页岩气压裂的几个关键问题与探索

页岩气体积压裂过程中,水力裂缝易沟通天然裂缝快速向前扩展并诱导地层沿裂缝面产生滑移,由此引发的井间压窜和套变问题已成为影响页岩气压裂安全高效施工的技术瓶颈。此外,由天然裂缝窄缝宽引起的裂缝欠支撑问题导致裂缝流动能力变差,进而影响页岩气储层改造效果。为此,针对页岩水力压裂中的井间压窜、套管变形和微裂缝支撑3个影响页岩气勘探开发和经济效益的关键问题,在大量文献调研基础上,结合理论与实验分析开展了机理研究:(1)在阐明压窜机理并分析主控因素的基础上,建立了基于机器学习的压窜干扰程度评价模型及预测方法,并依据井组缝网模型开展压窜控制措施评价,提出了缝端暂堵、老井关井等压窜防治工程措施;(2)基于应力分析建立了裂缝剪切滑移导致套变机理分析模型,通过分析压裂过程中与裂缝相交的套管受力变化,明确了天然裂缝流体压力升高是引发套变的主要因素,并从压裂施工和建井两个方面提出了套变防治方法;(3)结合颗粒运移模型和大型平板输送实验分析了微支撑剂的运移机理,通过导流能力实验证实了微支撑剂提高裂缝流动能力的有效性。经现场应用表明:所提出的压窜和套变防治措施能够显著提高压窜恢复程度,降低套变率,采用微支撑剂可以大幅度提高页岩气压后产量,为深层页岩气的规模效益开发提供了技术支撑。

多孔莫来石基低密度高强度支撑剂的制备及性能

目前常用的树脂复合型压裂支撑剂多存在圆球度差、抗破碎能力低、树脂用量大、成本高等不足,为解决该问题,研制了多孔莫来石基复合型低密度高强度陶粒支撑剂。通过测试支撑剂用FT酚醛环氧树脂改性前后的性能,确定了制备该支撑剂的最佳树脂质量分数和树脂含量;采用压汞分析和扫描电子显微镜对该支撑剂的显气孔率、气孔孔径分布和微观形貌进行了分析,讨论了该支撑剂的增强作用机制。结果表明:树脂的质量分数为35%时,陶粒浸渍体的体积密度最大(1.18g/cm3),树脂的充填效果最佳,显气孔率与浸渍前的陶粒相比下降了约62%,树脂与陶粒基体相互穿插构成了网络结构,使其抗破碎能力提高;当陶粒浸渍体包覆树脂含量为5%时,颗粒表面包覆的树脂层可完全封闭陶粒浸渍体,显气孔率降低至1.06%,其视密度为1.90g/cm3,在52和69 MPa闭合压力下的破碎率分别为2.17%和2.81%,达到行业和企业标准的技术要求。

致密油储集层高效缝网改造与提高采收率一体化技术

基于对提高致密油储集层压裂改造效果面临挑战的分析,提出高效缝网改造与提高采收率一体化技术。通过调研发现,形成密集有效的裂缝网络以及提高压裂液的渗吸效果是目前所面临的两大挑战。针对这两大挑战,通过室内实验模拟与现场应用效果评估,提出一套适用于中国致密油开发的高效缝网改造与提高采收率一体化技术:①利用暂堵剂实现段内多簇改造,形成密集裂缝网络,可以最大化储集层的泄油面积;②利用微支撑剂,在前置液造缝阶段对大量诱导性裂缝进行有效支撑,可以形成有效密集缝网;③利用一种新型的纳米乳液体系(LNF)作为压裂液添加剂,提高油水置换效率,可以高效利用“万方压裂液”实现储集层的增能压裂开发。

微支撑剂对页岩油气的增产机理及选配原则

水力压裂是页岩油气增产的主要手段,其核心是向储层连续泵入压裂液迫使储层产生水力裂缝/缝网形成油气运移高效通道,从而达到油气增产的目的。相较人工主缝,微裂缝具有数量大、缝宽小、走向复杂等特点,常规支撑剂无法对其形成有效支撑,如何提高微裂缝的导流能力是进一步提高页岩油气产能的关键。微缝导流能力实验表明:微支撑剂嵌入页岩裂缝表面导致一定程度的渗透率损害,但支撑微裂缝的渗透率仍比页岩基质渗透率高出2~3个数量级,仍可为页岩油气运移提供有效渗流通道。本文系统分析了微支撑剂对微裂缝的支撑特性、微支撑剂的长距离输运性能及辅助降滤等特征,提出了微支撑剂对致密油气增产的内在机制。结合我国致密油气储层基质孔隙尺度,形成了考虑微裂缝开度及基质孔隙尺寸的微支撑剂选配原则。

基于裂缝干涉模型的非常规油气井压裂优化设计软件的开发与应用

基于复合断裂力学解析方法和能量平衡原理,考虑非常规油气储层岩石高脆性和低渗透性特点,研究水平井分段压裂诱导裂缝间应力相互干扰条件下裂缝扩展的力学机制和缝内变密度支撑剂运移规律。根据水力压裂裂缝扩展的拟三维模型和考虑缝内流体沿缝长、缝高二维流动的全三维模型,分别考虑水平井单井缝网压裂和双井同步压裂形成网状裂缝状态,建立考虑缝间应力干扰的诱导网状裂缝体积压裂优化设计模型,采用Visual Studio 2012开发平台,研制设计软件3D-UGMulti-Fracture。根据断裂力学和渗流力学原理研究水力压裂过程中不同密度支撑剂在网状裂缝内的运移过程。利用微地震技术对同步压裂井实施裂缝监测,检测结果与软件计算结果具有很好的一致性。按照压裂工艺设计要求,优化排液量和砂比等参数,增加裂缝有效支撑长度,提高裂缝导流能力。

Integrated hydraulic fracturing techniques to enhance oil recovery from tight rocks

Two main challenges exist in enhancing oil recovery rate from tight oil reservoirs,namely how to create an effective complicated fracture network and how to enhance the imbibition effect of fracturing fluid.In response to the challenges,through modeling experiment in laboratory and evaluation of field application results,a set of integrated efficient fracturing and enhanced oil recovery(EOR)techniques suitable for tight oil development in China has been proposed.(1)Fracturing with temporary plugging agents to realize stimulation in multiple clusters,to form dense fracture network,and thus maximizing the drainage area;(2)Supporting induced fractures with micro-sized proppants during the prepad fluid fracture-making stage,to generate dense fracture network with high conductivity;(3)Using the liquid nanofluid as a fracturing fluid additive to increase oil-water displacement ratio and take advantage of the massive injected fracturing fluid and maximize the oil production after hydraulic fracturing.

工业固废制备石油压裂支撑剂

目前大规模体积压裂作业量逐年上升,压裂支撑剂占压裂材料整体成本已经突破50%,单井支撑剂费用大幅攀升。以工业固体废弃物镍铁渣作为主要原料,加入粘接剂、固化剂、改性剂等添加剂,运用微粉处理技术、连续级配造粒技术、复合型造粒包覆技术等多级技术整形,可将体积密度为1.78 g/cm^(3)、52 MPa闭合压力下破碎率为21.8%的镍铁渣制备成体积密度为1.62 g/cm^(3)、52 MPa闭合压力下破碎率为6.7%的新型压裂支撑剂。新型固废支撑剂不但丰富了压裂支撑剂类型选择,而且突破了传统压裂支撑剂对油气田高效开发的制约,为解决工业固体废弃物环保及综合利用率低的难题做出了贡献。

超轻低密支撑剂在致密气藏评价与应用

针对致密气藏体积压裂时常规支撑剂无法实现微缝改造,开展了利用超轻低密支撑剂实现微缝支撑的研究。根据超轻低密支撑剂室内检测评价实验、沉降速率实验及导流能力实验,将超轻低密支撑剂实验数据与常规支撑剂的实验数据进行对比分析。结果表明,超轻低密支撑剂在致密气藏微缝系统改造中具有独特的性能优势,即容易被铺置在微缝内,且在温度高、闭合压力大的储层环境内仍具有较高的导流能力。现场应用表明,采用超轻低密支撑剂的致密气藏水平井A井的产量比采用常规支撑剂的对比井高出20%。由此可知,超轻低密支撑剂满足了致密气藏储层的增产需求,为致密气藏压裂增产提供了更加多元有效的备选方案。

压裂支撑剂在迂曲微裂缝中输送与分布规律

支撑剂在水力裂缝中的分布是影响压裂井产能的重要因素。通过对任意长度、孔隙度、迂曲度和方位角微裂缝的二维重构,利用COMSOL Multiphysics中的自由与多孔介质流动耦合模型,对压裂液在微裂缝中流动及向基质中滤失的情况进行模拟,在考虑支撑剂与压裂液相互作用的基础上,分析了支撑剂颗粒在输送过程中的受力情况,研究了不同砂比和支撑剂密度的情况下,支撑剂在迂曲微裂缝中的分布。研究结果表明,与规则裂缝相比,由于迂曲微裂缝壁面不规则,支撑剂不会均匀推进;在高砂比情况下,支撑剂大部分堆积在迂曲裂缝端部,无法有效支撑深部裂缝;降低砂比可以有效改善单条裂缝的支撑剂分布;不同砂比和支撑剂密度的组合可以改善相交裂缝的支撑剂分布,但是对于单条裂缝的作用不明显。