石油開發(fā)中體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用

高娟 張新印 郭振華 于昕冬 孟杰 李鑫

延長(zhǎng)油田股份有限公司七里村采油廠 陜西 延安 717199

隨著科技的發(fā)展，石油開采領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)更為精確的規(guī)劃，隨著油田體積壓裂技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也越來(lái)越成熟。在當(dāng)前的能源領(lǐng)域，石油的地位越來(lái)越高，在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)石油的需求量也越來(lái)越大。目前的油氣資源狀況，對(duì)油田公司提出了更高的要求，即要確保原油的品質(zhì)，提高原油的采收率。將體積壓裂技術(shù)應(yīng)用到油田開發(fā)中，對(duì)油田開發(fā)技術(shù)的升級(jí)與提升具有重要意義。

1 體積壓裂技術(shù)概述

體積壓裂技術(shù)的工作原理如下：自然裂縫在水力壓裂施工中不斷擴(kuò)展，在脆性巖體內(nèi)造成剪切滑動(dòng)，由此形成人造裂隙，天然裂隙和人造裂隙的交匯，構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大了改造面積，增加初始產(chǎn)能和后期原油的采收率。實(shí)踐表明，體積壓裂技術(shù)在油田開發(fā)中的應(yīng)用是十分有效的。近年來(lái)，由于壓裂工藝的革新與發(fā)展，使國(guó)內(nèi)原油產(chǎn)量逐年增加。在過(guò)去的10多年里，我國(guó)油田采用壓裂工藝的次數(shù)超過(guò)了10萬(wàn)次，同時(shí)，原油產(chǎn)量也在逐年上升。在以往的油田工作中，其工作重點(diǎn)是開發(fā)一類、二類油藏，現(xiàn)在，油藏已經(jīng)從原來(lái)的油藏過(guò)渡到了三類、四類，所以，常規(guī)的壓裂技術(shù)已不能滿足目前的生產(chǎn)要求，要想增加油田的單井生產(chǎn)，必須對(duì)原有的采油工藝進(jìn)行改革，而采用致密油體壓裂技術(shù)，則能較好地解決這一難題，根據(jù)不同的低滲透油藏的滲透率，研發(fā)適用范圍更廣的體積壓裂技術(shù)，采用斜井多級(jí)壓裂、多級(jí)水力射流壓裂等技術(shù)進(jìn)行采油[1]。

2 石油開發(fā)中體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 創(chuàng)設(shè)良好的開采條件

在特低滲透油田的采掘中，因?yàn)榈乇韺?duì)油田的影響很大，所以采掘工人在采掘時(shí)一般都采用叢式井，當(dāng)油井傾角超過(guò)15°時(shí)，這是很好的采掘條件。采掘人員要根據(jù)有利的井眼、井斜等情況，對(duì)有關(guān)的壓裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)射孔進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從而為區(qū)分多條裂縫的壓裂創(chuàng)造有利條件。采用多縫組合壓裂技術(shù)，可以保證儲(chǔ)層中各裂縫相互獨(dú)立、相互平行，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。另外，由于實(shí)施多縫壓裂時(shí)油井傾角非常合理，因此在油田中不會(huì)出現(xiàn)壓串、分壓的現(xiàn)象。

2.2 控制體積壓裂的效果

當(dāng)油氣田中存在著大量裂縫時(shí)，將嚴(yán)重制約著油氣田的開發(fā)與安全。為了保證油氣田開采的順利進(jìn)行，需要在大變形條件下采用這種方法。如果單井品質(zhì)非常好，而且?jiàn)A層很薄，射孔孔徑很大，那么最好是用油套混合注水層來(lái)壓裂，以達(dá)到理想的采油效果。在單井中，2個(gè)壓裂段之間的間距過(guò)大，將影響壓裂的精確度。只有采用雙縫法，才能提高壓裂的精度。對(duì)于物理性質(zhì)差異很大的壓力層，采用投球分壓的方法，不僅可以提高施工效率，還可以提高施工安全系數(shù)。此外，在采用體積壓裂技術(shù)時(shí)，若存在某些不利因素（井底質(zhì)量差、套筒不全、壓力大等），可采用封口壓裂法，以提高開采質(zhì)量。

2.3 實(shí)現(xiàn)體積壓裂技術(shù)開采條件的優(yōu)化

在采用體積壓裂技術(shù)開發(fā)特低滲透油氣田時(shí)，按照各自的實(shí)際情況，要采取多種措施進(jìn)行油井生產(chǎn)環(huán)境優(yōu)化，從而達(dá)到提高采礦質(zhì)量和采礦效率的目的。在開采過(guò)程中，如果油氣田的密度較小，這樣就可以通過(guò)對(duì)支撐劑、壓裂液、壓裂預(yù)注液等進(jìn)行優(yōu)化處理，來(lái)提高油層的強(qiáng)度。在開采過(guò)程中，如果采用風(fēng)度破膠技術(shù)，則需要考慮壓裂地段的地質(zhì)情況、底層液體所能承受的最高溫度等因素，如果壓裂地段的地質(zhì)情況不太理想，或者底層液體不能長(zhǎng)期滯留，則可以提高破膠劑的用量，從而對(duì)開采條件進(jìn)行優(yōu)化。此外，支撐壓裂改造技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以快速溶解壓裂液殘余（濾餅），還可以打破凍膠結(jié)構(gòu)和分子鏈構(gòu)型，從而達(dá)到破膠排液目的，并達(dá)到裂縫內(nèi)液體導(dǎo)引的目的。

3 影響體積壓裂技術(shù)實(shí)施的因素

3.1 體積壓裂的地層條件

在進(jìn)行體積壓裂的過(guò)程中，地層條件是一個(gè)很大的影響因素，在油田開發(fā)工程中應(yīng)用體積壓裂技術(shù)時(shí)，要求工作環(huán)境為地下油氣藏有一定數(shù)量的天然裂縫，只有在保證油藏存在一定數(shù)的天然裂縫的情況下，才能進(jìn)行開發(fā)，只有這樣，才能將體積壓裂技術(shù)應(yīng)用到建筑工程中，才能為體積壓裂工藝的實(shí)施提供一定的空間保障，以提高技術(shù)的執(zhí)行效率。就地層條件而言，其天然裂縫的地理位置與最小地應(yīng)力方向相吻合，在此種情形下，受壓后產(chǎn)生的裂口與天然裂口的走向相垂直，兩者之間的相互影響，很容易造成一種相互交錯(cuò)的裂口，對(duì)地層狀況有多種影響[2]。

3.2 體積壓裂巖層具有較弱親水性

在油田開發(fā)中應(yīng)用于體積壓裂巖，所需建造的地下巖層具有弱親水因子，由于在施工時(shí)會(huì)用到壓裂液，因此，在施工時(shí)必須借助一定的壓力來(lái)對(duì)地層起到一定的效果，協(xié)助地層被擠壓，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，再用支撐劑來(lái)支撐地層裂縫，在這種作用力下，施工組使用的是壓裂液。由于壓裂液是在巖層中自由流動(dòng)的，因此，為了防止巖層吸收太多的水分，必須在地下開采出一種具有弱親水性質(zhì)的巖石，這樣才能讓注入的壓裂液發(fā)揮出最大的效果，促進(jìn)體積壓裂的成功。因此，在地下開采出的壓裂巖石，必須要有弱親水性質(zhì)，這樣才能節(jié)省液壓液，降低工程建設(shè)的成本，同時(shí)，也要保證在施工過(guò)程中，液壓液的使用比例有一定的穩(wěn)定度，促進(jìn)工程的順利進(jìn)行。

3.3 體積壓裂技術(shù)的適用范圍

對(duì)體積裂解法適用范圍的把握，可以使體積壓裂技術(shù)在石油開發(fā)中的應(yīng)用更加成功，并非所有的技術(shù)都具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和實(shí)用性，它們至少在某個(gè)領(lǐng)域具有某些優(yōu)點(diǎn)，這一點(diǎn)也可以應(yīng)用到石油開發(fā)的體積壓裂技術(shù)上。因此，要想更好地改善體積壓裂的使用效果，把握其技術(shù)特征，就必須考慮其適用范圍。這樣，就可以確保在施工過(guò)程中，對(duì)地下巖層進(jìn)行解封，對(duì)裂縫的影響，都是在施工隊(duì)的掌控之下。在對(duì)石油開發(fā)的體積壓裂技術(shù)進(jìn)行研究和實(shí)踐的過(guò)程中，為確保壓裂效果能夠得到有效的提升，在使用該技術(shù)時(shí)，必須對(duì)油藏情況進(jìn)行全面的考慮，對(duì)石油開發(fā)地下的原材料儲(chǔ)存層的情況進(jìn)行一些數(shù)據(jù)化的認(rèn)識(shí)和分析。在此基礎(chǔ)上，可有效地消除多個(gè)層生裂隙的交互作用對(duì)縫網(wǎng)體系的影響。在進(jìn)行體積壓裂改造的前提下，必須強(qiáng)化對(duì)儲(chǔ)集層內(nèi)不同層生裂縫之間相互交錯(cuò)、相互影響，從而形成縫網(wǎng)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。與基巖裂縫相比，天然裂縫體系在油藏改造中具有明顯的優(yōu)越性，其內(nèi)部既可能存在原生裂縫，也可能存在二次裂縫，從而提高了復(fù)合裂縫形成的概率，可以進(jìn)行大規(guī)模的改造。通過(guò)對(duì)天然裂縫發(fā)育情況的調(diào)查，并對(duì)大面積積壓裂法應(yīng)用的可行性進(jìn)行研究，能夠確保技術(shù)革新的針對(duì)性與科學(xué)性，從而對(duì)體積壓裂技術(shù)的適用范圍有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，有助于將體積壓裂技術(shù)應(yīng)用于石油開發(fā)。

4 體積壓裂技術(shù)在石油開發(fā)中的應(yīng)用

4.1 裂縫封堵壓裂技術(shù)

裂縫封閉技術(shù)有縫內(nèi)封閉和縫外封閉2種。“縫中封閉”和“端部脫砂”壓裂工藝的核心原理是相似的，都是用某種程度的封閉來(lái)提高縫面的凈壓。而縫內(nèi)封閉則更側(cè)重于微觀層面，由于天然裂縫發(fā)育，在壓裂過(guò)程中，往往形成多個(gè)縫且縫間相互影響，導(dǎo)致縫隙變窄，這不僅不利于加砂壓裂，而且對(duì)支撐劑粒徑提出了更高的要求，還會(huì)加劇流體的滲透。

北美頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中，近50%的儲(chǔ)層不能有效利用，29%的儲(chǔ)層低效，21%的儲(chǔ)層對(duì)儲(chǔ)層的儲(chǔ)層有21%的貢獻(xiàn)。在整個(gè)穿孔過(guò)程中，有效穿孔聚類所占的比重在20%～40%之間。縫口暫堵壓裂技術(shù)是封閉高流體流動(dòng)通道，增大井底凈壓，強(qiáng)制不打開或打開度不夠的聚集區(qū)打開，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層與儲(chǔ)層的有效接觸，進(jìn)而提高儲(chǔ)層的產(chǎn)能和采收率。

4.2 中途停泵壓裂技術(shù)

在體積改造過(guò)程中，由于采用了滑溜水，大排量，低砂比的壓裂方法，因此，裂紋的開始和擴(kuò)展是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)狀裂紋形狀，液體流動(dòng)通道比較容易形成，在多次停泵之后，重新啟動(dòng)水泵并不是什么難事，同時(shí)裂隙的再起、再擴(kuò)展比較容易，更容易轉(zhuǎn)變方向，形成復(fù)合裂隙，效果較好。中途停泵可分為“加砂-停泵-加砂”和“加砂-暫堵-加砂”2種方式，加砂-暫堵-補(bǔ)砂是在實(shí)際應(yīng)用中的一種方式。

“加砂-停泵-加砂”半停泵壓裂法，即對(duì)現(xiàn)有的油層進(jìn)行一次壓裂，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的停泵，再進(jìn)行第二次壓裂，在單層未完全完工之前，可進(jìn)行多次停泵[3]。這種方法可以很好地運(yùn)用縫間干涉原理來(lái)構(gòu)造復(fù)雜的裂縫。若多次停泵、起泵導(dǎo)致已注水的油藏應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化（應(yīng)力重新取向），則后續(xù)壓裂所生成的裂縫與首次壓裂所生成的裂縫不同，將在新的部位、新的方向上起裂，進(jìn)而在原裂縫、誘發(fā)裂縫、天然裂縫、層理等因素的綜合“作用”下，構(gòu)成復(fù)合縫網(wǎng)，獲得更佳的改造效果。當(dāng)應(yīng)力變化不大時(shí)，支撐劑能在一次壓裂后所形成的砂橋上持續(xù)沉淀或擴(kuò)展，從而大幅度提高支撐劑的導(dǎo)流能力，進(jìn)而提高壓裂效果。

4.3 分簇射孔壓裂技術(shù)

分簇射孔是油藏開發(fā)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，也是油藏開發(fā)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，也是目前油藏開發(fā)中的主要技術(shù)。使用的是射孔槍和橋塞，使用的是一根管子或者一根纜繩，當(dāng)工具下降到一定深度時(shí)，點(diǎn)燃橋塞，將其固定好，扔掉，抬起射孔槍，對(duì)著第一個(gè)射孔段點(diǎn)火，抬起射孔槍，對(duì)著第二個(gè)射孔段點(diǎn)火，如此反復(fù)，直到射孔的一段結(jié)束，才能進(jìn)行碾壓。通過(guò)對(duì)射孔量、孔隙密度、孔隙位置和孔簇?cái)?shù)目的控制，可獲得多個(gè)主縫，在主縫擴(kuò)展過(guò)程中，支縫相互連通，形成復(fù)合縫網(wǎng)。

在分簇射孔壓裂工藝中，每一束射孔束均為獨(dú)立的破裂源，射孔方位角和應(yīng)力集中等因素對(duì)人造裂隙的發(fā)育和形貌有不同的影響。這種方法利用了射孔的方位與最大主應(yīng)力的方向在一定的夾角下，裂縫會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，用定向的射孔來(lái)控制裂縫的起裂方位，從而使裂縫發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而形成橫向分離，縱向重疊，相互獨(dú)立的多條主裂縫，并以多個(gè)方向的人工裂縫為紐帶，將更多的天然裂縫體系連接起來(lái)。其技術(shù)難點(diǎn)在于如何突破應(yīng)力場(chǎng)對(duì)壓裂裂紋方向的制約，并使裂紋轉(zhuǎn)向。采用定向分簇射孔法可以一定程度上解決以上問(wèn)題，但實(shí)際應(yīng)用效果不佳。

5 石油開發(fā)中體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用案例

某油田的儲(chǔ)層深度為1700m，平均厚度為10.1m，巖心測(cè)定其滲透性為3.35×10-3μm，具有典型的低滲透性。因此，決定采用體積壓裂工藝，以提高油藏的采收率和采油質(zhì)量。

5.1 壓裂效果

為了更好地了解體積壓裂的改造效果，掌握裂隙分布規(guī)律，微裂矢量掃描四維圖像裂紋監(jiān)控技術(shù)的高效應(yīng)用，監(jiān)測(cè)的目標(biāo)是2口測(cè)試井，監(jiān)測(cè)得到的資料和結(jié)論確認(rèn)：一口井有18個(gè)裂隙，另一口井有16個(gè)裂隙，裂隙的平均長(zhǎng)度為312m，指數(shù)較傳統(tǒng)方法更好。同時(shí)，通過(guò)對(duì)主裂面的觀測(cè)，確定了在主裂面兩側(cè)已出現(xiàn)了二次裂隙，并與微觀構(gòu)造上的天然裂隙連通，基本達(dá)到了改造目的。

5.2 生產(chǎn)效果

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的理論計(jì)算中，對(duì)靜壓力與位移之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析，根據(jù)以上優(yōu)化的凈壓力得到的結(jié)論，應(yīng)用排量為4.5m3/min，基本上可以達(dá)到破碎巖體和打開天然裂隙所需的凈壓要求。仿真結(jié)果表明，在增大注水體積的基礎(chǔ)上，對(duì)支護(hù)裂縫的導(dǎo)水性能影響不大，但縫長(zhǎng)度明顯增大；隨著位移逐漸增大，支承裂隙的導(dǎo)流狀況也發(fā)生了很大變化，縫長(zhǎng)逐漸增大，特別是縫高增大明顯。采用體積壓裂工藝的油井，經(jīng)投產(chǎn)后，取得了較好的采油效果，達(dá)到了預(yù)期的采油目的。將采用體積壓裂技術(shù)的多口井的靜態(tài)信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，選擇了多種計(jì)算方法，每一種計(jì)算方法都具有特殊的適用條件。計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況有很大的差別，如果綜合考慮各種因素，那么生產(chǎn)效率將會(huì)有很大的提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

總之，要推動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和健康發(fā)展，必須重視石油開發(fā)，大幅度提高石油產(chǎn)量，以滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)石油資源的需求。最近幾年，我國(guó)十分重視對(duì)體積壓裂技術(shù)的研究，而且這種技術(shù)的應(yīng)用也在不斷地發(fā)展和提高。體積壓裂技術(shù)的應(yīng)用，在開發(fā)低成本、高產(chǎn)能的原油方面具有重要的實(shí)際意義。