网络压裂工艺技术-陈作

1、页岩气“缝网”压裂技术,主讲：陈 作,1991年毕业于西南石油学院油藏工程专业。 1991-2010年：中石油廊坊分院压裂酸化技术服务中心，副总工程师，学科带头人。 2010.07-：中石化石油工程技术研究院储层改造所，主任工程师。,简 介,“缝网”压裂(Network Fracture) 体积压裂（Stimulated Reservoir Volume)？ 复杂裂缝压裂(Complex Fracture ),引 言,引 言,引 言,引 言,提 纲,一、页岩气压裂改造发展历程 二、页岩气“缝网”压裂技术 三、思考与建议,一、页岩气压裂改造发展历程,(一)页岩气发展概况 1.资源量巨大：全球页岩

2、气资源量预测相当于煤层气和致密砂岩气的总和,（据Rogner，1997；Kawata 和Fujita，2001）,2.美国页岩气发展推动世界页岩气开发技术进步,第一口商业页岩气井 Fredonia, NY, 1821 水力压裂技术应用于页岩气, 1950s-60s Barnett Shale发现 ，1982 Appalachian Basin第一口页岩气水平井, 1980s Barnett shale第一口成功的水平井, 1992 Barnett shale推广使用水平井, 2000年以后 Barnett水平井技术推广到 Appalachian Basin (Ohio 交联瓜胶:24 ft/m

3、in1/2) 滑溜水易进入天然裂缝催使裂缝进一步扩展,滑溜水压裂对于地应力各向异性差异越小、杨氏模量越高、泊松比越小的页岩层而言，更容易产生大范围的复杂裂缝。,二、页岩气“缝网”压裂技术,研究背景及意义,页岩气藏压裂液实例,页岩气开采减阻水(滑溜水 Slick water)压裂液组成 压裂液的98%为清水，化学添加剂占2%及以下 (参照Fayetteville页岩压裂液),目前已有不同类型的水溶性聚合物用作压裂液降阻剂, 主要分类如下：,二、页岩气“缝网”压裂技术, 胍胶及其衍生物： 胍胶是一种非离子型多糖类支链聚合物，分子量约2103 胍胶衍生物有十八种 羟丙基胍胶是压裂液最普遍使用的一种降

4、阻剂, 纤维素衍生物： 纤维素经化学改性可制得各种衍生物 纤维素衍生物抗酶降解性比胍胶和胍胶衍生物好 降阻性能不及胍胶衍生物, 其中最常用的是羟乙基纤维素。,二、页岩气“缝网”压裂技术,理论研究层面: McCormick研究组在美国能源部支持下对水溶性高分子化学结构、分子量及分布、Rg、Rh等对减阻效果的影响进行了基础性研究。 产品层面: 国内水基减阻剂还停留在瓜胶及纤维素衍生物，PAM或PEO均聚物。 国外聚丙烯酰胺类水基减阻剂研发已有产品,美国E&P杂志评出2009年世界10项石油工程技术创新特别奖, 聚丙烯酸胺及共聚物： 分子量通常在1-2107范围内。它有阳离子、非离子和阴离子型。 是

5、优良的降阻剂。降阻性能优于胍胶,二、页岩气“缝网”压裂技术,（1）预处理液：5000加仑（18.93m3） 配方：15%盐酸+0.2% LAI-20缓蚀剂+0.1% LNE-20表面活性剂+0.05% FEA-20铁离子抑制剂，用于溶解矿物降低井筒污染。 （2）10线性胶：97000加仑（367.18 m3） 配方：0.075% LFR-30阴离子丙烯酰胺+0.25% WG-150L瓜胶胶凝剂+0.00052% LBK-20过硫酸盐破胶剂 （3）20线性胶：63654加仑（240.93 m3） 配方：0.075% LFR-30阴离子丙烯酰胺+0.5% WG-150L瓜胶胶凝剂+0.005% L

6、BK-20过硫酸盐破胶剂 （4）滑溜水：498447加仑（1886.6 m3） 配方：0.075% LFR-30阴离子丙烯酰胺 （5）爱国者X交联液：1260加仑（4.77 m3） 配方：0.075% LFR-30阴离子丙烯酰胺+0.5% WG-150L瓜胶胶凝剂+0.06% LBF-21pH值调节剂+0.2%LCL-21LTB(硼酸盐 XL)+0.005% LBK-20过硫酸盐破胶剂,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,（六）支撑剂,满足导流能力要求 输送 沉降速度 支撑剂分布,二、页岩气“缝网”压裂技术,单一裂缝光滑裂缝面支撑剂运移与分布 复杂裂缝面支撑剂运移与分布？

7、(滑溜水支撑剂沉降速度5-30ft/min(25mm/s-150mm/s) (一般可接受支撑剂沉降速度0.8mm/s),二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,支撑剂密度大于压裂流体密度时快速沉降,二、页岩气“缝网”压裂技术,VS支撑剂沉降速度 p颗粒密度 f流体密度 g重力加速度 D颗粒直径,超低密度支撑剂（1.251.05g/cm3）,二、页岩气“缝网”压裂技术,支撑剂典型使用： （1）模式 100目支撑剂 40/70目支撑剂 （2）模式 超轻密度支撑剂 20/40目尾追,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”

8、压裂技术,(七)页岩气主体压裂工艺技术,直井滑溜水大型压裂技术 直井复合压裂技术 水平井泵送桥塞分段压裂技术 水平井裸眼封隔器+滑套分段压裂技术 连续油管喷砂射孔环空压裂技术 水平井多井同步分段压裂技术,(七)页岩气主体压裂工艺技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,适应裂缝性、脆性、致密地层。 提高剪切缝形成的概率，有利于形成网状缝。大幅度提高裂缝体积及压后效果。 使用少量稠化剂降阻，几乎不用其它添加剂。支撑剂用量少。 成本低。清水压裂与常规冻胶压裂在相同规模的作业中可节省费用40% 60%。,1.直井滑溜水压裂技术,（a）裂缝面粗造，完全闭合，无支撑，无导流能力,（b）裂缝面粗造，错位支撑，有一

9、定导流能力,（d）裂缝面粗造，有错位，少量支撑剂支撑,（c）裂缝面粗造，无错位，少量支撑剂支撑,滑溜水压裂的四种裂缝形态,二、页岩气“缝网”压裂技术,施工特点： 大排量：10m3/min以上 大液量：2271m3-5678m3 小粒径支撑剂：40/70目 低砂比：3-5%,滑溜水压裂实例 Barnett 页岩,Barnett 页岩地层特点： 低孔（4%-6%）、特低渗（10-3md），有天然裂缝 深度：2073-2743m 非均质性强 有断层,Barnett页岩气藏压裂规模与产量正相关,二、页岩气“缝网”压裂技术,复合（Hybrid)压裂的一般做法 前置液滑溜水与线性胶交替注入，支撑剂先小粒径

10、，后中等粒径。低粘度活性水携砂发生粘滞指进现象，不沉降，提高裂缝导流能力。,复合压裂不同液体类型与支撑剂类型裂缝剖面,2.直井复合（Hybrid）压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,Barnett页岩气藏复合压裂规模与产量正相关,Barnett页岩气藏V1井复合压裂后与邻井产量对比,示踪剂测井验证：黄颜色为前置液，红色为小粒径砂，兰色为大粒径砂。,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,3.水平井泵送桥塞分段压裂技术,用于套管完井方式（31/2、41/2、51/2、7)。射孔压裂连作。 适合大排量、大型施工，分段压裂的段数不受限制。 压裂后可快速钻掉，易排出（4h）。 系统构

11、成：电缆座封装置+射孔枪+发射头+桥塞,技术能力 桥塞耐压差86.0MPa，耐温232 施工排量与规模依据需要而定 局限性 施工周期相对较长 对套管和套管头抗压要求高 对电引爆座封等配套技术要求高,二、页岩气“缝网”压裂技术,斯伦贝榭StageFRAC多级封隔器压裂技术,贝克休斯Frac-point 裸眼压裂技术,Frac-Point封隔器系统,Packer Pluss StackFRAC分段压裂技术,技术特点 液压座封封隔器 不动管柱,投球打开滑套分压各段 兼做压裂管柱与生产管柱 施工快捷 技术能力 741/2工具体系25级 9 5/851/2工具体系30级 封隔器耐压差:70.0MPa 封

12、隔器耐温：176 适用范围 41/2-9 5/8井眼 局限性 裂缝起裂位置无法控制 封隔器无法取出,4.水平井裸眼封隔器+滑套分段压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,案例:现场压裂24段（2009.10，North Dakota） 造斜点：2968.0m，井深：6100.0m，井眼直径5.75） 平均排量4.2m3/min，施工时间25.75小时 压裂液：6435.2m3 支撑剂：1542.2t,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,Halliburtons CobraMax H,技术特点 连续油管喷砂射孔，环空加砂压裂 砂塞留置，封堵已压井段

13、连续油管兼做冲砂洗井管柱 施工安全 技术能力 分压段数可依据需要 可进行大排量施工 适用范围 41/2、 51/2、7套管完井 局限性 对套管和套管头抗压以及井场道路要求高 要求配套带压作业井口,5.水平井连续油管射孔环空分段压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,Halliburtons CobraMax H,二、页岩气“缝网”压裂技术,案例 Fort Worth盆地页岩气井 斜深2755m,垂深1696m,水平井段长度878m,4.5套管完井 压裂段数43段,每段裂缝间距15m-18m 每段加砂量43.1t,施工排量2.2m3/min,二、页岩气“缝网”压裂技术,促使水力裂缝扩展过程中相互作

14、用，产生更复杂的缝网，增加改造体积（SRV），提高初始产量和最终采收率 两口相邻且平行的水平井交互作业、逐段实施分段压裂 Parker 的29个区块和Johnson 的104个区块分析表明，平均产量比单独压裂可类比井提高21-55%,相互干扰的裂缝增加了SRV,6.水平井多井同步分段压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术,实例,Barnett页岩进行了3口水平井顺序、同步压裂试验，对4口井产量做了对比。第一周完成井A的5级压裂，第二周进行井B和井C的同步压裂。3口顺序/同步压裂井A、B和C第一个月日平均产量5.9-8.1万立方米，而单独压裂井D第一个月日平均产量为1.7万立方米。井B和井C的同步

15、压裂可能强化了井A的裂缝网络，导致产量的提高。4口井产量对比见表：,Barnett页岩同步压裂产量（万立方米）,二、页岩气“缝网”压裂技术,二、页岩气“缝网”压裂技术, Barnett页岩 19口水平井的压裂改造体积530104m35270104m3 体积压裂后长期生产优势更明显,6月,3年,提 纲,一、页岩气压裂改造发展历程 二、页岩气“缝网”压裂技术 三、思考与建议,三、思考与建议,“缝网”压裂理论体系不完善 概念完善 优化设计技术（经济优化） 设计软件（Mayer） “缝网”拟合分析软件,三、思考与建议,我国的页岩气压裂工艺技术？ 海相？ 陆相？,中国石化页岩气资源,初步优选出中国石化探

16、区页岩气有利勘探区块8个，面积3.25万平方公里。 华东分公司、南方分公司、江汉油田、河南油田、胜利油田和华北分公司等多个单位正在进行勘探。,三、思考与建议,岩石力学实验系统,三、思考与建议,1.加强实验室建设，充分刻画页岩气矿物成分、脆性、天然裂缝特性、地应力差异等特征，为评价是否形成“缝网”提供坚实基础。,三、思考与建议,2.强化页岩气压裂网络裂缝成缝机理及裂缝扩展模拟研究,三、思考与建议,3.加快可钻式桥塞、裸眼封隔器与配套工艺技术的研究进度,三、思考与建议,4.研制具有自主知识产权的高效降阻剂,横向裂缝,纵向裂缝,三、思考与建议,5.加强页岩气压裂裂缝监测,陈作、蒋廷学等“页岩气井体积

17、压裂技术在我国的应用建议”，天然气工业，2010。 What is Stimulated Reservoir Volume(SRV)？SPE119890，2008。 The Relationship Between Fracture Complexity, Reservoir Properties and Fracture Treatment Design.SPE115769，2008。 Stimulating Unconventional Reservoir: Maxing Network Growth While Optimizing Fracture Conductivity.SPE11

18、4173，2008。 Integration of Microseismic Fracture Mapping Results With Numerical Fracture Network Production Modeling in the Barnett Shale,SPE102103,2006。 Imaging Seismic Deformation Induced by Hydraulic Fracture Complexity”,SPE102801，2006 Optimizing Horizotal completion Techniques in the Barnett Shale using Microseismic Fracture Mapping”, SPE90051,2004。 Microseismic Imaging of Hydraulic Fracture Complexity in the Barnett Shale, SPE7744