水力压裂技术在地下资源开采中的应用.pdf

4 铜 业 工 程 2 0 o 9 №3 文章编号 1 0 0 93 8 4 2 2 0 0 9 0 3一 O O O 4 0 3 水力压裂技术在地下资源开采中的应用米 韩小刚。 刘长武。 王东 四川大学水利水电学院，四川 成都 6 1 0 0 6 5 摘要 水力压裂是一项多学科交叉的复杂工程技术， 是利用液体的传压作用， 经地面设备将压裂液注入地下 煤层或岩层， 压开煤层或岩石的裂缝， 形成多条具有高导流能力的渗流带， 沟通储层的裂隙， 达到高效开采资源的 目的。论文在总结水力压裂技术在开采低渗透储层的煤层气和石油过程中应用的基础上， 分析 了该技术在应用过 程中存在的裂缝监泱 j 困难、 数学模型不合理等一 系列问题， 提 出了水力压裂技术发展的一些积极建议。 关键词 水力压裂； 低渗透； 裂缝 ； 煤层气； 油气田 中图分类号 T E 3 5 7 文献标识码 A 1 引言 由于能源紧缺的状况 日趋严重 ， 我国煤层气资 源的开发进入了新一轮高潮 。煤层气是一种新型能 源， 与煤炭相伴而生。据测算， 我国陆上埋藏深度在 2 0 0 0 m以内的煤层气 资源量 为 3 O～3 5万亿 m 。 先采气 、 后采煤， 不但可 以从根本上排除瓦斯事故， 而且可使煤炭建井费用降低 l ／4以上 。 目前我 国的煤 层气 抽 出利用量 只有 5 ． 3 4亿 m ， 利用率只有 5 ． 3 4 ％ ～ 6 ． 6 6 ％ 。煤层气 的 储层特点是影响利用此种资源的一个重要因素。煤 层气储层具有低压 、 低渗和低饱和等特点， 开采难度 相对较大。可以采取人工措施 ， 对煤层气储层物理 性质和地质环境给予干涉， 增加储层裂缝导流能力， 而水力压裂技术就是一个较为合理的技术措施 。 此外 ， 全世界来 自低渗透地层 的原油可开采储 量和产量已经成为总储量和产量 中的重要组 成部 分 ， 而且所 占比重 日益增 大， 已往的经验表 明， 水力 压裂是改造油气层 的有效方法， 该技术可以改善储 层的渗流条件 ， 是油气增产的重要措施。 我国石油天然气资源的突出特点之一是低渗透 油气层分布广 、 储量大 ， 这种客观存在的资源条件决 定了水力压裂作为低渗透油气 田增产的有效方法， 在老油气田增产 、 高产和低渗透新油气 田勘探开发 中发挥着不可替代的重要作用。中国石油天然气总 公司曾将“ 全三维水力压裂机理研究” 列为“ 九五” 重点科研项 目。随着水力压裂技术在石油天然气领 域的广泛应用， 将给石油和天然气工业带来巨大的 经济效益和社会效益。 2 水力压裂技术及其应用 2 ． 1 水力压裂技术 水力压裂是一项多学科交叉的复杂工程技术 ， 研究核心是裂缝起裂机理、 延伸规律和特征， 并建立 相应模型进行分析 ， 基本 目的是更能真实反映地下 水力压裂裂缝形成 、 裂缝延伸扩展特征 、 最终的裂缝 几何形态和裂缝 的导流能力等。水力压裂技术 自 1 9 4 7年在美 国试验成功 至今 已经历 了半个多世纪 的发展， 已被广泛应用于低渗透油 田、 气 田、 煤层气 的开发中。 水力压裂主要是利用液体的传压作用 ， 经地面 设备将压裂液在大排量条件下注入地层 中， 压开煤 层或岩石的裂缝 ， 同时 ， 加入支撑剂 ， 撑开裂缝 ， 从而 形成多条具有高导流能力的渗流带 ， 沟通储层 的裂 隙 ， 达到开采资源的 目的 。水力压裂过程中产生 了裂缝 ， 且 由于裂缝的不断延伸 ， 不可避免地穿透裂 缝带， 并与天然裂缝之间相互贯通， 形成复杂的裂缝 收稿 日期 2 0 0 9一O 61 1 米基金项目 国家 自然科学 基金资助项 目 5 0 5 7 4 0 6 4 ， 5 0 8 7 9 0 4 9 作者简介 韩小刚 1 9 8 5一 ， 男 ， 陕西渭 人， 硕士研究， ， 研究方 向为地下工程。 2 0 0 9 N 。 3 韩小刚 ， 刘长武 ， 王东 水力压裂技术在地下资源开采中的应用 5 系统 如图 1所示 ’ ， 改善 了油气 的渗流通道， 从 而大大提高了油气的逸出能力。 查 垦 _ _ 了 _ 二 二 二 二 一 一 1 裂隙扩展 注入 水 压 P 0 渗失水压 P 。 二二互互二三三三西 2 裂 隙张 开 { ， } p _____ _ _～ P l 坠 ． ．■ 二 二二 二 二 二 二 3 裂隙延伸 2 ． 2 水力压裂技术在能源领域的应用现状 煤层气开采的生产实践表明， 水力压裂改造措 施是国内外煤层气增产的主要手段。在美国 1 4 0 0 0 余 口的煤层气井中有 9 0 ％ 以上的煤层是通过水力 压裂改造的， 经压裂后的煤层 ， 产量较压裂前增加 5 ～ 2 0倍 】 。水力压裂改造技术在我国也得到 了较 好的应用 ， 我 国产气量在 1 0 0 0 m ／ d以上 的煤层气 井几乎都是通过水力压裂改造而获得的。 近年来随着深穿透压裂技术的发展 ， 压裂产生 的裂缝长度可达 3 0 0一l 2 0 0 m， 极大地扩大了低渗层 的可开采储量和产量， 有力地提高了开发低渗层的 效益。美 国 2 5 ％ ～3 0 ％ 的原油储量是利用该技术 采出来的， 每年进行 4 0 0 0 6 0 0 0次作业。加拿大的 低渗层储量所 占比例更大， 每年进行大约 1 5 0 0次作 业。前苏联也曾估算有 3 0 ％ 以上 的原油可开采储 量蕴藏在渗透率小于 0 ． 0 5的低渗层中。借助 电子 计算机对低渗层进行了分析， 结果表明， 可有效开发 的低渗层储量占其总储量的 5 0 ％以上 ， 其中 2 4 ％是 属于由于利用 了该技术而成为新增可开采量的。阿 拉斯加北坡油田于 1 9 8 8～l 9 9 3年间对很 多井进行 了压裂， 取得了很大成功， 使得该油田可采储量增加 了7 9 5 0 X 1 0 m 。美国在采油井中应用水力压裂 已达 1 0 0万次以上， 其成功率高达 9 0 ％t 6 ] 。 随着我国的长庆油田、 胜利油田、 克拉玛依油田 等各大油田中的低渗油田开采量和开采时间的不断 增加 ， 很多老井都处于停产或半停产状态 ， 这些油田 为了达到稳产或高产的 目的， 对老井都进行了大量 的水力压裂生产。从 1 9 5 5年至 2 0 0 0年底 ， 全国压 裂作业 I 8 ． 9万井次， 共增油 9 5 7 2 X 1 0 t以上。近 l 0年来年压裂作业约 8 0 0 0-J r - 次 ， 年增油量 5 6 0 1 0 f ， 在低渗油Ⅲ的产量构成中占 J ／ 3以上 。压 裂措施已经成为油 田开发工程中的有机组成部分 ， 在全面规划和综合治理中占有很突出的地位 。 日本则把水力压裂技术用于地热开采 ， 把冷水 注入水力压裂产生的裂缝， 经地下岩体加热后 ， 取出 热水 ， 该技术 目前已处于大型工业试验阶段 。 3 水力压裂技术存在的问题 水力压裂已成为提高油气井产量和扩大油气可 采储量的一种重要方法， 国内外在这方面投入了大 量的人力 、 物力开展研究工作 ， 各种压裂工艺技术的 提高、 压裂过程的分析 、 压裂液的改进等都取得较大 进展． 但距离完全成熟地应用这一技术还有很长的 一 段距离 ， 还有很多问题有待解决。 3 ． 1 储层特性研究有待加强 一 些关键性的储层特性参数如岩石力学参 数和地应力分布 ， 直接影响了裂缝几何尺寸 、 裂缝导 流能力和压裂施工效果 ， 但 目前对这方面还缺乏 比 较深入的研究。当前 ， 水力压裂的研究主要针对石 油储层进行， 这方面的理论相对完善， 但煤层与石油 储层存在本质差别 煤层富含有大量原生裂隙， 属各 向异性材料， 高压水作用时一般不产生新裂缝 ， 而是 原生裂隙的扩展延伸； 石油储层大多属于砂岩 ， 均质 性好， 高压水作用时产生新的裂缝并扩展延伸 。 因此， 目前的水力压裂理论对煤层压裂并不完 全实用。但是施工过程 中， 人们照搬针对石油储层 得出的水力压裂经验 ， 导致了对部分煤层进行水力 压裂时 ， 既不能很好的扩展煤层原有的裂隙 ， 也不能 产生新的较长的水力裂缝 ， 使得这些煤层经过水力 压裂后没有取得预期效果。今后应对地 下资源储 层 ， 尤其是煤层气储层特性进行更深人的研究 。 3 ． 2 水力压裂数学模型有待完善 近年来， 水力裂缝几何模型发展很快 ， 已由二维 模型 如图 2 ， 图 3的 P K N， K G D模型 发展到拟三 维、 全三维模型。但是 ， 所有水力压裂模型都不能够 真实地描述水力压裂裂缝起裂和延伸过程 ， 而且在 很多情况下， 模型完全失效， 这主要是由于模型中使 用了不正确的信息 和假设条件。例如 ， 二维裂缝模 型使用时需假设裂缝高度保持不变， 但实际上， 裂缝 高度是不断发展变化的， 而现有 的三维模型计算很 复杂 ， 运行时 问不能 和施工时 间同步， 存在不合理 性。对同一油气田采取不 同的压裂模型计算 ， 得出 的结论往往差距很大 ， 这也就说明人们对裂缝扩展 本文共4页，欲获取全文，请点击链接 章题目下面的“下载全文”按钮下载全文，您也可以登录维普官网（）搜索更多相关论文。