國外水平井分段壓裂技術(shù)進(jìn)展

國外水平井分段壓裂技術(shù)進(jìn)展

20世紀(jì)80年代中期，國外開始研究水平井壓裂產(chǎn)量和重建技術(shù)，并沿水平井進(jìn)行一般壓裂。2002年以后,隨著致密氣、頁巖氣、致密油等非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)和水平井的大規(guī)模應(yīng)用,許多公司開始嘗試水平井分段壓裂技術(shù)。在隨后的幾年里,隨著微震實(shí)時監(jiān)測技術(shù)的提高和工廠化作業(yè)模式的日益成熟,壓裂段數(shù)越來越多,作業(yè)效率和精度越來越高。2007年開始,水平井分段壓裂技術(shù)成為非常規(guī)油氣開發(fā)的主體技術(shù),開始在北美大規(guī)模應(yīng)用。其發(fā)展歷程如圖1所示。1國外水平井壓裂技術(shù)的發(fā)展1.1裂改造技術(shù)概況經(jīng)過10多年的發(fā)展,國外已經(jīng)形成較為完善的適應(yīng)不同完井條件的水平井分段壓裂改造技術(shù)。主流的水平井分段壓裂技術(shù)有3類:水力噴射分段壓裂技術(shù)、裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)和快鉆橋塞分段壓裂技術(shù),其中裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。這3類技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、適用范圍、局限性及工具結(jié)構(gòu)分別見表1和圖2。1.2壓裂工廠fracfactory美國非常規(guī)油氣開發(fā)的成功之路就是降低鉆完井成本,保證壓裂質(zhì)量,提高單井產(chǎn)量,一種重要的做法就是“壓裂工廠”。2005年哈里伯頓公司率先提出“壓裂工廠(FRACFACTORY)”的概念,即在一個中央?yún)^(qū)對相隔數(shù)百米至數(shù)千米的井進(jìn)行壓裂。所有的壓裂裝備都布置在中央?yún)^(qū),不需要移動設(shè)備、人員和材料就可以對多個井進(jìn)行壓裂。“壓裂工廠”作業(yè)模式成為規(guī)模化作業(yè)的雛形。后來,這一概念逐漸擴(kuò)展為“工廠化鉆完井”,即多口井從鉆井、射孔、壓裂、完井和生產(chǎn)整個流程都是通過一個“中央?yún)^(qū)”完成。通過采用“工廠化鉆完井”的作業(yè)模式,完井周期從原來每口井60天降至目前的20天完成5口井,完井成本降低了近60%(圖3)。1.3微震壓裂監(jiān)測技術(shù)隨著水平井分段壓裂技術(shù)應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大,壓裂監(jiān)測水平也有了重大突破。2006年,威德福公司推出FracMap微震壓裂監(jiān)測技術(shù),并首次在油氣勘探領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。隨后,斯倫貝謝、貝克休斯、哈利伯頓也相繼推出微震壓裂監(jiān)測技術(shù)服務(wù)。通過微震監(jiān)測,不但可以在壓裂進(jìn)行的過程中實(shí)時獲取井下信息(裂縫的方位、高度、長度、復(fù)雜度等),還可以實(shí)時優(yōu)化壓裂程序。雖然這項技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)在提高壓裂效果、降低壓裂成本等方面可起關(guān)鍵作用,但其應(yīng)用并不像報道中那樣“火熱”。從目前掌握的資料來看,北美目前只有2%~3%的井采用了微震壓裂監(jiān)測技術(shù)。2北美水平井壓裂技術(shù)的應(yīng)用、服務(wù)市場和研發(fā)方法2.1水平井分段壓裂技術(shù)水平井分段壓裂技術(shù)是伴隨著頁巖氣、致密氣、致密油等非常規(guī)油氣的開發(fā)而發(fā)展起來的一項工程技術(shù)。近幾年隨著非常規(guī)油氣開發(fā)規(guī)模的日益擴(kuò)大,水平井占新鉆井?dāng)?shù)的比例越來越大,水平井分段壓裂技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣,北美對水力壓裂的需求呈指數(shù)型增長(圖4)。隨著水平井分段壓裂技術(shù)的不斷進(jìn)步,水平井壓裂段數(shù)越來越多,平均壓裂段數(shù)已經(jīng)從2008年的5~10段增加到目前的20段以上。未來5~10年,隨著全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)進(jìn)程的不斷推進(jìn),水平井分段壓裂技術(shù)的市場需求必將一路走高。2.2水平井分段壓裂服務(wù)能力受益于壓裂服務(wù)市場的強(qiáng)勁需求,北美壓裂技術(shù)服務(wù)公司成長迅速。目前,北美能夠提供水平井分段壓裂工藝、設(shè)備、壓裂液等相關(guān)服務(wù)的公司有很多,其中在技術(shù)服務(wù)方面處于領(lǐng)頭羊位置的除了有哈利伯頓、斯倫貝謝、貝克休斯這樣的大型綜合性油田服務(wù)公司之外,還有FracTech、PackersPlus等專門從事壓裂服務(wù)的公司,這些公司的水平井分段壓裂工藝已經(jīng)系列化,并且還在不斷地推陳出新(表2)。除了表2中列出的這些公司之外還有眾多如Superior油井服務(wù)公司、Cudd能源服務(wù)公司、FracTech等提供壓裂液、壓裂設(shè)備、壓裂工藝等相關(guān)壓裂服務(wù)的公司,這些壓裂服務(wù)公司在北美的市場份額見圖5。2.3自主研發(fā)和引進(jìn)是和工具的基礎(chǔ)分析水平井分段壓裂技術(shù)走在國際前列的6家公司的技術(shù)研發(fā)方式可以發(fā)現(xiàn),這些公司的水平井分段技術(shù)和工具主要是通過自主研發(fā),也有通過引進(jìn)或收購方式而獲取的。以貝克休斯為例,2009年,貝克休斯收購了BJ,BJ公司擁有OptiPort、OptiFrac-SJ、DirectStimTM等多項專利技術(shù),通過這次并購,貝克休斯在水平井分段壓裂方面的技術(shù)服務(wù)能力大大增強(qiáng)(表3)。3頁巖氣和致密油的發(fā)展趨勢盡管在過去的幾年中,水平井分段壓裂技術(shù)在壓裂工具、作業(yè)效率、監(jiān)測手段等方面取得了一系列的重大突破,攻克了頁巖氣和致密油等非常規(guī)油氣開發(fā)所面臨的難題,但是還存在壓裂層位優(yōu)選、隨壓甜點(diǎn)監(jiān)測、壓裂設(shè)計優(yōu)化等問題,其未來發(fā)展方向?qū)性谝韵聨讉€方面。3.1段數(shù)增益技術(shù)水平井分段壓裂技術(shù)研發(fā)的近期目標(biāo)是壓裂段數(shù)越多越好,因?yàn)榉謮憾螖?shù)越多,遇到高產(chǎn)層段的幾率就越大,增產(chǎn)效果就越好,美國頁巖氣和致密油開發(fā)成功的秘訣即在此。大幅度增加壓裂段數(shù)可以通過段數(shù)倍增技術(shù)(Stagemultipliertechnologies)和多端口壓裂技術(shù)(Multiportfracturingtechnologies)來實(shí)現(xiàn)。段數(shù)倍增技術(shù)主要是通過一個允許重復(fù)投球的端口工具實(shí)現(xiàn)同一尺寸的球多次投放。2010年,這一技術(shù)使壓裂級數(shù)從20級提高到了40級,下一步研發(fā)目標(biāo)是使壓裂級數(shù)增加4~6倍。多端口壓裂技術(shù)的典型代表是PackersPlus公司新推出的QuickFrac工藝,主要原理是一次投球打開2~5個滑套,在地面進(jìn)行15次壓裂液泵送作業(yè),就可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)60段的壓裂。QuickFrac系統(tǒng)已經(jīng)成功地進(jìn)行了油田試驗(yàn),與標(biāo)準(zhǔn)的StackFRAC系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)可以節(jié)約60%的作業(yè)時間。3.2高速通道壓裂傳統(tǒng)提高裂縫導(dǎo)流能力的策略包括提高支撐劑的圓度和強(qiáng)度,降低支撐劑粉碎和膠化載荷等。斯倫貝謝公司正在推廣一種可以實(shí)現(xiàn)無限導(dǎo)流能力的壓裂新方法——高速通道壓裂(HIWAY)。該方法從根本上改變了依靠支撐劑形成裂縫導(dǎo)流能力的方式,可在壓后裂縫的支撐劑充填層內(nèi)建立穩(wěn)定的流動通道,在油藏和井筒之間實(shí)現(xiàn)無限導(dǎo)流能力。這項技術(shù)成功的秘訣在于:(1)通過特定的射孔設(shè)計、脈沖式泵注形成通道;(2)添加專有纖維保持通道穩(wěn)定。目前這項技術(shù)已經(jīng)在全球完成近2000口井的壓裂作業(yè),與常規(guī)壓裂相比,壓后產(chǎn)量提高20%以上。3.3縫網(wǎng)壓裂技術(shù)研究進(jìn)展對于頁巖氣、致密油等非常規(guī)油氣的增產(chǎn)改造而言,最理想的狀態(tài)是形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò),從而增加改造體積,提高初始產(chǎn)量和最終采收率。目前國外正在試驗(yàn)和推廣的有利于形成縫網(wǎng)的壓裂技術(shù)有3種:同步壓裂(Simulfrac)、拉鏈?zhǔn)綁毫?Zipperfrac)和得克薩斯兩部跳壓裂(TexasTwoSteps)。這3種壓裂技術(shù)都是通過巧妙的壓裂設(shè)計來增加井與井之間、段與段之間的巖石應(yīng)力干擾,進(jìn)而形成復(fù)雜交錯的三維縫網(wǎng)。其中同步壓裂近幾年已經(jīng)在Barnett頁巖氣開發(fā)中成功應(yīng)用。采用該技術(shù)的頁巖氣井短期內(nèi)增產(chǎn)非常明顯,目前已發(fā)展為4口井同時壓裂。3.4水平井分段壓裂回收技術(shù)的進(jìn)步水平井分段壓裂技術(shù)的遠(yuǎn)期目標(biāo)是追求壓裂段數(shù)的少、精、準(zhǔn)。通過研究射孔段對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)表明,只有30%的壓裂段真正對產(chǎn)量有貢獻(xiàn),這也就意味著大部分壓裂層段并沒有壓在出氣區(qū)域上,從而造成了壓裂段數(shù)越多、產(chǎn)量增加越大的認(rèn)識誤區(qū)。因此,劍橋能源的研究人員認(rèn)為,實(shí)際上水平井分段壓裂技術(shù)的進(jìn)步是一個漸進(jìn)的過程,并