页岩气_体积压裂_技术与应用_刘晓旭

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表 3 给出了 Barnett 页岩 1999 ~ 2000 年气井实 施重复压裂后的累计产量[6]。初次压裂累计产量从 投产起计算到重复压裂,重复压裂累计产量从初次投 产压裂计算到 2004 年 2 月。
井号
初次压裂 累计产量
/104 m3 重复压裂 累计产量
/104 m3
表 3 Barnett 页岩重复压裂井产量对比
多井同步压裂技术是对储层中位置临近、深度大 致相同的两口或两口以上的水平井同时压裂,也称作 “拉链式压裂”、“并行压裂”。同步压裂最初是 2 口 水平井间的同时压裂,目前已发展到 3 口,甚至 4 口 井间的同时压裂。
原理: 同时对配对井 ( OFFSET WELLS) 进行 压 裂,在压裂过程中,压裂时产生的高应力使两口压裂 井相互影响,导致邻井诱导裂缝充分开启,从而增加 裂缝密度和裂缝与基质的接触面积。同步压裂可形 成一个复 杂 的 裂 缝 三 维 网 络,将 各 水 平 井 有 效 地 连 通,减小了气体流入井筒的距离,增大了每口井的控 制面积。同步压裂技术是近几年 在 Barnett 页 岩 和 Woodford 页岩开发中成功应用的最新压裂技术。
Denton Creek Talley Logan Ted Morris Joleson
#1
#1
#2
#1
#3
2180
1019 1104
1614
2010
4786
4729 2917
4106
4871
Young #2 765
2605
Johnson #2 821
4021
美国天然气研究所( GRI) 研究证实[4]: 重复压裂 能够以 0. 1 $ / Mcf 的成本增加储量,远低于收购天然 气储量 0. 54 $ / Mcf 或发现和开发天然气储量 0. 75 $ / Mcf 的平均成本。 2. 3 多井同步压裂技术
气藏
气藏
气藏
气藏
气藏
气藏
气藏
75%
97%
98%
99%
40%
20%
100%
25%
2%
2%
60%
80%
1%
1%
注: Niobrara 页岩气水平井水平段长度超过了 2000 m,Bakken 页岩气水平井水平段长度则超过了 3000 m。
Eagle Ford 气藏 99%
1%
借助于水平井分段压裂工艺技术的进步与推广, 内翻了两番,单井动态储量提高了 10 倍( 图 3) 。 美国 Haynesille 页岩气井平均产量在一年多的时间
关键词 页岩气 体积压裂 水平井 多段压裂 重复压裂 同步压裂
0 引言
据 C. R. Vanorsdael( 1991) 对密歇根盆地 Antrim 页岩 6500 口气井统计,40% 的井完钻后无气流可测, 55% 的井仅有无商业价值的气流,仅有 5% 的井由于 自然裂缝发育而获有商业价值的初始气流; 经压裂改 造后,90% 原未获气流的井和初始气流无商业价值的 井都变成 了 商 业 价 值 气 井[1]。 因 此,从 这 个 意 义 上 说,页岩气藏是“人工气藏”,以水平井分段压裂为代 表的“体积压裂”技术是推动页岩气革命的关键[1]。
开发试采
天然气勘探与开发
2013 年 10 月出版
页岩气“体积压裂”技术与应用
刘晓旭1 吴建发1 刘义成1 杨洪志1 李春梅2 李玉华2
( 1. 中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2. 中国石油吉林油田公司扶余采油厂)
摘 要 对页岩气藏水平井水力多段压裂、重复压裂、多井同步压裂以及裂缝综合监测等系列“体积压裂”技 术的应用原理及现场应用效果进行了分析总结。“体积压裂”技术能够大幅度提高页岩气单井产量,提高单井控制 储量和页岩气藏采收率。“体积压裂”为目的的各压裂工艺,都有各自独特的技术特点,在开采页岩气时,要结合实 际情况和各压裂技术的适用条件,选取合适的压裂方式。图 8 表 6 参 8
图 3 Haynesille 气井平均初始产气量( 左图) 与单井动态储量( 右图)
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百度文库
开发试采
天然气勘探与开发
2013 年 10 月出版
目前最新文献报道[4]表明: 页岩气水平井的水 平段越来越长,平均 1200 ~ 2200 m; 改造段数越来越 多,平 均 10 ~ 25 段; 段 间 距 越 来 越 短,平 均 70 ~ 100 m; 规 模 越 来 越 大, 每 段 约 使 用 1800 ~ 2200 m3 滑溜水、150 ~ 200 t 支撑剂。 2. 2 重复压裂技术
天然裂缝存在与否、方位、产状及数量直接影响 到压裂裂缝网络的形成,而天然裂缝中是否含有充填 物对形成复杂缝网起着关键作用。在“体积压 裂”
中,天然裂缝系统更容易先于基岩开启,原生和次生 裂缝的存在能够增加产生复杂裂缝的可能性,从而极 大地增大改造体积( SRV) 。
作者简介 刘晓旭,男,1976 年出生,山东郓城人,博士,高级工程师; 从事天然气开发、渗流机理等方面的研究。地址: ( 610041) 四川省成都 市高新区天府大道北段 12 号石油科技大厦。电话: ( 028) 86015648 . E - mail: liu_xiaoxu@ petrochina. com. cn
第 36 卷 第 4 期
天然气勘探与开发
开发试采
A、B 和 C 第一个月日平均产量( 5. 9 ~ 8. 1) × 104 m3 /d, d。井 B 和井 C 的同步压裂可能强化了井 A 的裂缝网 而单独压裂井 D 第一个月日平均产量为 1. 7 × 104 m3 / 络,导致产量的提高。4 口井产量对比见表 4。
井号
水平段长 /m 前 30 天平均产量
/104 m3 d - 1
表 4 Barnett 页岩同步压裂产量
A ( 顺序压裂)
B ( 同步压裂)
C ( 同步压裂)
659
587
567
7. 3
8. 1
5. 9
A、B、C 平均 604
7. 1
D ( 单独压裂)
常规压裂技术是以一条主裂缝实现对储层渗流 能力的改善,但垂向渗流能力未得到改善,主流通道 无法改善储层的整体渗流能力。“体积压裂”形成的 是复杂网状裂缝系统,对储层是全方位、立体型的改 造,其技术思路与常规压裂有所不同,吴奇等将两者 进行了区别和总结( 表 1) 。
项目
压裂液 射孔方式 缝间干扰 粉陶段塞 支撑剂 排量
绕原始裂缝的最大、最小水平应力发生应力反转,则重复 压裂诱导裂缝重新取向。重复压裂可有效改善单井产量 与生产动态特征,使页岩气最终采收率增加 8% ~ 10% , 可采储量增加 60% ,是一种低成本增产方法。
决定页岩气井重复压裂成功与否的一个重要因 素是裂缝转向。在 Barnett 页岩重复压裂的历史中, 通过对远、近地应力场研究表明[8],重复压裂裂缝刚 开始沿着原先的裂缝方向延伸,延伸很短的一段距离 后裂缝开始转向。由于 Barnett 页岩地层的非均质程 度小,裂缝转向并形成新缝网是可能的,但并不是每 次重复压裂都能使裂缝转向,可以通过微地震裂缝监 测对裂缝转向和新缝网进一步认识。
主要技术,最初一般采用单段或两段,目前已增至 50 段或更多[3]。
目前国外页岩气水平井分段压裂工艺主要分 三大类: ① 可钻式桥塞 + 射孔联作分段 压 裂,包 括 “连续油管喷砂射孔 + 桥塞分段压裂”( 图 1 ) 和“电
缆射孔 + 桥塞分段压裂”( 图 2 ) ,水 平 井 可 钻 式 桥 塞分段压裂技术适用于多种套管尺寸,曾在 Woodford 页岩应用,压裂前无产量,压裂后产气( 2. 83 ~ 5. 66) × 104 m3 / d; ② 滑 套 / 封 隔 器 分 段 压 裂,包 括 “TAP 多级 压 裂”、“裸 眼 封 隔 器 完 井 多 级 压 裂”及 “可 选 择 开 关 固 井 滑 套 多 级 压 裂 ”,多 级 滑 套 封 隔 器 分 段 压 裂 通 过 井 口 投 球 系 统 操 控 滑 套 ,依 次 逐 段 进 行压裂,Halliburton 曾 用 该 技 术 对 一 口 井 进 行 压 裂 试验,可节约完井费用 15% ~ 20% ; ③水力喷射分 段压裂,该技 术 不 需 封 隔 器 和 桥 塞 等 隔 离 工 具,可 自 动 封 堵 ,通 过 拖 动 施 工 管 柱 用 水 力 喷 射 工 具 实 施 分段压裂。其中以“桥塞 + 射孔联作分段压裂”技 术 为 页 岩 气 水 平 井 的 主 要 改 造 技 术 ,不 同 工 艺 技 术 在北美页岩气中的运用情况见表 2。
图 1 喷砂分簇射孔 + 复合桥塞分段压裂
图 2 电缆传输分簇射孔 + 复合桥塞分段压裂
方法
桥塞 / 射孔联作
滑套 / 封隔器 水力喷射
表 2 北美页岩气水平井分段压裂工艺运用情况( Halliburton 数据,2010)
Fayetteville Barnett Woodford Marcellus Bakken Niobrara Haynesville
气井生产一段时间后,当气井初始压裂处理已经 无效或支 撑 剂 损 坏 或 质 量 下 降,导 致 产 量 大 幅 下 降 时,重复压裂能重建储层到井眼的线性流,恢复甚至 增大气井产能。该方法在页岩气井生产中起着积极 作用,压裂后产量接近甚至超过初次压裂产量,大大 延长了气井的生产寿命。
原理: 气井生产一段时间后,初始裂缝周围孔隙压力 重新分布。另外,初次压裂裂缝沿着最大水平应力方向, 随地层压力降低,该方向应力降低幅度大于最小水平应 力方向,如原始最小水平应力方向的诱导应力足够大,围
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第 36 卷 第 4 期
天然气勘探与开发
开发试采
大量研究及现场试验表明[2]: 富含石英或者碳酸盐 岩等脆性矿物的储层有利于产生复杂缝网,黏土矿物 含量高的塑性地层不易形成复杂缝网,不同页岩储层 “体积压裂”时应选用各自适应的技术对策。
2 页岩气“体积压裂”技术
2. 1 水平井分段压裂工艺技术 水平井分段压裂是 2003 年以来开发页岩气的最
表 1 裂缝性储层传统压裂与体积压裂对比
常规压裂
高黏度压裂液,降滤失,造主缝 减小射孔段,单段射孔,避免多裂缝 单段压裂,增大段间距,减少缝间干扰 降低孔眼摩阻,封堵微裂缝,降低滤失 小粒径、高砂比、高导流 适度排量泵注
体积压裂
滑溜水压裂 / 复合压裂,沟通天然裂缝 多段分簇射孔,创造多裂缝 多段分簇压裂,缩短段间距,利用干扰 沿次生裂缝运移,随机封堵,促使裂缝转向 小粒径、低砂比、低导流 高排量泵注
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一般情况下,同步压裂井的井眼轨迹方位都与最 小水平主应力一致,并且处于相同的深度,各水平段 的每一级压裂同时进行,压裂顺序从水平段的趾端到 跟端。水平井之间的间距一般等于水平井压裂主裂 缝的长度,并在压裂级数非常近的情况下进行同时压 裂,直到所有的压裂完成后进行返排。有些情况下同 步压裂相邻水平井水平段的深度可以不同,垂直交错 布局不仅可以利用缝梢的张性区域,还能够利用裂缝 顶部和底部的张性区域,增大诱导裂缝密度。
现场施工过程中,为了提高效率,压裂处理不一 定要同步进行,可以首先完成一口井的全部压裂,然 后关井保 持 诱 导 裂 缝 周 围 的 张 性 应 力,进 行 邻 井 压 裂。同步压裂费用较高,需要更多的协调工作以及后 勤保障,作业场所也更大。
采用同步压裂的页岩气井短期内增产非常明显, Barnett 页岩进行了 3 口水平井顺序、同步压裂试验,对 4 口井产量做了对比。第一周完成井 A 的 5 级压裂,第 二周进行井 B 和井 C 的同步压裂。3 口顺序/同步压裂
1 “体积压裂”的理念及实现条件
吴奇等给出 了“体 积 压 裂 ”的 定 义,并 对 其 内 涵 与作用进行了相应的阐述[2],其定义如下: 通过压裂 的方式对储层实施改造,在形成一条或多条主裂缝的
同时,通过分段多簇射孔、高排量、大液量、低黏液体、 以及转向材料及技术的应用,实现对天然裂缝、岩石 层理的沟 通,以 及 在 主 裂 缝 的 侧 向 强 制 形 成 次 生 裂 缝,并在次生裂缝上继续分枝形成二级次生裂缝,以 此类推。让主裂缝与多级次生裂缝交织形成裂缝网 络系统,将有效储集体“打碎”,使裂缝壁面与基质的 接触面积最大,使得油气从任意方向的基质向裂缝的 渗流距离最短,极大地提高储层整体渗透率,实现对 储层在长、宽、高三维方向的全面改造。
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