年以来，河南油田采用火箭推进剂作燃料进行压裂取得了良好效果。

大庆油田则自行研制压裂弹，并进行了28口井的现场试验，效果显著。

1.2 复合压裂
复合压裂工艺是油、水井压裂时，一个作业周期内先进行高能气体燃爆压裂，随后再实施水力压裂的过程。

在复合压裂技术中，对油气层进行完高能气体压裂后，再进行水力压裂，此时，近井地带的裂缝必须沿高能气体压裂所形成的多条长裂缝延伸，当裂缝延伸到径向裂缝的末端时，受地应力及其分布的控制裂缝要继续延伸，将沿垂直最小主应力方向延伸。

复合压裂避免了普通水力压裂一次加砂只能形成一条支撑裂缝的缺点，能有效地改造差油层。

高能气体与射孔联作(又称深穿透复合射孔)技术在各个油田都得到了较普遍的推广；与水力压裂联作技术在大庆、长庆、江汉等油田都得到了较广泛的开展；与酸化结合在四川、辽河、中原油田都得到了应用，在辽河油田该技术被称为“雾化复合解堵增产技术”，年作业量50多井次
1.3 重复压裂
重压裂大致有以下3种方式。

1.3.1 层内压出新裂缝。

例如，吉林红岗油田、大港马西油田、长庆油田通过补射非主力油层或对非均质厚油层重复压裂、或者压裂同井新层等措施改善出油剖面，取得了很好的效果。

1.3.2继续延伸原有裂缝。

在油田开发过程中，由于压力、温度等环境条件的改变，必然引起油井产量的下降。

例如，结蜡结垢堵塞原有裂缝、或者原有裂缝闭合，这类井需要加砂重新撑开原有裂缝，穿透堵塞带就可以获得不同程度的油层改造效果。

1.3.3 改向重复压裂。

油田的低渗透层已处于高含水期，原有裂缝控制的原油产量已接近全部采出，裂缝成了水的主要通道，但某些井在现有采出条下尚控制有一定的剩余可采储量。

Chevron石油技术公司、Unocal公司、Dowell公司和美国Lost Hill 油田测试都已经证明了改向重复压裂的可行性。

我国一些学者针对压裂后储层地应力场更加复杂、裂缝延伸扩展、滤液漏失等问题，运用重复压裂前的评估技术和水力裂缝的诊断技术，使用油藏模拟、水力裂缝模拟等手段，并通过实验选择适合油藏的重复压裂材料，经过多口井的现场试验，取得了较好的效果。

重复压裂技术是改造失效井和产量已处于经济生产线以下的压裂井的有效措施。

美国对重复压裂技术的理论研究、工艺技术和矿场应用都作了大量有成效的工作。

如美国的Rangely油田在891口井上作业1700多次，许多井压裂达4次之多，重复压裂成功率达到70％～80％。

North westbark unit油田在重复压裂作业时采用先进的强制闭合技术和端部脱砂技术，取得了很好的经济效益。

重复压裂可用来改造低、中渗透地层；适用于常规直井、大斜度井和水平井。

2 选井原则
根据油井生产史、地层评价结果及开发动态综合分析进行选井。

2.1 油井必须有足够的剩余可采储量和地层能量；
2.2 前次压裂由于施工方面的原因造成施工失败；
2.3 前次压裂生产情况良好，压裂未能处理整个油层或规模不够；
2.4 前次压裂后效果不错，但未给整个措施段提供有效支撑，采取重复改造措施，改善出油剖面。

3 工艺技术
重复压裂一般要求比初次压裂有更高的导流能力。

3.1 采用高砂比压裂技术形成高导流能力裂缝；
3.2 采用强制闭合技术使改造段达到最大充填。

使用的压裂液有各种类型(硼交联HPC、胍胶、钛交联HPC等)，一般用柴油(5％～50％)或能降解的聚合物作防滤失剂，支撑剂粒径从20／40目至12／18目不等。

4 结论及认识
关于现场压裂施工后裂缝方位及形态的确定，目前尚未找到有效的方法，应用比较普遍的有井眼椭圆度记录仪、磁力计、井底地震讯号图、井下定向取心、波速度差分析、井下电视、相似准则等多种方法，但要准确地确定裂缝方位，需多种方法综合运用，以减小误差。

4.1 目前，压裂作业仍然面临许多问题，较高的起裂压力、多重裂缝、近井地带裂缝转向、射孔参数影响、井眼和地应力相对方位对裂缝发展的影响等。

4.2 对于高渗透性、胶结疏松的地层，最大水平应力和最小水平应力差别很小，不必考虑裂缝弯曲、转向问题，裂缝起裂位置及方向主要沿已有的射孑L发展。

为避免压
裂作业时多裂缝的出现，直井中应按180。

相位射孔，而斜井中应沿井眼横断面高、低端180。

相位射孔，更有利于单一主裂缝的形成和发展。

4.3 对于起裂压力的研究比较充分，国内外已经推导总结了多种方法，而对裂缝起裂位置的研究较欠缺。

4.4 射孔间距对压裂效果的影响，比较一致的观点是最大射孔间距应小于4倍的井眼直径，此时可比较有效地避免多裂缝的出现。

4.5 结合裂缝预测及诊断，充分考虑地应力、地层和射孔参数的影响，现场已经开发了多种新型压裂工艺，水力压裂将可望有效地控制裂缝参数，提高重复压裂效果。

二多缝压裂理论
多缝压裂主要分成两个步骤：
首先对新层段采取常规水力压裂，此过程加入一半的设计砂量；
常规水力压裂完毕，进行放压，压力释放完毕加入转向剂，将刚压开的新缝进行封堵后，再起泵压开新裂缝。

裂缝转向剂经过地层中的水和压裂液浸泡，溶解，返排出地层，两次压开的裂缝一起生产，大大提高油气井的产量与油气采收率。

1 端部脱砂压裂技术（TSO）
随着油气田开采技术的发展和多种工艺技术的交叉综合运用，压裂技术应用范围已不再局限于低渗透地层，中高渗透地层也开始用该技术提高开发效果。

当压裂技术应用于中高渗透性地层时，希望形成短而宽的裂缝，并尽可能地将裂缝控制在油气层范围内。

为了适应这1、特殊的要求，国外于20世纪80年代中期研制开发了端部脱砂压裂技术，并很快应用于现场，目前国内也开展了这方面的研究，并取得了很大的进展。

1.1端部脱砂压裂的基本原理
端部脱砂压裂就是在水力压裂的过程中，有意识地使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂堵，阻止裂缝进一步向前延伸；继续注入高浓度的砂浆后使裂缝内的净压力增加，迫使裂缝膨胀变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出一条具有较宽和较高导流能力的裂缝。

端部脱砂压裂成功的关键是裂缝的周边脱砂，裂缝的前端及上下边的任何部分不脱砂都不能完全达到预期的目的。

端部脱砂压裂分两个不同的阶段。

第一阶段是造缝到端部脱砂，这实际上是一个常规的水力压裂过程，目前的二维或三维模型都可以应用。

第二阶段是裂缝膨胀变宽和支
撑剂充填阶段，这一阶段的设计是以物质平衡为基础，把第一阶段最后时刻的有关参数作为输入参数来完成的。

1.2 端部脱砂压裂的技术特点
在端部脱砂压裂技术中，压裂液的粘度要满足两方面的要求：一是保证液体能悬砂，二是有利于脱砂。

若压裂液的粘度过低，液体内不能保证悬砂，裂缝的上部就会出现无砂区，达不到周边脱砂的目的，在施工过程中也容易导致井筒内沉砂。

若压裂液的粘度过高，滤失就会较慢，难以适时脱砂。

所以端部脱砂压裂技术对压裂液的粘度要求比常规压裂液的要严格一些。

和常规压裂相比，端部脱砂压裂技术的泵注排量要小，这是为了减缓裂缝的延伸速度，控制缝高和便于脱砂。

前置液的用量也比常规压裂少，目的是使砂浆前缘能在停泵之前到达裂缝周边。

而端部脱砂压裂的加砂比通常高于常规压裂，以提高裂缝的支撑效率。

1.3 端部脱砂压裂的适用范围
端部脱砂压裂技术的突出特点是靠裂缝周边脱砂憋压造成短宽缝，因此只能在一定的条件下使用。

主要用于浅层或中深地层(能够憋压地层)、高渗透或松软地层以及必须严格限制缝高的地层。

七里村采油厂主要是低渗透油气藏，非均质性比较强，地层中存在着大量的天然裂缝，即使对于均质的砂岩油气藏，水力压裂也会形成多条裂缝。

当存在天然裂缝时，裂缝延伸的尖端可能遭遇天然裂缝，根据裂缝的延伸原理，裂缝延伸方向的判断标准是能够产生最大的拉应力，裂缝的实际延伸方向与产生最大拉应力的方向垂直，该方向的剪切应力为0，而天然裂缝正符合这个条件，因此裂缝的端部遭遇天然裂缝时，裂缝优先沿天然裂缝的赋存方向延伸。

这样，液体经过天然裂缝加速延伸并改变延伸方向。

因此，裂缝可能错过与其它射孔孔眼或裂缝相连的机会，造成多个独立裂缝同时延伸的局面。

多条裂缝的存在对于储层加砂改造，对于油气藏的产量、评估及开发优化等提出了挑战，造成了异常高的施工压力和早期砂堵，导致了多条长度较短、缝宽较窄、导流能力低的裂缝，增加了开发成本。

多缝压裂技术是在重复转向压裂技术的基础之上发展起来的一项新型转向压裂技术。

1.4压裂中的缝高控制技术
在对薄油层或阻挡层为弱应力层的油层进行压裂时，裂缝可能会穿透生产层进入上下盖层，这样既达不到深穿透的目的，同时也浪费大量的支撑剂和压裂液。

为此必须控制裂缝的高度，尽可能将裂缝控制在油气层内。

近几年来，国内外对裂缝缝高控制技术进行了广泛的研究。

1.4.1 建立人工隔层控制缝高
这种方法主要是根据地层条件，在压裂加砂之前，通过携砂液注入轻质上浮或重质下沉暂堵剂，使其聚集在新生成裂缝的顶部或底部，形成一块压实的低渗区，形成人工隔层。

再适当提高施工压力，就能限制裂缝向上或向下延伸。

如果要同时限制裂缝向上或向下延伸，就必须将轻质上浮或重质下沉暂堵剂同时注入地层，形成上下人工隔层。

暂堵剂选用空心玻璃或空心陶粒，密度最好在0.6～0.75g／cm3的范围内，粒度为70～120目，强度为承受净压13.8MPa时颗粒的完好率在80％～85％以上。

1.4.2 注入非支撑剂液体段塞控制缝高
这种方法主要是在前置液和携砂液中间注入非支撑剂的液体段塞，这种液体段塞由载液和封堵颗粒组成，大颗粒形成桥堵，小颗粒填充大颗粒间的缝隙，形成非渗透性阻隔段，以达到控制缝高的目的。

1.4.3 调整压裂液的密度控制缝高
这种方法主要是根据压力梯度来计算压裂液的密度。

如果要控制裂缝继续向上延伸，就要采用密度较大的压裂液，使其在重力作用下尽可能向下压开裂缝。

反之，如果要控制裂缝不要向下延伸，就必须使用密度较小的压裂液。

1.4.4 冷却地层控制缝高
这种方法是先低排量注入低温液体冷却地层，降低地层应力，这时的注入压力必须小于地层的破裂压力。

当冷却地层的范围和应力条件达到一定要求时，再提高排量，注入高浓度降滤剂的低温前置液，压开裂缝。

在注入低温液体冷却地层期间的某一时刻，将注入压力提高到造缝压力，进而采用控制排量和压力的方法控制缝高的延伸。

这种方法主要用于胶结性较差的地层和用常规水力压裂难以控制裂缝延伸方向的油气层。

我国中原、长庆等油田应用上述缝高控制技术均取得较好效果，可降低裂缝高度30％左右，并增进了裂缝向水平方向延伸。

1.5 高渗层防砂压裂技术
高渗透地层的防砂压裂是指对高渗透地层进行压裂的同时，又完成了充填防砂作业。

常规的砾石充填防砂方法对高渗透地层容易造成伤害，严重降低导流能力。

该项技术要求采用端部脱砂技术，使裂缝中的支撑剂浓度达到足够高。

加砂之后继续泵注一段时间增大净压力可以进一步扩大裂缝宽度。

若有必要，在施工末期略微降低泵速，可以使支撑剂更好地充填于裂缝中。

经验表明，与低渗透地层压裂相比，高渗透地层压裂可以产生较高的裂缝导流能力。

这不仅能够获得更高的产量，而且也是极有效的防砂措施。

但是应当注意，产量过高、产量变化、水浸等都有可能导致出砂或出砂加重和减产。

借助微压裂可获得较精确的裂缝闭合压力、闭合时间、压裂液效率、初损量、滤失系数等数据，还可以设计产生短、宽裂缝，以进一步减小表皮因子。

常用的水基压裂液是线性胶凝羟乙基纤维素和硼酸盐交联液，前者主要优点是对地层无伤害性，后者具有良好的可逆性，使支撑剂充填层恢复高渗透率。

上述两种压裂液组成的复合压裂既能保护地层又能造出高导流能力的裂缝，用于高渗透地层压裂效果甚佳。

采用大颗粒支撑剂效果较好，是发展趋势。

目前优选的是20／40目砂。

常规的砾石充填所用的砂的颗粒太小，不能有效地减小近井地带压降和防止出砂。

采用该项技术在路易斯安那海上气田渗透率500×10-3～1000×10-3μm2地层，使单井日产量高达28.3×104m3以上，远高于在该地区用常规砾石充填的井的产量。

在西部非洲一个高渗透新油田的开发中，采用该项技术使表皮因子下降到2.0，生产和防砂均取得良好效果。

1.6 低渗层深穿透压裂技术
水力压裂是强化开发低渗层的基本方法之一，如果仅仅用于处理地层的近井地带，只能取得很有限的效果。

近几年来深穿透压裂技术的发展，使其产生的裂缝长度可达300～1200m，极大地扩大了低渗层的可采储量和产量，有力地提高了开发低渗层的效益。

前苏联借助电子计算机对利用该技术开发低渗层进行了评价和分析。

结果表明，目前可有效开发的低渗层储量占其总储量的50％以上，其中24％属于由于利用了该技术而成为新增可采储量，76％属于利用该技术可成倍地提高开发速度和提高最终采收率的高效可采储量；并认为对于深度不超过2500m的井可以用现有的70MPa压力的压裂设备和石英砂，而对于较深的井，特别是超过3000m的井，需要用105MPa压力的压裂设备和更可靠的支撑剂。

借助于近年迅速发展的先进的压裂工艺、材料和技术设备，深穿透水力压裂技术从设计到实施，已有可能较好地实现。

为了保证该技术有效地广泛应用，目前需要尽快解
决的主要问题是研究应用该项技术处理的井的最佳水动力学系统。

为此国内外都在致力于利用电子模型和数学模型研究水力裂缝对油田开发指标的影响，处理好油藏、流体特性和裂缝几何尺寸、方位及导流能力与开发注采系统之间的关系，最大限度地提高油田的开发指标和经济指标。

低渗透深穿透水力压裂在北美得到了最广泛的应用。

美国25％～30％的原油储量是利用该项技术采出来的。

每年进行4000～6000次作业，加拿大的低渗层储量所占比例更大，每年进行大约1500次作业。

1.7 低渗层大砂量多级压裂技术
低渗透地层往往具有岩性致密、地下闭合应力高等特点。

对这样的低渗透地层采用通常的水力压裂技术，由于裂缝闭合较快，支撑砂易破碎等原因，作业有效期一般都很短，考虑到经济因素，甚至是得不偿失。

如何能建立和维护裂缝的高导流能力，以便保持非稳态流期间的高流量，是作业效果成败优劣的关键。

为此，近年还发展了大砂量多级压裂技术。

该项技术目的是在整个生产层段产生较大的导流通道，因此首先需要大的用砂量。

据估算，要使无因次裂缝导流能力大于10，用砂量需增加300％。

考虑到完井层段的间隔、裂缝高度、现场监控以及机械风险等因素，采取逐步加大用砂量的方式，而且用砂量仍呈增大趋势，目前已设计一次作业用砂量高达22.7×104～27.24×104kg，并使用压裂环和投球。

因地下闭合应力高，支撑剂选用20／40目砂或其它大颗粒高强度支撑剂，由于用砂量大，要求使用能在高温剪切作用下保持较高粘度，具有良好抗滤失性和摩阻小的压裂液。

现场用的一种适合地层能量较高的线性凝胶，能保证在较高的井口油压下具有足够的携砂能力，裂缝的穿透度相应也较大，一般达到泄流半径的70％。

施工后液体能快速返排，是保证油井良好生产动态最关键的因素。

美国俄克拉何马州南部致密气层完井层段厚304.8～457.2m，井深2133.6～2743.2m。

其主力产层为石灰岩，多处白云岩化，并含有砂质层系，采用大砂量多级压裂技术后，初产量比常规压裂平均高63％。

在第一个月内平均日产量高于2.8×104m3的井占62%以上，而以前达到这一初产水平的井只有33％。

三今后的发展方向
1 随着水力压裂施工的要求越来越高，对压裂液和支撑剂的性能要求也越来越高，因此必须加强高性能压裂液和支撑剂的研究与开发。

2开展有效的裂缝检测技术研究。

目前压裂后裂缝的检测技术仍然是水力压裂技术的一个薄弱环节，国内外采用的检测方法虽然取得了一定的成效，但还有很大的局限性，还需要进一步的研究。

3在中高渗透地层中应用端部脱砂压裂技术，扩大水力压裂技术的应用范围。

4发展矿场实时监测和分析技术，提高施工的成功率和有效率。

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