[科普中國(guó)]-壓裂

壓裂原理

油井生產(chǎn)到一定階段后，產(chǎn)能和滲透率降低，為了增強(qiáng)排油能力，提高油井產(chǎn)量，人們發(fā)明了壓裂工藝技術(shù)。壓裂的方法分水力壓裂和高能氣體壓裂兩大類，水力壓裂是靠地面高壓泵車車組將流體高速注入井中，借助井底憋起的高壓，使油層巖石破裂產(chǎn)生裂縫。為防止泵車停止工作后，壓力下降，裂縫又自行合攏，在地層破裂后的注入液體中，混入比地層密度大數(shù)倍的砂子，同流體一并進(jìn)入裂縫，并永久停留在裂縫中，支撐裂縫處于開(kāi)啟狀態(tài)，使油流環(huán)境長(zhǎng)期得以改善。當(dāng)前水力壓裂技術(shù)已經(jīng)非常成熟，油井增產(chǎn)效果明顯，早已成為人們首選的常用技術(shù)。特別對(duì)于油流通道很小，也就是滲透率較底的油層增產(chǎn)效果特別突出。2

壓裂工藝技術(shù)任何壓裂設(shè)計(jì)方案都必須依靠適當(dāng)?shù)膲毫压に嚰夹g(shù)來(lái)實(shí)施和保證。壓裂技術(shù)主要用于油氣層受污染或者堵塞較大的井以及注不進(jìn)去水或注水未見(jiàn)效的井。對(duì)于不同特點(diǎn)的油氣層，必須采取與之適應(yīng)的工藝技術(shù)，才能保證壓裂設(shè)計(jì)的順利執(zhí)行，取得良好的增產(chǎn)效果。壓裂工藝技術(shù)種類很多，主要有以下幾種。3

封隔器分層壓裂我國(guó)有很多多層油氣田，通常要進(jìn)行分層壓裂。封隔器分層壓裂是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的一種壓裂工藝技術(shù)，但作業(yè)復(fù)雜、成本高。根據(jù)所選用的封隔器和管柱不同，有以下四種類型。

1) 單封隔器分層壓裂 用于對(duì)最下面一層進(jìn)行壓裂，適于各種類型油氣層，特別是深井和大型壓裂。

2) 雙封隔器分層壓裂 可對(duì)射開(kāi)的油氣井中的任意一層進(jìn)行壓裂。

3) 橋塞封隔器分層壓裂。

4) 滑套封隔器分層壓裂

國(guó)內(nèi)采用噴砂器帶滑套施工管柱，采用投球憋壓方法打開(kāi)滑套。該壓裂方式可以不動(dòng)管柱、不壓井、不放噴一次施工分壓多層，對(duì)多層進(jìn)行逐層壓裂和求產(chǎn)。3

限流法分層壓裂用于欲壓開(kāi)多層而各層破裂壓力有差別的油井。通過(guò)控制各層射孔孔眼數(shù)量和直徑，并盡可能提高注入排量，利用先壓開(kāi)層孔眼摩阻提高井底壓力而達(dá)到一次分壓多層的目的。

有A、B和C三個(gè)油層，相應(yīng)的破裂壓力分別為24，20和22MPa 按射孔方案射開(kāi)各自的孔眼。當(dāng)注入井底壓力為20 MPa時(shí)，B層壓開(kāi)；然后提高排量，因孔眼摩阻正比于排量，B層孔眼摩阻達(dá)到2 MPa時(shí)的注入井底壓力為22 MPa，即C層被壓開(kāi)；繼續(xù)提高排量，B層孔眼摩阻達(dá)到4MPa時(shí)的井底注入壓力為24 MPa，A層被壓開(kāi)。射孔孔眼的作用類似于井下節(jié)流器，隨排量增加，井底壓力不斷提高，從而逐層壓開(kāi)。

限流法分層壓裂的關(guān)鍵在于必須按照壓裂的要求設(shè)計(jì)合理的射孔方案，包括射孔孔眼、孔密和孔徑，使完井和壓裂構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體。3

蠟球選擇性壓裂另外，在油田開(kāi)發(fā)層系劃分中，有的雖同屬一個(gè)開(kāi)發(fā)層系，但油層非均質(zhì)特性強(qiáng)，存在層內(nèi)分層現(xiàn)象，這通常稱為選擇性壓裂。

蠟球選擇性壓裂在壓裂液中加入油溶性蠟球暫堵劑，壓裂液將優(yōu)先進(jìn)入高滲層內(nèi)，蠟球沉積而封堵高滲層，從而壓開(kāi)低滲層。油井投產(chǎn)后，原油將蠟球逐漸溶解而解除堵塞。若高滲層為高含水層，堵球不解封有助于降低油井含水率。3

堵塞球選擇壓裂將井內(nèi)欲壓層段一次射開(kāi)，首先壓開(kāi)低破裂壓力層段后加砂，然后注入帶堵塞球的頂替液暫堵該層段；再提高泵壓壓開(kāi)具有稍高破裂壓力的地層，根據(jù)需要注入頂替液后結(jié)束施工或者繼續(xù)注入帶堵塞球的頂替液暫堵該層段一邊壓裂另外層段。從而改善產(chǎn)油吸水剖面。3

控縫高壓裂技術(shù)當(dāng)油氣層很薄或者產(chǎn)層與遮擋層間最小水平主壓力差較小，壓開(kāi)的裂縫高度很容易進(jìn)入遮擋層，此時(shí)需要控制裂縫高度延伸?？梢酝ㄟ^(guò)控制壓裂液性能參數(shù)和施工排量來(lái)實(shí)現(xiàn)，更可靠的是人工隔層控縫高壓裂技術(shù)。

基本原理是在前置液中加入上浮式或下沉式導(dǎo)向劑，通過(guò)前置液將其帶入裂縫，浮式導(dǎo)向劑和沉式導(dǎo)向劑分別上浮和下沉聚集在人工裂縫頂部和底部，形成壓實(shí)的低滲透人工隔層，阻止裂縫中壓力向上/向下傳播，達(dá)到控縫高的目的。為了使兩種導(dǎo)向劑能上浮和下沉，一般在注入攜有導(dǎo)向劑的液體后短期停泵，然后進(jìn)行正常的壓裂作業(yè)。

人工隔層控縫高技術(shù)主要用于

1) 生產(chǎn)層與非生產(chǎn)層互層的塊狀均質(zhì)地層；

2) 生產(chǎn)層與氣、水層間無(wú)良好隔層；

3) 生產(chǎn)層與遮擋層應(yīng)力差不能有效控制裂縫垂向延伸。3

測(cè)試壓裂技術(shù)測(cè)試壓裂也稱為小型試驗(yàn)壓裂，它是進(jìn)行一次小規(guī)模壓裂并分析壓裂壓力獲得裂縫有關(guān)參數(shù)。包括裂縫延伸壓力測(cè)試、裂縫閉合壓力測(cè)試、微注入測(cè)試等。3

壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)油氣井參數(shù)壓裂井的類別、井徑、井下管柱（套管、油管）、井口裝置、固井質(zhì)量、射孔井段的位置、射孔方式、彈型、相位角、孔密與孔眼尺寸、井下工具規(guī)范、尺寸、額定壓力，承受溫度與位置。1

油氣層參數(shù)儲(chǔ)層有效滲透率、孔隙度、含油飽和度、有效厚度、儲(chǔ)層地層壓力、靜態(tài)溫度；儲(chǔ)層油水的相滲關(guān)系、流體性質(zhì)（密度、粘度、壓縮系數(shù)與總礦化度等）；巖石力學(xué)性質(zhì)（彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等）；儲(chǔ)層就地應(yīng)力的垂向分布及水平主應(yīng)力方位；遮擋層的巖性，厚度與就地應(yīng)力值、井的試油、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)與生產(chǎn)測(cè)試等資料數(shù)據(jù)。1

壓裂參數(shù)裂縫破裂壓力、延伸壓力與閉合壓力、壓裂液的類型、流變性、粘溫粘時(shí)性、濾失與損害等數(shù)據(jù)、支撐劑的類型及其抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)流能力與裂縫支撐劑層滲透率等數(shù)據(jù)、泵注排量、平均砂液比、泵注程序、壓裂設(shè)備功率及其壓力極限、油藏以往壓裂實(shí)踐及其壓裂前后生產(chǎn)反應(yīng)的資料數(shù)據(jù)。1

壓裂液壓裂液是壓裂工藝技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。主要功能是造縫并沿張開(kāi)的裂縫輸送支撐劑，因此液體的粘性至關(guān)重要。成功的壓裂作業(yè)要求液體除在裂縫中具有較高的粘度外，還要能夠迅速破膠；作業(yè)后能夠迅速返排；能夠很好地控制液體濾失；泵送期間摩阻較低；同時(shí)還要經(jīng)濟(jì)可行。常用的壓裂液有水基壓裂液、油基壓裂液、乳狀壓裂液、泡沫壓裂液及酸基壓裂液5種基本類型。4

水基壓裂液水基壓裂液是以水作溶劑或分散介質(zhì)，向其中加入稠化劑、添加劑配制而成的。主要采用三種水溶性聚合物作為稠化劑，即植物膠(瓜膠、田菁、魔芋等)、纖維素衍生物及合成聚合物。這幾種高分子聚合物在水中溶脹成溶膠，交聯(lián)后形成粘度極高的凍膠。具有粘度高、懸砂能力強(qiáng)、濾失低、摩阻低等優(yōu)點(diǎn)。4

油基壓裂液油基壓裂液是以油作為溶劑或分散介質(zhì)，與各種添加劑配制成的壓裂液。重油最初用作油基壓裂液，是因?yàn)樗鼈儽人簩?duì)含油氣地層的傷害小，油基液本身固有的粘度也使其比水更具吸引力。但是油基液較貴，而且施工操作較難處理，所以目前僅用于已知是對(duì)水極為敏感的地層中。5

泡沫壓裂液泡沫壓裂液是由氣相、液相、表面活性劑和其他化學(xué)添加劑組成。泡沫壓裂液是一種穩(wěn)定的氣液混合物，用表面活性劑可使這種混合物達(dá)到穩(wěn)定。降低了表面張力。當(dāng)液體從作業(yè)井中返排時(shí)，泡沫中的承壓氣體（氮或二氧化碳）膨脹將液體從裂縫中驅(qū)出。泡沫加速了支撐裂縫中液體的回收率，因此是一種用于低壓儲(chǔ)層中的理想液體。由于體積氣體的泡沫含量高達(dá)95%，所以液相最小。在水基液中，充滿泡沫的液體極大地減少了與地層接觸的液量，因此在水敏地層中泡沫液的效果良好。6

清潔壓裂液清潔壓裂液又稱為粘彈性表面活性劑壓裂液，是一種基于粘彈性表面活性劑的溶液。它是為了解決常規(guī)壓裂液在返排過(guò)程中由于破膠不徹底對(duì)油氣藏滲透率造成了很大傷害的問(wèn)題開(kāi)發(fā)研制的一種新型壓裂液體系。清潔壓裂液具有良好的流變性能、濾失性能、低損害與高導(dǎo)流能力特性。同時(shí)，該清潔壓裂液配制簡(jiǎn)便，將適量的VES加在鹽水中，不需要使用交聯(lián)劑、破膠劑和其它添加劑，不存在殘?jiān)瑢?duì)儲(chǔ)層傷害小，應(yīng)用前景廣闊。7

乳狀壓裂液乳化壓裂液是兩種不融合相的分散體系，如用表面活性劑穩(wěn)定的水中油或油中水。乳化壓裂液是高度粘稠溶液，具有良好的傳輸性。 乳化液常因乳化劑吸附在地層巖石表面上而破乳。由于聚合物用量極少，這類液體對(duì)地層傷害較小，而且可快速清洗。聚乳化液的不足是摩擦壓力較高，而且液體的費(fèi)用較高（除非碳?xì)浠衔锟苫厥眨?。此外隨著溫度的升高，聚乳化液明顯地變得稀薄，故不宜用于高溫井中。8

塑料領(lǐng)域指透過(guò)表面覆蓋的樹(shù)脂層可以看見(jiàn)層壓塑料較外面的一層或幾層增強(qiáng)材料中所具有的明顯裂紋。