压裂作业中的油层保护技术

油气田开发生产中的油气层保护技术已愈来愈被人们重视，这主要是由于我国的油气田大都处于油田开采中、后期，油田作业的频率比开采初期明显增高，显然，控制各作业环节对油气层的损害，实施油气层保护系列技术，必然是提高作业效率的有效途径之一。同时，石油工业正面向复杂油气藏、特殊油气藏的挑战，这势必面临着投入更多的成本，获得较少产出的难题。

油气层保护技术本身就是一种保护资源的系统工程，是“增储上产”的重要措施之一。因此，必须进行油气田开发生产中的油气层保护工作。

此外，目前生产实际也急待油气田开发生产中的保护技术尽快实现系列化、实用化。例如，目前，不少大油田开采进入中、后期，发现地层堵塞严重，有的注水时，使用大功率、大排量，吸水指数不但不增加，反而愈来愈注不进地层。

目前，对油气田开发生产中保护油气层的紧迫性、重要性还远未形成共识。因此，实施油气田开发生产中油气层保护技术，首先要统一认识，站在战略的高度认识其重要性和紧迫性，各级技术决策人、技术监督人和工程技术人员，上下齐心，共同努力，将它作为一项技术政策来实施，才能实现保护油气层。

1、选择与油气层岩石和流体配伍的压裂液

根据被压裂的油气层的特点，有针对性地选用压裂液，下表列举几例说明。

2、选择合理的添加剂

对不同的压裂要求，采用适当的添加剂（如下表）

添加剂性能举例表

在使用添加剂时，应考虑两点：

（1）添加剂之间不发生沉淀反应，以避免生成新的沉淀垢堵塞孔喉和裂缝；

（2）成本合理。

3、合理选择支撑剂

支撑剂的要求：（1）粒径均匀；（2）强度高；（3）杂质含量少；（4）圆球度好。

对于浅层，因闭合压力不大，使用砂子作支撑剂是行之有效的。在油气层条件下用实验方法确定满足压裂效果的粒径及浓度。深度增加随之闭合压力也增加，砂子强度逐渐不能适应。研究表明，在高闭合压力下，粒径小的比粒径大的砂子有较高导流能力，单位面积上浓度高比浓度低的有较高的导流能力。因此，可采用较小粒径的砂子，多层排列以适应较高闭合压力的油气层压裂。对于更高闭合压力的油气层，只有采用高强度支撑剂，例如使用陶粒。近年发展的超级砂，它是在砂子或其它固体颗粒外涂上（或包上）一层塑料，这是一种热固性材料，在油气层温度下固化。这种支撑剂虽在高闭合压力下会破碎，但能防止破碎后所产生的微粒的移动，仍能保持一定的导流能力。

现场应用表明，陶粒作为支撑剂无论就几何形状（圆度、球度）或强度都比较理想，而且耐高温（可达200℃）抗化学作用性能好，用于油气层压裂措施可大大减少由于支撑剂性能不好所带来的油气层及支撑裂缝的损害。 2100433B

油气田开发生产中保护油气层技术的基本思路实质上是保护油气层系列技术的具体化。值得强调的是油气田开发生产中的油气层损害发生在油气田深部。更具叠加性、复杂性和动态性。因此，它的保护技术的基本思路要把着眼点放在“动态”上，即重新认识油气层的现状是该技术的基本出发点。

压裂作业中产生的油气层损害包括两个方面：压裂液与地层岩石和流体不配伍产生的对地层的损害；不良的压裂液添加剂、支撑剂对支撑裂缝导流能力的损害。

1．粘土矿物膨胀和颗粒运移引起的损害

粘土矿物与水基压裂液接触，立即膨胀，使得储、渗空间减小。松散粘附于孔道壁面的粘土颗粒与压裂液接触时分散、剥落、随压裂滤液进入油气层或沿裂缝运动，在孔喉处被卡住，形成桥堵，引起损害。使用以水为基液的压裂液时，水敏、速敏反应是常常发生的损害方式。

2.机械杂质引起的堵塞损害

压裂过程中，机械杂质堵塞孔隙和裂缝通道，缩小储、渗空间，降低相对渗透率是重要的损害方式。机械杂质包括四个方面的来源：

（1）压裂液基液携带的不溶物；

（2）成胶物质携带的固相微粒；

（3）降滤失剂或支撑剂携带的固相微粒；

（4）油气层岩石因压裂液浸泡，冲刷作用而脱落下来的微粒。它们被统称为压裂残渣。大颗粒的残渣在岩石表面形成滤饼，可以降低压裂液的滤失，并阻止大颗粒继续流入油气层深部。而较小颗粒的残渣则穿过滤饼随压裂液进入油气层深部，堵塞孔喉及孔隙。缝壁上的残渣随压裂液的注入，沿支撑缝移动，压裂结束后，这些残渣返流，堵塞填砂裂缝，降低了裂缝的导流能力，严重时使填砂裂缝完全堵塞，致使压裂失败。

3．原油引起的乳化损害

原油与水基压裂液相遇，发生乳化损害。被压裂的油气层中的原油常含有天然乳化剂如胶质、沥青、蜡等，压裂时压裂液的流动具有搅拌作用，在油气层孔隙中形成油水乳化液。原油中的天然乳化剂附着在水滴上形成保护膜，使乳化液滴具有一定的稳定性。这些乳化液滴在毛管、喉道中产生贾敏效应，增加了流体流动阻力，液阻效应有时会叠加产生，有时会聚集造成更严重的液堵。

4．支撑裂缝导流能力的损害

一般，支撑剂要满足：（1）密度低；（2）粒径均匀；（3）强度高；（4）圆球度好。若支撑剂选择不当，必然造成损害。例如，支撑剂粒径分布过大，造成小颗粒支撑剂运移堵塞裂缝。若强度过高，例如，支撑剂的硬度大于岩石硬度时，支撑剂颗粒将嵌入到岩石中；反之若支撑剂强度过低，会被压碎，形成许多微粒、杂质，它们运移堵塞孔隙、缝隙，却不能支撑裂缝，造成裂缝失去导流能力。

压裂工艺本身还会带来“冷却效应”，油气层中的沥青、蜡等析出，形成有机垢，堵塞地层。水锁现象也相伴发生，这种损害与注水、采油等引起油气层温度降低、水锁等损害方式相同。

上述损害因素，前三者是被压裂的油气层岩性和流体所固有的客观因素，一旦压裂液进入油气层，就会诱发这些损害发生，而选择理想的支撑剂、优良的压裂液和添加剂，避免支撑剂层导流能力的损害，是可以人为控制的。

任何压裂设计方案都必须依靠适当的压裂工艺技术来实施和保证。压裂技术主要用于油气层受污染或者堵塞较大的井以及注不进去水或注水未见效的井。对于不同特点的油气层，必须采取与之适应的工艺技术，才能保证压裂设计的顺利执行，取得良好的增产效果。压裂工艺技术种类很多，主要有以下几种。

压裂封隔器分层压裂

我国有很多多层油气田，通常要进行分层压裂。封隔器分层压裂是国内外广泛采用的一种压裂工艺技术，但作业复杂、成本高。根据所选用的封隔器和管柱不同，有以下四种类型。

1) 单封隔器分层压裂 用于对最下面一层进行压裂，适于各种类型油气层，特别是深井和大型压裂。

2) 双封隔器分层压裂 可对射开的油气井中的任意一层进行压裂。

3) 桥塞封隔器分层压裂。

4) 滑套封隔器分层压裂

国内采用喷砂器带滑套施工管柱，采用投球憋压方法打开滑套。该压裂方式可以不动管柱、不压井、不放喷一次施工分压多层，对多层进行逐层压裂和求产。

压裂限流法分层压裂

用于欲压开多层而各层破裂压力有差别的油井。通过控制各层射孔孔眼数量和直径，并尽可能提高注入排量，利用先压开层孔眼摩阻提高井底压力而达到一次分压多层的目的。

有A、B和C三个油层，相应的破裂压力分别为24，20和22MPa 按射孔方案射开各自的孔眼。当注入井底压力为20 MPa时，B层压开；然后提高排量，因孔眼摩阻正比于排量，B层孔眼摩阻达到2 MPa时的注入井底压力为22 MPa，即C层被压开；继续提高排量，B层孔眼摩阻达到4MPa时的井底注入压力为24 MPa，A层被压开。射孔孔眼的作用类似于井下节流器，随排量增加，井底压力不断提高，从而逐层压开。

限流法分层压裂的关键在于必须按照压裂的要求设计合理的射孔方案，包括射孔孔眼、孔密和孔径，使完井和压裂构成一个统一的整体。

压裂蜡球选择性压裂

另外，在油田开发层系划分中，有的虽同属一个开发层系，但油层非均质特性强，存在层内分层现象，这通常称为选择性压裂。

蜡球选择性压裂在压裂液中加入油溶性蜡球暂堵剂，压裂液将优先进入高渗层内，蜡球沉积而封堵高渗层，从而压开低渗层。油井投产后，原油将蜡球逐渐溶解而解除堵塞。若高渗层为高含水层，堵球不解封有助于降低油井含水率。

压裂堵塞球选择压裂

将井内欲压层段一次射开，首先压开低破裂压力层段后加砂，然后注入带堵塞球的顶替液暂堵该层段；再提高泵压压开具有稍高破裂压力的地层，根据需要注入顶替液后结束施工或者继续注入带堵塞球的顶替液暂堵该层段一边压裂另外层段。从而改善产油吸水剖面。

压裂控缝高压裂技术

当油气层很薄或者产层与遮挡层间最小水平主压力差较小，压开的裂缝高度很容易进入遮挡层，此时需要控制裂缝高度延伸。可以通过控制压裂液性能参数和施工排量来实现，更可靠的是人工隔层控缝高压裂技术。

基本原理是在前置液中加入上浮式或下沉式导向剂，通过前置液将其带入裂缝，浮式导向剂和沉式导向剂分别上浮和下沉聚集在人工裂缝顶部和底部，形成压实的低渗透人工隔层，阻止裂缝中压力向上/向下传播，达到控缝高的目的。为了使两种导向剂能上浮和下沉，一般在注入携有导向剂的液体后短期停泵，然后进行正常的压裂作业。

人工隔层控缝高技术主要用于

1) 生产层与非生产层互层的块状均质地层；

2) 生产层与气、水层间无良好隔层；

3) 生产层与遮挡层应力差不能有效控制裂缝垂向延伸。

压裂测试压裂技术

测试压裂也称为小型试验压裂，它是进行一次小规模压裂并分析压裂压力获得裂缝有关参数。包括裂缝延伸压力测试、裂缝闭合压力测试、微注入测试等。

压裂液是压裂工艺技术的一个重要组成部分。主要功能是造缝并沿张开的裂缝输送支撑剂，因此液体的粘性至关重要。成功的压裂作业要求液体除在裂缝中具有较高的粘度外，还要能够迅速破胶；作业后能够迅速返排；能够很好地控制液体滤失；泵送期间摩阻较低；同时还要经济可行。常用的压裂液有水基压裂液、油基压裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液5种基本类型。

压裂水基压裂液

水基压裂液是以水作溶剂或分散介质，向其中加入稠化剂、添加剂配制而成的。主要采用三种水溶性聚合物作为稠化剂，即植物胶(瓜胶、田菁、魔芋等)、纤维素衍生物及合成聚合物。这几种高分子聚合物在水中溶胀成溶胶，交联后形成粘度极高的冻胶。具有粘度高、悬砂能力强、滤失低、摩阻低等优点。

压裂油基压裂液

油基压裂液是以油作为溶剂或分散介质，与各种添加剂配制成的压裂液。重油最初用作油基压裂液，是因为它们比水基液对含油气地层的伤害小，油基液本身固有的粘度也使其比水更具吸引力。但是油基液较贵，而且施工操作较难处理，所以仅用于已知是对水极为敏感的地层中。

压裂泡沫压裂液

泡沫压裂液是由气相、液相、表面活性剂和其他化学添加剂组成。泡沫压裂液是一种稳定的气液混合物，用表面活性剂可使这种混合物达到稳定。降低了表面张力。当液体从作业井中返排时，泡沫中的承压气体（氮或二氧化碳）膨胀将液体从裂缝中驱出。泡沫加速了支撑裂缝中液体的回收率，因此是一种用于低压储层中的理想液体。由于体积气体的泡沫含量高达95%，所以液相最小。在水基液中，充满泡沫的液体极大地减少了与地层接触的液量，因此在水敏地层中泡沫液的效果良好。

压裂清洁压裂液

清洁压裂液又称为粘弹性表面活性剂压裂液，是一种基于粘弹性表面活性剂的溶液。它是为了解决常规压裂液在返排过程中由于破胶不彻底对油气藏渗透率造成了很大伤害的问题开发研制的一种新型压裂液体系。清洁压裂液具有良好的流变性能、滤失性能、低损害与高导流能力特性。同时，该清洁压裂液配制简便，将适量的VES加在盐水中，不需要使用交联剂、破胶剂和其它添加剂，不存在残渣，对储层伤害小，应用前景广阔。

压裂乳状压裂液

乳化压裂液是两种不融合相的分散体系，如用表面活性剂稳定的水中油或油中水。乳化压裂液是高度粘稠溶液，具有良好的传输性。 乳化液常因乳化剂吸附在地层岩石表面上而破乳。由于聚合物用量极少，这类液体对地层伤害较小，而且可快速清洗。聚乳化液的不足是摩擦压力较高，而且液体的费用较高（除非碳氢化合物可回收）。此外随着温度的升高，聚乳化液明显地变得稀薄，故不宜用于高温井中。

《石油名词》第一版。 2100433B