油层压裂一般是指利用液体传压的原理，在地面用高压大排量的泵，将具有一定粘度的液体以大于油层所能吸收的能力向油层注入，使井筒压力逐渐增高，当压力增高到大于油层破裂所需要的压力时，油层就会形成一条或几条水平的或是垂直的裂缝。
简介
油层压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施, 从1949 年开始就已成为国内外油田增产效果显著、应用广泛的一种方法。现今的压裂设备能力, 可压开6 000 m 的深井, 造缝长度可达1 km。
原理
水力压裂就是用高压大排量泵向油层挤注具有一定粘度的液体, 当挤入液体的速度超过油层的吸收速度时, 在井底附近形成足够高的压力。这种压力超过井底附近油层岩石的破裂强度及作用在油层上岩层的压力时, 就会使油层产生裂缝或裂缝张开。此时继续挤入液体,已形成的裂缝就会继续向油层内部扩张。挤入油层的液体一方面使裂缝向油层内部延伸, 另一方面, 由于裂缝和油层间存在压差( 破裂压力与油层压力之差) , 大量的液体经过裂缝的壁面渗滤到油层中去
当进入裂缝的液体量大于缝壁的漏失量时, 裂缝便不断延伸, 从而渗滤面积增大, 通过缝壁的滤失量也增大, 则裂缝延伸的速度愈来愈小。当进入裂缝的液量等于滤失量时, 裂缝会重新闭合。为了保持压开的裂缝处于张开的状态, 必须在挤入液体中加入支撑剂( 例如砂子之类) 支撑已形成的裂缝。油层中存在有这种被支撑剂所充填的一条或多条裂缝时, 就大大增加了油层的渗透能力, 减少油流阻力,油井就能增产。
要想在油层里形成足够长的裂缝, 必须用高压, 大排量的泵和其他设备; 必须用滤失量低, 悬砂能力强的压裂液, 以及适宜的
支撑剂。
地层岩石结构是非均质的, 并存在微细的天然裂缝及层理, 因而所产生的裂缝数目和方向从理论上难以准确预计。一般取决于岩石所受的地应力状态。矿场实验指出: 在浅油层(700～800 m) 可能产生水平裂缝, 超过1000 m 或1200 m, 多半出现垂直裂缝。
压裂液类型及其性能要求
压裂液按其物理、化学性能可分为油基、水基和混合基三种类型。目前国内常用的压裂液为水基压裂液( 由槐树豆粉、田菁粉以及决明子等配制而成) , 也有的采用油水乳状压裂液。
按施工过程压裂液的作用, 可将它分为预压液: 起劈裂油层作用; 携砂液: 兼有将支撑剂带入裂缝中, 并延伸裂缝的作用; 顶替液: 将井筒中的携砂液顶替到裂缝中。压裂液在压裂过程中消耗量较大, 对它的性能控制和选择, 直接影响到压裂效果, 施工成败和成本高低。压裂液主要性能应满足:
(1 ) 渗滤性低, 以较少的用量得到较长的裂缝;
(2 ) 悬浮性能好, 能将支撑剂全部、均匀地带入裂缝, 而不沉于井底, 得到长的填砂裂缝;
(3 ) 摩阻损失少, 易于泵送, 以降低井口压力;
(4 ) 同地层原有流体及岩层有较好的配伍性;
(5 ) 粘温性能、热稳定性好, 能适应深井高温高压的要求;
(6 ) 压完后废液易于排出, 不堵塞地层;
(7 ) 来源广, 成本低, 易于配制。
支撑剂的类型及其质量要求
支撑剂的选用对于压裂效果有着很大的影响。按支撑剂的性质可分为两大类: 一类是韧性的, 如金属球、塑料球、核桃壳。其中金属球强度大, 塑料球、核桃壳球强度较低; 另一类是脆性的, 如砂子、玻璃球。玻璃球强度较高, 砂子强度低, 目前应用最广泛的仍然是石英砂, 但随着井的深度增加和地层硬度增大, 采用高强度支撑剂逐渐增多。
对支撑剂的质量要求是:
(1 ) 强度大。支撑剂在裂缝里受到裂缝壁面闭合压力的巨大压力, 如果强度不够, 则易被压碎, 堵塞了通道, 起不到增产的作用。
(2 ) 颗粒均匀, 圆球度好。这种支撑剂充填了裂缝之后, 具有较大的渗透能力。
(3 ) 杂质少, 避免堵塞缝隙。
(4 ) 来源广, 价廉。
压裂工艺设计
为了使压裂得到预期的效果, 必须根据地质情况合理地选择压裂井、压裂单位、压裂液和支撑剂。
1. 选井选层
虽然水力压裂是广泛使用的一种增产措施, 但并不是对所有的井都是有效的, 一般情况下, 下列井适于压裂:
(1 ) 油层岩石胶结致密、渗透率低。例如致密砂岩, 石灰岩等, 压裂后效果较好。
(2 ) 含油饱和度高, 油井压力高的低产井。压裂后, 产量常常大幅度提高。
(3 ) 井眼附近油层受到堵塞, 降低了产量和吸水能力的井。小规模压裂对于解除堵塞非常有效。
为了提高压裂效果还可采取油水井对应压裂, 以水井为主。这样能起到送效、引效的作用。
此外, 还应根据油田的地质情况和井网布置, 调整总体规划, 充分发挥油水井的作用。对于渗透率很高的井, 油水边缘的井以及固井质量不好的井, 一般不宜于压裂。
2. 压裂液的选择
压裂液要根据油层流体特性、岩层的物理、化学性质来选择。
(1 ) 根据岩石的化学性质基本上确定压裂液的类型。对于石灰岩、白云岩, 宜选用酸基压裂液; 对于砂岩和低溶解的岩层, 宜选用水基压裂液或油基压裂液, 也可以用在水基压裂液中添加二价阳离子( 如加0.5%的CaCl2 )。对于注水井, 可以采用含盐的清水做压裂液,如果产层内含有易溶于水的盐类成分时, 也可以用清水。
(2 ) 岩石的物理性质( 温度、压力、渗透率、孔隙度、有无原生孔隙和孔穴等) , 特别是温度和压力需要很好考虑。一般压裂液的粘度受温度的影响较大。例如胶凝原油只能在93 ℃以内使用; 稠化酸在高温下很快稀释, 当温度高时必须增加稠化剂的用量。在一般油层温度下, 水基压裂液粘度应不低于2 000 mPa·s, 温度高时可选用粘温性能比较好的植物胶或增加植物胶的用量。
在高压井压裂时, 需要选用高相对密度的压裂液, 以克服井底压力, 并能降低地面设备所需功率。在低压井压裂时, 应选用低粘度、低相对密度液体, 压裂后易于从地层中排出。
(3 ) 所选择的压裂液必须与地层流体相适应, 不会产生有害的乳状液或沉淀物。对于含有重质原油、沥青或石蜡的油层, 最好不用低相对密度原油, 而用水基压裂液或芳香族原油。
3. 支撑剂的选择
支撑剂的类型选择取决于岩层性质及井深。对于岩石嵌入压力小的浅井可选用砂子; 对于嵌入压力大的深井, 一般选用不易变形或压碎的铝合金球或铜球等; 对于嵌入压力中等的中、深井可选用核桃壳或硬塑料球。由于高强度支撑剂成本过高, 有时对深井可先压入一部分砂子, 然后再尾随一部分高强度支撑剂。
砂液比的选择取决于压裂液的性能及施工时泵的排量。一般说来, 在一定条件下高的砂液比, 压裂效果好。但是它又受到其他因素的制约, 如果不顾排量、压裂液的悬砂能力的影响而单纯提高砂液比, 在施工中往往会造成砂堵。在目前设备及压裂条件下, 砂液比一般控制在10%～20%之间。随着压裂液粘度增加, 砂液比可以增加到30%～40%。
支撑剂的大小: 目前国内常用的砂粒直径为0.4 ～ 0.8 mm、0.8 ～ 1.2 mm 或1.5～2.0 mm。目前有一种趋势, 即支撑剂的直径随压裂液的用量和粘度的增加而增大。
4. 压裂后的评价
在每口井进行压裂后, 应进行总结, 找出成功或失败的原因, 以便总结经验, 以利再战。比较全面的总结, 应对井下情况有所估计。例如地层里出现的裂缝, 是垂直的还是水平的, 裂缝的长度及其导流能力。这几个参数只靠压裂过程中的参数记录是不够的, 需要特殊的方法进行测量, 如应用膨胀打印或井下电视方法找出裂缝的形态, 应用测地震波、地电等方法测
裂缝方位。
评价一口井的压裂效果, 目前常用两个指标:
(1 ) 在可比条件下压裂前后的产量或注水量的增加倍数;
(2 ) 增产有效期的长短。
这两个参数反映了裂缝的导流能力、裂缝长度、地层供液能力的大小。压裂效果的评价不仅能验证本次压裂工作各项参数选择是否合理, 而且也能说明选井是否恰当。
施工基本程序
1．循环：
将
压裂液由液罐车打到压裂车再返回液罐车。循环路线是液罐车-混砂车-压裂泵-高压管汇-液罐车，旨在检查压裂泵上水情况以及管线连接情况。循环时要逐车逐档进行，以出口排液正常为合格。
2．试压：
关死井口总闸，对地面高压管线、井口、连接丝扣、油壬等憋压30-40Mpa，保持2-3min不刺不漏为合格。
3．试挤：
试压合格后，打开总闸门，用1-2台压裂车将试剂液挤入油层，直到压力稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油水的吸水能力。
4．压裂：
在试挤压力和排量稳定后，同时启动全部车辆向井内注入压裂液，使井底压力迅速升高，当井底压力超过地层破裂压力时，地层就会形成裂缝。
5．支撑剂：
开始混砂比要小，当判断砂子已进入裂缝，相应提高混砂比。
6．替挤：
预计加砂量完全加完后，就立即泵入顶替液，把地面管线及井筒中的携砂液全部顶替到裂缝中去，防止余砂乘积井底形成砂卡。
7．反洗或活动管柱
顶替后立即反洗井或活动管柱防止余砂残存在井筒封隔器卡距之内，造成砂卡。