壓裂酸化技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)

壓裂酸化技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)正如在我國(guó)石油工業(yè)“十五”規(guī)劃報(bào)告指出的一樣：現(xiàn)在我國(guó)石油工業(yè)面臨的形勢(shì)是新區(qū)勘探開發(fā)困難，老區(qū)的增產(chǎn)挖潛還有大量的工作要做。其中，常規(guī)的井網(wǎng)加密已經(jīng)效果不大，對(duì)酸化壓裂措施的認(rèn)識(shí)不夠。同時(shí)，增產(chǎn)措施改造的對(duì)象越來越復(fù)雜，改造目標(biāo)已經(jīng)從低滲、單井發(fā)展到了中、高滲和油田整體主要的難題集中在以下幾個(gè)方面：復(fù)雜巖性油氣藏指的是陸源碎屑巖、碳酸鹽巖和粘土礦物以一定比例均勻存在，沒有任何一種成份在主導(dǎo)地位。典型的代表是玉門酒西盆地的清溪油田，該油田儲(chǔ)量高、品位好，但是儲(chǔ)層礦物組成十分復(fù)雜。由于礦物的不連續(xù)分布，酸壓后只能形成均勻、低強(qiáng)度的刻蝕；而水力壓裂由于發(fā)生支撐劑嵌入和粘土礦物的水敏、堿敏現(xiàn)象嚴(yán)重，因此目前酸壓和水力壓裂技術(shù)對(duì)這類儲(chǔ)層多為低效或無效。只能考慮從液體體系上改進(jìn)工藝措施。高溫、超高溫、深層、超深層和異常高壓地層以準(zhǔn)葛爾盆地、克拉瑪依、塔里木和吐魯番為代表，如柯深101井，壓力系數(shù)為2.0，溫度135攝氏度，千米橋潛山地區(qū)井深4000m—5700m，溫度在150攝氏度到180度之間。這種地層的技術(shù)難點(diǎn)往往是需要的施工壓力和壓裂酸化液體不能達(dá)到要求；酸液的反應(yīng)時(shí)間短，酸蝕作用距離短。低滲、低壓、低產(chǎn)、低豐度“四低”儲(chǔ)層如中石油的長(zhǎng)慶蘇里格氣田壓力系數(shù)在0.8—0.9，滲透率為0.5—3.0達(dá)西，中石化的大牛地油田壓力系數(shù)0.67—.0.98，滲透率僅為0.3—0.9達(dá)西。類似的這種儲(chǔ)層在我國(guó)占很大的比例，由于產(chǎn)生水鎖現(xiàn)象進(jìn)而產(chǎn)生很難解除的水相圈閉，如果不采用特殊的工藝手段，很難得到高效開發(fā)。凝析氣藏代表有千億方的塔里木迪那氣田和中原白廟深層凝析氣藏。這類油田酸化壓裂最大的問題是由于壓力降低后凝析油的析出產(chǎn)生凝析油環(huán)，大大降低了天然氣的產(chǎn)量。高含硫，高含二氧化碳油田這類油田有被譽(yù)為“南方海相勘探之光”的普光氣田（儲(chǔ)量高達(dá)1144億立方米）；580億立方米的羅家寨氣田。這兩個(gè)氣田的含硫量都在10%—12%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。硫化氫的高還原性和化學(xué)反應(yīng)活性容易產(chǎn)生單質(zhì)硫和硫化亞鐵沉淀，在酸化壓裂施工中造成二次傷害。同時(shí)，高含硫還會(huì)加大鉆、采、集、輸、外運(yùn)的困難，尤其是在地形復(fù)雜，自然條件惡劣的四川丘陵地區(qū)。異常破裂壓力油藏這種油藏埋藏深度和破裂壓力不成正比，以川西致密須家河組和赤水地區(qū)為例：2000多米的井深破裂壓力高達(dá)90多兆帕，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)預(yù)處理措施之后，施工壓力仍然高達(dá)80多兆帕。造成的直接后果就是壓不開地層，酸液不能進(jìn)入，對(duì)設(shè)備的損害比較大?？p洞型、裂隙型碳酸鹽巖我國(guó)“九五”規(guī)劃最大的整裝油田——塔河油田就是這類油田的代表。塔河油田560萬噸產(chǎn)量中有80%是依靠壓裂酸化措施取得的。而壓裂酸化中最大的難題是注入液體的濾失，因?yàn)檫@種縫洞型、裂隙型油藏已經(jīng)并非常規(guī)意義上的裂縫和孔隙，而是體積巨大的溶洞和裂隙。低滲稠油這類油田由于稠油的流動(dòng)性差，向井流動(dòng)困難，導(dǎo)致初期增產(chǎn)效果差或無效，酸化壓裂有效期短。9.水平井、多分支等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井我國(guó)從80年代中期在海上應(yīng)用水平井，水平井的采油工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鉆井技術(shù)的發(fā)展。水平井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井壓裂核心問題是起裂裂縫條數(shù)和裂縫方位的控制，水平井酸化存在的問題主要是酸液的均勻置放和長(zhǎng)時(shí)間浸泡下酸巖反應(yīng)機(jī)理。目前，在這方面已經(jīng)作了大量的研究工作。酸化壓裂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及創(chuàng)新壓裂裂縫延伸數(shù)學(xué)模型研究目前已取得的研究成果主要為由西南石油學(xué)院率先提出的三維裂縫模型和控縫高技術(shù)以及“四變”：變排量、變粘度、變支撐劑類型和支撐劑粒徑技術(shù)。重復(fù)壓裂技術(shù)重復(fù)壓裂定義為壓裂同一口井，同一個(gè)層位，同一個(gè)地方，區(qū)別于常規(guī)的認(rèn)為的第一次壓裂無效后的再壓裂或是壓開不同層段。其技術(shù)核心可以概括為“堵老縫，壓新縫”，即：堵已經(jīng)成為儲(chǔ)水通道的縫，堵控制區(qū)域已經(jīng)完全或大部分產(chǎn)出的老縫。壓新縫的關(guān)鍵是把握新縫壓開的時(shí)機(jī)，新縫的壓開總是發(fā)生在最大最小應(yīng)力場(chǎng)改變時(shí)。3.高含硫油田目前國(guó)外常用的方法是用互溶劑吸收生成的單質(zhì)硫。現(xiàn)在又提出了“雙管齊下”的解決辦法：即同時(shí)降低鐵離子濃度和用硫化氫吸收劑把單質(zhì)硫的形成扼殺在搖籃中。低滲低壓油田目標(biāo)是減少水鎖和水相圈閉，可以考慮的途徑有：盡量減少進(jìn)入氣層的液量，減少濾液的表面張力，減少毛管阻力。目前的措施包括：。1提高返排速度：液氮伴注，分段破膠，強(qiáng)制閉合，高效返排；。2二氧化碳泡沫壓裂；。3自生氣/生熱增壓助排；04表面活性劑壓裂液異常破裂壓力降低摩阻，增加酸液的密度和強(qiáng)度是治標(biāo)的方法。治本的途徑包括：高能氣體壓裂、酸化預(yù)處理、射孔參數(shù)優(yōu)化。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，通過上述方法可以分別減小井口壓力10MPa,4—10MPa,5MPa左右。復(fù)雜結(jié)構(gòu)井壓裂機(jī)理和技術(shù)關(guān)鍵的技術(shù)是合理設(shè)計(jì)壓開裂縫條數(shù)，優(yōu)選裂縫長(zhǎng)度。以前的觀點(diǎn)認(rèn)為水平井相當(dāng)于一口水力壓裂井，但是最新完井思想認(rèn)為水平井鉆成后必須要做增產(chǎn)措施才能發(fā)揮其全部產(chǎn)能。因此完井方式上要預(yù)先考慮有利于裂縫的形成，有利于后續(xù)的酸化壓裂改造。酸化壓裂新觀點(diǎn)：傳統(tǒng)觀念認(rèn)為碳酸鹽巖水力壓裂會(huì)造成礦物脫落，堵塞裂縫和孔隙，一般增產(chǎn)措施應(yīng)該采用酸壓和基質(zhì)酸化；而砂巖油藏由于膠結(jié)疏松，容易壓破地層邊界，酸液均勻溶蝕巖石，不能形成溝槽，酸壓后裂縫大部分閉合，沒有形成導(dǎo)流能力等原因，經(jīng)典教科書上都不推薦采用酸壓。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)已經(jīng)大大地挑戰(zhàn)了上述傳統(tǒng)觀點(diǎn)，如采用酸基壓裂液，凍膠酸的碳酸鹽巖水力壓裂以及砂巖儲(chǔ)層的酸壓都取得了不錯(cuò)的增產(chǎn)效果，但其機(jī)理研究還需進(jìn)一步深入。一、表面活性劑壓裂液體系在表面活性劑稀溶液中，當(dāng)其濃度大于臨界膠束濃度（CMC）,均可形成球狀膠束。隨著表面活性劑和鹽濃度的增加，電解質(zhì)壓縮膠束的界面雙電層，膠束中表面活性劑分子之間的排列趨于緊密，結(jié)構(gòu)和體積發(fā)生突變，膠束由球狀向棒狀和蠕蟲狀轉(zhuǎn)變，粘彈性大大增加，形成凍膠狀；但不同的表面活性劑在不同的鹽溶液中，形成的凍膠狀不同。膠束的粘彈性大小直接與蠕蟲狀膠束的生長(zhǎng)有關(guān)。蠕蟲狀膠束體系是一個(gè)平衡體系，其相對(duì)分子質(zhì)量分布（MWD）不是固定的，受溫度、礦化度、反離子濃度、表面活性劑類型與體積分?jǐn)?shù)和溶劑等因素影響。對(duì)于CTAB/NaSal體系，Granek等人［14］研究表明膠束的平均長(zhǎng)度L與表面活性劑濃度相關(guān)，對(duì)低鹽度（0.1mol/LKCl）,膠束長(zhǎng)度L隨著表面活性劑濃度增大而增大，而高鹽度時(shí)（0.25mol/LKCl）,卻隨著表面活性劑濃度增大而減小。鹽的性質(zhì)和濃度對(duì)膠束的增長(zhǎng)和特性存在嚴(yán)重的影響。Khatory等人［15］研究了不同濃度的CTAB在KBr溶液中的增長(zhǎng)情況，在溫度較高（35€）時(shí)，隨鹽度的增大（KBr鹽度變化范圍0.4,1.0,1.5和2.0mol/L），膠束增長(zhǎng)；溫度較低（31^）時(shí)，隨鹽度的增大，膠束長(zhǎng)度L有個(gè)最大值,即鹽度的增加促進(jìn)了膠束的締合、交聯(lián)，隨溫度升高將破壞膠束的形成的結(jié)構(gòu)，粘度降低。表征膠束理化性能的研究方法較多，主要有光散射法、凝膠色譜法、超速離心沉降法、電鏡法、粘度法、熒光法、核磁共振波譜法、中子散射法和小角度激光散射法。近年來，研究表明由水溶性表面活性劑在一定條件下可形成粘彈性膠束壓裂液，具有良好的流變性能，清潔、無固相殘?jiān)辞鍧崏毫岩骸?guó)外自1997年起，已開展了2100井次的清潔壓裂液壓裂實(shí)施。二、 低濃度瓜爾膠壓裂液近年來，美國(guó)公司開發(fā)了一種新型低聚合物濃度的壓裂液體系［18］,它由聚合物、緩沖劑、交聯(lián)劑和破膠劑組成。聚合物是一種高屈服應(yīng)力的羧甲基瓜爾膠（HY—CMG）,而不是目前常用的羥丙基瓜爾膠，可以在極低的聚合物濃度下使交聯(lián)鏈節(jié)延展，其聚合物用量?jī)H約為常規(guī)聚合物用量1/2,—般使用濃度為0.15%?0.30%,可適用地層溫度為93?121€。該壓裂液體系具有以下特點(diǎn)：（1）壓裂液具有低聚合物濃度，交聯(lián)后卻比常規(guī)HPG交聯(lián)凍膠粘度高，能形成較理想的裂縫長(zhǎng)度；（2）成本較表面活性劑壓裂液低；（3）降低聚合物用量，減少了壓裂液殘?jiān)c傷害，返排更好。該壓裂液體系具有較高的粘度，具有良好的攜砂能力。目前，國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了350口井以上的實(shí)施，獲得了較理想的縫長(zhǎng)和較徹底的清潔返排，增產(chǎn)效果好于使用HPG交聯(lián)凍膠的結(jié)果。三、 低分子瓜爾膠壓裂液低分子瓜爾膠壓裂液（LMW）［19,20］是近年國(guó)外開發(fā)的一種全新理論的壓裂液新體系，仍然利用了表面活性劑壓裂液低分子締合特點(diǎn)和PH值控制液體流變性的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)“低粘高彈”、不需要破膠劑破膠和聚合物可回收循環(huán)再利用，達(dá)到降低儲(chǔ)層傷害和降低壓裂液成本的目的。實(shí)驗(yàn)室和油田測(cè)試結(jié)果表明該體系明顯優(yōu)于其他的聚合物體系，是一種更有效的壓裂液體系。因?yàn)樗牡蜑V失，攜砂能力強(qiáng)，在較低的泵送速率下支撐劑濃度卻可以提高，壓裂施工用液量可減少到原來的一半或更低。這些優(yōu)點(diǎn)可歸因于更短的支鏈聚合物，因?yàn)樗梢孕纬筛o密、更復(fù)雜的聚合網(wǎng)絡(luò)。于瓜爾膠在低分子化過程中，將常規(guī)植物膠的水不溶物的主要成分———蛋白質(zhì)演變成了水溶成分，纖維素經(jīng)過衍生和解聚作用也變成可溶物。常規(guī)瓜爾膠較高的水不溶物變?yōu)榱擞疫叺头肿忧鍧嵥芤?。在不同閉合壓力下，低分子瓜爾膠壓裂液的支撐裂縫導(dǎo)流能力恢復(fù)率明顯高于常規(guī)瓜爾膠壓裂液體系，進(jìn)一步提高導(dǎo)流能力恢復(fù)率21%?38%。國(guó)外已經(jīng)完成室內(nèi)研究，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。四、 CO2泡沫壓裂液CO2泡沫壓裂是國(guó)內(nèi)外普遍采用的壓裂措施。目前國(guó)內(nèi)缺乏工業(yè)化的羧甲基瓜爾膠或羧甲基羥丙基瓜爾膠產(chǎn)品，而羥丙基瓜爾膠使用于堿性交聯(lián)。國(guó)內(nèi)針對(duì)羥丙基瓜爾膠稠化劑，研制了與之相適應(yīng)的酸性交聯(lián)劑AC—8和起泡劑FL—100,配套其它壓裂液添加劑，形成了酸性交聯(lián)的CO2泡沫壓裂液新體系】21］。先后完成了在長(zhǎng)慶、吉林、大慶油田42口井的應(yīng)用，滿足了國(guó)內(nèi)3500m井深、120°C、加砂40m3壓裂改造的需要。針對(duì)表面活性劑壓裂液存在成本高、濾失較大等缺點(diǎn)，不能滿足低壓、水敏儲(chǔ)層壓裂改造的需要，國(guó)內(nèi)首次提出了清潔CO2泡沫壓裂液的研究與應(yīng)用。利用VES壓裂液在弱酸性介質(zhì)下仍然具有良好增粘能力和表面活性劑良好起泡的特點(diǎn)，將表面活性劑壓裂液與CO2介質(zhì)相結(jié)合，形成清潔CO2泡沫壓裂液新體系。該體系具有酸性起泡、穩(wěn)泡能力強(qiáng)，泡沫流體降低濾失，提高壓裂液效率，減少液體的用液量等特點(diǎn)，進(jìn)一步降低了壓裂液成本。該壓裂液體系已經(jīng)完成了室內(nèi)研究并在油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，工藝成功，助排、增產(chǎn)效果明顯。五、 清水壓裂技術(shù)清水壓裂（Waterfracs）是始于美國(guó)20世紀(jì)90年代中期的一項(xiàng)新技術(shù)。它是用水(或加入極低濃度聚合物形成低摩阻滑溜水)在較高排量下進(jìn)行的，僅使用極少量支撐劑與極低砂液比，在裂縫拐彎與扭曲處橋塞支撐，已經(jīng)成功應(yīng)用于低滲透儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造。清水壓裂主要優(yōu)點(diǎn)是降低壓裂液及施工成本，適合于低滲透油藏的壓裂改造，特別是低效難動(dòng)用儲(chǔ)層的壓裂改造。清水壓裂應(yīng)用很大程度上依賴于地層特性與就地應(yīng)力場(chǎng)：裂縫的剪切錯(cuò)位程度、裂縫面粗糙度與巖石力學(xué)性質(zhì)等。清水壓裂液體系是由水、降阻劑、粘土穩(wěn)定劑和表面活性劑組成，其中降阻劑為人工合成聚合物或低濃度瓜爾膠。清水壓裂工藝過程一般包括：水基流體作為前置液，占體系的50%,而攜砂液不同濃度的支撐劑量，其中45%量為0.5%lbm/gal濃度支撐劑的攜砂壓裂液，5%為2.0%lbm/gal濃度支撐劑的攜砂壓裂液。在吉林油田、四川油田開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，壓裂施工成功，增產(chǎn)效果顯著。1．清水壓裂主要有以下特點(diǎn):較大的施工間隔段；工作液效率低，用量大;工作液粘度低，形成的裂縫寬度較窄；攜砂能力差；要求較高的泵注排量,以補(bǔ)償工作液的高濾失；形成的裂縫幾何形狀較復(fù)雜。2．清水壓裂的增產(chǎn)機(jī)理清水壓裂增產(chǎn)依靠以下幾種機(jī)理相互作用:由于巖石中天然裂縫具一定表面粗糙度,閉合后仍能保持一定的縫隙,就可以形成對(duì)低滲儲(chǔ)層來說已經(jīng)足夠的導(dǎo)流能力。清水壓裂基本上不存在殘?jiān)鼈栴}與聚合物壓裂液相比裂縫的導(dǎo)流能力受殘?jiān)鼈τ兴档?。清?線性膠)攜砂能力弱,支撐劑易沉降到較細(xì)垂直天然裂縫中,使微裂縫處于張開狀態(tài)。壓裂過程中,巖石脫落下來的碎屑(特別是在頁巖地層中)它們可能形成“自撐”式支撐。剪切力使裂縫壁面產(chǎn)生剪切滑移,在裂縫延伸過程中使已存在的微隙裂開,并使斷層面及其它弱面張開?？傊?當(dāng)裂縫周邊的巖石在壓力超過“門檻”壓力后,即發(fā)生“滑移”破壞,兩個(gè)裂縫粗糙面的滑動(dòng),使垂直于縫面的縫隙膨脹，停泵后,張開了的粗糙面使它們不能再滑回到原來的位置,從而剪切產(chǎn)生的裂縫滲透率得到保持。3．清水壓裂增產(chǎn)的適應(yīng)性清水壓裂由于攜砂能力差,砂濃度低,故清水壓裂施工的效果取決于是否存在著有利的天然裂縫系統(tǒng)以及它們對(duì)壓力及原有的就地應(yīng)力的響應(yīng)程度。清水壓裂一般適用于以下條件的地層:低滲透地層研究表明:油氣藏滲透率越低,裂縫所要求的導(dǎo)流能力就越低"下面是適合清水壓裂的油藏滲透率劃分界限:主要應(yīng)用于油氣藏滲透率〈0.05mD；在滲透率為0.05Md?O.lmD的油氣藏中可以使用；滲透率〉0.1mD存在天然裂縫油氣藏。高強(qiáng)度巖石地層研究表明:巖石的楊氏模量越高,巖石越堅(jiān)硬,壓裂易形成粗糙的節(jié)理,越有利于保持裂縫張開,保持裂縫的導(dǎo)流能力：清水壓裂主要應(yīng)用于楊氏模量〉34475MPa的油氣藏；在楊氏模量為68955MPa~34475MPa的油氣藏中可以使用。具低閉合應(yīng)力地層低應(yīng)力有利于使殘余的裂縫保持張開,一般要求閉合應(yīng)力梯度〈0.01765MPa/m,而且閉合應(yīng)力越低,壓差越大的地層越有利于清水壓裂。具天然裂縫的地層天然裂縫的儲(chǔ)層,水力壓裂可以沿天然裂縫網(wǎng)絡(luò)延伸,增強(qiáng)裂縫的導(dǎo)流能力,并有利于天然裂縫網(wǎng)絡(luò)和井筒之間的連通性。壓力較低的地層此種地層采用傳統(tǒng)的凍膠壓裂返排比較困難凝膠滯留于地層對(duì)儲(chǔ)層造成傷害,而清水壓裂有助于加速返排,可以避免凝膠損害。4．清水壓裂的優(yōu)點(diǎn)易形成有一定導(dǎo)流能力的長(zhǎng)裂縫;消除凍膠損害,加速返排,由于清水壓裂可免去制備凍膠所需的成膠劑!交聯(lián)劑與破膠劑,不含殘?jiān)?不會(huì)堵塞地層,是有利于返排的;延伸已有的天然裂縫或形成相互連通的天然裂縫網(wǎng);減少了支撐劑的用量及運(yùn)輸費(fèi)用,降低了施工成本"清水壓裂與常規(guī)凍膠壓裂在相同規(guī)模的作業(yè)中,可節(jié)省費(fèi)用40%~60%"對(duì)于那些滲透率很低的邊際油氣田,清水壓裂將是開采這類油氣田的重要措施,也是降低采油成本,增加動(dòng)用儲(chǔ)量的有效途徑。5．清水壓裂的缺點(diǎn)清水壓裂雖然存在以上優(yōu)點(diǎn),但是由于清水壓裂施工中,泵入的支撐劑量和支撐劑濃度均較低,因此清水壓裂存在以下缺點(diǎn):形成的裂縫導(dǎo)流能力較低,這是由于清水壓裂砂比極低,難以形成良好的支撐；攜砂能力差,一方面支撐劑在裂縫中的快速沉降,使支撐劑的輸送距離有限,有效縫長(zhǎng)很短;另一方面支撐劑的沉降也影響支撐劑在裂縫中的均勻鋪置,難以提高裂縫導(dǎo)流能力,還最容易產(chǎn)生砂堵；有效縫長(zhǎng)快速變短在清水壓裂中,低粘度清水輸送支撐劑的能力較低,導(dǎo)致支撐劑顆?？焖俪两?不能將支撐劑輸送到遠(yuǎn)井地帶,從而嚴(yán)重地限制了有效裂縫長(zhǎng)度。6．清水壓裂基本工藝設(shè)計(jì)液體配方組成:清水+降阻劑+表面活性劑+粘土穩(wěn)定劑；為了減少支撐劑的泵入量與施工成本,一般的清水壓裂施工前置液占50%,隨后泵入60kg/m3濃度的支撐劑，并在整個(gè)施工階段保持一個(gè)定值，施工結(jié)尾時(shí)(通常剩余5%的施工液體)支撐劑濃度增加到240kg/m3,其目的是為了增加井筒與裂縫之間的連通性〃清水壓裂設(shè)計(jì)一般考慮下面幾個(gè)因素:設(shè)計(jì)支撐縫長(zhǎng)或壓裂縫長(zhǎng)的體積;滿足裂縫導(dǎo)流能力和裂縫寬度的支撐劑篩析尺寸;達(dá)到足夠?qū)Я髂芰Φ闹蝿舛?產(chǎn)生足夠裂縫寬度的泵注排量。7．混合清水壓裂微地震研究表明:清水壓裂能形成長(zhǎng)裂縫,但是支撐裂縫的有效長(zhǎng)度將隨著支撐劑的濃度和鋪置的有效