1、低渗透油田裂缝不发育储层压裂技术编写：姜守华初审：杨海英审核：王群嶷大庆油田有限责任公司采油工程研究院信息中心二 OO 五年三月大庆油田采油工程技术与国外技术对比分析研究阶段报告之一1目 录一、低渗透油田压裂的工艺技术与装备水平 .4（一）改进的水力压裂工艺技术 .41.大型水力压裂技术 .42.重复压裂 .43.高砂比压裂 .54.控制缝高压裂技术 .55.限流压裂 .66.水力冲击压裂 .67.水力化学压裂 .68.复合压裂 .79.振动压裂 .710.优化压裂 .711.泡沫压裂技术 .812.改变应力压裂 .913.注水井无支撑剂压裂 .9（二）压裂设备 .91.主机性能参数的技术进展
2、 .92.压裂配套设备的技术发展 .10（三）新型压裂技术 .101.爆炸压裂 .102.爆燃压裂 .112.1 爆燃压裂的造缝及增产原理 122.2 爆炸压裂、爆燃压裂、水力压裂的工艺特征 123.高能气体压裂 .133.1 压裂机理 133.2 技术特点 153.3 使用条件及使用范围 163.4 高能气体压裂的局限性 173.5 高能气体压裂应用实例及效果分析 173.6 小结 244.液体火药高能气体压裂技术 .254.1 液体火药高能气体压裂的造缝机理 254.2 液体火药高能气体压裂改造油层增产原理 294.3 液体火药高能气体压裂工艺选井及施工步骤 294.4 现场应用情况及效果
3、分析 314.5 液体高能压裂对套管、水泥环的影响 324.6 认识与评价 325.国外油气井“层内爆炸”增产技术概述 .335.1 应用基本情况 345.2 原理研究 355.3 配方 355.4 下井工艺过程 3625.5 低渗透油田 “层内爆炸”增产技术的基本思路 .365.6 分析与展望 37二、低渗透油田裂缝不发育储层压裂增产技术 .37（一）现河低渗透油区水力压裂技术的应用 .381.室内实验及现场监测 .381.1 压裂液体系的优选和支撑剂优选 382.压裂工艺技术 .392.1 压裂方案优选 392.2 压裂施工及配套技术 403.现场应用 .41（二）压裂技术在欢东 双油田的
4、应用研究 .411.欢东 双油田压裂工艺技术研究 .421.1 利用地层评估技术加强压前经济评价 421.2 投球选压工艺 421.3 多种分层压裂工艺技术 421.4 压前酸预处理工艺 421.5 大排量、大砂量压裂施工工艺 431.6 复合支撑施工工艺 431.7 热介质压裂施工工艺 431.8 控缝高施工工艺技术 431.9 低温破胶技术 441.10 裂缝监测技术 441.11 压裂液技术应用 442.欢东 双油田压裂效果对比分析得出的结论及建议 .45（三）高砂比压裂技术及其在双河低渗透油田的应用 .461.高砂比压裂技术 .461.1 高砂比压裂机理 .461.2 高砂比压裂特点
5、.472.高砂比压裂技术在双河油田的应用 .47（四）前置液氮压裂技术在吐哈油田的应用 .481.前置液氮压裂技术工艺原理 .482.前置液氮压裂技术的现场应用 .493.前置液氮压裂技术优点及其认识 .49(五)长庆油气田 CO2泡沫压裂工艺研究与现场试验 491.试验油井基本情况 .502.压裂液及添加剂研究 .503.CO2压裂设计及施工技术 .514.结论与认识 .52三、扶杨油层勘探压裂增产技术的对策 .53四、扶杨油层开发压裂增产技术试验研究 .543前 言压裂技术 1947 年始于美国堪萨斯州，至今已经历了半个世纪了。但是，作为低渗透油田的改造措施还是 80 年代的事。这一时期，
6、压裂规模从施工液量只有 19 m3，精确控制短小裂缝的小型压裂，到施工液量 5830m3，用砂量 2857t，裂缝长 1km，耗资 110104美元以上的大型压裂。其工艺在很多方面都得到发展，除主要用于压裂低渗透率油层提高原油和天然气产量外，还可用于深水井、注水井等辅助井。迄今为止，低渗透层压裂技术已伴随着整体压裂技术的发展而进入到一个新的阶段，并朝着优化支撑剂、提高压裂液效率、大型化、总体优化压裂设计、水平井与水力压裂相结合的方向发展。低渗透油田一般单井产量比较低，有些油田不压裂就不能进行有效开发，压裂往往是唯一的增产途径。对于裂缝不发育的储层，主要采用压裂的方法。近年来国内外低渗透油田油层
7、压裂技术都在不断进步，包括油藏早期精细描述与评价技术、油井现代试井解释、数值模拟、压裂改造技术等。许多新技术在不断地应用到低渗透油田裂缝不发育储层的开发中。常用的有：大型水力压裂技术、重复压裂技术、高砂比压裂技术、泡沫压裂技术、高能气体压裂技术、限流压裂技术、控制缝高压裂技术，但对于低渗透油藏最主要的压裂工艺技术有大型压裂技术、泡沫压裂技术和总体优化压裂技术。4一、低渗透油田压裂的工艺技术与装备水平目前，适用于低渗透油藏的压裂工艺技术比较多，常用的有：大型水力压裂技术、重复压裂技术、高砂比压裂技术、泡沫压裂技术、高能气体压裂技术、限流压裂技术、控制缝高压裂技术，但对于低渗透油藏最主要的压裂工艺
8、技术有大型压裂技术、泡沫压裂技术和总体优化压裂技术。（一）改进的水力压裂工艺技术1.大型水力压裂技术为了探索开发致密砂岩油气藏的方法，美国 80 年代初建立了“多井试验场(MWX)” ，80 年代中期又建立了“多阶段现场试验场(SFE)” ，形成了致密砂岩油气藏的大型水力压裂技术(MHF)。这种方法能成倍提高低渗透油层采收率，是强化开发低渗油藏最具前景的工艺措施。国外现场试验研究结果表明：强化开发低渗透储层的最佳水力压裂裂缝长度与地层渗透率成反比,渗透率愈低,则要求的裂缝长度愈长。据此,要对渗透率为（1-30）10 -3m 2的地层产生有效作用,必须形成半径长在 l00m 左右的裂缝,有时裂缝
9、半径长可达 1000m。在裂缝的作用下,不仅近井地带,而且较远的地层也会受到作用。由于渗滤面积急剧增加,渗流由径向变为线性,采收率因而成倍增加。美国 25%-30%的原油储量都是先进行大型水力压裂(也叫深穿透水力压裂)，然后再投入开发的，每年压裂 4000-6000 井次，加拿大每年要进行 15000 井次的深穿透压裂作业。北美地区广泛应用该技术，在 35年内共增加工业性原油储量 11109t 以上。2.重复压裂所谓重复压裂是指对以前压裂过的井再次进行压裂。近年来，由于5重复压裂技术的应用，使压裂技术在油田开发的各个阶段都起到了增产挖潜的重要作用。重复压裂不但适用于常规直井，而且也适用于大斜度
10、井和水平井。重复压裂的难度较大，因此在选井原则和工艺技术上都有更高的要求。可使用各种类型的压裂液，如硼交联 HPG、瓜胶、钛胶联 HPG 等。一般用柴油(5%-6%)或能降解的聚合物作防滤失剂，支撑剂粒径可从20/40 目到 12/18 目。3.高砂比压裂高砂比压裂是水力压裂的改进,它采用高携砂能力的压裂液,使砂液比高达 600-1200kg/m3,裂缝中的支撑剂铺设浓度在 l0kg/ m3以上。它的特点是支撑裂缝宽,具有高导流能力的宽裂缝可减少微粒对其导流能力的影响,并克服了支撑剂嵌入问题。从而使油井增产比上升,有效期长。该工艺是改造低渗透和特低渗透油层的有效措施,使用该工艺进行初次压裂和重
11、复压裂均能收到显著效果。例如,北 Word Estas 油田的一口井用普通方法压裂后产油 6.85t/d,而采用高砂比压裂后产油 16.44t/d,比普通压裂提高 2.4 倍。4.控制缝高压裂技术在水力压裂设计中，必须防止裂缝无控制地垂向延伸，进入非生产层(如气顶或水层),缝高应控制在生产层内。近年来国外广泛采用人工隔层法来控制裂缝高度，取得了很好的效果。这种隔层由漂浮的暂堵剂形成，暂堵层在压裂加砂前以液状注入。施工过程中，部分漂浮暂堵剂集中在新形成的裂缝最上端,形成一个压实的低渗液流区。这一人工隔层使压裂液压力不能到达上部边界层，所以施工压力可以增高而不至造成裂缝向上延伸，可将后来注入的压裂
12、液转向。在遮挡层地应力小于或等于压裂产层地应力的情况下，用于处理上面有气层或水层的油层，可获得经济效益。65.限流压裂对于层多、层薄、夹层小、不适应常规压裂的油井，最适合用限流压裂技术进行压裂。限流法完井压裂技术是通过严格控制射孔密度，以尽可能大的压裂注入排量进行施工，利用最先压开层吸收大量压裂液新产生的炮眼摩阻，大幅度提高井底压力，迫使注入的压裂液分流，相继压开破裂压力相近的邻近层。它适应于新井的完井压裂，在己射孔的老井中无法进行。多层同时压裂时，由于各小层的破裂压力不同，可实施限流压裂。限流压裂的实质是限定射孔孔眼的数目和直径，使压力增加到可压开破裂压力较高的层段。为此,破裂压力低的层段,
13、射孔孔数较少;而破裂压力高的层段,射孔孔数多（或孔眼直径大） 。这种方法只适合油田早期开发时使用，即要求油井尚未射孔时,根据地应力资料来确定各层的射孔孔数。使用限流压裂技术可一次处理多层。与分层滑套管柱配套，可用一趟管柱处理近 20 个小层。该技术施工效果明显，而且能降低压裂成本。6.水力冲击压裂水力冲击压裂时，把一个水力冲击压力发生器用油管下到井筒处理层段，发生器有一个冲压室，上面有一个震动片，下面有一个自封柱塞。冲压室在下井时保持空腔(腔中无液体)，冲压室的长度随其直径而变,从 11mm 到 16mm 不等。在地面用一台水泥车加压，压破震动片。震动片压破后，充满油管和套管环空的流体以很高的
14、速度充满冲压室空腔，将自封柱塞推向井底。这样，就在被处理井段造成比岩石压力高很多的水力冲击力。由于所形成的高压超过了岩石的弹性极限，因而形成了不可逆的变形，裂缝不再闭合。该压裂方法不需加砂。前苏联在 3 口油井和2 口注水井上对此技术进行了现场试验，用土酸作为冲压液,共增产原油3.8104t。增加注水量 8.2104m3。处理后 260d 仍然有增产增注效果。77.水力化学压裂水力化学压裂是充分利用己压开的裂缝，通过物理化学作用，有效地处理基岩，提高储层渗透率。其施工顺序是：注入加有表面活性剂的盐酸溶液，注入加有原油、砂子和石灰砂的碱性溶液，接着注入组分与前者相同但不带砂子的挤替液、盐酸溶液，
15、5%的碱性挤替液。试验表明，注入的化学溶液和砂子量越多，水力化学压裂的效果就越好。该技术的优点是产量稳定，这是因为压裂过程中，近井地带聚积了弹性能量和气体能量，通过压开的裂缝可使基岩投入有效的开采。吉尔吉兹石油生产联合企业进行了 20 多次水力化学压裂,共增产原油 1.06104t，一次压裂平均增产原油 530.6t,增产效果持续超过两年，压裂成功率 100%。8.复合压裂复合压裂技术是 80 年代末由 D.Cuhri 等人提出的一项新型增产、增注技术，也称多缝加砂压裂。它将高能气体压裂与常规水力压裂相结合，先在目的层压开多条径向裂缝，继而通过水力压裂延伸此裂缝,得到多条足够长的有支撑剂支撑的
16、裂缝，它集中了两种技术的优点，能更有效地开发油气藏，具有广阔的应用前景。该技术在低渗透油层进行，其效果明显要好于水力压裂。9.振动压裂早在 80 年代，前苏联就有人研究过将振动压裂与水力压裂相结合(简称振动压裂)来处理油层的方法，并见到了较为明显的增产效果。国内吉林油田于 1995 年中期开始了这套工艺技术的研究工作，并在现场应用成功。振动压裂工艺是将水击原理与水力压裂相结合的新工艺。该工艺不仅对本井目的层进行水击振动处理，使之产生新的微裂缝，增加地层的导流能力，而且，振动产生的能量将以声波的速度在井下传播，并作用8于所有射孔井段，对其它层段的近井地带产生了一次常规高振动处理，起到解堵、除垢、
17、增渗的作用。10.优化压裂低渗透油藏总体优化压裂技术是 80 年代中、后期压裂工艺的新发展，它是把油藏总体作为一个设计单元来考虑(而不是以“单井”为单元)，将优化设计的具有一定缝长、缝宽、支撑剂渗透率及裂缝方位的水力裂缝放入低渗透油藏中，预测它在生产开发过程中发生的一系列动态影响，如一次采油期在未形成开发井网的产量与压力的变化，二次采油期生产井与注水井的产量、注水量与压力的变化以及扫油效率的变化，研究设置裂缝与油藏的最优化匹配等问题。目前，低渗透油藏总体优化压裂技术己发展成一种比较成熟的压裂工艺技术。它考虑了油藏总体对应于不同特征将产生不同的优化结果的复杂性，选择和处理覆盖整个油藏的有关输入数
18、据，使优化设计结果能覆盖整个油藏的动态变化情况。通过油藏模拟、裂缝模拟与经济模拟等手段，以最大净收益为标准，获得了优化的缝长和裂缝导流能力。在开发低渗透油藏过程中，使水力压裂和油藏工程紧密结合起来。11.泡沫压裂技术泡沫压裂也是水力压裂的改进，特别适合于低压油井。泡沫压裂液以酸、水、水一乙醇或烃类为外相，用表面活性剂作发泡剂，其浓度占总液体的 1%以下，用一种可增能的气体（如 N2或 C02）作泡沫的内相，起驱动作用，促使压裂液返排到井中。氮气泡沫压裂技术是美国对开发低渗透油气资源的一大贡献,它比较适用于低渗、低压、水敏性储层。泡沫压裂具有很低的滤失性，很强的返排能力和携砂能力，对储层伤害小。
19、泡沫压裂与常规压裂相比，产量可以提高 2-4 倍。尤其是近期采用的交联泡沫，其稳定性更好，滤失量比普通泡沫少 50%左右。9在美国低渗透油气田开发中还广泛采用泡沫酸化压裂工艺，这是一种水力一化学联合造缝的技术。自 80 年代以来，美国平均每年泡沫酸化压裂 1000 井次以上，平均每次处理增产 250t。使用井深范围 300-3400m 不等。此项技术在前苏联也有较广泛的应用。泡沫压裂工艺技术的最新进展是液态 C02压裂工艺，另外，近年美国能源部试验成功了长水平井段裸眼分段泡沫压裂。12.改变应力压裂所谓改变应力压裂就是对某井的地层进行水力压裂时，因受邻井原有压开裂缝产生的应力扰动影响，使该井新
20、压开的裂缝重新取向。这种压裂方法，极适用于天然裂缝性低渗透、范围小的区块。因为，这种压裂的裂缝与天然裂缝不平行，可交汇出更多的天然裂缝，故而造短的裂缝能够使井有更大的产能。13.注水井无支撑剂压裂所谓注水井无支撑剂压裂，就是采用增压泵或压裂车，在短时间(1.5-4h)内以极高的压力(井口压力高达 35-37.5MPa)高速注水(折合日注入速度 1200-1800t/d ,一般注水量 150-300m3,迫使地层破裂，达到解堵和增注的目的。从前苏联新达米特里也夫油田的应用情况来看，有 70%的注水井的有效期为 1-6 个月。这种方法的最大特点是不用支撑剂，施工费用低。（二）压裂设备由主机设备压裂
21、车及辅助设备混砂车、仪表车、运料车、管汇车组成。1.主机性能参数的技术进展 国外压裂车一般都向高泵压、大排量、大功率的特点发展，目前，最高泵压己超过 200MPa，在提高单机功率和单泵排量的同时，在一台压裂车上 2-4 台发动机和工作机的多机多泵系统己较普遍。国外发动机单10机功率一般为 220-580kW,最高的己达 4400kW；大排量一般在3.16m3/min，最高己超过 4.7 m3/min。美国己批量生产出可供大规模强化压裂和深井压裂作业用的高压、高水功率液动增压泵压裂机组。该机组具有长冲程、低冲次、工作平衡、使用寿命长的特点，可以按其额定参数持续运转(HT-3000 可长达 18h
22、)，可以泵送砂比很高(每立方米液量加砂 2400kg)的液体，为深井、超深井的压裂作业创造了良好条件。2.压裂配套设备的技术发展包括三方面：一是混砂车，又称砂液比例混合机，国外混砂车具有多用途、输液量准确可靠、机械化、自动化程度高等特点，二是仪表指挥车，车内装有多参数显示仪表，可显示、记录所计量的时间、传动箱档次、各种排量、流速、油压、环空压力、砂浓度等十多个参数，并用计算机进行检测、监控；三是运料设备，是将压裂作业所需要的各种支撑剂、压裂液、添加剂等物料运送到施工现场的设备，国外多为车装、拖车装、也有撬装。随着压裂液系列品种的不断发展，各种性能完善的运料设备相继出现，主要有酸罐车、液氮运输车
23、、二氧化碳运输车以及其他压裂液运输车等。（三）新型压裂技术1.爆炸压裂从 1860 年应用爆炸增产技术开始,几经发展,井下爆炸技术在长达80 年的历史中曾经雄踞各类增产措施之首。本世纪 40 年代末 50 年代初这项技术遇到水力压裂技术的挑战。至 70 年代,水力压裂技术更趋完善,显示其优异特点（但是水力压裂也有自身无法克服的局限性）,70 年代发生的能源危机,使人们急于寻找更为有效的增产措施,爆炸型增产技术东山再起。它吸收现代科技成果,具有了更为丰富的内容,已日益引人注目。爆炸压裂是利用火药引爆燃烧所产生的高能气体压裂油气层。井下油气层爆炸是靠应力波在井眼周围造成裂缝区域,由于所造成的瞬间高
24、11压超过了井壁一带岩石的动力压缩屈服强度使岩石产生永久性压实而形成渗透性极低的阻挡圈,加上产生的裂缝较短等因素,一般它只能用于存在大量潜在自然裂缝的裸眼油气井中。爆炸压裂在几微秒内产生压力高达 1106Pa 的气体，在井筒周围产生一定深度的不可闭合的多裂缝区域,这些裂缝不受地应力影响，具有一定的增产效果。爆炸压裂具有水力压裂不能代替的优点。首先是选择性特别强,甚至可邻近油水界面而不压穿;二是可压开多条径向裂缝与天然裂缝相交而不受地应力限制;三是自身支撑更能长期有效；四是在经济、方便、安全方面胜过水力压裂;五是可为综合作业提供井下裂缝的条件。该技术施工简单，不受水敏和酸敏地层的限制。此外，即使
25、在压裂过程中不加入支撑剂,压裂裂缝在高的闭合应力下仍保持张开。这主要是爆炸的压力在微秒级迅速上升，上升速度要比水力压裂的压力上升速度快得多，致使所产生的多条径向裂缝的方位偏离最小主应力方向，产生偏轴效应，使剪切应力作用于偏轴裂缝，发生剪切错动，形成不闭合裂缝。该方法存在的问题是裂缝区域半径小，一般只有井筒半径的 10 倍左右；另外，压力过高，会造成永久性压实。该法在前苏联应用较多，我国长庆油田也曾采用。井下水力压裂,除水敏地层外,一般不引起井眼或地层损害,但往往受控制缝高和人工裂缝与天然裂缝平行的地质条件限制,减少了压裂裂缝与天然裂缝沟通的机遇,加上成本较高,在一定程度上降低了它的普遍意义。井
26、下酸处理一般只适合碳酸盐岩储层或被碳酸盐胶结的碎屑岩储层,由于酸化深度有限,在无潜在自然裂缝的油气井中,往往增产效果欠佳。正是上述情况使得油气层爆燃压裂技术应运而生。2.爆燃压裂12爆燃压裂亦称高能气体压裂、可控脉冲压裂或多缝压裂,是国外 70年代中期开始探讨、80 年代逐渐发展起来的低渗透油气层增产新技术。它的基本原理是利用火箭推进剂或火药燃烧所产生的高能气体压裂油气层,改善渗流条件。其特点一是可以形成不受地层应力状态控制的多条径向裂缝而又更多地与天然裂缝相沟通,二是靠储层裂缝两侧的微小错位和岩碎支撑使所形成的裂缝不致完全闭合,三是作业不受水敏、酸敏地层的限制。正因如此,爆燃压裂一问世便引起
27、了油气工业界的兴趣与关注。与此同时,美国在阿帕拉契亚山的泥盆纪页岩和二叠纪盆地的圣安德烈斯层进行了工业试验,都得到多缝网络的造缝特征和生产效能,也建立了相应的数学模型以预测压裂效果。中国在延长油田所作的爆燃压裂试验,肯定了裸眼浅油井的增产效果,而在安塞油田的试验,展现着将其用于套管中深井的良好前景。诚然,现行的爆燃压裂因其能量所限,其造缝规模和增产幅度和水力压裂相比都还有不小的差距。长庆油田爆燃压裂工艺技术的研究，开始于 1987 年，截止 1992 年12 月底，现场共试验及应用了 55 井次，分别在裸眼井及下套管的油水井中开展了试验研究，并取得了较好的增产、增注效果。2.1 爆燃压裂的造缝
28、及增产原理由材料力学及岩石力学的基础理论可知，脆性材料（如玻璃、岩石等）在遭受外力破坏时,其碎裂形态随外力的加载速度率即压力上升时间的变化而变化。理论研究指出，当井筒内压力上升时间大于 10-2s 时，地层将沿垂直于最小主应力方向产生一条裂缝；当压力上升时间小于10-3s 时，地层将沿井筒产生多条对称状裂缝；当压力上升时间小于 10-7s 时，地层将在井壁周围遭受粉碎性破坏，形成一层压实层。由于现代火箭推进剂的发明，满足了升压时间 t 的材料要求，因此，为爆燃压裂工艺的出现提供了物质条件。2.2 爆炸压裂、爆燃压裂、水力压裂的工艺特征美国桑迪亚研究室测得的三种压裂过程典型的施工曲线，它们各自1
29、3的特点为：爆炸压裂燃烧速度极快，燃烧时间为 10-6s，升压时间为 10-7s，峰值压力 6895MPa,能量全部消耗在岩石表面的粉碎破坏上，使岩石表面形成压实层和产生少量微细裂缝。爆燃压裂燃烧速度较快，燃烧时间为 10-2s，升压时间为 10-3s，峰值压力 68.95MPa,能量传递较快，因而不受地应力控制，可形成径向入射状多条短裂缝。水力压裂升压速度缓慢，升压时间为 10-2s，峰值压力6.90MPa，一般是沿着垂直于最小主应力方向生成一条长而大的裂缝。3.高能气体压裂高能气体压裂( 简称)，分为爆燃压裂和燃烧压裂。前者是将火药与炸药联用，其中利用少量炸药在井筒周围首先造成对称分布的起
30、裂裂缝，再由大量的火药燃烧时产生的高能气体去扩展和伸延裂缝，使其与天然裂缝沟通，从而达到增产的效果。高能气体压裂是本世纪 60 年代开始发展起来的一项新型技术，在美国、前苏联等国家进行了大量的现场试验,取得了明显的增产效果。我国开展该项技术研究较晚。1985 年初，西安石油学院与机电部 204 所及延长油矿合作，借鉴国外的技术和经验，开始了我国的的研究。经过多年的努力，已经先后在延长、玉门、江苏、大庆、克拉玛依等 8 个油田开展了的现场试验，取得了很大的进展，在施工工艺方面积累了较丰富的经验，在油气井增产、水井增注方面获得了一定的效果，因而曾倍受关注。3.1 压裂机理高能气体压裂又称脉冲压裂，
31、它是在爆炸压裂的基础上发展起来的新型压裂方法，是一种具有独特增产机理的压裂技术，它利用火箭推进14剂或火药在油气层段燃烧,产生高温、高压气体,压裂地层,形成多条自井眼呈放射状的网状裂缝,改善近井地带渗透性能，消除油气层污染及堵塞物,有效降低表皮系数,实现油气井增产。它区别于爆炸压裂之处是其压力上升速度慢一些，且压力峰值低一些，所形成的多裂缝区域半径要大于爆炸压裂。脉冲压裂在毫秒级内产生峰值压力，其应变率在 10-2-102s-1的范围内，可产生不受地层应力状态控制的多条径向裂缝。脉冲压裂产生裂缝的过程可看作 3 个连续发生的阶段，即井眼升压阶段、造缝阶段和裂缝延伸阶段。升压阶段：井眼发生弹性变
32、形的同时地层内的天然裂缝承受压力，能量由高能气体储存在井眼内；造缝阶段：储存在井眼内的大量能量使裂隙开裂，同时释放；裂缝延伸阶段：多条裂缝在气体的“驱动”下从井眼延伸，进入裂缝延伸阶段。高能气体压裂既不同于爆炸压裂,也不同于水力压裂。高能气体压裂有四种效应:机械造缝效应、水力脉动效应、热和化学效应。其中机械造缝效应是最主要的形式。高能气体压裂最初是在井筒爆炸技术基础上发展起来的。它是利用火药式推进剂,通过合理的装药结构设计使之在井筒中有规律地燃爆,从而产生大量的高温、高压气体,并以脉冲加载的方式冲击油气层,使井壁升压并使井眼发生弹性变形,接着压力向近井地带传播。此压力可分解为径向压力和切向应力
33、。在井筒附近某点,变形的切向压力构成了裂缝张开的拉伸力。随着拉伸力的增大,径向裂缝向其二端延伸扩大。当径向裂缝延伸至井筒附近后,在井筒高压流体作用下,使裂缝与井筒连通,迅速形成裂缝,当井中推进剂燃烧产生脉冲上升时间传播时,压缩流体压力与拉抻应力使裂缝向储层中延伸。在延伸过程中,高能气体使裂缝与裂隙合并形成很多方位的裂缝。高能气体压裂与爆炸压裂、水力压裂的区别：爆炸压裂是靠炸药产生的应力波在井眼周围造成破碎区,由于它的15升压速度快,气体生成量少,地层裂隙来不及扩张和延伸,大部分能量消耗在破碎井壁附近的岩石上。同时,峰值压力很高,可能会使井壁附近的破碎带产生永久性的压实而形成渗透性较低的阻挡圈。
34、而水力压裂的压开速度很慢,减少了压裂裂缝与天然裂缝的机遇。高能气体压裂介于两者之间,它在毫秒级内产生峰值压力,可产生不受应力状态控制的多条径向裂缝。3.2 技术特点前苏联专家认为,由于高能气体在压裂过程中,既存在机械作用,产生的高温高压燃气又起热化作用,同时在井筒中形成的压力脉冲又可造成物理作用。高能气体压裂是几种增产方法的有机结合,因而可达到比较好的增产效果。上述基本原理及产生裂缝的原因和过程,决定了高能气体压裂具有以下技术特点:（1）可形成多方位的径向裂缝,且多为水平方向,纵向上延伸小,适用于低渗薄油层改造。（2）当井筒周围地层岩石中存在天然裂缝时,则可形成通向井筒的人工天然裂缝复合系统,
35、可以大大地使油井增产。（3）推进剂燃烧产生的二氧化碳气体不会污染地层,对水敏性、酸敏性、盐敏性储层均适用。（4）地面无承受高压部分,设备投入少,施工简单、不受场地限制、作业时间短、费用低,经济效益高。（5）高能气体压裂后,不需要排液等措施,有利于环境保护。（6）即使在压裂过程中不加支撑剂,但压裂裂缝在高闭合应力下仍保持张开,多缝网络的导流能力得以维持。这主要由于高能气体压裂的压力上升速度比水力压裂的压力上升速度快得多,致使所产生的多条径向裂缝的方位偏离最小主应力方向,产生剪切错动,形成裂缝的不闭合。（7）对套管不会造成损坏。大庆、辽河等油田对高能气体压裂井16前后的微井径、声波幅度、井下超声波
36、成像测试,表明高能气体压裂对套管及水泥环的影响在允许范围之内,不会引起串槽。由于高能气体压裂具有以上技术特点,因而对滚动开发及道路井场受限制的井区及敏感性储层具有极强的吸引力。3.3 使用条件及使用范围3.3.1 使用条件高能气体压裂的技术关键是控制好高能气体的升压速度和最高压力。要求这一升压速度慢于爆炸压裂而快于水力压裂,一般为毫秒到几百毫秒之间;同时要求限制最高压力低于地层岩石的屈服压力,一般在P以内,这样就能在井筒周围产生多条裂缝并且无破碎压实带,从而把天然裂缝与井筒沟通,提高油层的导流能力。据理论计算及其它油田的现场施工实践,对进行高能气体压裂的井一般要求:固井质量好,以便承受作业施工
37、的压力。高峰径向压力应小于岩石的抗拉强度,以防止井筒被破坏,工作压力应低于套管损坏压力。高能气体产生的切向张力应大于岩石抗张强度以便产生裂缝。推进剂爆燃可控增压时间,应小于声波围绕井筒传播时间,以便产生裂隙。为保持井筒内的压力,压裂前井筒应以流体充填,以提供至少cm 2 的压力,也可采取打水泥塞等措施。若为下套管井,应将射孔参数与选择推进剂同时考虑,并且通常在同一平面上采用相位差射孔,以有助于形成多方位径向裂缝。3.3.2 使用范围对于酸化后没及时排酸或因地层压力低,排酸困难造成地层再次17堵塞的井层;因钻井、作业施工对油层污染的井层;在生产过程中机械杂质堵塞的井;水力压裂井因生产时间长,裂缝
38、闭合、产量下降的井;对常规酸化、压裂等敏感性油藏(水敏、酸敏、碱敏)井; 对于油层致密、渗透性差,破裂压力高,水力压裂难以实现的井,采用高能气体压裂可以利用其瞬间高压能量,压开地层;受地应力及构造的影响,地层裂缝发育的油层。3.4 高能气体压裂的局限性虽然高能气体具有许多优点,正如其它进攻性措施一样也存在它的局限性:（1）对于固井质量差的下套管井要慎用。（2）由于高能气体压裂不能加支撑剂,其裂缝延伸长度比水力压裂裂缝短,裂缝的有效作用期较短。（3）试验井深虽曾达到 4200m,但一般仅实用 2800m 以内的井深。3.5 高能气体压裂应用实例及效果分析近十多年来,国内外应用高能气体压裂日益广泛
39、,取得了很好的技术和经济效益。（1）美国至今已进行了 4000 多井次的高能气体压裂试验应用,总成功率达到 90%。其中包括油井、气井、水井,有老井也有新井,井深从120m-4200 m 均有。（2）我国自 1984 年以来,先后在延长油矿、辽河、克拉马依、玉门、长庆、胜利、江苏等许多油井,从浅井到深井共进行了 200 井次左右现场试验应用,一般油井增产-倍,有效期平均为 18 个月,最长的18达 38 个月,试验井包括裸眼井和套管井,最大井深超过 3300m。（3）江汉油田在 1997 年曾进行了井次的高能气体压裂试验施工,有效井次,有效期个月,累积增油t（表 1）：表 1 江汉油田高能气体
40、压裂井效果统计表施工前（t）施工后（t）井号处理层位井段（m） 厚度/ 层装药量（kg）电阻孔隙度（%）含油饱和度（%）日产液日产油日产液日产油备注411 2469.4-2481.0 11/1 144 3.4 14 62A412 2492.6-2495.6 2/1 6.5 14 641.9 1.5 7.7 2.9累积增油 120 t，有效期 3个月下121487.4-1489.8 0.8/1 2.0 6-11 0-27下121494.0-1499.2 4.2/1 116 3.7-10.9 5-11 7-52下211552.2-1560.0 6.8/1 2-65.4 7-19 4-75B下251
41、628.8-1637.8 7.0/1 69.5 3.3-8.3 2-13 0-470.3 0.3 0.4 0.4 无效从施工工艺上讲,应该是成功的;从效果上看,没有像其他油田报道的理想。分析增油效果不理想的原因主要有:一是所选井的油层含油饱和度低,物质基础较差。井虽然钻遇油层层.m,但该井泥质含量较高,层内非均质性严重,在井段内,存在小的泥岩隔层,纵向上含油性变化大。井从测井组合曲线得知,其深侧向电阻率降低,表明该井可能离油水边界不远,高能气体压裂后,该井液量和油量虽上升,但含水也由%上升到.%,与解释结果吻合;二是能量基础差。井所在的井区,由于采取的是高速强采,注水没及时跟上,再加上注水状况
42、差,地层能量低,该井压裂前后,其生产动液面均在油层底界以下,供液状况极差,其效果差就可以理解了。（4）爆燃水力压裂在安塞延长组应用及效果191）现场应用情况 安塞油田延长统长 6 埋深 10001300,油层厚度平均 12.2,其主要特点是物性差,有效孔隙度 12.4%,有效渗透率0.4310-3 2。由于储层物性很差,高能气体压裂主要作为一种预处理手段与水力压裂相结合进行试验。试验的基本思路是基于安塞油田地层物性差,可流动空间小,且存在天然裂缝。采用在近井地带进行预处理,形成近井地带的网状裂缝,沟通近井地带存在的天然裂缝,减小井筒附近地层的油流阻力,然后进行水力压裂（表 2） 。从表 2 的
43、对比中可看出,在油层条件基本一致的情况下,侯市区产量有所提高,但幅度不大;坪桥区产量没有提高,反而有所下降,但施工时地层的破裂压力两油区都有所下降。2）试验效果分析水力压裂是延长组低渗透油藏最有效的增产措施。低渗透油藏由于本身物性差,提高产能的关键在于扩大处理范围,在远井地带创造有利的供液通道,而所产生的径向网状裂缝只能取得有限的长度,对近井地带的污染和伤害能有效解除。美国研究了不同渗透率条件低渗储气层要获得最大净产值对支撑缝长的要求,安塞油田有效渗透率为 0.4310-3 2,接近致密,若要求支撑缝长为 152305,则所产生裂缝长度(据有关资料,最长约 13)达不到改善油层的要求。安塞地区
44、压裂改造以后遵循的大砂量、大排量、高砂比使单井排液量有了较大幅度的提高,也证明了长而宽的裂缝对低渗油藏的有效性,而形成的多条径向裂缝由于增大了渗流面积,反而可能影响表 2 爆燃水力压裂试验井和非试验井试油效果对比区块 平均有效厚度/m 平均破裂压力/MPa 平均日产油/t试验井 非试验井 试验井 非试验井 试验井 非试验井坪桥 19.39 15.9 21.3 23.00 9.12 9.54侯市 17.03 16.08 25.25 26.98 18.36 13.2920长而宽的主裂缝的形成,使单井长期稳产受到影响。低渗透储层天然裂缝的发育与闭合程度制约了的效果。根据安塞储层取心看,长 6 油层虽
45、然存在天然裂缝,但多被方解石充填。试井分析多属均质油藏水力压裂井,未发现存在天然裂缝,同时岩心试验亦说明这些裂缝在地层条件下呈闭合状态,产生的多条径向网状裂缝无自然裂缝沟通,而储层本身物性较差,也就降低了它的应用效果。可有效降低地层破裂压力。由于能产生远远高于地层破裂压力的燃气压力,对水力压裂存在地层破裂压力过高或压不开的致密油层预处理,能有效降低破裂压力。（5）在陕甘宁盆地侏罗系油层的应用及效果分析1）陕甘宁盆地侏罗系油层概况 侏罗系油层为陕甘宁盆地主要产油层系,油层埋深 12001700,物性相对延长组较好,据不完全统计,高渗透性油层(10010 -3 2)面积占 20%,中渗透性油层(=
46、(10100)10 -3 2)面积约占 33%。原始地层压力普遍较低,且投产后下降较快（表 3） 。油水分布关系复杂,底水油帽油层、油水同层、油水间互层（隔层较薄）在该区都有分布。2）应用情况 在深穿透负压射孔求初产的基础上,近年又发展了复合射孔求初产。对 1999 年和 2000 年试油资料统计表明,深穿透负压射孔求初产井 53 口,达表 3 侏罗系油层地层压力统计区块 元东 庆 77 庆 64 华 49 樊家川原始地层压力/MPa 11.58 12.84 13.74 11.22 15.71目前地层压力/MPa 9.36 9.27 7.57 9.32 10.4621投产要求井 25 口,出水
47、井 6 口,干层或低产井 18 口,有效率为 47.17%,单井平均产量为 12.28/;复合射孔求初产井 30 口,达投产要求井 23 口,出水井 4 口,干层或低产井 3 口,有效率 76.67%,单井平均产量14.27/;井 110 口,达投产要求井 81 口,出水井 24 口,干层或低产井 5 口,有效率 73.63%,单井平均产量 18.92/,最高单井日产油达 96.9。作业的井排液有 2 个特点:一是见油快,一般 816就可见油,1640就可稳定,而负压射孔求初产井和复合射孔求初产井,一般 824见油,1696才可达到稳定;二是作业井单井排液量较高。3）效果分析适合中、高渗侏罗系
48、油层解堵。侏罗系油层物性较好,原始地层压力较低,这样造成钻井过程污染也相应增加,采用常规射孔和复合射孔,如果不和水力压裂配合,则仅能消除井底附近污染,不能突破各种作业形成的污染带时,就会出现干层或低产层。而产生的多条径向裂缝可更有效地穿透污染带,降低表皮系数,且的工作介质是处于高温、高压下的 2、 2、 2、l 和水蒸汽的环境下,这些热气体可清除近井地带的沥青质、蜡质和其它机械杂质的堵塞,同时一些热气体在高压下可与原油混相,使其粘度下降,从而更有效地消除伤害,恢复产能。如华 92-7 井求初产日产水 1.65 3,见油花,后日产油 16.32,不产水。适用于侏罗系底水油帽油层的解堵。底水油帽油
49、层试油时,增油控水是其关键所在,但往往是小规模解堵措施无效,而压裂改造措施往往会引起底水上串,这一直是试油技术上的一个难点。的一个突出特点就是选择性强,邻近油水界面而不压串,适应于底水油帽油层。如元城油田,油层孔隙度较高,渗透性较好,底水厚度大,为底水较活跃的底水油帽油藏。该油田张 14-13 井组的试油效果见表 4。22可降低地层破裂压力。侏罗系油层有 8 口井爆燃后再进行水力压裂,其中有 6 口井破裂压力不明显,另外 2 口井破裂压力也有不同程度降低。表 4 张 14-13 井组试油效果对比初产日产量 措施后日产 量井号 层位 油层厚度 /m 渗透率/10-3 2 油/t水/ 3改造措施油 /t 水/ 3张 16-13 Y10 7.5 24.54 0 0 加砂 1
