水平井分段压裂技术研究进展-

水平井分段压裂技术研究进展- ,直井水平井分段压裂技术研究进展 张磊 (胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营，257017) 摘要:为了更好地提高油田采收率或对低渗透、非常规油气藏的水平井进行增产改造，就必须采用一些增产技术。水平井分段压裂技术是一项先进的完井技术，是低压、低渗透油气藏开发的重要增产措施之一。也是页岩气快速发展的关键技术。水平井分段压裂技术主要包括:化学隔离分段压裂、机械封隔分段压裂、限流分段压裂、水力喷射分段压裂和连续油管压裂技术等。本文就水平井分段压裂改造工艺技术进行了论述，展望了水平井分段压裂改造技术的发展趋势，以期为国内水平井分段压裂改造技术攻关方向提供参考。 关键词:水平井 分段压裂 低渗透油气藏 自1947年美国第一次水力压裂以来，经过60多年发展，压裂技术从理论研究到现场实践都取得了惊人的发展，压裂井数逐年上升。 水平井压裂改造的井段一般为数百米到几千米，从压裂施工的安全性能和最终经济效益考虑，需要优选压裂改造目的层段，采用分段改造措施。而分段改造实施工艺技术难度大。水平井一般分3~5段或者更多段进行压裂，每一段该怎样隔离开，在不影响下一井段施工的前提下，要求施工安全且在较短的时间内完成，存在相当大的难度，是水平井压裂要解决的核心问题。也是一个综合性的问题:包括压裂液的性能，支撑剂的选择，压裂设备，是单井还是多井联作。压裂液:从原先的原油和清水发展到目前低、中、高温系列齐全的优质低伤害且有延迟交联作用的胍胶有机硼“双变”压裂液体系和清洁压裂液体系;支撑剂:从原先的天然石英砂发展到目前的中、高强度的人造陶粒，并且加砂方式从原先的人工加砂发展到混砂车连续加砂;压裂设备:从原先的小功率水泥车发展到现在的1000型和2000型压裂车;单井压裂施工:从原先的小规模、低砂液比压裂作业发展到现在的超大型、高砂液比压裂作业;压裂应用的领域:从原先的特定的低渗透油气藏发展到现在的特低渗和中高渗油气藏并举;针对的对象从原先的开发井(包括生产井和注水井)压裂拓宽到现在探井压裂。压裂技术也从单项技术到技术系列集成、整体优化设计。 水平井加分段压裂技术奠定了北美非常规油气开发的技术基础，特别是页岩气，长水平段加分段压裂使美国的页岩气年产量超千亿立方米。 水平井分段压裂工艺技术已在塔里木、辽河、冀东、大庆、新疆、吉林、胜利和长庆等多个油田进行了应用。各院校也均在水平井压裂方面做了很多的工作，并且也取得了一定的效果。 ,基金项目:国家科技重大专项“低渗油气田完井关键技术”(编号:2008ZX05022-006)部分研究成果。 作者简介: 张磊(1974,)，男，博士，2009年毕业于中国石油大学石油化工专业，现从事石油 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 、完井工艺及工具的研究工作。 1 直井分段压裂技术 1.1卡封压裂技术 卡封压裂技术包括卡封保护套管笼统压裂技术(最常用)和暂堵上层，卡封压裂下层技术(纯化油田4-5组)采用封隔器: Y531B-115和k344-115。Y531B-115采用投球、打压座封，施工中套管打平衡压力(10-15MPa)进行压裂施工。成功率95%以上。 图1 单压下层管柱 图2 分层压裂管柱 1.2机械分层压裂技术 机械分层压裂技术的工作原理:下入分层压裂管柱，座封封隔器，先压裂下层;压裂后，进行投球封隔下层，后压裂上层施工，完成分层压裂。管柱组合见图2:光油管+Y221封隔器+滑套喷砂器+Y111封隔器+安全阀+压裂油管。2008年在樊151-5井应用并取得成功。 1.3限流压裂技术 限流压裂工艺主要手段:通过控制射孔数目、孔径和位置，实现多层段不采取机械分隔同时改造。优点:提高了多层压开程度、节约压裂成本，能够一次压开100m井段内的10个以上小层。适用类型:纯梁、滨南、河口等油区薄互层油藏。 2水平井分段压裂技术 近年来，随着钻井技术的进步和钻井成本的不断降低，水平井应用的油藏类型越来越广泛，成为低渗油藏转换开发方式，提高采收率的有效手段。然而，水平井水平段分段压裂改造是世界级难题，也是制约水平井在低渗储层应用的技术瓶颈，其关键技术在于:研究水平井油藏工程以解决水平井布井难题;研究就地应力场以解决水力裂缝起裂及形态问题;研究水平段分段压裂优化设计以解决多段裂缝设置问题;研究分段压裂工艺和工具以解决水平井分段压裂的实施问题;研究裂缝监测以解决多段裂缝评估问题。水平井分段压裂物理模型见图3。 图3 水平井分段压裂物理模型 [1]水平井分段压裂的工艺技术方法主要分为以下几种四类: 2.1水平井套管限流压裂 水平井套管限流压裂的工艺原理:水平井限流法压裂是利用射孔位置、孔数数目的优化以及施工参数的变化实施分段压裂。分段依据各段射孔数不同产生的节流压差进行限流分段。 图4 套管限流压裂 图5 管柱分层+限流压裂 优点是施工工艺简单，缺点无法确定裂缝是否压开，裂缝数无法确定;施工受限，易砂堵。根据胜利油田低渗透水平井的具体特点研究配套限流压裂、封隔器管柱分段+限流压裂。 图6 限流压裂工艺 限流压裂工艺的射孔方式、孔眼数目分配对于起裂点、破裂压力、裂缝扩展、改造程度有着重要的 影响。是水平井分段限流压裂重要环节。 2.2连续油管喷射加砂分段压裂 [2-8]连续管压裂技术是国外90年代以来发展最快的技术。连续油管(或环空)压裂是一种新的安全、经济、高效的油田服务技术。压裂层位最大深度约1万英尺。该技术特别适合于具有多个薄油、气层的井进行逐层压裂作业。该技术优点 (1)起下压裂管柱快，从而大大缩短作业的时间;(2)可以单井作业，成本pt (MPa) - Calc_BHP (MPa) 低;(3)能在欠平衡条件下作业，从而减轻或避免油气层的伤害;(4)能使每个小层都得到压裂改造，整口井的增产效果好。 连续油管分层压裂技术有连续油管注入分层压裂技术和连续油管环空注入分层压裂技术。从90年代后期开始在油、气田上得到应用，连续油管压裂作业已经在加拿大应用多年;现在美国的几个地区，主要是 204060科罗拉多、德克萨斯、亚拉巴马和弗吉尼亚，也已进行连续油管压裂作业;在英国的英格兰和爱尔兰也已0 经实施了连续油管压裂作业。连续油管压裂作业是在陆上的油、气井中实施的。现场实施证实了连续油管带封隔器环空分段压裂技术的先进性和有效性。该技术通过连续油管带喷射工具和定位器进行定点喷砂射孔实现了薄层精细压裂;通过喷射工具下的封隔器进行坐封后套管主压裂实现了较大排量注入;通过上提下放坐封解封的封隔器实现了多级压裂。 商75-平小型压裂施工曲线 AnalysisP(t) vs FR P(t) vs FL Radial FlowAnalysis Plot results25.60Pi (MPa) =25.60M-LF (MPa) =9.0Permeability Analysis12.3Xf (m) =20.628kh (md-m) =1865.759k (md) =44.424Spurt Analysis"C" (ft/sqrt(min)) =0.00245"Kappa" =0.995P(t) MPaSpurt (M3/M2) =0.000rate (CuM/min) 26283032 2468 0.00.30.60.91.21.51.82.12.42.70204060FR or FLTime (min)FR:12.3FL:9.0 图 7 连续油管分层压裂 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 曲线 小型压裂分析表明该井渗透性较好，有效渗透率44.5×10-3μm2，压裂液的滤失系数7.47m/min1/2,从G函数诊断曲线上可以看到该储层不存在天然裂缝的滤失，主要是基质滤失，滤失速度快的原因在于地层渗透性好、地层压力低。根据这些特征压裂排量尽可能提高，同时增加暂堵剂降低滤失，保证了压裂施工顺利实施。 连续油管分层压裂施工工艺:从连续油管进行喷砂射孔，从套管进行加砂压裂。分段原理:完成一段压裂后进行填砂分段。优点是施工连续，施工周期短;不需要封隔器，成功率高;不怕砂堵，可快速冲砂。缺点是对套管损伤大;施工费用较高。 图8 连续油管喷射加砂分段压裂现场图 主要用于陆上多层油气藏和小井眼的改造，通过2 7/8in或1 7/8in连续油管注入，到2002年底在国外有超过5000口井采油该技术。2008年以来在纯梁梁8-平1、樊147-平2、樊147-平1三口井应用。 [9]王腾飞等在连续油管传输压裂与环空压裂两种方式对比分析的基础上，对连续油管水力喷射环空压裂技术的原理、施工工序、摩阻计算、优越性与局限性等进行了全方位的分析。结果认为这种环空压裂方式通过喷砂射孔与环空加砂配合可以拓宽连续油管应用深度，提高国内现有小尺寸连续油管设备利用率,提高喷嘴寿命,增大施工排量,从而具有更高的现场适用性及可操作性。 2.3暂堵砂塞(液体胶塞)分段压裂 暂堵砂塞(液体胶塞)分段压裂国内外在20世纪90年代初采用该技术，主要用于套管完井的水平井常规射孔及压裂，射开一段压裂一段，建立砂塞后，再射开一段压裂一段。前两段采用套管压裂，最后一段采用油管压裂。施工结束后冲砂塞合层排液求产。砂塞是施工的关键，目前常用的有暂堵砂塞和液体胶塞砂塞两种见图9-10。 暂堵砂塞(液体胶塞)分段压裂无井下工具、施工设备简单，作业风险低;可简便的实施洗井冲砂作业;费用较低(1)对高压、返吐能力强的地层，砂塞隔离效果差;(2)套管压裂对套管损伤大;(3)放喷时间长，施工周期长。 图9暂堵砂塞分段压裂示意图 图10 液体胶塞分段压裂示意图 2.4封隔器分段压裂 封隔器分段压裂分为逐级上提管柱分段压裂和不动管柱多级分段压裂。 1)逐级上提管柱分段压裂 利用喷砂器的节流压差坐封封隔器，反洗井替液解封封隔器，采取上提管柱的方式，实现一趟管柱完成多个层段的压裂。采用高压差K344封隔器跨隔密封，优化了管柱受力状态，提高了施工安全可靠性。 图11 逐级上提管柱分段压裂 2)不动管柱多级分段压裂 不动管柱多级分段压裂利用喷砂器的节流压差坐封封隔器，利用投球的方式实现分段压裂，实现不动管柱一趟管柱完成多个层段的压裂。优点:多段压裂的针对性比较强。缺点:工具能否顺利通过弯曲段、压裂后封隔器胶筒收回、管柱砂卡处理等问题仍旧是制约该项技术应用的关键。 图12不动管柱多级分段压裂 [10]唐汝众等对水平井分段压裂产能影响因素研究。建立了油藏与裂缝的物理模型和 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型，并对其进行了差分求解、编程。分析了裂缝长度、数量、间距和不均匀分布等因素对产能的影响。得出了裂缝长度和裂缝数量对产能的影响最大，裂缝间距及分布情况对产能的影响相对要弱一些，可以增大裂缝间距以减小彼此之间的干扰作用。对水平井进行压裂优化设计具有一定的指导作用。 [11]曾凡辉等对X10-3水平井分段压裂技术进行了优化研究，针对X10-3水平井埋藏深、笼统全相位射开井段长、原油黏度高、水平井筒与油藏最大地应力方向不完全平行的特点。通过储层地质精细划分、压裂水平井裂缝参数优选、投球分段压裂和施工压力预测等技术，形成了适合水平井长射孔段的低成本综合 优化设计方法和分段压裂技术，获得了良好的增产效果。 [12]詹鸿运等为了能更有效地利用水平井裸眼完井压裂技术开发苏里格低渗透气田设计了开启阀式裸眼封隔器，封隔器开启压力可根据施工井情况进行调节，有效防止了下井过程中封隔器提前打开坐封。密封胶筒采用单流阀设计，可以保证胶筒充分膨胀，加强密封效果。该封隔器采用扩张式胶筒结构，配合悬挂器、投球滑套、压差滑套、坐封球座等工具在苏里格地区进行了4口水平井的成功应用，证明能满足水平井分段压裂工艺管柱要求，为水平井裸眼完井分段压裂能顺利进行提供了技术保障。现场应用表明，裸眼封隔器结构设计合理，密封可靠，能满足苏里格地区高温高压井的工况要求，完全适用于水平井裸眼完井分段压裂。 [13]李军对水平井机械隔离分段压裂技术进行了研究，并在吐哈油田牛平17-14井水平段进行了试验，采用封隔器+机械桥塞隔离井筒方式，对三段水平段逐段进行了压裂改造，现场施工均一次成功，并见到良好应用效果，现场证明工具性能安全可靠、工艺切实可行，为水平井分段压裂提供了可靠技术保障。 [14]郭建春等针对已大段射孔、无法下井下工具的水平井，提出了水平井投球分段压裂技术。在裂缝类型预测、储层地质精细划分、裂缝参数优化、压裂 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 优选、投球批次及数量优化和施工压力预测等技术基础上形成了投球分段压裂整体技术同时进行了现场应用。通过西柳10平1和西柳10平3井两口水平井的现场实施，该技术分段准确，增产效果显著。 2.5水力喷射分段压裂 水力喷射压裂是一种综合集水力喷砂射孔、水力压裂和水力隔离等多种工艺一体化的新型水力压裂技术。水力喷砂压裂技术不用封隔器与桥塞等隔离工具实现自动封隔。通过拖动管柱，将喷嘴放到下一个需要改造的层段，可依次压开所需改造井段。水力喷射压裂技术可以在裸眼、筛管完井的水平井中进行加砂压裂，也可以在套管井上进行，施工安全性高，可以用一趟管柱在水平井中快速、准确地压开多条裂缝，水力喷射工具可以与常规油管相连接入井。施工更快捷，国内外已有数百口井用此技术进行过酸压或加砂压裂处理。 1)拖动式水力喷射压裂技术 根据水动力学动量-冲量原理。固体颗粒受水载体加速，高速冲击套管和岩石，射穿套管和近井地层，形成一定直径和深度的射孔孔眼，然后加大压力和砂比，沿孔眼扩张成裂缝。(可用3寸油管或连续油管将专用水力喷射工具输送到压裂层段，压裂一段，回拉拖动工具再压第二段) 图13拖动式水力喷射压裂示意图 图14拖动式水力喷射压裂模拟图 该压裂技术是井口需安装带压作业设备，若压完第一段后井口压力超过10MPa，则需放喷至10MPa以下方可进行第二段压裂。油管加砂压裂施工中，套管需维持10-15MPa的环空压力，同时进行基液补充，压力的保证和基液量的确定非常关键。不需要留砂塞分隔，减少对储层的伤害;不需要任何机械分隔装置，安全可靠;施工周期短。 图15 水力喷射分段压裂工具串 图16 拖动式水力喷射压裂现场图 2)定点水力喷射封隔器组合压裂工艺 定点水力喷射封隔器组合压裂工艺是利用K341封隔器对水平井段机械分隔实现分段，具有不动管柱水力喷射多级压裂施工、分段隔离针对性好的优点。 图17不动管柱滑套水力喷射分段压裂管柱结构 该工艺在喷砂射孔、分段压裂的基础上，配合封隔器使用，使隔离效果更加理想，避免压裂时层间干扰，压裂其它段时减少对已压裂层的损害。在原有工艺不足的基础上，由于配合封隔器使用，使大外径井下工具增多，增加卡钻风险。 另外增加了封隔器的工具费用。压裂时保证封隔器座封位置合理。下入和起出封隔器，防止卡钻。施工规模和参数要合理，避免砂堵。 2006年以来，胜利油田实施1177井次，主要集中在现河、鲁明公司、东胜、临盘、石油开发中心、纯梁等几个单位，施工成功率96%。压裂施工井数呈整体上升趋势，由06年的351口井上升到08年的443井次，上升近26.2%。 [15]李玉宝等开展了水力喷射辅助压裂施工工艺及工艺参数优化射孔与压裂联作工艺管柱设计与优化研究，形成了水平井不动管柱水力喷砂射孔分段喷射压裂工艺。该技术利用喷射液的水力自密封原理对各层段进行隔离分段，通过投球实现一次管柱分2至3段的射孔与压裂联作工艺。 [16]柴国兴等提出一种新型水平井不动管柱封隔器分段压裂工艺技术。利用ABAQUS有限元分析软件对工艺管柱进行力学分析。分段压裂工艺管柱能达到力学设计要求，能够实现一趟管柱完成2~3层段分段压裂，设计封隔器长胶筒摩擦锚定，降低安全事故的发生，设计工具挡砂传液机构，有效避免工具内腔进砂引起的事故，管柱无卡瓦锚定，砂卡时可以进行反洗井作业。 2.6环空封隔器分段压裂技术 环空封隔器分段压裂技术在吉林油田，由于井比较浅，大部分水平井采用环空分段压裂技术，已在扶平1井、扶平2井等23口井上实施分段环空压裂施工41段，施工均达到设计要求，施工成功率100%。用该工艺压裂投产的水平井，压后初期产量10.8-14.2m3/d，稳定产量是周围直井产量的3-5倍。 首先把封隔器下到设计位置，从油管内加一定压力坐封环空压裂封隔器，从油套环空完成压裂施工，解封时从油管加压至一定压力剪断解封销钉，同时打开洗井通道，洗井正常后起出压裂管柱，重复作业过程，实现分射分压。 优点:该工艺技术下井工具少，一旦出现砂卡事故， 处理难度要比双封和封隔器桥塞分层压裂管柱小，另外还具有液体摩阻小、利于提高施工排量、降低施工压力等优点。缺点:现场试验结果表明，环空封隔器分段压裂技术已成功地应用于浅层油藏，套管质量高、固井质量好的井，且对套管有一定的影响，在深井应用中还需改进与完善。使用范围:套管完井的水平井、浅层、不太适用于高压气藏。 3 总结 大力发展水平井技术是高效开发复杂油气藏特别是低渗透、稠油和裂缝性气藏的重要举措。我国页岩气资源前景广阔，包括海相页岩分布区和陆相页岩分布。水平井分段压裂改造等技术是重点突破口。未来页岩气的开发将主要是靠小井眼钻井和先期裸眼完井降低工程成本、靠水平井分段压裂技术提高单井产量、靠长水平段水平井延长油气井生产周期的开发模式，最终实现页岩气的效益开发。 针对胜利油田低渗透油藏水平井开发技术状况，重点从四个方面进行了攻关研究1、水平井分段裂缝配置优化技术2、水平井分段压裂工艺3、水平井分段压裂管柱及配套工具4、水平井施工压力诊断及裂缝测试 总体来说国内该工艺技术不完善、不配套，现场试验应用中也出现了许多技术问题，现场应用经验较少。特别在水平井分段压裂工艺和井下工具等方面，与我国实际生产需求还存在较大的差距。在基础研究，水力裂缝优化设计、分段压裂工艺技术、分段压裂工具、压裂材料、水力裂缝动态监测等方面与国外先进水平差距很大。在引进国外技术的同时要结合我国实际情况进行高新、高能材料和精工制造方面的科技攻关，努力形成具有自主知识产权的配套技术，争取在短时间内提升我国水平井分段压裂技术水平。 参考文献 [1] 陈作，王振铎，曾华国. 水平井分段压裂工艺技术现状及展望[J]. 天然气工业，2007，27(9):78-80 [2] Willett R.M，Borgen K.G.，McDaniel B.W.，et al. 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