高速通道壓裂技術調研

.1.2國內外研究現(xiàn)狀1.1.2.1國外研究現(xiàn)狀2000年Pyrak-Nolte和Morris提出了詳細的裂縫斷面離散化并預測其在閉合應力下變形的基本概念，并已由Morris和Johnson在2010年修改，以考慮沉淀柱在裂縫中的機械影響[9]。2001年Eberhard和Mullen對完井效率有影響的開發(fā)技術如砂質段塞，測井電纜裝置/油管回收沙橋卡鉆引起的應力轉移和流通段塞的發(fā)展進行了研究[11]。2010年Gillard等人提出支撐劑指狀積聚，凍膠層能防止支撐劑顆粒沉降。因而通道壓裂中需要高頻率地交替泵注含支撐劑和不含支撐劑的凍膠液[3]。2011年Johnson與Rhein等人提出.在傳統(tǒng)的壓裂處理中，用交替注入方式取代連續(xù)注入支撐劑的方式，在所述支撐劑加入短脈沖使之被清潔流體的脈沖分離。通道壓裂在現(xiàn)場應用實現(xiàn)了凈壓力的降低，較高的初始的油氣產量和較高的10年預測采收率。2011年Johnson等人在他們的研究中報告了濾砂速度的降低，利用通道壓裂技術使常規(guī)交聯(lián)處理的提前終止率由4.5％下降至0％[7]。2012卡尤莫夫等研究并報告了在高速通道壓裂技術可以使濾砂發(fā)生率從12％減少至0％，交替泵注支撐劑的脈沖與無支撐劑的脈沖，降低了泥漿的傾向使之能渡過形狀狹窄的裂縫。另外，報告中還指出纖維的添加也能使沿裂縫運輸支撐劑變得更高效，通道壓裂中支撐劑用量顯著減少使支撐劑鋪置不那么嚴格。2012年在奧倫堡地區(qū)，第一個聯(lián)合方案由Kayumov,Konchenko等人報告了相比于標準的壓裂技術，通道壓裂技術在尾追階段加入棒狀顆粒使其在生產方面具有明顯優(yōu)勢，。通道壓裂后來隨著增加的風險（如斜度井和側鉆的應用）應用到新的地區(qū)與井場，一直成績不俗[12]。2012年Howard和S.G.James通過實驗室研究確定支撐劑充填層分別在含纖維和不含纖維時的增長性和穩(wěn)定性[4]。2013年E.A.Ejofodomi等人進行了支撐劑嵌入的附加測試，通過研究嵌入的量和導流能力的降低評估不同支撐劑類型時的影響，并進行詳細的參數(shù)研究通過明確地尋址裂縫內支撐劑的空間分布，用以調查常規(guī)壓裂與通道壓裂預期的相對性能，最后采用了邊界元法模擬運算效率[5]。1.1.2.2國內研究現(xiàn)狀高速通道壓裂作為由斯倫貝謝公司于2010年設計研發(fā)并推出的新工藝技術，因而國內對于高速通道壓裂技術的認識和研究都較少，大多仍停留在初步階段。1.1.3研究內容圍繞本文的研究目的，本文的研究內容主要包括以下幾個方面：（1）調研高速通道壓裂技術的原理；（2）調研高速通道壓裂技術的主要相關工藝與實施方法；（3）調研高速通道壓裂技術在現(xiàn)場的實際應用并分析其適用性；1.2擬采用的研究思路（方法、技術路線、分析論證等）1.2.1研究方法與思路國內低滲透油氣藏分布廣泛，壓后普遍存在返排困難和縫內傷害等問題，對高速通道壓裂的研究與試驗，做好射孔參數(shù)、泵注段數(shù)、裂縫參數(shù)、纖維比例等優(yōu)化設計的調研，再通過深入調研高速通道壓裂技術，從研發(fā)背景、施工工藝、技術特點和實際應用效果等方面，并結合低滲透油氣藏特點和開發(fā)現(xiàn)狀進行適用性分析。1.2.2研究技術路線圖1.1通道壓裂技術的研究路線1.3主要分析工作與結果對國內外高速通道壓裂技術的相關文獻進行調研，在對案例油藏概況、地層特征、構造特征、儲層特征等地質特征認識的基礎上，加深對高速通道壓裂的理論認識，了解聯(lián)合技術的發(fā)展情況與概況，總體進行分析其優(yōu)勢與局限性，得出關于其適應性的結論。2高速通道壓裂技術的原理在常規(guī)支撐劑充填層中，所有的支撐劑顆粒都互相接觸。流體流動局限于支撐劑顆粒之間的孔隙。而不連續(xù)支撐劑充填層由支撐劑聚合塊或段組成，形成離散的高速通道網(wǎng)絡，允許流體順利通過。通道壓裂技術創(chuàng)造出來的裂縫有更高的導流能力，不受支撐劑滲透性的影響，油氣不通過充填層，經由高導流通道進入井筒，這些通道從井筒一直延伸到裂縫尖端，增加了裂縫的有效長度，從根本上改變了裂縫導流能力。壓裂通道由具體的抽水進度，射孔方案，壓裂液設計和光纖技術的結合創(chuàng)造。2.1通道內非均勻地鋪置支撐劑通過創(chuàng)建裂縫，實現(xiàn)相當高的導流系數(shù)和更高導流能力。通過開放的通道由柱狀支撐劑包圍的形式實現(xiàn)支撐劑不均勻鋪置，此處的支撐劑不作為導流介質，而是作為支撐柱防止周圍的通道壁發(fā)生斷裂。在常規(guī)支撐劑充填層中，所有的支撐劑顆粒都互相接觸。流體流動局限于支撐劑顆粒之間的孔隙。而不連續(xù)支撐劑充填層由支撐劑聚合塊或段組成，形成離散的高速通道網(wǎng)絡，允許流體順利通過。油氣在裂縫內通過支撐柱之間的開放通道流動，使用地面專門的設備，泵注含纖維的支撐劑脈沖，完成支撐劑非均勻鋪置以此獲得開放的通道。添加纖維以防止鋪置和關閉過程中支撐劑沉降。相比均勻支撐劑充填層，通道的導流能力得到顯著增加。圖2.1呈現(xiàn)了可視化的支柱分布，裂縫壁面在支柱之間彎曲以及由此產生的流動通道。圖2.1支撐劑的柱子和柱子之間彎曲的裂縫壁面（左）和通過通道的油流形態(tài)（右）2.2不連續(xù)支撐劑充填層的導流能力實驗俄羅斯新西伯利亞技術中心的科學家研究實施這項技術的方法。實驗規(guī)模從小型臺式實驗室模擬系統(tǒng)逐漸發(fā)展到擁有標準油田設備的全套實驗裝備。首要任務是驗證不連續(xù)支撐劑充填層可能帶來的導流能力理論改善效果。采用API標準試驗方法，工程師把支撐劑置入裂縫模擬系統(tǒng)中，通過該模擬系統(tǒng)施加相當于上覆壓力的閉合應力，并測量了以不同流速泵入單相流體穿過充填層所需的力，根據(jù)達西定律和納維爾—斯托克斯方程計算了支撐劑充填層的滲透率，計算出的不連續(xù)充填層的滲透率，和理論模型預測值一致比連續(xù)充填層的滲透率高1.5-2.5個數(shù)量級[1]。測量支撐劑塊網(wǎng)絡的導流能力。標準API導流腔（圖2.2）有上下兩個鋼制壓板，靠液壓機驅動，施加閉合應力。支撐劑充填層在兩個砂巖板之間（通常是貝雷砂巖），再放置在承載水力負荷的兩個壓板組成的框架之間。把壓板組合體安裝到由兩條流線組成的封閉箱后，技術人員泵入單相流體（通常是清水或鹽水），使之以1~10ml/min的速度通過支撐劑充填層，然后測量形成的壓降并計算充填層的滲透率。也可以加熱封閉箱，模擬儲層溫度。圖2.2標準API導流腔在6.9~41.4MPa的閉合應力下測量了充填層的導流能力。用20/40目砂粒和20/40目陶粒支撐劑形成的連續(xù)支撐劑充填層的滲透率小于987μm2。通常，由于支撐劑被擠碎后嵌入砂巖中，隨閉合應力減小，滲透率會下降。而用20/40目砂粒形成的不連續(xù)支撐劑充填層的測量滲透率比連續(xù)充填層的滲透率增加數(shù)個數(shù)量級，其趨勢和理論預測趨勢一致（圖2.3）。圖2.3連續(xù)支撐劑與不連續(xù)支撐劑滲透率對比（1psi≈0.006985MPa）裂縫中的油氣流動遵循滲流理論由達西公式表示：（2.1）如果裂縫中存在暢通的寬大通道流體流動則采用納維-斯托克斯方程表示：（2.2）對比兩個式子定義有效滲透率：（2.3）式中：q為流量，cm3；為支撐劑充填層滲透率，μ；w為支撐劑充填層寬度，cm；μ為壓裂液粘度，mPa·s；L為裂縫長度，cm；為壓差，MPa；為有效滲透率，μm2。該式說明大通道的滲透性比支撐劑均勻充填的裂縫大得多，例如裂縫中通道寬度為1mm(人工裂縫寬度35mm)其有效滲透率約為8.3×104μm2，而20/40目支撐劑形成的充填裂縫在27~35MPa的閉合應力下其滲透率為400~500μm2，可見后者僅為前者的百分之一[2]。2.3支撐劑段塞的穩(wěn)定性美國斯倫貝謝KLC研究中心進行了實際規(guī)模試驗，這些試驗的目的是測試支撐劑段塞在以與實際壓裂過程相同的流速通過地面管線，井筒管柱和射孔孔眼時的穩(wěn)定性。2.3.1支撐劑段塞通過地面管線時的穩(wěn)定性試驗設施包括一套現(xiàn)場攪拌機，和一根長約198m，直徑7.6cm的處理管線，連接到攪拌機的排出口。沿處理管線布置了五組射孔孔眼，每組有10個孔，大小為0.95cm，五個孔成0o相位，另五個呈180o相位。從這些孔中流出的流體分別收集在10個1.04m3的搬運罐中。安裝了兩個密度計，一個在攪拌機排出口，另一個在處理管線的終端，用來測量支撐劑的濃度，監(jiān)測段塞的穩(wěn)定性[3]。實驗在封閉射孔孔眼的情況下測量了支撐劑段塞的穩(wěn)定性，支撐劑段塞以11.6m/s的流速通過處理管線，對應泵入速度為2.7m3/min。攜帶液是硼酸鹽交聯(lián)瓜爾膠體系，其中瓜爾膠濃度為3.6kg/m3，纖維濃度是5.0kg/m3。段塞中的支撐劑濃度是10PPA，纖維濃度是10.0kg/m3。試驗結果表明在通過處理管線過程中支撐劑段塞能保持穩(wěn)定。2.3.2支撐劑通過射孔孔眼時的穩(wěn)定性為了檢驗支撐劑段塞是否能碎開，以便能均勻分配到所有射孔孔眼。每次試驗過程中測量連接到五組射孔上的搬運罐中收集到的全部流體體積。第一組射孔上安裝了密度計，連續(xù)記錄流體密度，從最后一組射孔上人工收集液樣。當不含支撐劑的壓裂液和含支撐劑的壓裂液中都添加了纖維后，搬運罐中收集的流體量是均勻的。密度計記錄的流體密度變化也與人工采集的液樣密度一致，進一步證實了用支撐劑段塞方法建立不連續(xù)支撐劑充填層是可行的。通過處理管線泵入支撐劑脈沖段，同時監(jiān)測支撐劑脈沖段通過管線和射孔孔眼時是否保持完整。從五組射孔收集到的漏失液量基本相同，表明支撐劑脈沖段能夠分開，并能均勻分布到各組射孔。分別用密度計和人工測量的方式在管線開始端第一只罐處和管線終端第6只罐處連續(xù)測量了脈沖段期間和段間的攜帶液密度，結果證實攜帶液密度在進口處和出口處也是一致的，證明支撐劑段塞在各組射孔分布均勻，并能保持穩(wěn)定。圖2.4KLC射孔試驗另外，為了檢驗支撐劑段塞是否能碎開，以便能均勻分配到所有射孔孔眼。每次試驗過程中都測量了連接到五組射孔上的搬運罐中收集到的全部流體體積。第一組射孔上安裝了密度計，連續(xù)記錄流體密度，從最后一組射孔上人工收集液樣。當不含支撐劑的壓裂液和含支撐劑的壓裂液中都添加了纖維后，搬運罐中收集的流體量是均勻的。密度計記錄的流體密度變化也與人工采集的液樣密度一致，進一步證實了用支撐劑段塞方法建立不連續(xù)支撐劑充填層是可行的。最后在一口試驗井應用通道壓裂技術，由于無法直接觀察到攜帶液脈沖的變化情況，因此記錄了泵入過程中地面和井下的壓力變化，然后采用數(shù)學模型重建了脈沖段通過射孔時支撐劑的濃度剖面[4]。通過地面和地下壓力數(shù)據(jù)計算了油管管柱底部的支撐劑濃度。支撐劑脈沖段的持續(xù)時間上升到20秒，濃度下降到6.5PPA左右。盡管支撐劑初始濃度為8.3PPA，因為段塞的持續(xù)時間和濃度剖面保持較好，支撐劑分散程度并不嚴重壓力計讀數(shù)表明含支撐劑的脈沖段能夠完整地通過井下管線并順利進入射孔孔眼。2.3.3支撐劑完成鋪置后的穩(wěn)定性用攪拌和泵送設備能夠建立支撐劑塊，研究不連續(xù)支撐劑充填層置入后的穩(wěn)定性。經過壓裂處理后，支撐劑塊必須能夠經受住地層閉合壓力以及在清井和開采過程中引起的磨蝕力。為調查閉合應力的影響，技術人員人工配置了支撐劑塊，并將其放入液壓機中，液壓機上安裝了感應器，用于監(jiān)測液壓機滑塊之間的距離，然后通過該液壓機向支撐劑塊施加高達228MPa的壓縮載荷。測量的參數(shù)包括支撐劑塊高度，直徑和支撐劑粒度分布。和預測結果一樣，支撐劑塊的高度隨閉合應力增加而減小;但值得注意的是80％以上的收縮量發(fā)生在開始施加的6.9MPa的壓縮力下。隨著壓縮力的增加，支撐劑塊高度的收縮量越來越小。通過觀察支撐劑塊，發(fā)現(xiàn)最初的收縮是攜帶液漏失和支撐劑固結引起的。再增壓后出現(xiàn)的額外收縮源于支撐劑壓實和破碎中等粒度的支撐劑隨壓力增大而嚴重收縮。在最高228MPa閉合應力下支撐劑塊剩余高度仍能確保有效流動（圖2.5）。該閉合應力大約比最深的油氣井中出現(xiàn)的閉合應力高兩倍，表明高速通道壓裂技術不會受到壓力引起的深度限制。裂縫閉合應力對支撐劑塊高度的影響。技術人員測試了用20/40目砂粒和兩種20/40目陶粒支撐劑制成的添加纖維支撐劑塊受閉合應力的影響。最初支撐劑塊的高度是6mm。支撐劑塊高度的大部分收縮發(fā)生在閉合壓力小于6.9MPa時，隨著閉合壓力繼續(xù)增加收縮速度變慢，出現(xiàn)小幅度的進一步收縮。圖2.5裂縫閉合應力對支撐劑塊高度的影響支撐劑塊的直徑（足?。╇S閉合壓力增加而增加。然而閉合試驗結果表明每增加一次支撐劑塊的直徑，足印相對增加量變得越來越不明顯。實驗室試驗只對數(shù)厘米的支撐劑塊直徑進行了調查。但是在實際裂縫中，支撐劑塊直徑可能達幾米，因此工程師認為支撐劑塊之間的導流路徑不會因為閉合應力而喪失。清洗井筒和生產過程中的流體流動，包括其他導致不穩(wěn)定情形的潛在事件，也需要進行調查。為了評估這一風險，科研人員制造了一個磨蝕評價裝置，可以將其插到液壓滑塊之間。磨蝕評價裝置內裝有兩塊砂巖巖心，巖心之間是支撐劑塊。液壓機施加閉合壓力時，技術人員以各種流速泵入流體，使之通過支撐劑塊，泵入流速相當于或超過正常生產井生產速度。在此過程中技術人員通過觀察并測量支撐劑塊的損失重量對支撐劑塊的磨蝕情況進行評估[5]。結果證明幾乎所有磨蝕都發(fā)生在支撐劑接觸流動流體的前幾分鐘此外，磨蝕程度隨閉合應力增加而逐步減輕，別是當閉合應力增加到大約69MPa以上后。直觀分析發(fā)現(xiàn)所有磨蝕都發(fā)生在支撐劑塊的側面，而直接與流動流體接觸的表面上并沒有被磨蝕。上述實驗證明進入水力裂縫中的支撐劑塊能夠經受住后續(xù)生產等各種作業(yè)活動的嚴厲考驗。3高速通道壓裂的相關工藝技術與實施方法3.1多簇射孔工藝常規(guī)壓裂一般對目的層段進行連續(xù)大段射孔，但高速通道壓裂則采用限流壓裂的多簇射孔工藝。在一長段內進行均勻的多簇射孔，相位和孔密與常規(guī)射孔相同。圖3.1的高速通道射孔方案用于在水力裂縫中形成開放通道，高速通道壓裂在25.9m井段內分9簇射孔，每簇射開1.52m，孔密度為6孔/ft，一共射270孔；常規(guī)壓裂全部射開15.24m，射孔數(shù)為300孔[2]。多簇射孔的目的是在套管上形成多段且較短的進液口，起到篩子的作用，當油管中的液體攜帶支撐劑段塞高速注入時，在套管上自然地出現(xiàn)分流效果形成多股獨立的液流注入地層，便于支撐劑在縫內形成一個個獨立的支撐柱子，且在裂縫高度上分布更加均勻，通道的幾何形狀更規(guī)則。圖3.1高速通道壓裂射孔方案（a）與常規(guī)壓裂射孔方案（b）的對比支撐劑脈沖的進一步分離，以促進形成裂縫在該方向上增長的通道。這可以通過多簇射孔方案實現(xiàn)。同樣重要的是近井筒的效果，如迂曲度也便于創(chuàng)建在裂縫的生長方向的通道。然而這種效果無法預測，并且難以進行診斷并正確地定量。為此，多簇射孔方案是將支撐劑脈沖分離成更小的段塞并促進支柱在整個裂縫均勻分布的唯一可靠的方法。用于射孔方案的具體參數(shù)是決定于一個符合目的的建模工作流程，旨在實現(xiàn)最優(yōu)的通道的幾何形狀與支撐劑柱的分布。通道壓裂利用多簇射孔方法把地面較大的支撐劑段塞分成地層中較小的支撐劑支柱，全球各國在所有通道壓裂作業(yè)中使用多簇射孔工藝，直到歷史上首次把磨料射孔工藝用于涅夫捷尤甘斯克地區(qū)的通道壓裂作業(yè)中。3.2交替脈沖段塞式泵注工藝3.2.1泵注工藝的原理段塞式泵注工藝有利于在裂縫中形成通道，純液體把前一段支撐劑推入地層，形成一段支撐劑支柱帶，由于中間純液體的隔離，使各支柱間留有一定空間的支撐劑真空帶，液體破膠返排后便形成眾多的通道網(wǎng)絡。與常規(guī)方案相似的是,通道壓裂的泵注技術包含攜支撐劑階段與隨后的襯墊階段。因此,通道壓裂和常規(guī)壓裂泵注時間表的關鍵的區(qū)別是短脈沖技術中添加被純液脈沖分離的支撐劑。與常規(guī)壓裂一致的是，通道壓裂最后階段需要連續(xù)加入支撐劑，以常規(guī)的處理方式來完成的。實施尾追支撐劑的目的，是確保裂縫通道和井筒之間形成一個穩(wěn)定的，均勻的和可靠的連接。要做出足夠短的尾追支撐劑階段設計方案，以防止它對整個裂縫導流性能造成顯著的負面影響是非常重要的。3.2.2泵注工藝的實施過程泵注過程主要為以下四個階段：a.前置液注入階段與常規(guī)壓裂工藝一致b.攜砂液階段支撐劑以脈沖段塞形式注入，一段支撐劑、一段純液體交替進行，支撐劑濃度逐級升高。c.前置液階段可以泵注凍膠液或者滑溜水，支撐劑段塞階段采用凍膠混合纖維注入，保獲得穩(wěn)定的支撐“柱子”。d.在施工末期，需要尾追一個連續(xù)支撐劑段塞，使縫口位置有穩(wěn)定而均勻的支撐劑充填層[8]。圖3.2通道壓裂技術泵注時間表在脈沖泵入期間也可以逐步增加支撐劑濃度。圖3.3顯示了在實際壓裂過程中對支撐劑脈沖進行監(jiān)測的結果，其中支撐劑濃度一般表示為每加侖壓裂液添加多少磅的支撐劑（ppa）。圖3.3在實際壓裂過程中對支撐劑脈沖進行監(jiān)測的結果3.3保持穩(wěn)定的流動通道通道壓裂技術的成功實施的一個關鍵要素是，當支撐劑從泵注設備輸送到裂縫的過程和裂縫閉合過程中，如何保持地面和井下的非均質性。從這個角度來說，這需要加以解決的最大風險的是在支撐劑的脈沖或段塞運移過程中的分散。支撐劑段塞的分散是非常不利的，因為它降低了裂縫閉合前支撐劑柱的有效濃度，同時使支撐劑柱的高度降低。此外也會導致不良的流動通道。分散的發(fā)生主要是由于通過管柱的粘度曲線，然后在整個裂縫寬度可以預期到靠近裂縫壁面的速度與裂縫的中心速度之間巨大的的差異。通過加入的纖維材料改進支撐劑段塞的流變性，減輕了支撐劑脈沖分散的程度，纖維施加給阻礙分散的攜纖維段塞的屈服應力約為10-20Pa。纖維還有助于平緩朝向導管中央的速度分布，減少對段塞的剪切力也阻止了段塞分散。采用常規(guī)壓裂處理技術時，支撐劑分散在所有支撐劑攜帶液中。然而，如果在泵入支撐劑攜帶液階段交替注入含支撐劑和不含支撐劑的脈沖段，那么一系列支撐劑段塞將在裂縫中穩(wěn)定下來，形成支撐劑塊。使脈沖泵入法成功實施，必須確保支撐劑段塞在進入管柱，經過射孔孔眼進入裂縫的過程中不分散。在首次測試這一概念的過程中，工程師在填充了壓裂液的透明槽中觀察了支撐劑的靜態(tài)沉淀狀況。將含支撐劑的壓裂液液樣注入試驗槽的上部后，工程師能夠看到支撐劑隨時間產生的沉淀狀況，可以看到用常規(guī)壓裂液配置的支撐劑段塞在充滿壓裂液的槽中的初始位置在槽的上部，如果支撐劑段塞或壓裂液中沒有添加纖維，30分鐘內支撐劑段塞就會分散開，添加了纖維后，支撐劑段塞的形狀在兩個小時內基本保持不變。所以，向壓裂液中添加纖維可顯著提高支撐劑段塞的穩(wěn)定性（圖3.3）。圖3.3支撐劑段塞沉淀實驗隨后進行了一系列實驗，以評價支撐劑段塞的動態(tài)穩(wěn)定性。試驗用裝置是一根長達33m，內徑為2cm的試驗管，這樣大小的尺寸可使科研人員測試流量，流體速度和支撐劑濃度是否與裂縫中的流動狀態(tài)一致。科研人員用一套X射線記錄系統(tǒng)測量支撐劑段塞的穩(wěn)定性。由于一個在裂縫內槽狀是比較有代表性的流動，需要考慮如何做到用循環(huán)管幾何形狀表示槽的幾何形狀。為了解決這個問題，就要考慮通過管道和槽的幾何形狀的速度分布?？梢宰C明在循環(huán)管中的冪律流體的層流速度的分布特征，取決于最大流速和平均流速的比例，如下：（3.1）其中n是冪律流變模型的流動動態(tài)指數(shù)。在同一時間在槽的幾何形狀相同的比率等于：（3.2）通過比較兩個方程可以得出結論，在通過管道的幾何形狀的情況下，整個橫截面面積的速度差更加明顯的，管道裝置比槽裝置中的剪切和分散效果更為顯著，也就是說，在管道中測試比試驗中在具有相同的寬度w的槽中測試更加嚴格。由于管徑上X射線吸收量與支撐劑濃度呈線性比例關系，因此可通過記錄支撐劑段塞通過該管前后X射線在管壁上的吸收量確定支撐劑段塞的穩(wěn)定性。支撐劑段塞流入和流出32.9m長的管線時分別測量了支撐劑的濃度，與不含纖維的流體（紅色）相比，支撐劑段塞在添加纖維的流體（藍色）中的分散程度要低很多，試驗結果證實纖維能提高支撐劑段塞的穩(wěn)定性(圖3.4)[9]。圖3.4通過管線過程中支撐劑段塞分散趨勢在過去5年中纖維已在各種條件下成功地被用于控制支撐劑回流，它是一種成熟的技術。壓裂的高滲透性通道結構是一個非常具有吸引力的能最大化裂縫導流能力的機會。纖維優(yōu)勢在于：在許多不同的實驗室測試中，通道似乎經常地建立并在很廣范圍的條件下穩(wěn)定的。在清理過程中通過添加難流動的纖維建立穩(wěn)定通道似乎可行。并以一個較高的流速。當把纖維加入到支撐劑的一個重要部分時這可能也會完成（一半以上）。通過未經處理的支撐劑中的保護層和空隙建立通道的風險由尾項承擔。在清理過程中的返排率應足夠高，以產生比預期高的支撐劑產出速率，從而在生產過程中形成穩(wěn)定的通道。3.4尾追桿狀支撐劑尾追階段需要一個可靠的近井充填層來維持裂縫壁面的敞開。該區(qū)域應力增加使夾卡的危險性增加。通常情況下，通道壓裂尾追階段會泵入最結實和滲透性最好的支撐劑，以最大限度地提高裂縫導流能力，尾追階段由于流速在近井筒區(qū)域達到最大值，支撐劑的返排仍然可能成為問題，那就必須相應地設計支撐劑充填層在尾追階段的穩(wěn)定性。由于這兩種試驗活動中通道壓裂技術和桿狀支撐劑呈現(xiàn)出積極的效果，就決定了通過在尾追階段中使用桿狀支撐劑結合這兩種技術。最近開發(fā)的桿狀支撐劑已經在一些國家廣泛應用，在提高增產效果方面一直成績不俗。棒狀的支撐劑（圖3.5）在原則上相比球形顆粒即通常在工業(yè)中使用的支撐劑顆粒，顆粒更大，柱面底部的直徑是等同于12/16目的尺寸，它相當于目前在俄羅斯使用的最大尺寸的支撐劑。這種圓柱形顆粒的隨機分布增加充填層的最終孔隙率，從而提高了充填層的滲透性和更容易使用聚合物進行裂縫清理。圖3.5桿狀支撐劑顆粒通過現(xiàn)場使用的新型支撐劑進行壓裂，生產率顯著地提高，這證明了理論和實驗模擬的結果。支撐劑返排控制是桿狀的支撐劑的另一個重要的優(yōu)勢。桿狀磨粒聯(lián)鎖在高度耐拖曳力綜合結構中（圖3.6）。相對于樹脂包覆的支撐劑，棒條形顆粒通過機械手段彼此約束，而不是化學鍵。因此，充填層的穩(wěn)定性與化學基礎的技術限制的活化時間與活化溫度無關。在充填層內桿狀顆粒的移動性受到限制增加了孔隙度和穩(wěn)定性。圖3.6桿狀支撐劑在充填層內的支撐形態(tài)俄羅斯奧倫堡區(qū)的枯竭地層由于多相流造成產量下降和嚴重的支撐劑回流的問題，作為實施桿狀支撐劑進行壓裂的第一候選。在奧倫堡地區(qū)的新支撐劑的審實驗中證明，桿狀顆粒相比比傳統(tǒng)的球面支撐劑，具有返排預防和顯著提高生產力的優(yōu)勢。與鄰井的常規(guī)支撐劑增產措施進行對比的地區(qū)包括Vakhitovskoe，VostochnoKapitonovskoe和Lebyazhinskoe油田，油井的產量從26％上升到67％（根據(jù)現(xiàn)場實際情況）[10]。Konchenkov等提出，相比于標準的壓裂技術，通道壓裂技術在尾追階段加入桿狀顆粒使其在生產方面具有明顯優(yōu)勢。通道壓裂后來隨著增加的風險（如斜度井和側鉆的應用）應用到新的地區(qū)與井場，一直成績不俗。在同一時間，在埃及實施組合通道壓裂和桿狀支撐劑。Abdelhamid等人在2013年提出，相比標準增產技術，實施聯(lián)合技術，在Silah地區(qū)油井產能得到增加。通道壓裂結合桿狀支撐劑在消除砂堵的方面有一個顯著的進步，根據(jù)超過2年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在標準壓裂中砂堵發(fā)生率超過45％。支撐劑返排液是另一種常見的問題，通過尾追階段加入桿狀支撐劑得到了解決。Gawad等人在2013年描述了在他們結合通道壓裂和在尾追階段加入桿狀支撐劑的實驗：在埃及西部沙漠戈倫地區(qū)7口實行聯(lián)合增產技術的井與12口常規(guī)技術的鄰井進行了比較，45天后的新的聯(lián)合增產技術的實現(xiàn)了平均產能增產89％，產量差距還在隨著時間增加。同時也報告了零砂堵和零返排問題。Samier等人在2013年描述了阿布拉地區(qū)（也位于埃及西部沙漠）發(fā)展的難度。該處地層以層壓粉砂巖為代表，雖然傳統(tǒng)的增產方法后最初產量顯著增加，但是很快就出現(xiàn)降幅，導致只有很少的累計產量增益。經過對六個井實施通道壓裂，阿布拉地區(qū)已成為新生的經濟領域，由于產量增加50％以上，探明儲量增加50倍，該區(qū)域在所有的方案中都用桿狀的支撐劑中以避免支撐劑返排問題。在五個使用通道壓裂作業(yè)的油田前20口井進行生產研究，作業(yè)中沒有觀察到任何單一砂堵與支撐劑的返排問題，相比之下，在同一區(qū)域泥盆系地層中常規(guī)壓裂的砂堵率為8％，由于泵注時添加纖維材料和支撐劑脈沖交替純液脈沖時通道壓裂的脈沖特性，通道壓裂比常規(guī)壓裂減少了41％支撐劑摩擦力。在通道壓裂井實施尾追桿狀支撐劑是增加近井筒的導流能力從而提高產量的有效手段。約68％的通道壓裂作業(yè)中，都會在尾追階段加入桿狀支撐劑。通道壓裂后平均生產率比最近的鄰井中的常規(guī)壓裂后高99％，換句話說，通道壓裂與棒狀的支撐劑的組合大大增強了井的生產率。3.5通道壓裂的實施標準以下介紹通道壓裂技術對壓裂井、壓裂液、支撐劑以及各類添加劑的選擇標準。3.5.1選井與選層這種技術并不適用于具有低楊氏模量(13789MPa?17236MPa)的弱地層或地層中具有較高的閉合應力（高于55MPa）的地層。楊氏模量與應力比的比例必須超過400，在弱地層或存在高閉合應力地層中，壓裂井會圍繞壓實區(qū)域的支撐劑支柱倒塌，這將會對裂縫導流能力產生負面影響。由于獨特的射孔方案是這項技術的關鍵部分之一，無穿孔井可以看作候選或堵塞穿孔然后再進行壓裂的方案。3.5.2壓裂液選擇選擇特定的液體是類似常規(guī)的壓裂處理的，基與通常和常規(guī)考慮，。在含有支撐劑的各個階段，流體中必須含有纖維。不使用的纖維的階段是前置液階段，沖洗階段和尾進階段。纖維改善了支撐劑的輸送，并在支撐劑脈沖階段減少了支撐劑沉降。3.5.3支撐劑選擇除了尾進階段，該技術中支撐劑的選擇是沒有限制的，但也有要考慮的幾個重要的點。這種技術不依賴于支撐物的性質。因此，有使用高品質的支撐劑沒有太大好處。3.5.4添加劑選擇可以在不同位置集合精密連續(xù)混煉機（PCM）和精密優(yōu)化密度機（POD）加入添加劑。3.5.4.1添加纖維這種技術是必須添加纖維，纖維起著重要的推動作用，因為它提高了支撐劑傳輸性能，降低支撐劑分散的風險和顯著地減小沉降速度。除了尾追階段，前置液階段和沖洗階段，應該以恒定的進給率在包括清潔脈沖和支撐劑脈沖在內的所有支撐劑階段添加纖維。纖維濃度應與清潔流體體積而不是泥漿體積相關。纖維在井筒和裂縫的運輸過程中穩(wěn)定了支撐劑柱并阻止其分散，在清潔流體的脈沖加入纖維，影響了流體的流變性和顯著減少支撐劑脈沖的沉淀。3.5.4.2聚合物注入為了消除或減少裂縫內支撐劑脈沖的沉淀，需要保持一個足夠的流體的粘度。流體粘度應足夠高，且在井底溫度下泵注和裂縫閉合過程中不應小于100cp，170s-1。如果是較長的壓裂時間，增加最小流體粘度到300cp，170s-1可能是有利的。相比常規(guī)壓裂，這可能需要增加聚合物注入量。由于經過這種改進的裂縫清理過程徹底，增加的聚合物注入量不太可能影響最終的裂縫性能。聚合物注入在該技術中的使用不應該少于常規(guī)壓裂。3.5.4.3破膠劑對破膠劑的時間表進行優(yōu)化以防止過早段塞沉淀。優(yōu)化的標準是直到裂縫閉合，凝膠不至于完全分解，在裂縫閉合時凝膠的粘度應不小于100cp，170s-1。開放通道的方法規(guī)定了膠囊破膠劑應用的特定要求，破膠劑不能在通道閉合后破碎，這意味著，破膠劑通過膠囊擴散將是在開放通道唯一的破膠劑釋放途徑。在使用膠囊破膠劑時，清潔流體的脈沖中的破膠劑濃度應該足夠高，擴散并透過膠囊，釋放出足夠的破膠劑，支撐劑脈沖的流體穩(wěn)定性不能低于清潔脈沖流體的穩(wěn)定性。3.5.4.4延遲劑延遲時間是一項關于延遲劑/交聯(lián)劑比率，水溫，pH值和聚合物濃度的函數(shù)。流體到達穿孔之前發(fā)生交聯(lián)對高速通道壓裂來說很重要，因此清潔脈沖的延遲時間不能超過泵送流體到達穿孔所需要的時間的一半。與此同時，因為較高的添加劑濃度，在支撐劑脈沖內的壓裂液的延遲時間可能更短。4高速通道壓裂技術現(xiàn)場應用與適應性分析通過在X井實施了通道壓裂與常規(guī)壓裂的產量對比表明，我們發(fā)現(xiàn)通道壓裂的增產效果更好。4.1井史X井鉆于2002年底，由于較低的儲層滲透率，其生產率很低。2008年初完成一項可行性研究，調查如何增強水力裂縫的生產性能和鉆井的效果，以實現(xiàn)經濟增產。根據(jù)油藏數(shù)據(jù)進行產能預測，該預測是用于優(yōu)化處理每個時期的生產，并對該項目提供一些經濟可行性的措施。4.2地質狀況該地層是形成于淺海三角洲沉積環(huán)境中的晚白堊世時期的砂巖。沙子是細粒到中粒，易碎至中等硬度，夾有泥巖和粉砂巖，孔隙度為5％至9％。主要的生產區(qū)域是兩個部分，由24m厚的頁巖分離。4.3常規(guī)壓裂前的情況壓裂前的流體測試是在下部間隔區(qū)域進行，在特定的流動時期最高持續(xù)氣率為0.62百萬標準立方英尺/天。對下部的間隔區(qū)域的測試后，在上部間隔區(qū)域進行了一個壓裂前流體測試，最高持續(xù)氣率為3.15百萬標準立方英尺/天，在特定流量的時期通過壓力生成解釋，得到了以下結果：表4.1對上下間隔區(qū)域壓力生成解釋的結果壓力生成解釋CSPiKhK下部間隔6.96×10-4bbl/psi+21.14,085psi14.1md-ft0.287md上部間隔0.0117bbl/psi+23.64062psi78.4md-ft0.645md4.4判斷通道壓裂在該儲層的可行性對儲層的性能進行了評估，以判斷該儲層是否可以適應通道壓裂技術的實施條件。形成的平均楊氏模量為2.9×105MPa，這在該技術的限制之內，平均應力是42MPa也在限值內。該楊氏模量和應力比為400，井底靜態(tài)溫度為111℃，井況沒有偏差。因此，這很好地滿足所有要求，并通過了標準的測試。4.5通道壓裂前的情況原始地層壓力范圍在40.6MPa與45.2MPa之間，頁巖具有最高的原始地層壓力，以及砂巖為最低的原始地層壓力。楊氏模量范圍為13780MPa?41368MPa，砂巖最高，頁巖最低。泊松比的值介于0.18?0.32，砂巖最低，而頁巖最高。韌性值介于750（砂巖）到1750（頁巖）之間。地層的傳導率也滿足了通道壓裂標準。平均孔隙度9.5％，滲透率介乎0.01md至5.7md之間。儲層壓力是279MPa，氣體飽和度和含水飽和度分別為90％和10％。4.6實施通道壓裂4.6.1泵注方案泵注時間表是專為通道壓裂量身定制的，包括9個階段。前置液階段之后進入尾追和沖洗階段以及之后的六個脈沖階段。設計了特別的射孔方案，使用多相射孔方案來代替常規(guī)壓裂的方案。泵速度設定在恒定值25.0BPM。同樣使用常規(guī)水力壓裂中的支撐劑，在所有階段添加了纖維。前置液階段的泵注以脈沖形式進行。純液脈沖和支撐劑脈沖。以恒定的速率加入添加劑。在每個階段的支撐劑濃度都在變化。當前設計通道壓裂的方法是使用常規(guī)壓裂設計為基礎，將每個支撐劑泵注階段分離成若干交替泥漿和清潔的流體，以創(chuàng)建高導流能力的通道，執(zhí)行脈沖方案對地面攪拌設備有特殊的配置需要。這個任務以修改地面設備的控制流程和軟件的方式，使泵浦時間表一致和可靠地傳遞脈沖。通道壓裂模型采用常規(guī)設計的輸入方式，然后自動選擇的每個支撐劑階段內的支撐劑和清潔脈沖的持續(xù)時間，以及射孔的參數(shù)，以達到最佳的通道容量，優(yōu)化裂縫導流能力。表4.1通道壓裂在X井的泵注方案階段名泵注速度

(bbl/min)壓裂液名稱壓裂液體積

(gal)濃縮凝膠

(lb/mgal)支撐劑類型與篩目濃縮支撐劑

(PPA)前置液25YF135.1HTD2700035--01.0PPA25YF135.1HTD51593520/40碳化支撐劑12.0PPA25YF135.1HTD79173520/40碳化支撐劑24.0PPA25YF135.1HTD88593520/40碳化支撐劑46.0PPA25YF135.1HTD109123520/40碳化支撐劑68.0PPA25YF135.1HTD83993520/40碳化支撐劑810.0PPA25YF135.1HTD54703520/40碳化支撐劑10尾進25YF135.1HTD12603520/40碳化支撐劑12沖洗25鹽水26560--0表4.1的泵注計劃，實現(xiàn)了支撐裂縫半長達到305.3英尺（Xf），平均導流能力（Kfw）達到1063136md.ft。4.6.2射孔方案為通道壓裂設計的射孔方案提升了整個裂縫的導流能力。具體的射孔參數(shù)如表4.2所示：表4.2通道壓裂射孔優(yōu)化方案初始裂縫頂部

MD

(ft)初始裂縫頂部

TVD

(ft)初始裂縫底部

MD

(ft)初始裂縫底部

TVD

（ft)射孔密度

(shot/ft)射孔數(shù)

(n)直徑

(in)

8661.48661.48663.18663.1580.468664.78664.78666.48666.4580.46866886688669.78669.7580.468671.38671.386738673580.468677.28677.28678.88678.8580.46868386838684.68684.6580.468688.88688.88690.48690.4580.468694.68694.68696.28696.2580.468700.48700.48702.18702.1580.468706.28706.28707.98707.9580.46871287128713.78713.7580.468717.98717.98719.58719.5580.468723.78723.78725.38725.3580.468729.58729.58731.18731.1580.468735.38735.38736.98736.9580.468741.18741.18742.78742.7580.468746.98746.98748.68748.6580.468752.78752.78754.48754.4580.468758.58758.58760.28760.2580.468764.48764.487668766580.468770.28770.28771.88771.8580.46877687768777.68777.6580.468784.28784.28785.88785.8580.46通道壓裂后的裂縫參數(shù)概括如下表：表4.3通道壓裂后的裂縫參數(shù)裂縫平面初始裂縫頂部TVD初始裂縫底部TVD充填裂縫半長導流能力傳真編碼數(shù)據(jù)（Fcd）8672ft8655ft8812ft305.3ft1063136md.ft713524.7X井壓裂后的IPR/VLP曲線常規(guī)壓裂增產方案的平均初始產率為10.5百萬標準立方英尺/天，作為參照一并呈現(xiàn)的通道壓裂增產平初始產率達到了14.5百萬標準立方英尺/天。這說明天然氣提升的產量高達27.5％。圖4.1在X井中通道壓裂與常規(guī)壓裂的IPR/VLP曲線對常規(guī)和通道壓裂后的壓裂的結果進行了比較，X井開發(fā)的壓裂技術使井內產量增加27.5％，另一方面，優(yōu)化方案尺寸也使支撐劑用量也更少。這種技術是基于在支撐劑充填層建立開放的流動通道，提供的理論裂縫導流能力比一個普通的支撐劑充填層大幅增加。但是這種技術需要特殊的泵注時間表和完井計劃，具體的壓裂液設計和符合目的的建模工作流程。壓裂設備，固件和控制軟件的執(zhí)行以及泵送計劃的可靠性和準確性也非常的必要。包含纖維質材料的特殊壓裂液制劑，降低了支撐劑段塞的分散性，有助于保持裂縫內通道和支柱的結構穩(wěn)定，直到裂縫閉合[12]。5結論觀察了裂縫中支撐劑的非均勻鋪置，在更少使用支撐劑的情況下，通道壓裂的性能優(yōu)勢凸顯出來：裂縫導流能力和有效裂縫半長增加，裂縫面積增大有效地促進產量的增加。高速通道壓裂應用于開發(fā)頁巖致密氣藏有著很好的效果，適用于楊氏模量大于17236MPa，最低不小于8273MPa的較穩(wěn)固的地層，包括砂巖、碳酸鹽巖、頁巖，適用于套管井，裸眼井，垂直和水平井等多種井型，井底溫度不能大于174℃。某些高閉合應力、低楊氏模量地層中，易引起支撐劑“支柱”垮塌，使通道堵塞、裂縫閉合、導流能力降低。因此采用楊氏模量和閉合應力的比值作為高速通道壓裂可行性判斷的關鍵參數(shù)。比值小于350，高速通道壓裂形成的裂縫穩(wěn)定性差，比值在350～500，能夠形成穩(wěn)定的縫內網(wǎng)絡通道，比值大于500，則是實施條件較好的地層。同時通道壓裂技術應用范圍較廣，可適應直井,水平井的單級或多級壓裂需求，該技術應用范圍仍在不斷擴大，研究人員正在想方設法拓寬適合該技術應用的儲層類型，目前科研人員開展更廣泛的模擬和實驗工作，研究適合斜井壓裂的通道壓裂技術。把技術應用從套管井擴大到裸眼井的研究工作也已經開始。隨著將這項技術成功運用到更多類型的井中，可以預見通道壓裂這種能夠建立不連續(xù)支撐劑充填層的技術，必將成為一項普遍推廣應用的新技術。謝辭非常感謝老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計給我的指導，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改、論文定稿，他給了我耐心的指導和幫助，在此我向他表示我誠摯的謝意。同時，感謝所有任課老師和所有同學在這四年來給自己的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。在此向他們表示我由衷的謝意。參考文獻[1]斯倫貝謝公司.高速通道壓裂新技術[J].《油田新技術》，2011年秋季刊：23(3)：4-17.[2]AHMED,M.andA.H.SHAR.Optimizingproductionofgaswellsbyrevolutionizinghydraulicfracturing[C].SPEAnnual73rdEAGEConference&Exhibition,23-27May2011,Vienna,Austria.[3]GILLARD,M.etal.Anewapproachtogeneratingfractureconductivity[C].SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition,19-22September2010,Florence,Italy.[4]BULOVA,M.etal.Benefitsofthenovelfiber-ladenlow-viscosityfluidsysteminfracturinglow-permeabilitytightgasformations[C].SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition,24-27September2006,SanAntonio,Texas,USA.[5]SOLIMAN,M.Y.andJ.AUGUSTINE.Fracturingdesignaimedatenhancingfracturecomplexity[C].SPEEUROPEC/EAGEAnnualConferenceandExhibition,14-17June2010,Barcelona,Spain.[6]RHEIN,T.etal.Channe