水力压裂监督中亚石油lfj.ppt
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1、水力压裂技术监督与管理,中亚石油有限公司 2013年4月,水力压裂技术监督与管理,第一节 水力压裂基本原理 第二节 水力压裂作业地面流程与设备 第三节 水力压裂工具 第四节 压裂液及其质量检测 第五节 支撑剂及其质量检测 第六节 水力压裂现场施工及质量监督 第七节 水力压裂作业安全规定,第一节 水力压裂基本原理,一、水力压裂技术的发展概述 二、水力压裂技术的增产机理 三、水力压裂技术的造缝机理 四、水力压裂技术的施工方法,一、水力压裂技术的发展概述,基本定位: 水力压裂技术是油(气)藏增产增注的重要措施。 工艺方法: 通过高压泵组将压裂液以大大超过地层吸收能力的排量注入,在井底附近憋起超过井壁
2、附近地应力及岩石抗张强度的压力后,使地层形成人工水力裂缝,随后将带有支撑剂的携砂液注入人工裂缝中。 由于在地层中形成了足 够长度、一定宽度及高度的 人工填砂裂缝,并且具有很 高的导流能力,使油(气)流能 够畅通入井,起到增产增注的 目的。,1940-1970:小规模(型)压裂技术-第一代压裂技术 特点: 支撑剂加入量较小,一般在10m3左右 针对性及作用: 储层近井地带 解除污染和堵塞 1970-1980:中型压裂技术-第二代压裂技术 特点: 支撑剂加入量增加 针对性及作用: 低渗透油层 提高导流能力 1980-1990:中高含水油田压裂技术-第三代压裂技术 特点: 在中高含水油层中进行重复压
3、裂 针对性及作用: 高含水储层 调整油水运动规律、实现控水稳油,1 、水力压裂技术的产生,岩石力学参数的测试 -裂缝形态、产状、方位的认识及过程; 压裂设计及监测技术的完善 -模拟水力裂缝的模型应用:二维到三维裂缝模型 -人工裂缝监测技术的改善:数字化设备 压裂材料的开发 -高粘压裂液的应用:线性胶到交联冻胶压裂液 -支撑剂的改进:高密度、高强度支撑剂的应用 -压裂液流变学研究:流变仪与动态模拟实验装置 -压裂液化学发展的新进展 新型压裂技术的应用 -大规模压裂技术 -开发压裂技术 -特殊井压裂技术,2 、水力压裂关键技术的发展,3 、水力压裂技术热点研究及发展趋势,研制与开发新型压裂材料 新
4、型压裂液体系,(如低伤害压裂液 重质压裂液等) 高质量(高强度 低密度 低价格)人造支撑剂等 研制与开发井下数据采集系统 实时传输井下压力 井下流量 流体流变参数等 -高度精密的数据监测与解释技术 研制与开发大型压裂技术及相应的硬件设备 研制与开发特殊类型油(气)井压裂工艺 深井 超深井 水平井 斜度井等 -压裂配套工艺技术,(1)热点研究,(2)发展趋势,单井压裂,油藏开发压裂,单井压裂与油藏开发压裂的区别,研究对象: 单井 油藏(以低渗透为主) 目标函数: 最大产量和净现值 最大产量、净现值和采收率 研究结果: 裂缝特性和施工参数 井网型式下的裂缝特性和施工参数,单井 整体改选,二、水力压
5、裂技术的增产机理,水力压裂技术的四大功能: 沟通储层 解除污染 改变流态 提高导流能力,黑箭头表示油气流动路径,无裂缝的油气径向流动,有裂缝后油气流动变成“线性” 流动,含油气的多孔储层岩石,水力裂缝,三、水力压裂技术的造缝机理,形态 方位 几何尺寸,及时准确的了解人工裂缝的形成条件、人工裂缝形态、方向对有效地发挥压裂技术十分重要。 在地层中形成人工裂缝的条件与地应力及其分布、岩石力学性质、压裂液性质、注入方式等都有密切关系。,人工裂缝,水力压裂施工过程中,产生,在现场压裂施工过程中很少有绝对的水平或垂直裂缝产生。 主要原因是由于三向应力的相对大小造成的,在大多数情况下会产生不同程度的偏离水平
6、或垂直方向的高角度裂缝。,高角度水平裂缝,高角度垂直裂缝,(一)如何判断水力裂缝形态,1、岩石力学测试法 通过取岩心对三向应力值进行测试,这是最科学、最准确的判断方法。一般情况下油田在勘探开发初期阶段都会不同程度地进行三向应力测试。 (区块 层位 井数及工作量) 2、现场经验法(中亚石油产生垂直裂缝) (1)深度 储层深度低于700m产生水平裂缝,超过800m产生垂直裂缝,700-800m两种情况都有可能。这只是一种统计经验,每个地区情况会有所不同,有时差异还较大。 (2)破裂压力梯度 破裂压力梯度小于0.018MPa/1000m产生垂直裂缝,大于0.023MPa/1000m产生水平裂缝,0.
7、018-0.023MPa/1000m两种情况都有可能。这也是一种统计经验,每个地区甚至每口井因其它因素的影响会有所不同。,(二)如何判断水力压裂的裂缝方位,微地震方法 测斜仪方法 电阻率方法 生产动态方法,(三)水力压裂施工方式,1、油管注入 (1)优点:有利于保护套管 在高流速下能减少或避免在井筒内脱砂 便于分层压裂 井下作业简单方便。 (2)缺点:沿程摩阻高,增加地面泵压,消耗大部分设备功率 要求井下管柱的钢级、抗拉强度、抗内压、抗外挤等性能。 (3)注意事项: 浅井或中深井的常规普通压裂,一般选用2 1/2 油管; 对于破裂压力较高的井层或在深层压裂,选用3 或以上油管;,”,”,2、油
8、套环空注入/油套混合注入 (1)优点:沿程摩阻小,地面泵压低,泵注排量大,在相同的地层 条件下,同一排量可节约设备功率,降低施工成本。 (2)缺点:套管的每一部分均需要承受最高的施工压力,因此,泵 注排量的极限与地面泵压的极限取决于套管允许的抗内 压强度。 (3)注意事项 对压裂投产或压裂开发的低渗透油气藏,在完井作业中必须考虑套管的尺寸、规范、抗内压强度以及组合,满足日后压裂施工的要求; 压裂设计必须以套管抗内压强度来选择排量、确定地面压力。,(三)水力压裂施工方式,四、水力压裂技术的施工方法,常规压裂 封隔器分层压裂 投球法分层压裂 限流法分层压裂,(二)封隔器分层压裂工艺,1、单封单卡分
9、层压裂工艺 2、双封卡单层分层压裂工艺 3、封隔器+桥塞分层压裂工艺 4、封隔器+填砂分层压裂工艺 5、多级封隔器打滑套分层压裂工艺,特点: 管柱结构简单,施工安全,不易砂卡; 适用条件: 各类油气层,特别是深井和大型压裂井; 注意事项: 水力锚的啮合力必须大于施工时作用于 封隔器上的上顶力,以免顶弯油管; 施工时作用于封隔器上下的压差必须 小于封隔器允许的最大压差; 注意事项: 如果使用压差式(扩张式)封隔器时,管柱底部必须是缩径管,以造成压差使封隔器胀封,单封单卡分层压裂工艺,1、单封单卡分层压裂工艺,油管,缩径管( 喇叭口),开层,水力锚,封隔器,目的层,套管,双封卡单层分层压裂工艺,特
10、点: 控制压裂层位准确、可靠; 适用条件: 各类需要进行分层压裂改造的油气层; 注意事项: 施工中两个封隔器之间拉力较大,对深井和破裂压力高的地层注意使用; 下封隔器距下射孔底界距离越短越好,一般情况下应小于1m; 喷砂器应紧接于下封隔器上部,以免施工时封隔器上形成沉砂; 起管柱前,应先反循环将下封隔器上部 沉砂冲净,起管柱时,应先上下活动, 控制上提速度。,2 、双封卡单层分层压裂工艺,上封,喷砂器,下封,丝堵,封隔器+桥塞分层压裂工艺,特点: 控制压裂层段准确; 降低双封卡井风险; 可以采用欠顶替工艺。 适用条件: 深井及多层段井分层压裂; 注意事项: 施工工艺较复杂,压裂前需先下入桥塞,
11、 压裂后需打捞或 钻掉桥塞; 施工时,桥塞上下压差不能超过允许的最 大压差; 水力锚的啮合力必须大于施工时作用于封 隔器的上顶力; 打捞桥塞前先将桥塞上沉砂冲净; 捞桥塞后,起管柱时应先上下活动将桥塞解封,卡瓦收回,再慢慢上起,不行猛提。,3 、封隔器+桥塞分层压裂工艺,桥塞,封隔器+填砂分层压裂工艺,特点: 控制压裂层段准确 降低双封卡井风险 可以采用欠顶替工艺 适用条件: 中深井 注意事项: 压裂前需先进行准确的填砂作 业; 为保证填砂封堵性,一般选择粉砂,或在 砂面上再进行注灰塞作业。,4 、封隔器+填砂分层压裂工艺,灰面,填砂,特点: 不动管柱、不压井、不放喷, 一 次施工多层分压;
12、适用条件: 多层多段压裂井 注意事项: 管柱结构复杂 施工完后立即起管柱;,5 、多级滑套封隔器分层压裂工艺,多级滑套封隔器分层压裂工艺,(三)投球法分层压裂工艺,特点: 压裂的层段一次射开 利用各层间破裂压力不同,先压开破裂压力较低的层段加砂,然后在注顶替液时投入堵球,将射孔孔眼暂时堵塞,再提高压力压开破裂压力较高的层段。 适用条件: 多层薄层,机械封隔器很难隔开 注意事项: 套管抗内压强度要足够大 封堵球质量要好。,特点: 一次射开所有欲改造的目的层; 不动管柱一次施工压裂改造多层 适用条件: 中深井 薄层多层,机械封隔器很难分层 注意事项: 射孔孔眼数和确定是关键; 施工排量尽可能大;
13、套管抗内压满足施工要求.,(四)限流法分层压裂工艺 (施工排量尽可能的要大),限流法分层压裂工艺,1 、限流法压裂工艺要点,2 、限流法压裂设计方法与步骤,第二节 水力压裂作业地面流程与设备,一、水力压裂作业地面流程 二、水力压裂施工设备,一、水力压裂作业地面流程(平衡液),集中摆放 罐车集中摆放在井场最外边,罐车之间保持一定距离,低压部分,长龙摆放 大罐与低压管汇之间采用4钢丝胶管、油壬联接 低压管汇与混砂车之间距离9-15m,上液管3-8条、4钢丝胶管油壬联接 混砂车与高压管汇低压端距离4-8m,供液管为4钢丝胶管,油壬联接 联接处不得有滴、漏、刺,钢丝管不得有变形,冬季随上锅炉车, 注意
14、大罐、阀门、伸出弯头保温,一、水力压裂作业地面流程,高压部分,高压管汇至井口距离大于9m,小于50m,每10m用一地锚加固,井口 要用4条钢丝绳加固,不得与修井架连接 1.2-1.5倍的预测施工压力试压,5min不刺不漏、压力不降为合格 仪表车停在砂罐车靠近井口的一面,易于通观施工场地 高压管汇管与各压裂车的连接部分必须装有单流阀,单流阀的布置 尽量左右对称,使高压管汇受力均匀,减轻震动,一、水力压裂作业地面流程,1 、泵 车,发动机,压裂泵,传动箱,运载车,仪表监控系统,液气控制系统,二、水力压裂施工设备,2 、混 砂 车,运载车,发动机,仪表监控系统,液气控制系统,管汇系统,输砂系统,发动
15、机,分动箱,排出砂泵,离合器,油泵,油泵,输砂,油泵,输砂,油泵,油泵,油泵,搅拌,吸入砂泵,泵,油,分开油缸,起升油缸,冷却风扇,干添系统,1号液添,2号液添,混砂车传动路线图,3 、仪 表 车,4 、管 汇 车,管汇车是配合压裂机组作业的一种辅助设备。整机分为底盘车、高压管汇、低压管汇、备用高压管汇、随车吊五个部分。,5 、运 砂 车,运砂量:8、10、12、14m3 砂斗采用液压缸升降,可手动或自动,6 、现场常用压裂设备及性能指标,(1)SS压裂车组 (1)1000型 (2) 2000型 (2)HALLIBURTON压裂车 (1)1800型 (3)四机厂2000型压裂车组 (4)混砂车
16、 (1) SS型1000型 (2) SS型2000型 (3) HALLIBURTON1800型 (4) 第四石油机械厂2000型,SS1000型压裂车作业参数表,HALLIBURTON1800型压裂车作业参数表,SS1000型混砂车,(1)吸入系统 吸入管口径:100mm;吸入接头数:8个,带蝶阀; 吸入泵类型:离心式砂泵;排出压力:552KPa。 (2)排出系统 排出管口径:100mm;排出接头数:8个,带蝶阀; 排出泵类型:离心式砂泵;排出压力:552KPa; 流量计:6、8哈里伯顿电传感式涡轮流量计各一套 密度计:射线式,量程0-9.07kg/L (3)比例混合系统 输砂方式:机械螺旋;
17、输砂器数量:2套;最大输砂量:5.67m3/min; 最大转数:340r/min;砂斗高度:0.9m; 干粉添加:2套,机械螺旋,排量0-45.3、0-90.7kg/min 液体添加:3套,液动齿轮泵,排量0-100、1-300、0-500L/min,第三节 水力压裂工具,井下压裂封隔器 轻便压裂井口 千型压裂井口 压裂井口保护器,Y,2,2,1,110,钢体最大外径 110mm,解封方式 为提放管柱解封,座封方式为转动管柱座封,支撑方式为单向卡瓦,压缩式封隔器,如: Y系列封隔器表示方法,(一)井下压裂封隔器,利用机械封隔器进行分层压裂改造是目前油田矿场上广泛应用的方法之一,石油天然气行业标
18、准 SY/5105-86 中规定了封隔器型号及使用方法。,(二)轻便压裂井口,工作压力:70MPa 通 径:50/60mm 重 量:207kg 联接扣型: Tr53/83.5扣/吋接压裂管线 27/8 UP TBG接油管挂 27/8TBG按放空管线 压盘尺寸可与250型采油井口大四通配套 井口重量轻,搬运方便,现场不需要要吊车 井口可与现场使用的250型采油井口配套,(三)千型压裂井口,第四节 压裂液及其质量检测,一、压裂液概述 二、水基冻胶压裂液组成与性能检测 三、压裂液的配制与质量控制,一、压裂液概述,1、按配液材料和液体性质分类 水基压裂液 油基压裂液 乳化压裂液 泡沫压裂液 醇基压裂液
19、,2、按耐温性能分类 低温压裂液(120 ),3、按压裂作业中不同工艺作用分类 预前置液 作用:对非常规储层进行压前处理 要求:具有一定特殊性,如防膨,降低地层温度,预造缝等。 前置液 作用:造缝 降温 减少携砂液滤失 要求:一定粘度 足够用量 携砂液 作用:将支撑剂代入裂缝 继续扩张裂缝 冷却地层 要求:粘度高 携砂能力强 顶替液 作用:中间顶替液 尾注顶替液 要求:用量适当,采油工程手册:,二、水基冻胶压裂液的组成与性能检测,1 、压裂液特点 施工安全,不会引起火灾及其它事故 最大限度减少或降低储层伤害及地面环境污染 成本低, 货源广,(1)稠化剂 (2)交联剂 (3)破胶剂,2 、水基压
20、裂液的组成,(4)降滤失剂 (5)粘土稳定剂 (6)表面活性剂 (7)温度稳定剂 (8)PH值调节剂 (9)杀菌剂 (10)润湿剂 (11)降阻剂,主液部分,辅助部分,(1)稠化剂 是水基压裂液的主剂,用以提高水溶液的粘度,降低液体滤失,悬浮和携带支撑剂. 国内普遍使用的是胍胶、羟丙基胍胶(HPG),占总使用量的90%以上,一般使用浓度为0.3-0.6%。,常用压裂液稠化剂性能标准,(2)交联剂 是能与聚合物线型大分子链形成新的化学键,使其联结成网状体型结构的化学剂。聚合物水溶液因交联作用形成水冻胶。 硼砂 化学名称为十水合四硼酸钠(Na2B4O710H2O) 优点: 清洁无毒,破胶彻底,对储
21、层伤害小; 无机硼: 缺点: 交联速度快,耐温低,一般在70以下。 优点: 耐温高,可达到180,且能延迟交联 缺点: 破胶不彻底,容易对地层造成伤害 有机硼 有机硼是用特定有机络合基团(如乙二醛等) 有机硼交联压裂液具有延迟交联、温度范围宽(71-150)和自动破胶三大特性,克服了无机硼交联压裂液耐温差、交联快的不足缺点。 特殊类型交联剂,如酸性(BCL-81),有机锆 有机钛类等, 适用于特殊类型储层,如气井,敏感性储层。,(4)降滤失剂 降滤失剂主要用来增强压裂液造壁性能,降低液体滤失量,提高液体效率。 现场常用的降滤失剂有:乳液、油溶性树脂、硅粉、粉砂等。 在控制压裂液初滤失方面的优先
22、顺序是: 硅粉粉砂油溶性树脂乳液; 在控制压裂液造壁滤失方面的优先顺序是: 乳液硅粉粉砂油溶性树脂。,(5)粘土稳定剂(kcl) 使用水基压裂液会引起粘土沉积、颗粒膨胀和迁移。同时,水基压裂液以碱性交联为主,滤液存在较强的碱性(PH一般为8-10),对粘土的分散、运移有很大的影响。压裂液以小分子水溶性滤液进入孔隙,对储层的伤害通常是水敏性和碱敏性叠加作用的结果。 KCL是现场最常用的压裂液粘土稳定剂,使用浓度一般为1.0-2.0%。 聚合物粘土稳定剂是阳离子型的高分子聚合物,因其吸附牢固耐冲刷而对于注水井是良好的长效粘土稳定剂。但对于压裂井,不存在类似注水井的长期冲刷,特别是压裂井往往渗透率低
23、且很容易被阳离子聚合物堵塞,因而一般不建议在压裂液中使用。,(6)表面活性剂(降低油水界面张力) 水基压裂液中的表面活性剂通常用于压后助排、防乳破乳作用,有时也用作配制压裂液时的消泡剂。 对于气井,助排剂只要起到降低表面张力的作用即可,但对于油井,选择的助排剂除降低表面张力外,更主要的是降低油水界面张力。 压裂液破乳剂应能在储层温度下保持其表面活性,并且在与储层岩石接触时不易因吸附作用而从溶液中分解出来。由于破乳效果与原油性质有直接关系,因此选用破乳剂时,在考虑与压裂液配伍的条件下,一定要用本井原油进行实验。,(7)温度稳定剂 用来增强水溶性高分子胶液的耐温能力,满足高温储层、不同施工时间对压
24、裂液的粘度与时间的稳定性要求。 冻胶压裂液的耐温性主要取决于交联剂、增稠剂品种以及体系中各添加剂的合理搭配,温度稳定剂仅为辅剂。 常用的温度稳定剂: TA-8,(8)PH值调节剂(碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、醋酸、柠檬酸) 在水基压裂液中,通常用PH值调节剂(也称缓冲剂)控制稠化剂水合增粘速度、交联剂所需的PH值范围和交联时间以及控制细菌的生长。 在基液的配制过程中,PH值太低,稠化剂水合速度快,在其表面形成一层水化膜,抑制内部的高分子溶胀,即会形成“鱼眼”,因此,在配液过程中,通过PH值调节剂,首先使溶液保持弱碱性,稠化剂处于完全分散状态;再调节至弱酸性,使其水合增粘,减少“鱼眼”,充分溶胀
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