油气井增产技术-水力压裂

硕士研究生课程
油气井增产技术
马新仿
中国石油大学（北京）
石油工程学院
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课程主要内容
第一部分 第二部分 第三部分
水力压裂技术（20学时） 酸化酸压技术(6学时） 物理法采油技术（4学时）
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主要参考书
1、王鸿勋，张士诚. 水力压裂数值计算方法. 石油工业出版社，1998. 2、范玉平.油水井增产增注工艺技术. 石油大学出版社，2002. 3、杨宝君等. 物理法增产增注原理与技术. 石油工业出版社，2003. 4、马建国. 油气藏增产新技术. 石油工业出版社，1998. 5、Unified Fracture Design.Michael Economides. 6、Modern Fracturing-Enhancing Nature Gas Production. Michael Economides.
3.0~10
50.92
10.0~16
39.53
16.0~28.0 36.52 ＞ 28.0
16.4（高或低） 16
5、特低渗透油藏分类
●油藏压力系统分类
油藏类型 低压油藏 常压油藏 高压油藏 超高压油藏
原始地层
<0.8
0.8～1.2
1.2～1.8
>1.8
压力系数
●油藏埋藏深度分类
油藏类型 浅层油藏 中深层油藏 深层油藏 超深油藏
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策
2. 低渗透油气藏储量、产量构成比例逐年提高 低（特低、超低）渗透油气藏的有效开发和安全
环保利用，将是中国石油需要长期关注的工作重点， 更是采油采气工程的工作重点。
3. 压裂技术实现有效增储上产作用举足轻重
近10年来年压裂酸化作业超过10000井次，年增油量超过 1000万吨（平均单井1000吨）以上。 大庆油田每年完成压裂4000多层次。
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（2）低渗透油藏开发过程中的伤害问题
①应力敏感性造成低渗透油层的伤害 低渗透储层主要依靠微裂缝导流,有较强的应力敏感性,
其微观表现：裂缝在围岩应力变化下有闭合的趋势。 造成应力敏感性伤害最大的是围岩层应力变化,其中泥页
岩夹层、盖层的水化应力和开采的压力衰竭也是不可忽视的。 大庆、吉林等油田已经非常突出。
埋藏深度 <2000 2000～3000 3000～4000 m
>4000
●油藏裂缝发育情况 ●裂缝型低渗透油藏 ●非裂缝型低渗透油藏
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策
6、特低渗透低丰度油藏
●石油储量丰度小于30×104ｔ/ｋｍ2的油藏为特低丰度油藏
特低渗透低丰度油藏开发的主要难点:
①储层极其复杂,单层厚度薄,砂体窄小,局部裂缝发育,识 别难度大; ②现有的低渗透油藏开发理论和方法不适宜这类油藏,油田 开发设计缺乏理论依据; ③油田注水压力高,注水困难,直井开采单井产量低,效益差。
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4、全国低渗透油层综合分类评价表
类型
名称
标准范围 10－3μm2
中值半径 μm
排驱压力 MPa
驱动压力 MPa
最终采收率 ％
对比层
＞100
2.624
0.076
0.2~3.5
64.78
中低渗透层 100~50
1.248
0.112
0.3~1.5
55.56
I
一般低渗透层 50~10
0.613
II
特低渗透层 10~1.0
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策
1、低渗透油藏地质特点
• 储层物性差、渗透率低，原生孔隙度低，孔隙结构复杂， 分选差，胶结物含量高；
• 砂泥岩层交互，粘土含量高，非均质性严重； • 束缚水饱和度高，原油物性好； • 存在启动压力梯度，具有非达西流特征； • 存在天然裂缝，在一定压力下张开，加剧地层非均质性； • 储层水动力连通性差，单井控制的泄油面积小。
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应力敏感性的结果：地层渗透率、孔隙度、压缩系 数等随地层压力的降低而降低。
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（2）低渗透油藏开发过程中的伤害问题
② 粘土矿物对低渗透油层的伤害 •粘土矿物对油层的伤害
粘土矿物对油层的伤害,主要表现为膨胀和运移两种方式。 其伤害程度和方式与粘土矿物的存在形式和类型密切相关。 •粘土矿物在地层中有两种存在形态: 一种是粘土矿物包覆在岩粒表面或附着在基岩表面呈薄膜状。 另一种是粘土矿物在岩石孔隙中以填充物的形式存在。
绪论 第1章 水力压裂造缝及增产机理 第2章 水力压裂入井材料 第3章 水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算 第4章 水力压裂井效果预测及方案优化设计 第5章 水力压裂裂缝监测及参数识别 第6章 重复压裂技术 第7章 水平井开发技术 第8章 水力压裂存在的问题及新技术
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绪论
一、水力压裂发展历程 二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策 三、低渗透油气藏水力压裂改造技术现状
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一、水力压裂发展历程
5、下井原材料方面，压裂液由初期的清水 (Riverfrac Treatment)、原油，发展到海藻、田菁(Sesbania Gum)、胍胶(Guar Gum)、香豆、魔芋、泡沫、高聚物 等，支撑剂由石英砂(Silica Sand)发展到陶粒(Ceramsite)、 以及核桃壳(Walnut Shell)、树脂砂等。
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9、改善低渗透油藏开发效果的对策
（1）加强低渗透油藏的渗流机理研究
低渗透油藏与其他类型油藏的主要差异是储层特征，包 括沉积、物性、含油性、非均质性和敏感性等特征。要实现 高效开发低渗透油藏，必须加强低渗透油藏的储层精细研究 和渗流机理研究。
低渗透储层多存在敏感性问题，在开发中必须重视敏感 性，否则将严重影响油井产量。储层保护工作要贯穿于低渗 透油藏开发的全过程。重点研究天然裂缝、人工裂缝和基岩 系统组合模型的驱替特征、驱替规律和驱替效率，为合理评 价低渗透油藏水驱开发效果奠定基础。
主要伤害：“五敏”+压敏=“六敏”。
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（2）低渗透油藏开发过程中的伤害问题
③低孔隙压力造成低渗透油层的伤害 低渗透储层的异常孔隙压力有欠压和超压两大类。但
对中浅埋深的低渗透储层(深度在3000m以内，这部分占低 渗透储层总数的80%以上)，基本上是欠压型异常。
低渗透一般对应着低的孔隙压力，多数孔隙压力低于 正常压力梯度。
另外，在压裂机理（Fracture Mechanics）研究、设计 软件开发方面也都取得了长足进步。
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策
低渗透油藏也叫非整装油田、复杂油田、储量难动 用油田，这类油藏具有“小、散、差、杂、低、深”的 地质特点。 ①四低：低渗透、低丰度、低产量、低采收率； ②四难：储量动用难、保持稳产难、生产管理难、投资 成本控制难。
井
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策
注 （1）建立有效的注采驱动压力体系 采
水
油
井
低渗透油藏
井
由于渗透率低和启动压力的作用，导
致注采井间无法建立有效的水动力系
统，致使注水压力上升，采油井压力
Байду номын сангаас
下降－－注不进、采不出！
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策 （2）低渗透油藏开发过程中的伤害问题 • 应力敏感性伤害 • 粘土矿物对低渗透油层的伤害 • 低孔隙压力造成低渗透油层的伤害 • 压裂过程中压裂液的伤害
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一、水力压裂发展历程
1、工艺技术方面： 压裂方式:笼统压裂（Commingled Hydraulic Fracturing）
分层压裂（Separate Layer Fracturing） 压裂工艺:滑套式（Sliding Sleeve）分层压裂
选择性压裂（Selective Fracturing） 多裂缝压裂（Multi-fracture HF) 限流法压裂(Limited Entry Fracturing) 平衡限流法压裂(Balanced LEF) 水平缝端部脱砂压裂(TSO in Horizontal Fracture) 热化学压裂工艺(Thermochemical Fracturing) 水平井压裂(Horizontal Well Fracturing) 斜直井压裂(Slant-Vertical Well Fracturing) 小井眼压裂(Slim Hole Fracturing)工艺 高能气体压裂(High Energy Gas Fracturing－HEGF）
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策 7、制约低渗透油藏高效开采的关键因素
• 建立有效的注采驱动压力体系 （井网类型、井网与裂缝方位匹配、井距、 注采压力、启动压力等）
• 低渗透油藏开发过程中的伤害问题
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二、低渗透油气藏的地质特征及开发对策
（1）建立有效的注采驱动压力体系
注
常规油藏
采
水
油
井
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第一部分 水力压裂技术
绪论 第1章 水力压裂造缝及增产机理 第2章 水力压裂入井材料 第3章 水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算 第4章 水力压裂井效果预测及方案优化设计 第5章 水力压裂裂缝监测及参数识别 第6章 重复压裂技术 第7章 水平井开发技术 第8章 水力压裂存在的问题及新技术
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第一部分 水力压裂技术
、适合不同闭合压力(Closure Pressure)条件的支撑剂系列 (Proppant)，研制出高性能的施工设备，创建了新的设计模型
(Design Model)和分析、诊断方法(Analytical and Diagnostic Method) ，使压裂工艺技术日趋完善，现已成为油田开发过程中不可 缺少的一项工艺技术。
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9、改善低渗透油藏开发效果的对策
（2）合理布置井网 实现有效注水开发，必须达到一定的井网密度，井网密
度加大到一个界限值后，低渗透油藏开发效果大幅度改善。 由于渗透率低、连通性不好，井距过大则注不进水，地
层压力下降快, 采油速度下降快。在经济有效的前提下应合 理加密。
井网的布置还受地应力方向和裂缝走向的制约，合理选 择井网模式是避免油田暴性水淹的前提，也为后续的措施改 造和调整建立了基础。
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一、水力压裂发展历程
•第一代压裂(1940’-1970’)：小型压裂（Mini-fracturing） 加砂量较小，主要是解除近井地带污染。
•第二代压裂(1970’-1980’)：中型压裂（Medium Fracturing） 加砂量增加，压裂规模增大，提高低渗透油层导流能力。
•第三代压裂(1980’-1990’)：端部脱砂压裂（Tip Screen Out-TSO） 应用到中、高渗储层，主要是大幅度提高储层导流能力。
0.205
III
超低渗透层 1.0~0.1
0.117
IV
致密层
0.10~0.01 0.062
V
非常 致密层 0.01~0.001 0.026
超致密层
0.001~ 0.0001
<0.026
VI
裂隙层
变化大或小 于10
0.236 0.375 2.272 5.554 ＞ 6.0
低—中
0.5~3.5
55.43
•第四代压裂(1990’-)：大型压裂（Massive Hydraulic Fracturing －MHF）、开发压裂作为一种开发方式，从油藏系统出发，应用 压裂技术。
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一、水力压裂发展历程
近40年来，水力压裂技术得到快速发展，取得了众多科研 成果，形成适用于不同温度条件的压裂液体系(Fracturing Fluid)
普遍的低压，造成了用常规手段钻井、固井、完井作 业的严重伤害；压差太大，伤害达到了不可恢复的地步。
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（2）低渗透油藏开发过程中的伤害问题 ④压裂过程中压裂液的伤害
地层 天然裂缝 填砂裂缝的伤害
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8、低渗透油藏开发中普遍存在的问题
（1）天然能量不足且消耗快 （2）注水效果差 （3）油井见水后产量递减快 （4）裂缝性低渗透砂岩油藏注水水窜严重
（一）国外水力压裂技术现状 （二）国内水力压裂主体技术
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1
一、水力压裂发展历程
1947年—美国首次水力压裂增产作业 60年代—单井的增产、增注措施 70年代—低渗透油田的勘探开发领域
随着工艺技术发展和对油藏地质研究的不断深入，压裂 工艺技术的应用领域也不断拓宽，特别是用于调整层间 矛盾、改善驱油效率及低渗油田的整体压裂优化开发， 使压裂工艺技术成为提高采油速度和采收率及改善油田 开发效益的重要手段。
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一、水力压裂发展历程
2、设备方面：由初期的水泥车,人工加砂,发 展到目前机械混砂、自动控制的K2000型及K2500型 压裂车组。
3、工具方面：先后研制了水力压差式、压缩 式封隔器、导压喷砂器、分层滑套装置及井口投球 装置、地面投蜡球管汇、不压井不放喷井口控制装 置等。
4、管柱方面：由初期的光油管喇叭口,发展到 分层滑套、可返洗、55MPa、小井眼等压裂管柱。