水力压裂技术现状及其进展

天然气技术

NaturalGasTechnologyVol.3，No.1

Feb.2009

文章编号：1673-9035（2009）01-0044-04

水力压裂技术现状及其进展

春兰何骁

向斌符

豪

魏文兴

李莉

（中国石油西南油气田公司能源勘探开发公司，四川成都

摘

要

610021）

概述了国内外重复压裂、多薄层压裂及多裂缝压裂的研究动态；介绍了3种新型压裂液体系和6种

新型支撑剂，以及清水压裂技术、浮式支撑剂压裂技术、端部脱砂控缝高压裂技术与水力喷射逐层压裂4种新型压裂工艺技术。认为要提高油气井产量和采收率，亟需改进与完善常规压裂工艺技术，有机整合储层、液体、支撑剂和工艺技术。建议加强对超低密度且高强度支撑剂以及超深井、水平井加砂压裂的研究。

关键词

水力压裂

压裂液

支撑剂

工艺技术

中图分类号：TE357文献标识码：A

-2.00-2.05-2.10-2.15-2.20-2.25-2.309:401

重复压裂包括重新张开、延伸原裂缝和压新缝重复压裂两方面。重新张开、延伸原裂缝是在油藏数值模拟的基础上根据油藏特征和重复压裂工艺特点，优选压裂材料并进行优化设计。压新缝重复压裂裂缝方位的变化规律是：重复压裂新裂缝方向从垂直于初始裂缝缝长方向变为与初始裂缝缝长方向平行的一个渐进过程（图1），而不是突然转向（图2），并且为时间的函数(图3）。同时，在应力轨迹理

󰀆󰀟󰁫󰀡1.1重复压裂

国内外研究状况

9:4010:0011:0010:1010:2010:3010:4010:5011.00󰀫󰀴󰀼󰁇图2裂缝方向突然变化图

N󰀂󰀉󰀎󰀔1st83min2nd83min3rd83min󰀛󰀠83min󰀤󰀪󰀔󰀮󰀳󰀸N40EWE论的基础上得到了重定向裂缝与应力轨迹以及原裂缝关系原理图（图4）：从井眼到各向同性点的距离为于原裂缝。

Lf′，超过应力各向同性点后，新裂缝逐渐转向平行

-0.015-0.010-0.005󰀆󰀟󰁫󰀡S图3重复裂缝方位随时间变化的俯视图

-0.000-0.005-0.010-0.015-0.020-0.02510:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:001.2多层、薄层压裂

对于层状储层的压裂思路有3种：一是采用封隔工具隔开各层实施分层压裂，单独对每层进行设计；二是采用笼统的多层合压技术[1]，假定只产生

󰀫󰀴󰀼󰁇一条裂缝，使用单裂缝的延伸模拟方法进行设计；三是应用多产层同时进行水力压裂的多裂缝数学模

图1裂缝方向逐渐变化图

收稿日期：2008-09-12

作者简介：春兰（1975—），女，工程师，从事油气田开采工作。E-mail：chlanw@163.com。

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y󰀷󰁜󰁈󰀆失易受时间、动力条件、储层性质控制；⑤对储层伤害低，恢复渗透率的能力高达93.3%，可用于低渗、黏土矿物含量高的储层。800󰀵󰀽󰁈󰀆x󰀩󰀍（Cps）700600500400300PH=8.5PH=9.0PH=9.5󰀇󰀑󰀚󰀢󰀬图4重定向裂缝延伸示意图

2001003.05.07.0󰀄󰀉󰀎󰀕󰀮󰀠󰀍(%)9.0型进行模拟设计。1.3多裂缝压裂

多裂缝的存在可能导致出现施工压力高、低砂比砂堵等情况。目前国内外已经建立了许多有效的直接或间接的多裂缝检测手段[2]，检测结果与大量室内实验证实了多裂缝存在的客观事实。多裂缝的形成主要与破裂压力、射孔方式与方位、井斜、裸眼或套管井等有关。为了防治多裂缝的形成，分别从固井质量、射孔方案、射孔段长度、井斜、排量、黏度、支撑剂段塞技术等的一个或多个方面结合现场实例进行了研究[3]。即可以封堵缝宽较小的裂缝，随着井底压力的升高，增大的段塞颗粒可以堵塞较大的裂缝，因而有利于创造主缝。

图5新型清洁压裂液黏度变化图

2.3醇基压裂液

醇基压裂液具有低摩阻、低伤害等特点，见表1。

表1醇基压裂液特点

低摩阻

比水基压裂液摩阻降低了70%，减少了地面施工压力

为二氧化碳泡沫压裂液成本的50%不必急于返排

为油基或者水基压裂液常量的2倍550～3600m的油气井均可破胶后的残留物仅有3%

对不同类型、大小、浓度的支撑剂均可

不需添加杀菌剂甲醇可杀灭细菌

成本低对地层伤害低施工效果明显作业范围广携砂能力强破胶彻底

2

2.1低伤害压裂液（HPF）

新型压裂液

有低滤失特性，减少侵入深度，易于清洗滤饼；③

HPF的特点有：①初始黏度低，低摩阻；②具

3

3.1预固化树脂包层砂（RCP)

该支撑剂采用特殊工艺将改性苯酚甲醛树脂包裹到石英砂的表面上，并经热固处理制成。其特点是：①密度比石英砂略小。②比天然石英砂抗压强度高、导流能力好。对比分析认为：石英砂在闭合压力超过28MPa后，其破碎率大于4％，闭合压力在闭合压力为28MPa下的破碎率小于0.1％，闭合压RCP性能有了大幅提高。3.2纤维防砂支撑剂

增加到41MPa时，渗透率仅为70×10-3μm2，而RCP力增至41MPa时，渗透率仍为150×10-3μm2，可见

新型支撑剂

滤饼为低分子聚合物，对储层伤害低；④与地层物质反应转变成牛顿低黏度流体，对导流能力伤害小；⑤对温度和盐度不敏感；⑥不用破胶剂，较硼酸盐聚合物压裂液的返排效果更好，破胶彻底，对维持压后支撑充填层的导流能力较一般的硼酸盐聚合物压裂液更有优势；⑦对于特定地层，可以循环利用。

2.2新型清洁压裂液（EFAS）

阻；③携砂能力强，压裂液在离子浓度很低的情况下也可以达到高黏度，满足携砂需要（图5）；④滤

EFAS的特点有：①流变性易控制；②低摩

把具有一定柔韧性的纤维物质混在携砂液中同时注入地层，在人工裂缝中形成复合性支撑剂，支

天然气技术／45

第3卷春兰，等：水力压裂技术现状及其进展第1期

撑剂是基体，纤维是增强相。其作用机理是：每根纤维与若干支撑剂颗粒相互接触，通过接触压力和摩擦力相互作用，形成空间网状结构而增强支撑剂的内聚力，从而将支撑剂稳定在原始位置，而流体可以自由通过，达到预防支撑剂回流的目的。3.3热塑膜支撑剂

该支撑剂是热塑性薄膜在低温下提供了一种与砂砾相互作用的柔软表面，有较高的摩阻表面，可减缓支撑剂在生产管线内的滚动；随着温度的升高，薄膜的表面变黏稠，就会把支撑剂黏附在表面形成小的支撑剂团。温度进一步升高，薄膜会发生收缩形成更紧密和更牢固的固结团，这些固结团较单个支撑剂微粒曲线度高，更利于连在一起形成较大的空间，减少了破胶液在支撑剂层中回流时的流动阻力，有利于支撑剂的回流。热塑性薄膜片的特点是与压裂液包括破胶剂和交联剂配伍而不与其他添加剂反应，不影响压裂缝胶的化学性质，并且在油、水、酸液中十分稳定。3.4表面改良支撑剂（SMA）

该支撑剂在压裂施工中作为一种液体添加剂加入水基压裂液中。此添加剂可瞬间用一层薄的、胶粘的非硬化性外壳将支撑剂包住，提高颗粒内摩擦力及裂缝导流能力。其优点是:①增加了裂缝导流能

力并缩短了关井时间；②可使支撑剂表面产生黏性，减少微粒的运移而降低微粒堵塞孔隙喉道的可能；③能极大提高可对充填层造成运移和冲蚀的临界流速，很好地防止回流发生；④SMA活性材料是一种水溶性溶剂聚合物，对人体或环境无危害，且很稳定，在一般井液中很少溶解。3.5可变形支撑剂（DIP）

该支撑剂由树脂和惰性填充物包裹在一起而形成，具有相似的形状和网格分布。这些微粒被泵送到井底后，在一定地应力下是可以变形的；适用于闭合压力为5～50MPa和温度低于185℃的地层条件，其用量一般是支撑剂总量的10％～15％。其工作原理是当DIP均匀地与普通压裂用支撑剂混合后，在一定闭合压力下，由于变形在这种支撑剂的表面会形成一些小的凹陷，这些凹陷有助于稳定周围的支撑剂，这种综合效应将增强整个支撑剂填充层抗流动和压力的能力。DIP的内核具有较好的柔韧性并具有较大的外涂层，所以具有较好的抗腐蚀能力，并且在混和、泵送的过程中以及在较高的地应力下不易被破坏。

3.6超低密度支撑剂（ULW）

该支撑剂主要包括两类：多孔陶粒树脂涂层（ULW-1.75）和树脂浸透并涂层的化学改性胡桃壳

􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌􀤌我国能源价格改革重点锁定天然气

据媒体透露，我国天然气定价机制的趋势是：海内外的天然气出厂价逐渐趋向统一。

我国现今没有一个完整的天然气定价机制。天然气产业链的每一个环节、不同地区都有不同价格。随着多个大型海内外天然气项目的落定，亟须形成一个完整的定价机制。

据业内权威人士表示，从趋势来看，海内外天然气（出厂）价会合二为一。来自国外的LNG、管输天然气价格将继续控制，而产自中国本土的天然气价格有望上调。

中国内地的天然气价格一向偏低。中原油田天然气价现为1.298元/m3，广东大鹏LNG进货价约为1.63元/m3，相比之下海外天然气要贵于国内。

天然气出厂价实现并轨并非易事，各地天然气开发成本不一，加上油价现处于低位，提价不易。若实现海内外统一价，让用户接受的难度也很大。

有专家表示，同样是海外，土库曼的天然气与缅甸的天然气其开采成本就不同。而且此前我国订购的LNG是长期“照付不议”合同价，不太可能修改。由于天然气和石油存在着比价关系，在原油价格大幅下跌的背景下，国内天然气价格上调的空间不大。有学者也对下游用户承受能力表达了同样看法：价格提高后，一些用气单位还可能选择其他替代产品如燃料油、煤炭等，这对于天然气产业的发展并不十分有利。

（信息来源：第一财经日报）

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（ULW-1.25）。ULW无论在体积、相对密度、颗粒强度分析、颗粒沉降、导流能力、流动实验方面都具有其他支撑剂无可比拟的优点。

4.4水力喷射逐层压裂技术

该技术是喷砂射孔技术和加砂压裂技术的结合，优点是利用连续油管连续在一个井筒内压裂多条裂缝，尤其适合直井多层压裂、水平井分段压裂以及薄互层的压裂改造；缩短试油周期；节约射孔费用；不需要封隔器或者桥塞，井下管串简单，出现井下工具复杂的机率小。施工过程是：①喷嘴在压裂层段喷砂，完成射孔；②喷射压力在井底积聚，超过破裂压力后产生裂缝；③喷射压力加上环空压力使裂缝延伸；④环空补充压裂液，保证达到加砂所需排量；⑤施工完一层后，上提油管，继续压裂第二层。

4

4.1清水压裂技术

该技术在压裂施工过程中，当天然裂缝周边岩石在压力超过“启动”压力时，剪切力使裂缝壁面产生“剪切滑移”破坏，两个裂缝粗糙面的滑动和天然微裂缝张开提高了裂缝的渗透率。停泵后，两个粗糙面阻止回到初始位置，于是由剪切产生的裂缝渗透率得到保持，其优点是易形成有一定导流能力的长裂缝，避免冻胶伤害地层，易于返排，有利于延伸已有的天然裂缝或形成相互连通的天然裂缝网，降低施工成本。4.2浮式支撑剂压裂技术

该压裂技术所用的支撑剂密度低于压裂液密度，在压裂裂缝闭合前，支撑剂只填充在产层上部低渗透层，提高产层上部层段的导流能力，达到油气井增产的目的。油气层由于渗透率级差严重，对于油层顶部渗透率低而剩余油饱和度很高、油层底部渗透率相对高且含水高的油层，运用常规压裂技术，支撑剂将填充整个压裂层段，使产水层渗透率更高，压裂后油井含水上升，即使油井总的产液量增加，但最终增油效果差，这类油气藏用浮式支撑剂压裂技术能够取得很好的效果。在裂缝闭合前支撑剂能到达压裂裂缝顶部，支撑剂具备成本相对低廉、相对密度小以及能够提供充足的导流能力。该技术常选择10/40目的胡桃壳作为支撑剂。4.3端部脱砂控缝高压裂技术

该技术利用端部脱砂压裂的原理，在进行正式加砂压裂前，通过端部脱砂方法在压裂裂缝下部形成一个人工应力隔层来控制裂缝向下延伸。实施步骤为：①用几种不同体积的液体模拟没有应力隔层条件下，裂缝垂直延伸的高度，确定不窜通水层的最大用液量；②在端部脱砂泵注前，通过实施一个流体注入压裂测试，确定地层闭合压力、渗透率和流体效率；③对端部脱砂方案和压裂方案进行拟合；④进行端部脱砂控缝高压裂施工。

新工艺技术

5认识与建议

性差、开采难度大、投入产出比高的油气藏，将水力压裂应用于勘探开发此类油气藏，需要改进完善常规压裂工艺技术，注重有机整合储层、液体、支

1）新增石油和天然气储量主要源于丰度低、物

撑剂和工艺技术，从而提高油气井产量和采收率，优化投入产出比。

2）国外在清洁压裂液、低分子压裂液、醇基压

裂液等方面已获得规模应用，而国内大多处于室内跟踪研制阶段。建议今后加强上述三类压裂液的研究与应用。

􀤌量也不稳定，且大多数是常规密度的支撑剂。国外的超低密度且高强度的支撑剂生产技术还未得以引进，建议今后加强超低密度且高强度支撑剂的研究与应用工作。

3）国内获上市许可的支撑剂厂家品种单一，质

以形成有效的储层、液体、支撑剂和工艺技术配套的改造技术。

参考文献

［1］李明志.油气井酸化压裂新技术［M］.北京：石油工业出

版社，2004.

4）对超深井、水平井加砂压裂尚需加强研究，

［2］王求实.现代石油完井工程关键技术实用手册（上册）

［M］.北京：石油工业出版社，2006.

［3］王求实.现代石油完井工程关键技术实用手册（下册）

［M］.北京：石油工业出版社，2006.

（编辑：蒋龙）

天然气技术／47

Thereforeitismoredifficulttodistinguishbetweenoilandgasformations.Gas-bearinginformationintightreservoirscanbeobtainedbywell-loggingdatabasedondifferentphysicalpropertiesofgas,oilandwater.Simultaneously,combinedwithrealapplicationtogasfield,somecharacteristicsofgas-bearinginformationarealsoconcluded.Basedonsomereferences,anewmethodtodeterminegasformationbyporositydifference,whichwastestedbycompensatedsonicandcompensatedneutronwell-logging,hasbeendeveloped.Thismethodischaracterizedbyaneasyandrapidoperationwithlowcost.Anditsapplicationshowsthatadeterminationcoincidencehasbeenraisedby100%.KEYWORDS:low-porosityreservoirs,low-sonicvelocity,low-hydrogenindex,porositydifference,longwellsectioncorrelation

ABSTRACT:Topredictwaterlevelofshallowformationwaterisneededinordertoreduceanairdrillingcycleandloweradrillingcost.Adynamicpredictionmodelofgroundwaterhasbeenconstructedthroughgeneticalgorithm(GA)withback-propagation(BP)neuralnetwork.IthasbeenalsoappliedtothedynamicspredictionofgroundwaterlevelinNortheasternSichuanBasin.Resultsshowthatthemodelisfeaturedbyafastconvergenceandahighforecastingprecisionandissuitableforwater-levelpredictionofshallowformationwaterinthisarea.

KEYWORDS:neuralnetwork,geneticalgorithm,networkmodel,water-levelprediction

PracticalDiscussiononThreeNewDrain-ageGasRecoveryTechniques

OptimizingWellboreStructureofCom-plexDeepWellsinNortheasternSichuanBasin

ByWUJian-zhong,LIQiang,WANGBo

ABSTRACT:NortheasternSichuanBasinhascomplexgeologicconditionsandhigh-steepformations.ItsgeologiccharacteristicsoftenincludethedeepwellswithHT/HPandhigh-sulfurcontentalongwiththemultiplepressureswithawiderangeexistingatthesameopenholeinterval.Atpresent,someconventionalbit-casingprogramsandwellborestructuredesignarenotavailableforcomplexgeologicsettingofdeepwells.Howtooptimizewellborestructureisanoutstandingproblemindrilling.Therefore,onthebasisofanalyzingtheapplicationofcasingprogramsathomeandabroadandthedifficultiesofdrillingtechnologyaccordingtogeologicfeatures,referringtocurrentproducingsituationsofbitandcasing,combiningwithcasestudy,thewellborestructureofcomplexdeepwellswithmarinefaciesinNortheasternSichuanBasinhasbeenoptimized.

KEYWORDS:NortheasternSichuanBasin,high-steepstructure,wellborestructureofdeepwells,casingprogram

ByBAIShu-qiang,XUXing-en,ZHAOJian-guang,LIUAn-qi,WEINa,LIYue-qin

ABSTRACT:Mostgasreservoirsintheworldbelongtoclosedandelasticwater-floodingreservoirs.So,thereexistsmoreorlessformationwaterintheirdevelopment.Gasoutputwilldecreaseandwhat'smoretheformationwillbepollutedanddamagedgreatlyifproducedwaterisnotdischargedintime.So,bothrapidunloadingandeffectiverecoveringareimportanttostabilizewellproductivityanddevelopeffectively.Inrecentyears,petroleumengineershavedevelopedaseriesofnewdrainagegasrecoverytechniques,suchasgas-acceleratingpump,continuouspiggas-liftandpartialplungergas-lift.Eventuallytheprinciples,application,advantageanddisadvantageofnewtechniqueshavealsocomparedanddiscussedbasedonseveraldevelopmentexamples.

KEYWORDS:drainagegasrecovery,newtechnique,recovery

HydraulicFracturingTechnologiesandTheirDevelopmentTrend

ByCHUNLan,HEXiao,XIANGBin,FUHao,WEIWen-xing,LILi

ABSTRACT:Inthispaper,aresearchonrefracturing,multiplethin-layerfracturingandmultiple-crackfracturingathomeandabroadispresented;moreover,3newfracturingfluids,6newproppantsand4newfracturingtechnologiesincludingwater-fracturing,floatingproppantfracturing,fracturingofendsandoutandfractureheightcontrol,hydrojetfracturinglayerbylayerarealsoillustrated.It’snecessarytoimproveconventionalfracturingtechnologiesandtointegratereservoir,fluid,proppantandthetechnologiesinordertoincreaseproductivityandrecoveryforoilandgaswells.Suggestionsontheproppantwithultra-lowdensityandhighstrengthaswellasthesandfracturingofultra-deepandhorizontalwellsarealsoproposed.

KEYWORDS:hydraulicfracturing,fracturingfluid,proppant,technology

ApplicationofAirscrewDrillingToolsandTheirImprovementSuggestions

ByXUPeng,YUANQi-ji,LIJie

ABSTRACT:Inthispaper,bothbasicstructureandsomefeaturesofnewairscrewdrillingtoolsarepresented,andtheirapplicationisalsothoroughlyanalyzed.Finally,somesuggestionsaremadeaccordingtotoolsproblemsexistingintheirtechnologyanduse.

KEYWORDS:airdrilling，airscrewdrillingtools,application,developmenttrend，directional，drilling

AnalyzingandTestingAutosynchronousVibrationScreenwithMultiple-motorVibrator

PredictingWaterlevelofShallowForma-tionWaterduringAirDrillinginNorth-easternSichuanBasin

ByLIJie,YUANQi-ji,LIZhen-xiang,ZHAIFang-fang,YANGGuo-tao

ByXUQian,WANGShou-wei,ZHANGMing-hong

ABSTRACT:Stableconditionofautosynchronousandsynchronousstatesforvibratorwithmultiplemotorshasbeenderivedfromatheoricalstudy.Furthermore,theconditionhasalsobeentestedbyexperiments.Theresultsshowtherearedifferentmovementtrajectoriesforvibrationscreenbydifferentlyinstallingthemotors;andthescreenwithmultiple-motorvibratormayrotatebyanautosynchronouswaysolongasthescreenmeetstherequirementsofautosynchronousrotationorstablerotation.TheaboveresultshavebeenappliedtothedesignanddevelopmentfornewXJSD-1vibrationscreen.

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