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采油新技术与新理论

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采油 新技术 理论
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采油新技术与新理论( 力压裂技术(讲: 西南石油学院采油教研室胡永全 (028)89277012, 13880551895主 要 内 容• 低渗透储层特征• 地应力与应用• 压裂材料(压裂液与支撑剂)• 压裂设计方法• 压裂测量与评估技术• 压裂工艺技术(重复压裂技术、整体压裂)• 水平裂缝压裂理论与设计方法第一讲:低渗透储层特征1. 低渗透油田界限2. 低渗透油田分类3. 低渗透油田储量分布4. 低渗透油藏成因5. 低渗透油藏物性特征6. 低渗透油藏裂缝特征7. 渗透储层界限前苏联:美国:唐曾熊:罗蛰潭、渗透油藏渗透率上限低渗储层与中高渗储层的渗流特点(1) 低渗透储层具有启动压力梯度不同流态的渗流曲线 低渗透岩心中液体渗流曲线高速非线性渗流线性渗流低速非线性渗流(2) 低渗透油田分布第一类 一般低渗透油田 , (10~ 50)低渗透油田 , 油层平均渗透率为 ( 0) 三类 超低渗透油田 , 其油层平均渗透率为 ( 1)低渗透储层成因分类1. 沉积成因( 1) 近源沉积( 2) 远源沉积2 成岩作用( 1) 压实作用( 2) 胶结作用( 3) 渗透油田储层裂缝特征砂岩裂缝与碳酸盐岩裂缝区别( 1) 砂岩裂缝多为构造成因的张性和剪性缝;而碳酸盐岩裂缝既有构造成因的张 、 剪缝 , 又有成岩作用或两者结合形成的溶洞 、 溶孔 、 缝合线 、 微裂缝等 。( 2) 砂岩裂缝一般缝面清楚 , 产状稳定 , 长度大 , 具有明显的方向性;而碳酸盐岩裂缝在地下常有一定开度 ,长度不大 , 宽度大 。( 3) 原始状态下多数低渗透砂岩裂缝是闭合的 , 属微裂缝或潜裂缝 , 裂缝宽度在孔隙直径的数量级内 , 因此裂缝不是主要的储油空间和运移的通道 。 而碳酸盐岩裂缝则相反 。( 4) 砂岩裂缝由于在地下闭合( 5) 裂缝具有可变性 。发育特征1. 层厚 2. 岩性3.声波测井— 井壁成像技术井下声波电视地层微电阻率扫描全井眼地层微成像仪裂缝的动态识别方法:— 钻井显示— 井壁崩落法(注意与地应力影响区别)— 试井显示— 压裂曲线显示— 注水显示— 油田生产显示第二讲:地应力及应用1. 地应力概述2. 静应力场及分布规律3. 应力场测量与计算4. 地应力概述原地应力与扰动应力重力应力 、 构造应力与残余应力古地应力与现今地应力分层地应力与 地应力分层 静应力场及分布规律• 地应力 Hv (      1111• [例 2已知油藏深度 H=2000m, 地层岩石密度 ρ r=2300kg/松比 ν =地层流体密度 ρ L= 1050 kg/孔隙弹性常数=试计算有效垂向应力和地层最小水平主应力 σ h。 若油藏压力衰减 7 地层最小水平主应力的绝对增量为多大 ?• [解 ] 上覆岩石压力为 σ v=10 = 10 2300× 2000=油藏压力近似为 10g H =10 1050× 2000=有效垂向应力 =σ v- 地层最小水平应力 ( 最小水平主应力的绝对增量 ( p 21   Sh p应力很大而未发生塑性变形 。据       1     1     1 111 构造应力:是指构造运动引起的地应力增量构造应力只有两个水平主应力 , 属于水平的平面应力状 。挤压构造力引起挤压构造应力 , 张性构造力引起拉张构造应力 。弹性模量高的地层有较高的构造应力 。构造应力在传播过程中逐渐衰减 。热应力 地应力分布一般规律 构造应力对地应力的影响 断层类型与地应力的关系 不同岩性中地应力分布特点 岩浆岩中水平应力一般都较高 , 且水平应力差较大 , 在统计深度( 22~2000米 ) 内 , 水平应力差随深度增加而增大 沉积岩中 , 水平应力与深度之间有良好的线性关系 , 其水平应力差是三大类岩石中最小的 变质岩中 , 最大最小水平主应力总体上随深度增加而增大 , 但较分散 。 构造应力松弛地区水平应力随岩石泊松比增加而增大; 水平地应力随孔隙压力减小而减少 地层剥蚀可使垂向应力成为最小主应力 硬地层中构造应力分量大 地质构造形态对地应力的影响表 2弹性模量与构造应力弹性模量 ( 104M 岩 性 H( Mp a ) h(M p a)5 1 1 硬岩辉长石、闪长岩、杂白云石英、花岗闪长岩、石英斑岩4 + 4 . 5  10H 5 + 0 . 0 3 0  0~ 5 . 0 中硬岩大理石、石灰岩、角砾岩、粉砂岩3 + 0 . 0 3 0  H 2 + 0 . 0 2 8  0~ 2 . 0 软岩高岭土、页岩、灰质泥页岩、蛇纹岩、砂岩等100地质构造的起伏变化往往引起局部地应力集中 。 背斜轴部水平地应力较低 , 但变化快;向翼部逐渐升高 , 但变化平缓 。 构造陡翼 、 倾俯端 、 鞍部或鼻状构造 , 往往产生应力异常 。 单条逆断层上盘诱发张应力场 , 主应力方位多与断层线呈高角度斜交 。 逆断层末端应力场变化复杂 , 应力性质 、 强度和方位的规律性差 断层的交叉 、 分枝及拐点部位多产生应力集中 , 应力强度明显高于邻区 。 在峡谷地区谷底经常出现地应力集中 , 河流切割越深 , 应力集中越严重 。我国地应力分布区域特征 强烈构造应力区:包括台湾 、西藏 、 新疆 、 甘肃 、 青海 、云南 、 宁夏及四川中部 。 中等构造应力区:河北 、 山西 、 陕西关中 、 山东 、 辽宁南部 、 吉林延吉地区 、 安徽中部 、 福建 较弱构造应力区:江苏 、 浙江 、 湖北 、 湖南 、 河南 、 贵州 、 重庆 、 黑龙江 、 吉林及内蒙古大部地区 。静应力场测量与计算直接法 : 地应力可以通过测量岩石的破裂压力直接测量 . 常用矿场测量方法 , 它可以较准确地给出地应力测量结果 , 定量描述地应力场 。如水力压裂测量 、 长源距声波应力测量 、 井壁崩落应力方向测量 、 地面电位应力方向测量 、井下微地震测应力方向等 。间接法 : 通过测量岩石的变形和物性变化来反演地应力 提高砂比 , 压力升高反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力 ( 静 )裂缝延伸压力 ( 静 )净裂缝延伸压力管内摩阻地层压力 ( 静 )破裂前置液 携砂液 裂缝闭合加砂 停泵致密岩石b— 微缝高渗岩石眼椭园法)  2c o s)43)(3(32)1(实验室分析方法典型的 型的 地应力对油田开发的影响天然裂缝原则 。沿最大水平主应力方向矩形井网原则;最大水平主应力方向上的油水井不相间 ( 混 )原则;井网与最大水平主应力方向有利原则;射孔方案与最小水平应力剖面相结合原则;采油新技术与新理论( 三部分:压裂液与支撑剂( 裂液体系80年代前 : 硼酸盐交联为代表的中低温水基压裂液 ;80年代 : 钛锆有机金属交联液满足了高温地层改造要求 , 但伤害高达 80%低温硼酸盐延迟交联水基压裂液机理 : 固体颗粒缓慢溶解特点 : 易破胶 , 瞬时交联 , 抗剪切差控制 成胶剂浓度 m^3; 交联剂浓度 延迟释放破胶剂浓度 0,m^3; 1交联时间 2?温地层有机复合硼酸盐交联水基压裂液机理 : 复合配位体覆盖碱性控制结合力 有机复合硼酸盐交联剂耐温 15050度不破胶时伤害 σ 以形成新裂缝( 1) 重复压裂井的应力变化能够形成新的人工裂缝 。 解决该关键问题的基础在于全面分析和描述人工裂缝 、 地层流体压力变化 、 孔隙热弹性应力 、 邻井注水 /生产活动都产生新的诱导应力;( 2) 堵老缝造新缝重复压裂的时机 。 回答在什么条件下能够形成新裂缝 , 只有在此条件下实施堵老缝造新缝重复压裂才有实际意义;(3) 如何实现堵老缝造新缝重复压裂 。 实践证明采用高强度裂缝堵剂封堵老裂缝是有效的 。1、堵老缝压新缝重复压裂原理2、重复压裂造新缝的力学机理(1) 裂缝诱导应力(2) 生产引起地应力变化(3) 注水引起地应力变化(4) 总应力变化与分布(5) 裂缝诱发的应力变化① 缝口张开裂缝诱导应力最大 , 缝端所诱导的应力最小 。② 张开裂缝诱导应力随着离缝距离变化 , 离缝越远 , 诱导应力越小 。③ 垂直于裂缝方向上 ( 重压新裂缝方向 ) 所诱导的水平应力最大 ,在初始裂缝方向上所诱导的水平应力最小 。④ 在重压新裂缝方向上,最大水平主应力方向上的诱导应力明显高于最小水平主应力方向上的诱导应力。012345670 10 20 30 40 50距离井眼距离( m )应力变化( 生产诱发的应力变化• ① 空间上 , 距离井眼和裂缝端部距离越近 , 应力变化越大;• ② 在间上 , 生产初期 , 由于生产速度快 , 孔隙压力下降幅度大 ,引起应力变化幅度最大 , 生产时间增加到一定程度后 , 应力随时间变化不在明显 , 近随空间距离变化;• ③ 在垂直初始裂缝方向(重复压裂新裂缝方向)上,最大水平主应力下降的速度大于最小水平应力方向上的应力下降。- 1 6- 1 4- 1 2- 1 00 20 30 40 50距离井眼距离( m )应力变化(邻井注水产生热弹性应力和孔隙弹性应力① 注入引发的应力变化在径向上始终为负 , 表现为张应力 , 井眼处应力变化最大 , 随着径向距离的增加应力数值逐渐降低 , 到一定距离后逐渐为零;② 切向上应力变化相对比较复杂 , 首先随着径向距离增加逐渐增大 , 然后到达最大值 , 之后逐渐减少 , 到一定距离后为零 , 同时应力的变化从负值到正值 , 这种变化趋势主要受径向距离和注入时间控制;③ 从注入模型的推导来看 , 没有剪切应力产生 , 因此 , 径向应力方向即为最大水平应力方向 , 切向应力方向为最小水平应力方向上;④ 切向上的应力变化比径向上的应力变化偏大,则在最大水平应力方向和最小水平应力方向上的应力变化具有相似的特征。- 1 00 20 30 40 50距离井眼距离(m)应力变化(向诱发应力径向诱发应力24252627280 10 20 30 40 50距离井眼距离( M )总应力(总应力• ① 重复压裂井中发生了应力重定向 , 并在距井眼一定距离处 ( 应力各向同性点 ) 应力重新转向 , 逐渐恢复到初始应力水平;• ② 重压缝长方向上 , 井眼到应力各向同性点之间的差应力随初始差应力的降低而增加;超过应力各向同性点后 , 差应力随初始差应力的增加而增加;• ③ 应力重定向的发生和应力各向同性点的距离与很多因素有关,其中初始水平应力差是决定应力转向和和应力各向同性点位置的关键因素,如果重复压裂过程中差应力大于某一值,应力转向根本不可能发生。复压裂时机3、 裂缝堵剂性能要求(1) 堵剂能够在一定程度上预先成胶 , 优势在于 ① 能完全进入地层裂缝中从而有效封堵裂缝; ② 不渗入地层孔隙从而不会堵塞岩石孔隙 。(2) 要求堵剂有高的强度 、 良好的粘弹性 , 也就是很好的抗拉性及与岩石表面强的粘附力 。 以保证重复压裂时裂缝偏离最大主应力方向 , 堵剂强度至少要高于产层破裂压力 。(3) 良好的剪切稀释性,有利于泵入和流动。堵剂体系 系 系 类 型 暂堵 永堵 成胶时间 2 — 72可调 2 — 12可调 强 度 45m >60m 热稳定性 30 - 80 8 个月性能基本不变 30 - 120 2 年性能基本不变 耐冲刷性 堵水率 99% ,冲洗 100 F 升 备 注 胶体突破后继续水冲, F 100还有增加,故胶体在岩心裂缝中粘附力增强。 4、应用效果图7 X B 6 5 井重复压裂增产效果曲线01020304050607080900 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12重复压裂后生产时间,m o 水和含水率日产油 (t /d)日产液 (m 3/d )含水率 (% )图8 F 7 - 2 井重复压裂增产效果曲线0204060801000 2 4 6 8 10 12重复压裂生产时间, m o 水和含水率日产油 ( t / d )日产液 ( m 3 / d )含水率 ( % )长庆油田5、进一步开展的工作( 1)物理模拟( 2)裂缝监测采油新技术与新理论( 七部分:整体压裂改造低渗油藏压裂开发技术目标 : ◆ 提高采收率◆ 提高单井产量[开发井网系统 +水力裂缝系统 ]优化组合经济开发低渗透油藏低渗储量动用与开发面临问题: 投入 产出油藏整体压裂近期技术应用“压裂开发技术 ” 按照储层最大渗流方向布井,充分体现了压裂油藏工程的特点,与储层构造应力场、天然裂缝发育、储层分布、压裂裂缝优化匹配,能够有效的提高低渗透油田的压裂开发效果,研究表明按照压裂开发井网布井和开采可以提高采收率 2%以上。 1990年以来在低渗透油田的开发与调整中得到了广泛的应用。整体压裂开发技术概况整体压裂开发技术轮廓构造应力场与分层应力区域构造分析 、 地应力岩心试验 、 现场水力压裂测量 、 测井分析 、 数值模拟 等配套的地应力测量与描述技术,能够对古构造应力场和现今构造应力场进行测量与数值模拟分析 整体压裂开发井网的优化 。地应力岩心试验 、 现场水力压裂测量 、 测井分析 等配套分层应力剖面计算技术 单井 压裂方案的优化 。压裂模拟技术国外 “ 黑油模型改造 ” (石油工程平台)、国内自主开发的整体压裂数值模拟软件 整体压裂方案模拟。国外压裂软件 ( 集总三维及拟三维软件 三维设计软件 、 国内自主开发的三维压裂优化设计软件 单井 压裂方案模拟。整体压裂开发技术轮廓压裂施工工艺根据储层应力、压力、裂缝发育、压裂液的滤失特征, 研究适合不同类型油气藏压裂改造的压裂工艺:分层压裂 : 机械封隔与投球限流压裂 : 薄互层、多层新完井压裂改造转向压裂 : 遮挡层薄弱时控制缝高的压裂技术暂堵与分步加砂 : 双重介质低渗透砂岩储层压裂技术增能助排技术 : 低压地层压裂技术裂缝改向 : 注水开发油藏的重复压裂技术 压裂材料 室内实验技术整体改造设计以 “压裂开发井网”、压裂油藏模拟、压裂模拟为基础,以经济优化和最终采收率为目标,优化油水井压裂方案及工作制度。自主开发的油藏压裂设计与分析系统( 体压裂改造优化设计低渗油藏整体压裂开发技术已在部分油藏成功应用 低渗均质整装砂岩油藏:吉林乾安、大庆朝阳沟、吐哈善鄯等油田 以直井压裂投产开发为主低渗复杂砂岩油藏整体压裂开发技术需开展基础研究 裂缝性低渗透油藏 :压裂数值模拟的技术难度、压裂工艺技术难度复杂断块低渗油藏 :压裂数值模拟的技术难度、斜井 /水平井压裂工艺技术难度直井 +水平井整体压裂开发油藏 :压裂数值模拟的技术难度、水平井压裂工艺技术难度整体压裂开发技术应用现状整体压裂数值模拟在方案设计中的重要性 整体压裂数值模拟是编制方案的一个强有力工具。 油藏整体压裂优化设计是建立在水力裂缝模拟和含水力裂缝的油藏数值模拟的组合应用基础上。油藏整体压裂数值模拟技术整体压裂数值模拟技术现状 改造黑油模型: 将裂缝长度、导流能力及裂缝方位作为油藏的性质置入黑油模型中,采用 等值渗流阻力法 、 等连通系数法 进行模拟。 低渗砂岩油藏模型 、 裂缝性单渗油藏模型 、 裂缝性双渗油藏模型 以及裂缝性油藏水平井模型 都需要改造以适应整体压裂数值模拟需要。裂缝性油藏整体压裂数值模拟模型开发与应用油藏整体压裂数值模拟技术整体压裂裂缝性油藏中渗流数学模型流动特点三种渗流通道 :孔隙介质 +天然裂缝 +压裂裂缝压裂裂缝改变了井周围和缝中的流动特征 :支撑裂缝导流能力高、缝中高速非达西流动出现渗流方程 +辅助方程 +定解条件油藏整体压裂模拟软件研制油藏在既定注采井网系统下的整体压裂模拟;未投入开发油藏压裂开发的整体压裂模拟;油藏整体压裂可控参数的影响性分析不同井网模式下整体压裂效果的模拟研究渗透率各向异性时压裂裂缝系统与井网不同组合井网不同泄油形状⊙ 渗透率愈高,采出程度也愈高;而渗透率不同的各向异性程度与不同缝长对应的采出程度是不同的,与水力裂缝方向相平行的方向渗透性愈好,采出程度愈高。正方形( 300300)矩形( 360250)矩形( 450200)不同井网模式下整体压裂效果的模拟研究渗透率各向异性对不同缝长的采出程度的影响 各向异性 数量关系 缝长变化引起采出程度的变化情况 k kx y 1 5 随缝长增加,采出程度变化不大,对缝长不敏感; 随缝长增加,达到最大采出程度时,矩形 (450m × 200m)>矩形 (360m × 250m)> 正方形 (300m × 300m) 。 k kx y 1 1 10 随缝长增加,采出程度变化不大,对缝长不敏感; 随缝长增加,达到最大采出程度时,矩形 (450m × 200m) >矩形 (360m × 250m)> 正方形 (300m × 300m) 。 5、 裂缝性油藏深层 /超深层压裂技术井底破裂压力高井底破裂压力一般主要受地应力及岩性的控制。一般说来绝大多数地层井底破裂压力的绝对值随地层深度的加深而增加。如塔里木东河塘石炭系 6000地层破裂压力普遍高于 100裂管路沿程摩阻高对于选定的压裂液配方系列和管柱结构,井段越深,沿程摩阻损失越大,摩阻的增加,直接减少了作用与地层的实际有效作用力。因此,对降低摩阻提出了更高的要求。施工注入方式选择性差由于必须考虑采取保护套管的措施防止套管超压,在选择进液方式时只能侧重选择油管进液。采用油管压裂通常选用 3 1/2采用复合油管管柱。压裂液性能要求高由于压裂井段深( >5000m)、地层温度高( >120℃ ),所以要求压裂液应具有良好的耐高温、耐剪切、低摩阻等性能,同时要求压裂液应具备良好的延迟交联性能,以有效利用施工设备水功率。压裂支撑剂性能要求高由于压裂井段深,地层闭合压力大,要求支撑剂具有高强度、高导流能力,一般都选用强度较高的成都陶粒作为支撑剂。施工过程中易出现砂堵压裂过程中缝宽小、裂缝的高滤失都可能导致砂堵,引起砂堵原因有两种:近井带脱砂;裂缝端部脱砂。这两种脱砂在施工曲线上有不同特征。近井筒摩阻大,主裂缝难以有效延伸由于天然裂缝系统,存在近井筒 “ 多裂缝现象 ” 和 “ 裂缝迂曲现象” ,导致主裂缝延伸有限。 如:江汉盆地深层裂缝性断块油藏测试压裂分析表明近井筒摩阻高达 7密度射孔,降低地层破裂压力优化水力裂缝设计,求取裂缝支撑长度在地层评估的基础上对压裂的施工规模,水力裂缝的几何尺寸,水力裂缝在垂向和水平方向的延伸进行预测。建议使用全三维水力裂缝模拟及优化设计技术,该技术根据三维弹性理论计算裂缝的几何尺寸,同时考虑缝内压裂液呈二维流动,能够较为真实地描述水力压裂过程,计算出较为精确的裂缝形态以及裂缝内部支撑剂分布剖面。以获得最大,最经济的压后产量为目标函数来优化裂缝支撑半长。压裂油藏数值模拟从油藏整体出发,研究水力裂缝对油气产量及扫油效率的影响,以及注水对生产动态的影响。压裂改造技术对策压裂改造技术对策提高压裂效果的关键: 降低压裂液的伤害1、减少进入地层的液体量减少前置液量2、减少压裂液残渣含量使用优质、低聚合物、清洁压裂液、变配方压裂液体系3、提高返排率提高破胶剂浓度、改变破胶剂加入方式、强制闭合技术4、提高裂缝长期导流能力使用与地层匹配的支撑剂、提高砂比消除裂缝弯曲摩阻:对滤失较大的地层:前置液加粉陶段塞对滤失不大的地层:前置液加低砂比段塞采用前置液较携砂液更高粘的双组分压裂液体系防止多裂缝产生:减小射孔井段:施工初期采用高排量,并尽快提升排量到设计值:前置液加入支撑剂段塞:压前注入诊断测试,分析近井摩阻、多裂缝、微裂缝和液体滤失高强度支撑剂的选择与评价应选择粒径规范合格,适合高闭合压力下高强度,高导流能力的支撑剂,即随着闭合应力的增加,导流能力下降应较缓。
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