水力压裂技术新进展

水力压裂技术新进展

引言

水力压裂技术发展迅速，特别是20世纪80年代末以来，在压裂材料、工艺技术和设计方法等方面都取得了新的进展。20世纪80年代后期和20世纪90年代初，水力压裂已不仅仅用于低渗透油气田的改造，在中、高渗地层以及环境条件恶劣的地区(海洋、沙漠、沼泽等)，水力压裂作为布井方案的重要影响因素，也受得了广泛的重视。在保证施工成功率的前提下，设计和工艺措施更强调施工的有效率。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）。

水力压裂新工艺和新技术

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。为了适应这一特殊的要求，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）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。

（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。

（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。

2、重复压裂技术

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。

(1)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。

①油井必须有足够的剩余可采储量和地层能量；

②前次压裂由于施工方面的原因造成施工失败；

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；

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。

(2)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。

①采用高砂比压裂技术形成高导流能力裂缝；

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。

3、裂缝检测技术

(1)裂缝高度的检测

①井温测量法

压裂前先测出地层基准温度剖面，压裂时将冷或热的压裂液注入裂缝中，压裂后测量温度异常值的垂向分布范围以确定裂缝高度。

②放射性同位素示踪法

一种方法是在支撑剂中混入示踪剂，压裂后用伽马射线测井法测量放射性示踪剂，以了解支撑裂缝的方位和几何形态；另一种方法是在施工最后在压裂液中加入示踪剂，再进行伽马射线测井。

(2)裂缝方位和几何形态的检测

目前在套管井中仍无可靠的检测方法。在裸眼井中已使用井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测，通过传送系统在地面进行实时显示，分析裂缝的方位和几何形态。

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）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。

（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。

（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。

（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。

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。