油層壓裂

油層壓裂是油氣井增產、注水井增注的一項重要技術措施, 從1949 年開始就已成為國內外油田增產效果顯著、應用廣泛的一種方法。現今的壓裂設備能力, 可壓開6 000 m 的深井, 造縫長度可達1 km。

水力壓裂就是用高壓大排量泵向油層擠注具有一定粘度的液體, 當擠入液體的速度超過油層的吸收速度時, 在井底附近形成足夠高的壓力。這種壓力超過井底附近油層岩石的破裂強度及作用在油層上岩層的壓力時, 就會使油層產生裂縫或裂縫張開。此時繼續擠入液體,已形成的裂縫就會繼續向油層內部擴張。擠入油層的液體一方面使裂縫向油層內部延伸, 另一方面, 由於裂縫和油層間存在壓差( 破裂壓力與油層壓力之差) , 大量的液體經過裂縫的壁面滲濾到油層中去

當進入裂縫的液體量大於縫壁的漏失量時, 裂縫便不斷延伸, 從而滲濾面積增大, 通過縫壁的濾失量也增大, 則裂縫延伸的速度愈來愈小。當進入裂縫的液量等於濾失量時, 裂縫會重新閉合。為了保持壓開的裂縫處於張開的狀態, 必須在擠入液體中加入支撐劑( 例如砂子之類) 支撐已形成的裂縫。油層中存在有這種被支撐劑所充填的一條或多條裂縫時, 就大大增加了油層的滲透能力, 減少油流阻力,油井就能增產。

要想在油層裏形成足夠長的裂縫, 必須用高壓, 大排量的泵和其他設備; 必須用濾失量低, 懸砂能力強的壓裂液, 以及適宜的支撐劑。

地層岩石結構是非均質的, 並存在微細的天然裂縫及層理, 因而所產生的裂縫數目和方向從理論上難以準確預計。一般取決於岩石所受的地應力狀態。礦場實驗指出: 在淺油層(700～800 m) 可能產生水平裂縫, 超過1000 m 或1200 m, 多半出現垂直裂縫。 ^[1] 

壓裂液按其物理、化學性能可分為油基、水基和混合基三種類型。目前國內常用的壓裂液為水基壓裂液( 由槐樹豆粉、田菁粉以及決明子等配製而成) , 也有的採用油水乳狀壓裂液。

按施工過程壓裂液的作用, 可將它分為預壓液: 起劈裂油層作用; 攜砂液: 兼有將支撐劑帶入裂縫中, 並延伸裂縫的作用; 頂替液: 將井筒中的攜砂液頂替到裂縫中。壓裂液在壓裂過程中消耗量較大, 對它的性能控制和選擇, 直接影響到壓裂效果, 施工成敗和成本高低。壓裂液主要性能應滿足:

(1 ) 滲濾性低, 以較少的用量得到較長的裂縫;

(2 ) 懸浮性能好, 能將支撐劑全部、均勻地帶入裂縫, 而不沉於井底, 得到長的填砂裂縫;

(3 ) 摩阻損失少, 易於泵送, 以降低井口壓力;

(4 ) 同地層原有流體及岩層有較好的配伍性;

(5 ) 粘温性能、熱穩定性好, 能適應深井高温高壓的要求;

(6 ) 壓完後廢液易於排出, 不堵塞地層;

(7 ) 來源廣, 成本低, 易於配製。 ^[1] 

支撐劑的選用對於壓裂效果有着很大的影響。按支撐劑的性質可分為兩大類: 一類是韌性的, 如金屬球、塑料球、核桃殼。其中金屬球強度大, 塑料球、核桃殼球強度較低; 另一類是脆性的, 如砂子、玻璃球。玻璃球強度較高, 砂子強度低, 目前應用最廣泛的仍然是石英砂, 但隨着井的深度增加和地層硬度增大, 採用高強度支撐劑逐漸增多。

對支撐劑的質量要求是:

(1 ) 強度大。支撐劑在裂縫裏受到裂縫壁面閉合壓力的巨大壓力, 如果強度不夠, 則易被壓碎, 堵塞了通道, 起不到增產的作用。

(2 ) 顆粒均勻, 圓球度好。這種支撐劑充填了裂縫之後, 具有較大的滲透能力。

(3 ) 雜質少, 避免堵塞縫隙。

(4 ) 來源廣, 價廉。 ^[1] 

為了使壓裂得到預期的效果, 必須根據地質情況合理地選擇壓裂井、壓裂單位、壓裂液和支撐劑。

1. 選井選層

雖然水力壓裂是廣泛使用的一種增產措施, 但並不是對所有的井都是有效的, 一般情況下, 下列井適於壓裂:

(1 ) 油層岩石膠結緻密、滲透率低。例如緻密砂岩, 石灰岩等, 壓裂後效果較好。

(2 ) 含油飽和度高, 油井壓力高的低產井。壓裂後, 產量常常大幅度提高。

(3 ) 井眼附近油層受到堵塞, 降低了產量和吸水能力的井。小規模壓裂對於解除堵塞非常有效。

為了提高壓裂效果還可採取油水井對應壓裂, 以水井為主。這樣能起到送效、引效的作用。

此外, 還應根據油田的地質情況和井網布置, 調整總體規劃, 充分發揮油水井的作用。對於滲透率很高的井, 油水邊緣的井以及固井質量不好的井, 一般不宜於壓裂。

2. 壓裂液的選擇

壓裂液要根據油層流體特性、岩層的物理、化學性質來選擇。

(1 ) 根據岩石的化學性質基本上確定壓裂液的類型。對於石灰岩、白雲岩, 宜選用酸基壓裂液; 對於砂岩和低溶解的岩層, 宜選用水基壓裂液或油基壓裂液, 也可以用在水基壓裂液中添加二價陽離子( 如加0.5%的CaCl₂ )。對於注水井, 可以採用含鹽的清水做壓裂液,如果產層內含有易溶於水的鹽類成分時, 也可以用清水。

(2 ) 岩石的物理性質( 温度、壓力、滲透率、孔隙度、有無原生孔隙和孔穴等) , 特別是温度和壓力需要很好考慮。一般壓裂液的粘度受温度的影響較大。例如膠凝原油只能在93 ℃以內使用; 稠化酸在高温下很快稀釋, 當温度高時必須增加稠化劑的用量。在一般油層温度下, 水基壓裂液粘度應不低於2 000 mPa·s, 温度高時可選用粘温性能比較好的植物膠或增加植物膠的用量。

在高壓井壓裂時, 需要選用高相對密度的壓裂液, 以克服井底壓力, 並能降低地面設備所需功率。在低壓井壓裂時, 應選用低粘度、低相對密度液體, 壓裂後易於從地層中排出。

(3 ) 所選擇的壓裂液必須與地層流體相適應, 不會產生有害的乳狀液或沉澱物。對於含有重質原油、瀝青或石蠟的油層, 最好不用低相對密度原油, 而用水基壓裂液或芳香族原油。

3. 支撐劑的選擇

支撐劑的類型選擇取決於岩層性質及井深。對於岩石嵌入壓力小的淺井可選用砂子; 對於嵌入壓力大的深井, 一般選用不易變形或壓碎的鋁合金球或銅球等; 對於嵌入壓力中等的中、深井可選用核桃殼或硬塑料球。由於高強度支撐劑成本過高, 有時對深井可先壓入一部分砂子, 然後再尾隨一部分高強度支撐劑。

砂液比的選擇取決於壓裂液的性能及施工時泵的排量。一般説來, 在一定條件下高的砂液比, 壓裂效果好。但是它又受到其他因素的制約, 如果不顧排量、壓裂液的懸砂能力的影響而單純提高砂液比, 在施工中往往會造成砂堵。在目前設備及壓裂條件下, 砂液比一般控制在10%～20%之間。隨着壓裂液粘度增加, 砂液比可以增加到30%～40%。

支撐劑的大小: 目前國內常用的砂粒直徑為0.4 ～ 0.8 mm、0.8 ～ 1.2 mm 或1.5～2.0 mm。目前有一種趨勢, 即支撐劑的直徑隨壓裂液的用量和粘度的增加而增大。

4. 壓裂後的評價

在每口井進行壓裂後, 應進行總結, 找出成功或失敗的原因, 以便總結經驗, 以利再戰。比較全面的總結, 應對井下情況有所估計。例如地層裏出現的裂縫, 是垂直的還是水平的, 裂縫的長度及其導流能力。這幾個參數只靠壓裂過程中的參數記錄是不夠的, 需要特殊的方法進行測量, 如應用膨脹打印或井下電視方法找出裂縫的形態, 應用測地震波、地電等方法測裂縫方位。

評價一口井的壓裂效果, 目前常用兩個指標:

(1 ) 在可比條件下壓裂前後的產量或注水量的增加倍數;

(2 ) 增產有效期的長短。

這兩個參數反映了裂縫的導流能力、裂縫長度、地層供液能力的大小。壓裂效果的評價不僅能驗證本次壓裂工作各項參數選擇是否合理, 而且也能説明選井是否恰當。 ^[1] 

1．循環：

將壓裂液由液罐車打到壓裂車再返回液罐車。循環路線是液罐車-混砂車-壓裂泵-高壓管匯-液罐車，旨在檢查壓裂泵上水情況以及管線連接情況。循環時要逐車逐檔進行，以出口排液正常為合格。

2．試壓：

關死井口總閘，對地面高壓管線、井口、連接絲扣、油壬等憋壓30-40Mpa，保持2-3min不刺不漏為合格。

3．試擠：

試壓合格後，打開總閘門，用1-2台壓裂車將試劑液擠入油層，直到壓力穩定為止。目的是檢查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油水的吸水能力。

4．壓裂：

在試擠壓力和排量穩定後，同時啓動全部車輛向井內注入壓裂液，使井底壓力迅速升高，當井底壓力超過地層破裂壓力時，地層就會形成裂縫。

5．支撐劑：

開始混砂比要小，當判斷砂子已進入裂縫，相應提高混砂比。

6．替擠：

預計加砂量完全加完後，就立即泵入頂替液，把地面管線及井筒中的攜砂液全部頂替到裂縫中去，防止餘砂乘積井底形成砂卡。

7．反洗或活動管柱

頂替後立即反洗井或活動管柱防止餘砂殘存在井筒封隔器卡距之內，造成砂卡。 ^[2]