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你所不知道的水力压裂技术(知识量巨大、烧脑、慎入!)

2019-03-07  爱萨摩

页岩气革命不仅提高了美国的能源自给水平,还改变了全球能源供需格局,甚至掀起了全球页岩气开发大潮,而其最大的技术因素,正是用于开采页岩气的水力压裂技术的出现。
△轰轰烈烈的美国页岩气革命
 
随着石油工业的发展,低渗透、超低渗透的非常规油气资源逐渐成为各国油气田的增产主体。如果将开采常规油气藏比作挤海绵里的水,那么低渗、超低渗透油气藏则像是已经甩干的毛巾,很难再从中挤出水来。那么石油工程师们又是如何从这些储层中将油气资源“挤”出来的呢?
△全球页岩气储量分布

答案还是压裂技术!

 
压裂基础知识

什么是压裂?

压裂就是利用水力作用在油气层中形成人工裂缝,提高油气层中流体流动能力的一种储层改造技术。
△油层中的裂隙,可以增加油气渗流通道,大幅提高产量
 
压裂的原理

利用地面高压泵组,通过井筒向地层注入大排量、高粘液体,在井底憋起高压,当该压力超过地层承受能力时,便会在井底附近的地层形成裂缝。

继续注入携带支撑剂的液体,裂缝逐渐向前延伸,支撑剂起到支撑裂缝作用,形成了具有一定尺寸的高导流能力的填砂裂缝,使油气轻松地通过裂缝流入井中,达到增产增注效果。
△含支撑剂裂缝
△压裂基本流程
 
压裂液与支撑剂
 
1.压裂液
压裂液是压裂施工的工作液,是一种具有一定黏度的流体,起到传递能量、形成和延伸裂缝、携带支撑剂的作用。
△压裂液

常用的压裂液有:水基、油基、乳化、泡沫、酸基等类型。其中,应用最广泛的为水基压裂液。
△水基压裂液:由水与天然或合成的聚合物配制而成


压裂液包括前置液、携砂液和顶替液三种。

前置液:用于造缝,在温度较高的地层里,还起到降温作用;
携砂液:携带支撑剂进入裂缝,将支撑剂填在裂缝内预定位置;
顶替液:用来顶替井筒内的携砂液,将携砂液送到预定位置,预防砂卡。

2.支撑剂
支撑剂是指能够进入被压开的裂缝并使其不再重新闭合的固体材料。
△支撑剂要求:强度大、颗粒均匀、圆度好、杂质少、来源广、成本低

常用的支撑剂有:石英砂、核桃壳、人造陶粒、人造塑料球、人造玻璃球等;其中石英砂和人造陶粒应用最广泛。
△美国的Ottawa砂、北部白砂,均为天然风化石英砂,强度较低,无法满足深井压裂的要求
△人造陶粒支撑剂,含氧化铝、硅酸盐和铁-钛氧化物等成分,强度大,密度较高,可承压60Mpa~103Mpa

 
压裂增产原理

压裂增产的基本原理主要分为以下三点:

改变流体形态

压裂后形成的裂缝由井底延伸至地层深处。油气由径向流转变为双线性流,更容易流入井筒。
△与压裂前的径向流动相比,线性流大大降低了流动阻力

沟通油气储集区

由于地层的非均质性,油气聚集带并不一定与井底相连通。通过压裂形成的人造裂缝可以将这些孤立聚集带同井底连通起来,增加新的供油区。沟通油气储集区是压裂增产的重要原因。
△裂缝沟通储层,可实现天然裂缝与人工裂缝的沟通

克服井底附近地层的污染

井底附近裂缝的渗透率是油气生产的关键。压裂后的裂缝可以解决井底污染所造成的低产后果。
△为此目的所进行的压裂可以是小规模的,只要穿过堵塞区的深度即可

 
常用压裂工艺技术

压裂工艺技术是影响压裂增产效果的重要因素,需要根据不同油气层的地质条件、井深状况等因素选择与之相适应的压裂工艺技术,以便能够顺利执行压裂并取得较好的增产效果。
 
目前常用的压裂工艺技术有:

限流法压裂

通过严格限制炮眼的数量和直径,并以尽可能大的注入排量进行施工,利用压裂液流经孔眼时产生的炮眼摩阻大幅提高井底压力,并迫使压裂液分流,使破裂压力接近的地层相继被压开,达到一次加砂能够同时处理多层的目的。
△压裂液分流过程

分段压裂技术

分段压裂是在完井套管串上封隔器和压裂滑套,将油气储层分成若干段,用同一套泵车依次单段压裂。从而达到最大化储层渗流能力、提高导流性和生产力。分段压裂技术是一种有效性强,针对性突出、可控性好的精细储层改造技术体系。
△多级滑套封隔器分段压裂

水力喷射压裂技术

水力喷射压裂技术是利用高速和高压流体携带砂体进行射孔,打开地层与井筒之间的通道后,提高流体排量,从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术。
△水力喷射原理图
 
长庆油田结合长庆油田储层低渗、天然微裂缝较发育的特征,首创了“多簇射孔、环空加砂、长效封隔”的水力喷射环空压裂工艺,解决了长庆油田水平井压裂改造中传统水力喷射压裂工艺喷嘴寿命短、加砂量少、靠单一裂缝很难取得预期改造效果等问题。
△长庆地区储层致密,常规生产产量极低,水力压裂技术使长庆油田年产量逐年增加

选择性压裂技术

利用油层内不同部位或各油层间吸液能力不同的特点,通过投入暂堵剂封堵已有裂隙,以便压裂液分流,从而在其它部位或层内压开新裂缝,达到选择性压裂的目的。
△暂堵剂是油溶性的,在一定温度条件下,可变软溶于原油中,压后开井即可解堵
△常用的暂堵剂有石蜡、高压聚乙稀、松香和重晶石粉

 
压裂作业流程

我们先一睹压裂作业的壮观景象吧!
△页岩气压裂作业现场
△施工现场蓄水池
 
压裂作业分为压前准备、压前作业、压裂施工、压后作业四个阶段。

压裂前准备阶段

1. 配置压裂设备及辅助设施
△压裂作业用车

2. 准备压裂所用材料 (配备性能符合要求的压裂液、支撑剂、各种添加剂)
△压裂液罐
△支撑剂
△添加剂
 
3. 按照压裂设计方案组配管柱
△滑套封隔器分段压裂管柱

4. 准备地面压裂流程,试压(弯头、三通、油壬、管线及配套工具符合设计要求)
△地面管线试压

压前作业

1. 对已投产生产井进行压裂作业时,要首先进行冲砂和起原管柱
2. 压井替喷(井内有污染物的井压裂前要进行替喷)
3. 压裂层段预处理(清孔或排液,注意回收、不污染环境)
4. 下压裂管柱
△下管柱作业

压裂施工

1. 循环:逐台启动压裂车,用清水循环地面管线,清洗管线,关井口。

2. 试压:地面压裂流程、井口阀门以上设备进行承高压性能试验。试验压力为预测泵压1.2-1.5倍,稳压5分钟。各承压部件不刺不漏,压力不下降为合格。
△地面管线

3.坐封封隔器
△坐封封隔器

4. 验封(试挤):打开井口阀门,关闭循环放空闸门,逐台启动压裂车,按压裂施工设计规定的试挤排量,将压裂液试挤入油层,压力由低到高至稳定为止。
△目的是检查井下管柱及井下工具情况,检查欲压裂层的吸水能力

5. 压裂:试挤正常后,启动压裂车,以高压大排量向井内持续挤入前置液,造缝延伸。
△注意:当泵工作压力达到管柱最高承压能力还不能压开欲压裂层位时,应停泵卸压
 
6. 加砂:油层裂缝已形成,泵压及排量稳定后便可加砂。注意加砂要均匀,中途不能停泵,操作要平稳。
△通过旋转搅拌,将砂子与压裂液混合
△携砂液携带支撑剂进入裂缝,使刚形成的裂缝继续向地层深处延伸

7. 顶替:完成加砂后,打开混砂车的替挤旁通流程,向井内注入顶替液(注意欠顶替和过顶替)。

压后作业

1. 关井扩散压力:压裂施工结束后,关闭井口所有出口闸门,等待压裂液破胶、滤失及裂缝闭合,防止支撑剂随高粘度压裂液返出裂缝。
△关井时间不小于压裂液破胶时间,压裂液破胶后用小喷嘴放喷,促进裂缝闭合

2. 活动管柱:活动管柱时,上提速度控制在0.5米/分以内,活动行程不能小于5米,达到提放自如,拉力计显示管柱重量完全正常。

3.按压裂设计要求起压裂管柱,完井,投产。

 
压裂的前世今生

压裂技术因美国的页岩气革命而闻名遐迩,但其实早在1947年,美国Stanolind石油天然气公司在美国堪萨斯州西南部的Hugoton油田进行了首次水力压裂实验。
△世界首次压裂施工现场

1949年3月17日,哈里伯顿在美国俄克拉荷马州的维尔玛和德克萨斯的阿彻县两地进行了第一次商业性的压裂施工。
△世界首例商业性的压裂施工现场
 
此后,全球的勘探与生产公司开始广泛采用该技术以提高或延长油井产能。目前,全球范围内的压裂施工作业量将近有250万次

中国从五十年代开始研究水力压裂技术,1952年开始在延长油矿开始试验。
△延长石油压裂试验

1973年大庆油田开始采用水力压裂作为油田增产增注的一项重要技术措施,至今已有30年的历史。
△大庆油田水力压裂

随着国内页岩气开发的兴起,中石油、中石化、中海油在各自油田区块也开展了大量的水力压裂作业。
△三桶油水力压裂作业

 
压裂技术展望

虽然水力压裂技术是油气资源稳定增产的一个重要的技术保证,在全球范围内被广泛使用。然而,“Every coin has two sides”,水力压裂也是如此。

水力压裂带来的问题

水力压裂法最遭人诟病的非污染环境莫属了。水力压裂法污染地下水,影响人类的生存和发展,例如自来水自燃。此外,水力压裂活动破坏地下岩层还有可能导致小型微地震。
△可以燃烧的水

针对传统水力压裂会污染地下水的问题,科学家们正在研发各种无水压裂液体系,譬如液氮、泡沫以及超临界二氧化碳等。

技术展望

1. 超临界二氧化碳压裂技术
超临界二氧化碳拥有的神奇特性——密度接近于水;粘度接近于气体;表面张力接近于零;超临界二氧化碳钻井速度快,不含固相颗粒也不含水,对储层既没有伤害又没有任何污染。
△CO2压裂

此外,压裂液体系采用CO2,可以在地层中形成CO2泡沫,形成酸性液溶解地层颗粒,流动阻力小,在低渗透致密储层改造中具有无可比拟的优势。

2. 高能气体压裂技术
利用火药或火箭推进剂快速燃烧产生的高温高压气体,形成脉冲加载并控制压力上升速度,在井筒附近压开多方位的裂缝,沟通天然裂缝,从而达到增产増注。

3. LPG压裂技术
采用液化石油气(LPG)作为压裂液,主要成分为丙烷。它在地下与水力压裂的作用相同,可以与页岩气一起返排至地面,甚至无需分离可直接进入生产管线,对地层没有任何伤害。
△美国纽约州LPG压裂现场

4. 高速通道压裂技术
采用脉冲加砂方式,携砂液中加入纤维使部分支撑剂聚集,中间形成高导流能力的通道。此处的支撑剂不再作为导流介质,而是作为支撑柱防止周围的通道壁发生断裂。
△支撑剂在裂缝中的铺置状况

经过60余年的发展,压裂工艺技术在不断发展,压裂液、支撑剂也都有了新的突破,主要表现在:

压裂液粘度降低

页岩储层的压裂工艺强调获得更大的储层改造体积,但是常规压裂液粘度较大,流动性差,不能深入地层远端,难以形成复杂的裂缝网络沟通地层。
△压裂后形成缝网,主裂缝间通过次生裂缝连接

针对这一问题,目前大型压裂多采用新型滑溜水压裂液,在清水中加入少量减阻剂和表面活性剂,使其具有较低的粘度。
△Mitchell在开发Barnett页岩过程中,首次尝试滑溜水压裂液进行施工,获得了出人意料的效果

支撑剂密度降低

支撑剂强度越高,密度也会随之加大,沉降速度加快。在地层中过早沉降则难以形成较长的支撑裂逢,影响压裂效果。针对这一问题,目前逐渐兴起一类超低密度支撑剂,兼顾了低密度与高强度的特点。
△利用树脂覆膜技术,在核桃壳或多孔陶粒的表面裹一层树脂,改善了陶粒破碎的影响

 
结束语

从有水压裂到无水压裂,从直井压裂到水平井分段压裂,从常规的压裂技术到现在的体积改造技术,压裂技术不断进步的同时,为人类带来了丰富的油气资源。正如煤炭时代的结束不是因为地球上的煤烧光了,技术的发展将决定油气行业的未来。随着科技的加速跨界融合,未来压裂技术还会不断进步,我们对未来充满期待!

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