水力压裂技术的发展现状(1)
水力压裂自1947年在美国试验成功至今,已经由简单的低液量、低排量压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术。由60年代的以解堵和增产为目的的水力压裂发展到90年代的“压裂开采”,即在部署开发井网前就考虑水力裂缝的方位、长度和导流能力等对油藏生产动态可能造成的影响,通过研究开发井网系统和水力裂缝系统的优化组合,获得较高的经济效益和最终采收率。在此发展过程中,由于压裂液和支撑剂、压裂设计等方面的迅速发展,水力压裂技术在缝高控制技术、端部脱砂压裂和重复压裂等方面都取得了较大的突破。
1、优化压裂设计
优化压裂设计在水力压裂技术中占有主要位置。这项设计要求首先用油藏动态模拟预测不同的裂缝长度和导流能力可能达到的油气产量,然后用所测得的数据建立裂缝长度和经济效益之间的关系,确定达到不同的裂缝长度和导流能力所需要的费用,最大限度地提高经济效益。近年来优化压裂设计水平的提高主要表现在压裂设计模型和压裂液体系设计的发展和应用上。
1.1、压裂设计模型
裂缝几何模型由简单的二维模型发展到全三维模型。80年代以前,压裂设计使用的主要是二维模型(PKN、KGD和Penny径向模型),进入90年代以后,拟三维模型得到了广泛的应用+特别是近几年来,已经出现了比较成熟的全三维压裂模型。
全三维裂缝扩展模型根据弹性理论中的三维方法计算裂缝的几何尺寸,认为裂缝沿缝长、缝高和缝宽方向同时延伸,裂缝内的压裂液在平行于裂缝壁面的方向上作二维矢量流动,同时考虑了压裂液向地层的滤失.从而取消了拟三维裂缝扩展模型中裂缝长度远大于裂缝高度及压裂液在裂缝内作一维流动的假设。因此适用于各种地层条件,更为真实地模拟了水力压裂的物理过程。但由于全三维模型需要更多的数据和更长的计算处理时间,在现场上不太适用,目前现场上仍以拟三维模型为主。
另外,岩石的力学性质和地应力分布也是优化压裂设计的重要参数。目前新的测井系统已被应用于测量岩石的物性参数和地直力的分布状况,这对设计更有效和更合理的压裂施工方案有很大的帮助。
1.2、压裂液体系设计
压裂液体系设计的基础是施工过程中和裂缝闭合期间裂缝内温度场的变化,它涉及到很多方面,如裂缝几何模型、施工参数等,所以模拟过程比较复杂。
在施工过程中,由于压裂液与地层温度之间的温度差,使得裂缝内任意一点的压力、温度都随时间的变化而变化。停泵以后,在地层温度的作用下,裂缝内的温度逐渐得到恢复。裂缝内温度的变化将影响压裂液的流变性,因而必然会影响到压裂液和添加剂配比。根据施工过程和闭合期间裂缝内温度场的变化及成胶剂在裂缝内的浓度,设计地面成胶剂、交联剂和破胶剂等添加剂的浓度和方案,是目前世界上正在研究和使用的减少裂缝伤害和降低压裂施工成本所采取的有效措施之一。
2、压裂液和支撑剂
2.1、压裂液
在影响压裂施工成败的各种因素中,重要的是压裂液及其性能。目前国内外已经研究开发出了剪切敏感性好、携砂能力强、适用于高温的压裂液,考虑到其成本和安全性能,目前矿场上90%以上的水力压裂都使用水基压裂液,泡沫压裂液占10%左右,而油基压裂液的使用量很少。
80年代末以前,在低温及中温地层中普遍使用的压裂液是硼酸盐交联冻胶。随后为了适应高温油层的开发,研制了有机钛交联的羟雨基胍胶(HPG/Ti)以及有机锆交联的羧甲基羟丙基胍胶(CMHPG/Zr)。这种压裂液曾长期广泛用于从低温到高温的油层压裂,直到80年代末被发现对裂缝的伤害可达80%左右时才得到改进。
近年来,延缓交联压裂液获得了很大的发展,这种压裂液由一种复合交联剂或两种交联剂组成,是一种摩阻低、粘度高、对地层伤害小的压裂液,研究表明,延缓交联剂有利于交联剂的分散,产生更高的粘度,并改善压裂液的温度稳定性。交联凝胶的最终稳定性直接与凝胶在交联时间内的剪切历史有关,在低剪切速率下,聚合物线团被均匀展开,交联作用按一种非常均匀的结构化的方式发生,最终产生较高的粘度,较好的温度、水解和氧化降解稳定性。
2.2、支撑剂
支撑剂在水力压裂中的重要作用是不言而喻的,水力压裂最终追求的是在地层中形成一条高导流能力的填砂裂缝。能否满足此项要求,支撑剂的性能显得非常重要。对支撑剂来说,具备适应不同深度地层的强度,密度要比较轻,最好与砂子的密度相似或更轻些,这对降低压裂液的费用是很重要的。
近年来,随着中等强度支撑剂的逐渐发展,与高强度支撑剂、石英砂等形成了支撑剂系列。中等强度的支撑剂有树脂包层的石英砂,包括可固化的树脂包层砂和预先固化的树脂包层砂。树脂包层砂在一定的温度下可使砂粒固化,并加以牯合,这种支撑剂渗透率高,强度比砂大,具有较好的裂缝传导率,作为中等强度的支撑剂,其几何形状、强度和耐高温抗化学作用性都很好。
3、裂缝检测技术
压裂后对所产生裂缝的几何形态的检测是压裂施工的一项重要工作。对目前国内外广泛采用几种不同的检测方法来综合分析。
3.1、裂缝高度的检测
目前对水力压裂裂缝高度的检测技术中,效果比较好的有油井温度测量法和放射性同位素示踪法。
油井温度测量法是在压裂前先测出地层基准温度剖面,然后在压裂时将冷或热的压裂液压人裂缝中,在压裂结束后测的井温曲线在裂缝段会发生温度异常,根据井温曲线上的温度异常范围来确定裂缝的高度。
放射形同位素示踪法又分为两种方法,一是在支撑剂中加入示踪剂,压裂结束后用伽玛射线测井法测量裂缝中的放射形示踪剂确定裂缝的高度。二是在施工的最后,在压裂液中加入示踪剂,再进行伽玛射线测井。
3.2、裂缝方位和几何尺寸的检测
目前检测裂缝的方位和几何尺寸的主要方法是在裸眼井中用下井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测,通过传送系统在地面进行实时显示,根据图象观察和分析裂缝的方位和几何形态。
4、裂缝的缝高控制技术
在对薄油层或阻挡层为弱应力层的油层进行压裂时,裂缝可能会穿透生产层进入上下盖底层中,这样既达不到深穿透的目的,同时也浪费大量的支撑剂和压裂液。为此必须控制裂缝的高度,尽可能将裂缝控制在油气层内。近几年来,国内外对裂缝缝高控制技术进行了广泛的研究。
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