油水井增产增注技术第八章

1、第八章 页岩气井压裂工艺技术第五章 支撑剂1. 水平井分段压裂技术2. 缝网（体积）压裂技术3. 同步压裂技术4. 重复压裂技术5. 新型压裂技术一、 水平井分段压裂技术1. 传统水平井压裂2. 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术3. 水平井多级滑套封隔器分段压裂技术4. 水平井膨胀式封隔器分段压裂技术5. 水平井水力喷射分段压裂技术(1) 封隔器、桥塞分段压裂1、工艺原理该工艺是以封隔器、桥塞等机械工具为载体，通过机械工具的下入，实现对水平井段的隔离和选择性压裂改造，压裂改造后，将隔离工具起出，实现各层段之间的连通。封隔器、桥塞分段压裂工艺原理示意图1、压裂第1段2、起出管柱3、下入桥塞4

2、、座封桥塞5、起出管柱6、下入压裂管柱7、压裂第2段8、打捞桥塞9、生产(1) 封隔器、桥塞分段压裂2、技术特点（1）分段压裂更加准确、可靠；（2）要求工具稳定性好；（3）需进行多次冲砂、起下管柱作业，施工周期较长。压裂管柱结构示意图桥塞打捞管柱结构示意图(2) 连续上提封隔器卡封压裂1、工艺原理该工艺是以封隔器工具为载体，通过封隔器在各射孔段间产生压力遮挡，对某一射孔段进行压裂改造；施工结束后，将管柱上提至下一射孔段，重新坐封封隔器，进行下一段的压裂改造，完成改造后，起出压裂管柱，实现各层段之间的连通。1、射孔2、下入封隔器3、坐封封隔器4、压裂第1段5、解封封隔器6、上提压裂管柱7、坐封封

3、隔器8、压裂第2段9、换生产管柱，投产连续上提封隔器卡封压裂工艺原理示意图(2) 连续上提封隔器卡封压裂2、技术特点（1）分段压裂更加准确、可靠；（2）要求工具稳定性好，尤其是封隔器的重复坐封能力；（3）需进行多次冲砂、起下管柱作业，施工周期较长，但相比封隔器、桥塞压裂工作效率提高。2. 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术的主要特点是：套管压裂、多段分簇射孔、可钻式桥塞（钻时小于15 min）封隔。该技术的施工步骤大致为：（1） 第一段采用油管或者连续油管传输射孔,提出射孔枪；（2） 从套管内进行第一段压裂；（3） 用液体泵送“电缆+射孔枪+可钻桥塞工具”

4、入井；（4） 坐封桥塞,射孔枪与桥塞分离,试压；（5） 拖动电缆带射孔枪至射孔段，射孔，提出射孔枪；（6） 压裂第二段；（7） 重复（3）（ 6） 实现多级压裂。 一般目的层水平井段被分成815段， 每段水平段长度为100150 m， 每段射孔46簇， 每射孔簇跨度为0.460.77 m， 簇间距2030 m， 压裂施工结束后快速钻掉桥塞进行测试、生产。 可钻桥塞分段多级压裂技术的关键工具是可钻桥塞。 目前，国外复合材料可钻桥塞比较成熟，BakerHughes公司的Quick Drill桥塞、Halliburton公司的FasFas Drill桥塞等都是非常成熟的复合材料桥塞。 这种复合材料桥

5、塞可钻性强，耐压耐温都比较高：QUICK Drill桥塞耐压可达86MPa， 耐温达到232；Fas Drill桥塞耐压可达70MPa， 耐温达到177。 由于该技术射孔坐封桥塞联作，压裂结束后能在很短时间内钻掉所有桥塞，大大节省了时间和成本，同时减小了液体在地层中的滞留时间，降低了外来液体对储层的伤害。 通过该种射孔方式每段可以形成46条裂缝，裂缝间的应力干扰更加明显，压裂后形成的缝网更加复杂。 水平井水平段被分成多段压裂，改造完成后可形成815段的裂缝簇，改造体积更大，压裂后的效果也更好。 该技术通过井口落球系统操控滑套，其原理与直井应用的投球压差式封隔器相同，具有施工时间短和成本低的优点

6、。 关键在于每一级滑套的打开以及所控制的级差，级数越多，滑套控制要求越精确，施工风险也越高。 该技术采用机械式封隔器，适用于套管和裸眼完井。 该类封隔器需要压力坐封或者工具坐封，因此工艺过程复杂，下入工具串次数较多，对于水平井施工风险较大，任何一个环节处理不当就会导致施工失败，造成大修。2. 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术工艺原理该工艺是以封隔器工具为载体，通过封隔器在各射孔段间产生压力遮挡，对某一射孔段进行压裂改造；施工结束后，投球封堵已压裂段同时打开封堵上一射孔段的滑套，对上部层段进行压裂改造；依次上返，实现多段分压；改造结束后， 球体隨压裂液返排出井筒，合层生产。(1) 裸眼封隔器

7、分段压裂裸眼封隔器分段压裂工艺演示 又叫遇油(遇水)膨胀封隔器，用于水平井裸眼完井 。遇油膨胀式封隔器用一种特殊的可膨胀橡胶材料直接硫化在套管外壁上； 其工作原理为封隔器下入井底预定位置后，遇到油气或水后可膨胀橡胶即可快速膨胀，橡胶膨胀至井壁位置后继续膨胀而产生接触应力，从而实现密封； 膨胀胶筒在井下遇油或遇水自动膨胀坐封，胶筒膨胀后能适应不规则井眼的形状，紧贴井壁， 实现分层分段；4.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 胶筒膨胀完毕后不收缩，始终紧贴井壁，保证坐封质量合格。因为该技术具有可靠性高、成本和作业风险低、压裂后能很快转入试油投产等优点，所以目前在国外已经得到大规模的应用； 近年来，国内

8、不少科研院所和石油工具研发公司开展了自膨胀封隔器的自主开发研究，并初步应用于现场，取得了良好的效果。但是与国外产品相比，目前还存在着密封压力低、使用温度低等问题。4.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 水力喷射分段压裂（HJF） 是用高速和高压流体携带砂体进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，提高流体排量，从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术； 该技术是集射孔、压裂、封隔于一体的新型增产改造技术。利用水力喷射工具实施分段压裂， 不需封隔器和桥塞等封隔工具，自动封堵， 封隔准确； 水力喷射压裂由 3 个过程共同完成：水力喷砂射孔、水力压裂和环空挤压。4.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 水力喷射分段压裂

9、（HJF） 有多种工艺：水力喷射辅助压裂（HAJF）， 水力喷射环控压裂（HJP-AF）， 水力喷射酸化压裂等； 水力喷射分段压裂技术可以选用油管或连续油管作为作业管柱，使用范围广，套管完井、筛管完井和裸眼完井都适用。其施工工艺分为拖动管柱式和不动管柱式；4.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 不动管柱式使用喷射器为滑套式喷射器，可实现多级压裂。托动管柱式的优点在于，连续拖动施工管柱可以节省很多时间，降低施工成本， 另外由于依靠水力喷射射孔定位准确，因此压裂针对性强，对于改造层段控制性高。4.水平井膨胀式封隔器分段压裂技术(1) 水力喷射分段压裂工艺原理基于伯诺利方程，通过高速流体的注入达到（1）

10、井筒内形成负压区，达到分段压裂目的；（ 2）利用动能和压能的转化，形成人工裂缝。水力喷射分段压裂工艺工作机理图水力喷射工具照片水力喷射分段压裂工艺原理示意图水力喷射分段压裂工艺演示井场设备技术特点（1）环空压力低，有利于形成横向裂缝；（2）节流压力损失较大，井口压力较高；（3）可实现射孔与压裂作业联作，可用于筛管、套管及裸眼完井方式井的压裂作业；（4）分压段数更多，可采用连续油管拖动，逐层上返压裂（目前水平可分压10段）；（5）压后工具可起出，有利于进行修井等作业；（6）喷砂嘴的稳定性是决定该工艺的关键性技术。(2) 水力喷砂射孔参数设计优化设计优化水力喷砂射孔所需的流速、最佳喷射时间、喷砂液

11、浓度、砂粒直径等参数。1、 喷嘴选择：要具有良好的耐磨性和较高的流量系数。从水力学知识得知流束任意一点处的速度可由下式求得：VL=CV0D/L式中: 微粒喷嘴出口距离为L 处的射流轴心速度； C 为试验常数6； V0 为射流初速度； D 为喷嘴直径； L 为喷嘴出口至喷射物距离。上式表明，当L=6D 时， 其射流速度仍然保持起初速度的V0不变， 自该点之后，射流则按上述规律逐渐减小。 (2) 水力喷砂射孔参数设计优化2、压力、流速根据水力学的动量定律，当喷嘴的截面一定时，射流速度与压力成正比。试验证明，当通过喷嘴的流速保持在120米/秒、 工作压力12MPa以上时，可以取得较好的切割效能。3、

12、喷射时间在一定的工作压力下，当射流达到一定深度后，继续延长喷射时间是无意义的。喷射时间一般在15-20分钟。(3) 水力喷砂射孔参数设计优化4、 含砂浓度:含砂量越高，切割效能越好。但是，过多的含砂量容易引起砂堵，并会在途中互相碰撞，降低速度，影响喷射效果。确定砂浓度120 kg/m3。5、 砂粒直径砂粒直径越大，质量越大，冲击力就越大。一般讲，砂粒直径取喷嘴直径的1/61/6为最佳，确定选用40-70目和20-40目的石英砂或陶粒均适用。(3) 水力喷砂射孔参数设计优化6、 围压：射孔深度随着围压的增大成线性递减。喷砂射孔施工参数：利用水力喷砂射孔定点压裂工艺技术，不用机械封隔一趟管柱实现多

13、段改造。 水力喷砂压裂技术原理：射流在喷射通道中形成增压。环空中泵入流体增加环空压力， 喷射流体增压和环空压力的叠加超过破裂压力压开地层。压开地层：P增+P环P破裂环空压力：略低于裂缝的延伸压力压裂排量：考虑压裂液摩阻、喷嘴的节流压差、裂缝延伸压力、喷射工具强度、套管强度、压裂限压等。二、 缝网（体积）压裂技术l SRV（Stimulated Reservoir Volume）： 储层改造体积；DFN（Discrete Fracture Network）： 离散裂缝网络。SRV主要是衡量压裂出的缝网体积，而DFN是用来模拟孔隙介质缝网流动。l 所谓缝网压裂技术就是利用储层两个水平主应力差至于裂

14、缝延伸净压力的关系，一旦实现裂缝延伸净压力大于两个水平主应力的差值与岩石的抗张强度之和时，则容易产生分叉缝；二、 缝网（体积）压裂技术l多个分叉缝形成缝网系统，主裂缝为缝网系统的主干，而分叉缝可能在距离主缝延伸一定长度后，又回复到原来的裂缝方位，则最终可形成以主裂缝为主干的纵横“网状缝”系统；二、 缝网（体积）压裂技术为什么要进行体积压裂？缝网（体积）压裂阶段避免近井多裂缝，开启远井多裂缝 根据主裂缝与天然裂缝的角度关系以及通过连续地应力剖面计算获得的两向应力差异，判断主缝开启的同时是否能张开天然裂缝； 若近井天然裂缝在主裂缝起裂时张开的条数过多，可能会加大前置液的滤失，引起近井弯曲摩阻过高，

15、同时多缝竞争会引起近井单缝宽变窄，造成施工压力高和脱砂的风险。因此，有必要在主压裂施工前结合小型测试压裂来诊断裂缝弯曲和天然裂缝发育程度； 优化孔密和孔眼方位能够降低孔眼摩阻；采取变排量和前置小粒径段塞等技术措施控制近井天然裂缝的开启条数， 降低近井弯曲摩阻，为扩展远井裂缝提供通道。缝网（体积）压裂阶段（1） 近井带网缝阶段 远井带能否形成复杂的网络裂缝系统是网缝压裂改造的关键。 远井带裂缝的复杂性除了页岩自身物性、脆性、敏感性、力学特性等不可控因素有关外，还取决于诱导应力的大小； 根据射孔段水平应力差异、主裂缝内净压力大小以及能够产生的诱导应力大小判断主裂缝转向半径及方位； 提升主缝内净压力

16、诱导裂缝转向是远井带网络压裂设计的基础， 主要技术措施包括变排量施工、二次/多次停泵、变压裂液密度、变压裂液粘度和超低密度支撑剂使用等； 砂液比的设计除了满足与造缝宽度相匹配的支撑缝宽外，主要是增加裂缝内砂浆的流动摩阻，提升主裂缝的净压力， 以实现裂缝转向或张开天然裂缝的目的； 段塞量及段塞级数的优化主要是为了防止早期砂堵采取的提前干预措施，保证裂缝支撑剖面不中断。缝网（体积）压裂阶段（2） 远井带网缝阶段 同步压裂技术是页岩气储层改造的另一项重要技术。采用的是使压裂液及支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法，来增加水力压裂裂缝网络的密度及表面积，目前已能够四口井同时压裂。 将两口

17、或者更多的相邻井之间同时用多套车组进行分段多簇压裂，或者相邻井之间进行拉链式交替压裂，让储层的页岩承受更高的压力，增强邻井之间的应力干扰，从而产生更加复杂的裂缝网络，最终改变近井地带的应力场。 这种复杂的裂缝网络依靠增加裂缝密度和裂缝壁面表面积而形成三维裂缝网络，增加压裂改造的波及体积，从而提高产量和最终采收率。该技术在北美Woodford页岩和Barnett页岩改造中应用，并取得了较好的效果。三、 同步压裂技术 2006年， 同步压裂首先在美国 Barnett 页岩中实施。作业者在水平井段相隔 152305m的2口大致平行的水平配对井之间进行同步压裂； 由于压裂井的位置接近，如果依次对2口井

18、进行压裂，可能导致只在第二口井中产生流体通道而切断第一口井的流体通道； 同步压裂能够让被压裂的2口井的裂缝都达到最大化，相对依次压裂来说，增产效果明显，获得收益的速度更快。三、 同步压裂技术Barnett页岩气田同步压裂产量三、 同步压裂技术四、 重复压裂技术 重复压裂是指当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降， 导致气体产量大幅下降时，采用压裂工艺对气井经行重新压裂增产的工艺。 页岩气井初始压裂后，经过一段时间的生产，井眼周围的应力会发生变化，重复压裂能够重新压裂裂缝或使裂缝重新取向，使页岩气井产能恢复到初始状态甚至更高。四、 重复压裂技术 裂缝重新取向是重复压

19、裂的重要增产机理之一， 裂缝重新取向能够绕开钻井和压裂造成的地层伤害区，避开压实作用和渗透率下降区，从而获得更好的生产条件； 重复压裂能够有效地改善页岩气单井产量与生产动态特性，建立良好的生产井产能，在某些情况下，经过重复压裂的井能够达到生产的最高水平，井产量与估计最终可采储量都接近甚至超过初次压裂时期； 例如美国Newark East气田Barnett页岩对先前使用的冻胶压裂产量下降的井使用清水压裂重新改造，气井产量明显提高。四、 重复压裂技术 重复压裂适用于天然裂缝发育、层状和非均质地层，在页岩气开发后期当初始压裂效果下降时或初始压裂方式效果不理想的情况下对储层重新压裂，对产量相对较高的井

20、同样适用； 重复压裂不是一种新的压裂技术，而是压裂作业的一种工艺，其关键在于候选井的选择。国内对重复压裂工艺有较多的研究和实践，可以作为我国页岩气开发中后期储层改造的措施。四、 重复压裂技术四、 重复压裂技术Barnett页岩气田重复压裂井产量对比五、 新型压裂技术 纤维压裂技术（Fiber FRAC Fracturing） 通道压裂技术( HiWAY Channel Fracturing) 二氧化碳压裂技术（Fracturing） 液化石油气压裂技术（LPG Fracturing）滑溜水压裂技术普遍存在水力裂缝中支撑剂充填不到位， 渗透率不达标的问题。究其原因，一是水力裂缝宽度不够，支撑剂进

21、入困难；二是压裂液携砂能力不足，支撑剂自混合液中快速沉淀、聚集在井周裂缝底部。为克服上述难题，延长支撑剂悬浮时间，斯伦贝谢等公司采用新型纤维基压裂液作为页岩气压裂主剂，有效地改善了上述问题；纤维压裂技术的工艺原理是在压裂液中加入纤维（或光纤） 类物质使石英砂等支撑剂在压裂过程中保持悬浮态， 裂缝闭合时能改善支撑效果，有些纤维结构可在压裂结束后自动溶解，从而进一步提高改造缝的导流能力。1. 纤维压裂技术纤维压裂技术的优点： 良好的悬砂性能，提高支撑剂运至裂缝尖端的比例，改善裂缝导流能力； 避免支撑剂过早沉降，改善裂缝闭合时支撑剂半充填造成的效率低下问题； 设备需求简单，成本优势显著。不足之处在于

22、纤维聚合物较清水压裂对储层伤害率略高，压裂质量控制方面有待完善。1. 纤维压裂技术1. 纤维压裂技术 页岩气储层黏土矿物以蒙脱石、伊利石为主，水化作用下强度易降低，支撑剂嵌入水力裂缝后常为点接触，塑性形变易导致裂缝闭合。滑溜水压裂技术多通过提高支撑剂磨圆度、强度，降低支撑剂破碎与凝胶吸附等提高裂缝导流能力，但无法避免支撑剂堆积和脱出造成的导流能力降低； 通道压裂技术主要由斯伦贝谢公司设计研发并于 2010年推出。该技术整合了完井、填砂、导流和质量控制技术， 在水力裂缝中聚集支撑剂创造无限导流能力的通道， 形成复杂而稳定的油气渗流，使油气产量和采收率最大化； 通道压裂技术创造出来的裂缝有更高的导

23、流能力，不受支撑剂渗透性的影响，油气不通过充填层，经由高导流通道进入井筒，这些通道从井筒一直延伸到裂缝尖端，增加了裂缝的有效长度，从根本上改变了裂缝导流能力。2.通道压裂技术2.通道压裂技术滑溜水压裂（左）和通道压裂（右） 渗流效果对比该技术主要优点： 可显著提高最终采收率，降低人工举升成本； 优化支撑剂嵌入位置，降低采油气过程中的生产阻力； 减少滑溜水（50% 以上）和支撑剂（30%以上） 用量； 减少裂缝壁面伤害； 应用范围较广，可适应直井、水平井的单级或多级压裂需求，储层温度 38163间均可应用。2.通道压裂技术CO2压裂技术在北美试验和应用较多，可大幅降低水用量，降低储层伤害，也被称为“干式压裂技术”。通常按照和水基配比分为泡沫压裂和纯压裂2种， 前者泡沫质量比为30%85% ， 一般高于 60%； 后者采用 100% 液态CO2作压裂液，受压裂规模和井深限制，作业时需专业密闭混配车，不适合中等以上规模压裂。 泡沫压裂的关键技术包括起泡、酸性交联和提高砂液比3方面。压裂前需针对储层埋深、地温梯度、裂缝温度场和地层压力的动态变化，分析起泡时间和深度范围，保证正常起泡。液化呈弱酸性，只适合选用酸性羟丙基瓜胶类作增黏剂，酸性条件下的有效交联是泡沫压裂设计