控制裂縫高度

1、1研究目的在水力壓裂過程中,當(dāng)油氣層很薄或上下隔層為弱應(yīng)力層時,裂縫會沿著垂直方向上延伸,這會使裂縫超出生產(chǎn)層而進(jìn)入隔層。這不但會導(dǎo)致裂縫高度過大、減少裂縫長度和影響壓裂效果,而且當(dāng)裂縫延伸進(jìn)入鄰近含水層時,會引起含水暴增。對存在氣頂?shù)挠筒?也同樣潛在著“引氣入井”的危險。因此,如何將裂縫高度控制在油氣層內(nèi)是水力壓裂能否成功的關(guān)鍵因素之一。為了有效地控制裂縫高度,近年來國內(nèi)外對裂縫高度延伸機(jī)理進(jìn)行了大的研究,對影響裂縫高度的因素有了更廣泛、更深入地認(rèn)識,發(fā)展了多種人工控制裂縫高度的技術(shù)。目前控制縫高技術(shù)有人工隔層技術(shù);變排量壓裂技術(shù);注入非支撐劑控制縫高;調(diào)整壓裂液的密度控制縫高;冷卻地層控制

2、縫高。在開采地層油氣過程中,水力壓裂是一項(xiàng)重要的增產(chǎn)措施。但在實(shí)際水力壓裂中,裂縫會向上或向下延伸,這都影響了壓裂液效率和裂縫效率,進(jìn)而影響裂縫的導(dǎo)流能力和壓裂效果,造成橫向發(fā)展短,消耗泵壓,降低油氣產(chǎn)量。甚至?xí)?dǎo)致壓后完全無效或壓開水層,引起油井含水暴增。所以,通常希望把裂縫限制在油層內(nèi),且裂縫在橫向達(dá)到合適的長度,這樣才能提高油氣產(chǎn)量。2研究現(xiàn)狀在上世紀(jì)80年代初,美國總結(jié)了棉花谷地區(qū)大量的壓裂實(shí)踐,提出了縫高與排量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系;Boit理論分析和實(shí)踐調(diào)查分析了層間巖石力學(xué)性質(zhì)差異（彈性模量和泊松比）等對縫高延伸的影響,提出了裂縫穿過層間界面的機(jī)理,給出了其界面力學(xué)性質(zhì)應(yīng)滿足的理論關(guān)系和力學(xué)

3、準(zhǔn)則;Bennaceur等人詳細(xì)討論了影響縫高的因素，提出了多層介質(zhì)中控制縫高的力學(xué)機(jī)理;Warpiniski等人著重從地應(yīng)力角度討論了縫高延伸規(guī)律。目前控制縫高技術(shù):人工隔層技術(shù);變排量壓裂技術(shù);注入非支撐劑控制縫高;調(diào)整壓裂液的密度控制縫高;冷卻地層控制縫高。本文主要研究和介紹了人工控制縫高技術(shù)。3人工控制縫高基本原理影響縫高增長的四要素是:巖石物質(zhì)特性、施工參數(shù)、地層應(yīng)力差和裂縫上下末端阻抗值。其中,巖石物質(zhì)特性和地層應(yīng)力差由地質(zhì)結(jié)構(gòu)本身所決定,不易改變。第四項(xiàng)裂縫上下末端阻抗值可以改變,方法是制造人工隔離層。在注完前置液造出一定規(guī)模的裂縫后,在注入混砂液之前,用攜帶液攜帶隔離劑（空心微

4、粉和粉砂）進(jìn)入裂縫。空心微粉在浮力作用下運(yùn)動到裂縫的頂部,粉砂在重力作用下沉淀于裂縫的底部,從而在裂縫的頂部和底部分別形成一個低滲透或不滲透的人工隔層。它限制了攜砂液壓力向上部和向下部傳遞,從而達(dá)到了改變縫內(nèi)垂向上流壓的分布,降低了上下層段中縫內(nèi)流壓與地應(yīng)力之差,也就增加了上下隔層與產(chǎn)油層之間的地應(yīng)力差,來就控制了縫高的增加。另外,它提高了壓裂效率,起到了轉(zhuǎn)向劑作用,使后來注入的攜砂劑轉(zhuǎn)為水平流向,從而使裂縫水平延伸。4各項(xiàng)參數(shù)對縫高的影響巖石特性對縫高的影響巖石物質(zhì)特性包括地層巖石的剛性、韌性、塑性和遮擋層與油層界面的結(jié)合強(qiáng)度等。其中對縫高影響較大的是巖石的塑性、韌性和巖層間是否存在滑移現(xiàn)象

5、。遮擋層的塑性表現(xiàn)為泊松比v,此值越大對縫高影響越大。對于某個遮擋層來說,當(dāng)v達(dá)到一定值后是完全可以阻止縫高的增長，但對于泥巖或頁巖遮擋層,v都有一定的范圍，因此只靠v限制縫高延伸是不可靠的。在壓裂施工期間,隔層與油層是否存在滑移現(xiàn)象,表現(xiàn)為隔層和油層結(jié)合是否牢固。衡量標(biāo)準(zhǔn)是鈍化系數(shù),此系數(shù)越大,遮擋層與油層的界面結(jié)合越不牢固,在壓裂施工時越容易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象,裂縫垂向延伸入遮擋層越不容易。施工參數(shù)對縫高的影響影響裂縫幾何形狀的施工參數(shù),包括流體的粘度和密度、支撐劑濃度、泵排量、壓力和射孔孔眼的布置。射孔孔眼的布置可確保裂縫在油層內(nèi)產(chǎn)生,一旦裂縫離開井眼延伸,則巖石的性質(zhì)和周圍應(yīng)力將再次成為控制

6、的因素。a排量對縫高的影響當(dāng)排量增加時（裂縫高度增加）,薄層縫高大幅擴(kuò)大而支撐縫高變化不大,這樣縫高的擴(kuò)展導(dǎo)致縫寬變窄，稍高砂比陶粒進(jìn)地層時即發(fā)生砂堵。ARP等人認(rèn)為,使用低排量和低濃度的壓裂液將趨于產(chǎn)生較小的裂縫寬度,從而導(dǎo)致過低的裂縫傳導(dǎo)率，降低井的產(chǎn)能。為了避免裂縫過高，一般將施工排量控制在3.5m3/min以內(nèi)。b壓力對縫高的影響裂縫在井筒周圍開始延伸時，延伸壓力最大。當(dāng)裂縫超出油層范圍后，延伸壓力呈較快的下降趨勢。這也從另一方面證明了，利用隔離劑控制縫高延伸的可行性，即在裂縫形成初期就加轉(zhuǎn)向劑，控制裂縫形成初期和垂向裂縫，是人工控制裂縫高度的關(guān)鍵。c粘度對縫高的影響壓裂液對縫高的影響

7、很大，尤其是高粘度的壓裂液將使縫高大幅擴(kuò)展。在同樣的壓裂造縫面積下，裂縫越高則縫長越小，從而降低了壓裂效果。因此為了獲得最佳的壓裂效果，解決使用高粘壓裂液時帶來的縫寬、縫長與縫高的矛盾，采用控制縫高技術(shù)是大有裨益的。通過制造人工隔離層（空心微粉和粉砂）和控制排量的方法，可以有效地控制縫高，從而有效地保證高粘度壓裂液的造縫作用。壓裂液粘度的變化能影響壓裂液的摩阻、懸砂、濾失和返排等性能，對裂縫形成、延伸和裂縫滲透率影響很大。根據(jù)壓裂施工不同階段的要求，對壓裂液的粘度及變化實(shí)行動態(tài)控制，對獲得最佳壓裂效果至關(guān)重要。若用活性水壓裂，即使大排量施工時，縫高也不會有什么變化，而且縫長延伸較好。Schlu

8、mberg2er公司用清潔壓裂液控制縫高取得了良好的效果，在恒定溫度下清潔壓裂液粘度較穩(wěn)定，當(dāng)遮擋層與油層應(yīng)力差很小時，清潔壓裂液的粘度可以適當(dāng)調(diào)低（40MPas60MPas）,這一點(diǎn)對控制縫高延伸很重要。地層應(yīng)力對縫高的影響地層應(yīng)力差（應(yīng)力差越大，裂縫高度越?。┦强刂瓶p高增長的主要因素。有人指出,油層與上下隔層的應(yīng)力差為210MPa3145MPa時，足以將裂縫的垂向延伸控制在產(chǎn)層內(nèi),但是當(dāng)油層很薄或上下隔層為弱應(yīng)力層,或存在其它復(fù)雜情況時,壓開的裂縫高度往往容易超出產(chǎn)層。斷裂力學(xué)表明,裂縫發(fā)展的形狀取決于裂縫前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子。（逢高隨儲層滲透率的升高呈現(xiàn)遞增的趨勢）5控縫高對策技術(shù)5.1人

9、工隔層技術(shù)人工隔層控制縫高技術(shù)的基本原理是通過上浮劑和下沉劑在裂縫的頂部和底部形成人工遮擋層增加裂縫末梢的阻抗阻止裂縫中的流體壓力向上和向下傳播繼而控制裂縫在高度上進(jìn)一步延伸人工隔層控制裂縫高度技術(shù)包括用上浮劑控制裂縫向上延伸用下沉劑控制裂縫向下延伸和同時使用兩種轉(zhuǎn)向劑控制裂縫向上下延伸。5.2變排量壓裂技術(shù)對上下隔層應(yīng)力差值小的薄油層的壓裂改造為限制裂縫高度過度延伸采用變排量壓裂技術(shù)在控制裂縫向下延伸的同時可增長支撐縫長增加裂縫內(nèi)支撐劑鋪置濃度從而可有效地提高增產(chǎn)效果。5.3調(diào)整壓裂液密度控縫高技術(shù)利用壓裂液密度控制裂縫高度是通過控制壓裂液中垂向壓力分布來實(shí)現(xiàn)若要控制裂縫向上延伸應(yīng)采用密度較

10、高的壓裂液若要控制裂縫向下延伸則應(yīng)采用密度較低的壓裂液。冷卻地層控縫高技術(shù)通過向溫度較高的地層注入冷水使地層產(chǎn)生熱彈性應(yīng)力大幅度地降低地層應(yīng)力而將縫高控制在產(chǎn)層范圍內(nèi)。低粘度低排量控縫高技術(shù)使用較低粘度的凝膠較低的注入排量注入裂縫高度就能得到有效控制。一般認(rèn)為壓裂液在裂縫內(nèi)的粘度保持在50100mPa/s較合適。6結(jié)論縫高的增長受巖石物質(zhì)特性、施工參數(shù)、地層應(yīng)力差和裂縫上下末端阻抗值的影響。在壓裂施工過程中,井筒周圍的裂縫延伸壓力最大,因而在施工初期最容易壓穿遮擋層。加入隔離劑后,從水平方向上增大了油層和隔層間的滑動效應(yīng)。從縱向來說,增大了裂縫上下末稍的阻抗值,從而限制了縫高增長,同時提高了壓

11、裂有效性,降低了壓裂成本。攜帶液粘度愈低,隔離劑升降速度愈快,愈易形成良好的人工隔層;浮式隔離劑與沉式隔離劑的混合使用,阻擋效果優(yōu)于單一隔離劑的使用。7控縫高的應(yīng)用7.1部分控縫技術(shù)在大牛地氣田的應(yīng)用7.1.1下轉(zhuǎn)向控縫技術(shù)在統(tǒng)計(jì)的前置段塞+變排量壓裂施工的6層次中，有67%的井達(dá)到或超過預(yù)測無阻流量，D47-26井盒1層獲得了6.4271104m3/d的無阻流量，遠(yuǎn)高于預(yù)測無阻流量；而D47-39井盒1層則遠(yuǎn)低于預(yù)測無阻流量，從壓裂前后的井溫測試來看，D47-26盒1層壓開裂縫縫高20.8米，控制了裂縫向下的延伸，縫長較為理想；而D47-39井盒1層總的壓開裂縫高度為35m，沒有達(dá)到控制裂縫

12、向下延伸的目的，影響了裂縫長度和改造效果，該井層的壓裂液返排效果也不理想，返排率為63%D47-39井盒1層的物性參數(shù)解釋結(jié)果均較好，但壓裂效果差，分析原因可能是對砂體的認(rèn)識可能存在誤差，前置液施工階段變排量層次不夠，致使裂縫高度向下部延伸過多使得有效裂縫長度較小，而減小了泄氣面積。7.1.2上轉(zhuǎn)向控縫技術(shù)上轉(zhuǎn)向控縫技術(shù)在大牛地氣田實(shí)施1井次，且沒有成功D47-11井盒1層加入上轉(zhuǎn)向劑lot，壓后無阻流量僅0.5448104m3/d該井10月5日壓裂，入井總液量454.4m3,施工排量3.5m3/min,加砂63.4m3,平均砂比25%，從壓裂工曲線上觀察壓力變化，轉(zhuǎn)向劑加入前壓力36.6MP

13、a，加入后壓力36.31MPa,壓力無明顯的變化，說明轉(zhuǎn)向劑沒有起到很好的遮擋作用壓后井溫曲線反應(yīng)壓裂造縫井段2292m2340m，裂縫高度48米，從壓裂模擬的數(shù)據(jù)也可以看出縫高超過40m壓裂模擬結(jié)果與井溫測井對比結(jié)果見表2D47-11井盒1儲層壓裂效果較差的原因有：a.儲層從地層系數(shù)儲能系數(shù)及每米無阻流量等數(shù)據(jù)均較低,說明地層本身物質(zhì)基礎(chǔ)較差；b.測井曲線反映砂體上部無很好的遮擋層，這種儲層由于氣體的自然運(yùn)移，往往含氣性較差，有效厚度往往較小，本井有效厚度5.6m；應(yīng)該屬于砂體的邊緣部位；c.壓裂改造難以形成足夠的裂縫長度，壓裂裂縫高度難以控制，井溫測試裂縫高度48m，為有效厚度的。7.2控

14、縫高壓裂技術(shù)在安塞油田長2底水油藏的應(yīng)用2007年選擇長2底水油藏東1和賀1兩口油井試驗(yàn)控縫高壓裂工藝，措施后含水平穩(wěn)，平均單井日增油2134t,至2007年12月底累計(jì)增油74614t，實(shí)現(xiàn)較好的控水增油改造效果。以東1井為例來說明控縫高壓裂工藝的現(xiàn)場應(yīng)用情況。1）技術(shù)思路:東1井處于張二區(qū)東部邊緣，投產(chǎn)初期日產(chǎn)液3191m3,日產(chǎn)油2118t,含水3316%，措施前日產(chǎn)液0193m3,日產(chǎn)油0133t,含水57%，分析油堵塞嚴(yán)重,2005年進(jìn)行酸化,效果不明顯。該井油層段砂厚度比較大,且油層段下部直接與水層相連,為同一砂體,為了控制裂縫縱向上延伸,重復(fù)壓裂采用控縫高壓裂工藝,防止壓后含水上升,影響措施效果。2）施工工序：泵注10m3前置原膠液+120kg縫高控制劑，施工排量110m3/min;泵注7m3前置交聯(lián)液,施工排量110m3/min;依次泵注砂比為15%、20%、25%、30%、35%的混砂液共計(jì)64m3,排量