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第06章水力压裂

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06 水力
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第六章 水力压裂技术主要内容:(4) 压裂设计(1) 造缝机理(2) 压裂液(3) 支撑剂利用 100%的液体二氧化碳和石英砂进行压裂,无水无任何添加剂,压后压裂液几乎完全排出地层,可避免地层伤害。其关键技术是混合砂子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感的地层,适合的储层包括渗水层、低压层及有微粒运移的储层以及水敏性储层。压裂的定义:用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝,并用支撑剂将裂缝支撑起来,减小油、气、水的流动阻力,沟通油、气、水的流动通道,从而达到增产增注的效果。压裂的种类: (根据造缝介质不同 )水力压裂高能气体压裂干法压裂利用特定的发射药或推进剂在油气井的目的层段高速燃烧,产生高温高压气体,压裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂缝,清除油气层污染及堵塞物,有效地降低表皮系数,从而达到油气井增产的目的的一种工艺技术。利用地面高压泵组,将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中,在井底憋起高压;当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时,在井底附近地层产生裂缝;继续注入带有支撑剂的携砂液,裂缝向前延伸并填以支撑剂,关井后裂缝闭合在支撑剂上,从而在井底附近地层 内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝,使井达到增产增注目的工艺措施。水力压裂:水力压裂的工艺过程:憋压 造逢裂缝延伸充填支撑剂裂缝闭合(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力: 裂缝内流体流动阻力小。水力压裂增产增注的原理 :(1) 改变流体的渗流状态: 使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动,消除了径向节流损失,降低了能量消耗。第一节 造缝机理裂缝形成条件裂缝的形态裂缝的方位井网部署提高采油速度提高原油采收率有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其在增产、增注的作用。造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的 地应力及其分布 、 岩石的力学性质 、 压裂液的渗滤性质 及 注入方式 有密切关系。图 6裂过程井底压力变化曲线a— 致密岩石 b— 微缝高渗岩石破裂压力延伸压力地层压力一、油井应力状况(一 )地应力xyzZ  0  垂向应力:上覆层的岩石重量。有效垂向应力:如果岩石处于弹性状态,可根据广义虎克定律建立岩石的有效水平应力与有效垂向应力的关系: 11   2  3在三向应力作用下,  11212111212121m i a x   01321  令: 得:   1由于存在侧向应力的约束,则:侧压系数考虑到构造应力等因素的影响,可以得到最大、最小水平主应力为: )井壁上的应力图 6 无限大平板中钻一圆孔的应力分布地层三维应力问题转化为二维方法处理  2c o 422  1) 当 ,时, ,说明圆孔壁上各点的周向应力相等,且与角度无关。   222 (2) 当 , 时,说明最小周向应力发生在方向上,而最大周向应力却在 的方向上。        3180,0m i n 。       3270,90m a x 。xy(3) 随着 的增加,周向应力迅速降低。井筒内注入高压液体,使井内压力很快升高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹性力学中的拉梅公式 (拉应力取负号 ):  222222222当 、 及 r=壁上的周向应力为:即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等,方向相反。     1 21 1       1 213 入井筒周围地层中,形成了另外一个应力区,它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为:壁上的最小总周向应力应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和:  二、造缝条件(一)形成垂直裂缝的条件当井壁上存在的周向应力超过井壁岩石的水平方向的抗拉强度时,岩石将在 垂直于水平应力 的方向上产生脆性破裂,即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为:当产生裂缝时,井筒内注入流体的压力即为地层的破裂压力:12123 P(二 )形成水平裂缝的条件当井壁上存在的垂向应力超过井壁岩石的垂向的抗张强度时,岩石将在 垂直于垂向应力 的方向上产生脆性破裂,即在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为: 当产生水平裂缝时 , 井筒内注入流体的压力等于地层的破裂压力:1211三 )破裂压力梯度 (破裂梯度 )破裂梯度 :地层破裂压力与地层深度的比值。各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为:(15~ 18)~ (22~ 25)深地层 —— 垂直裂缝 浅地层 —— 水平裂缝根据破裂梯度的大小估计 裂缝的形态 :小于 15~ 18时形成 垂直裂缝大于 23时形成 水平裂缝第二节 压裂液压裂液任务:破裂地层、造缝、降温作用 。一般用未交联的溶胶。携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用 。必须使用交联的压裂液 (如冻胶等 )。末尾顶替液: 替液入缝 , 提高携砂液效率和防止井筒沉砂 。前置液携砂液顶替液中间顶替液: 携砂液、防砂卡 ;压裂液的性能要求:① 滤失少:② 悬砂能力强:③ 摩阻低:④ 稳定性好:⑤ 配伍性好:⑥ 低残渣:⑦ 易返排:⑧ 货源广、便于配制、价钱便宜。造长缝、宽缝 取决于它的粘度与造壁性取决于粘度摩阻愈小,用于造缝的有效功率愈大热稳定性和抗机械剪切稳定性不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率减少压裂液的损害一 、 压裂液类型◆ 水基压裂液:◆ 油基压裂液:◆ 泡沫压裂液:用水溶胀性聚合物 (称为成胶剂 )经交链剂交链后形成的冻胶。施工结束后,为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。不适用于水敏性地层。多用稠化油,遇地层水后自动破胶。缺点是悬砂能力差、性能达不到要求、价格昂贵、施工困难和易燃等。基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液;气相为二氧化碳、氮气、天然气;发泡剂用非离子型活性剂。特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等。缺点是砂比不能过高、井深不能过大。2/  二、压裂液滤失性压裂液滤失到地层受三种机理控制:压裂液的粘度、 油藏岩石和流体的压缩性、 压裂液的造壁性(一 )受压裂液粘度控制的滤失系数 CⅠ当 压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度 时,压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度,由达西方程可以导出滤失系数为:滤失速度为:(二 )受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数 CⅡ当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时,控制压裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性。根据体积平衡方程可得到表达式:2/ 油藏综合压缩系数图 6滤失后地层中压力分布示意图使压裂液滤失于储层内的压差压缩并使油藏流体流动的压差裂缝壁面滤饼的压力差(三)具有造壁性压裂液滤失系数 CⅢ滤失系数 CⅢ 是由实验方法测定图 6滤失仪示意图加压口筛座(含滤纸或岩心片)出液口αm 2 3 4图 6静滤失曲线失速度造壁液体的滤失系数 即2/1 应进行修正:图 6滤失仪示意图图 6静滤失曲线比较图 111 22222 42         )综合滤失系数压裂液的滤失同时受三种机理控制,综合滤失系数如下:CⅠ 由 滤失带压力差 控制的, CⅡ 是由 压缩带压力差 控制的, CⅢ 由 滤饼内外压力差 控制的。根据 分压降公式 可以得到综合滤失系数的另一表达式:D   n   1 1 K 三、 压裂液流变性(一 )图 6假塑型流体也称为幂律流体,随剪切速率的增加,其斜率变小。  1n  屈服假塑型流体 ( K 胀流型流体 (  1n(二 )幂律液体流动过程中的视粘度计算从地面到地下裂缝中基本上可分为四种流动过程, 即地面管线、井筒、射孔孔眼和裂缝中的流动 。这四种流动基本上分为两大类,即 管流 及 缝流 。 视粘度 : 18413    视粘度 : 1 (三 )摩阻计算油管内摩阻、射孔孔眼摩阻、裂缝内摩阻压力降根据多相流理论计算 比较复杂经验公式计算简化为无限大平板之间的层流处理第三节 支撑剂填砂裂缝的导流能力:在油层条件下,填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积,常用 流能力也称为导流率。一、支撑剂的性能要求(1)粒径均匀,密度小(2)强度大,破碎率小(3)园度和球度高(4)杂质含量少(5)来源广,价廉二、 支撑剂的类型按其力学性质分为两大类:◆ 脆性支撑剂 如石英砂、玻璃球等特点 是硬度大,变形小,在高闭合压力下易破碎◆ 韧性支撑剂 如核桃壳、铝球等特点 是变形大,承压面积大,在高闭合压力下不易破碎目前矿场上常用的支撑剂有两种:一是 天然砂 ;二是人造支撑剂 (陶粒)。(一 )天然砂主要矿物成分是粗晶石英适用于浅层或中深层的压裂,成功率很高。(二 )人造支撑剂 (陶粒 )矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁 — 钛氧化物形状不规则,强度很高,适用于深井高闭合压力的油气层压裂。陶粒的密度很高,特别在深井条件下由于高温和剪切作用,对压裂液性能的要求很高。(三 )树脂包层支撑剂中等强度,密度小,便于携砂与铺砂。三、支撑剂在裂缝内的分布支撑剂在裂缝内的分布规律随 裂缝类型 (水平、垂直缝 )和 携砂液性能 而异。(一 )全悬浮型支撑剂分布高粘压裂液 :压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来,在整个施工过程中没有支撑剂的沉降,停泵后支撑剂充满整个裂缝内,因而携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。裂缝内的砂浓度 (裂缝内砂比 ):是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量。裂缝闭合后的砂浓度 (铺砂浓度 ):指单位面积裂缝上所铺的支撑剂质量。地面砂比 :单位体积混砂液中所含的支撑剂质量。或支撑剂体积与压裂液体积之比。假设地面每注入体积为 VF(含砂液体为一个处理单元,时间 元含砂液中滤失的体积百分数:)的剩余体积(地面单元体积液在缝中滤失体积滤失   时间滤失面积滤失速度滤失体积滤失体积百分数:滤失经滤失后的缝内砂浓度:   在忽略裂缝内流动阻力的情况下,可以认为裂缝内的 而要求砂浓度呈线性增加。支撑面积很大,能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。全悬浮型支撑剂分布特点:适合于低渗透率地层,不需要很高的填砂裂缝导流能力就能有很好的增产效果。(二 )沉降型支撑剂分布由于剪切和温度等降解作用 ,携砂性能并不能达到全悬浮部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动,部分可能沉降下来支撑剂沉降速度、平方向液体携带力、垂直向下重力 以及 向上浮力 的作用颗粒相对于携带液有沉降运动平衡状态 : 当液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力时,颗粒处于停止沉降的状态。平衡流速: 平衡时的流速,也即携带颗粒最小的流速。注入浓度图 6粒在缝高上的浓度分布沉降下来的的砂堤,在平衡状态下砂堤的高度为平衡高度砂堤面上的颗粒滚流区悬浮区,颗粒分布不均匀,存在浓度梯度无砂区增加地面排量 Ⅰ 、 Ⅱ 与 Ⅳ 区均将 变薄 , Ⅲ 区则 变厚流速足够大 Ⅰ 区可能 完全消失再增加排量 浓度梯度剖面 消失 ,成为 均质的悬浮流00    利用颗粒 自由沉降速度 与 阻力速度 的比值,先得到阻力速度,再求出平衡流速。阻力速度牛顿液体非牛顿液体   d    阻力速度与平衡流速的关系 :层流紊流混砂液密度砂比 比是砂堆体积与压裂液体积之比。  1Q  堤停止增高,处于平衡状态砂堤的堆起速度与砂堤上面过流高度 的变化方向相反   0 5%,四、支撑剂的选择支撑剂的选择主要是指选择其 类型和粒径选择的目的是为了达到一定的 裂缝导流能力对 低渗 地层,水力压裂应以增加 裂缝长度 为主对 中高渗 地层,水力压裂应以增加 裂缝导流能力 为主影响支撑剂选择的因素:1)支撑剂的强度2)粒径及其分布3)支撑剂类型4) 其它因素 如支撑剂的质量 、 密度以及颗粒园球度等第四节 压裂设计压裂设计的任务 :优选出经济可行的增产方案压裂设计的原则 :最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用使压裂后油气井和注入井达到最佳状态压裂井的有效期和稳产期长压裂设计的方法:根据油层特性和设备能力,以获取最大产量或经济效益为目标,在优选裂缝几何参数基础上,设计合适的加砂方案。压裂设计方案的内容:•裂缝几何参数优选及设计;•压裂液类型、配方选择及注液程序;•支撑剂选择及加砂方案设计;•压裂效果预测和经济分析等。•区块整体压裂设计还应包括采收率和开采动态分析等。一、影响压裂井增产幅度的因素油层特性裂缝几何参数指压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油层能量、含油丰度和泄油面积等指填砂裂缝的长、宽、高和导流能力麦克奎尔与西克拉 (1960)用 电模型 研究了垂直裂缝条件下增产倍数与裂缝几何尺寸和导流能力三参数的关系。假设:拟稳定流动;定产或定压生产;正方形泄油面积;外边界封闭;可压缩流体;裂缝穿过整个产层。图 6麦克奎-西克拉垂直裂缝增产倍数曲线相对导流能力无因次增产倍数裂缝导流能力愈高,增产倍数也愈高;造缝愈长,倍数也愈高 左边 要提高增产倍数,则应以增加 裂缝导流能力 为主右边 曲线趋于平缓,增产主要靠 增加缝的长度低渗油藏 增加裂缝长度比增加裂缝导流能力对增产更有利高渗油藏 应以增加导流能力为主对一定的裂缝长度,存在一个最佳的裂缝导流能力二、裂缝几何参数计算模型二维 (拟三维 (真三维模型主要差别 是裂缝的扩展和裂缝内的流体流动方式不同:二维模型假设 裂缝高度 是 常数 ,即流体仅沿缝长方向流动。裂缝内仍是 一维流动 (缝长 )。拟三维模型和真三维模型 缝高沿缝长方向是变化 的,后者在 缝长、缝高方向均有流动 (即存在压力降 )。(一)卡特模型 (缝长 )基本假设:① 裂缝是等宽的;② 压裂液从缝壁面垂直而又线性地渗入地层;③ 缝壁上某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间;④ 缝壁上各点的速度函数是相同的;⑤ 裂缝内各点压力相等,等于井底延伸压力。卡特在考虑了液体滤失,并考虑了以下几个假设条件,导出了计算水平缝和垂直 缝长度 的计算公式。根据质量守恒有:瞬时注入量 =瞬时滤失量 +有效压裂液量(造缝体积)裂缝面积   r f  考虑了液体的 渗滤作用。 根据导出的裂缝面积公式,如果已知缝宽,则可求出水平裂缝半径和垂直裂缝长度。滤失量 QL(t)  L +=      裂缝体积变化 QF(t)     r f  卡特裂缝面积:式中: (滤失量 /造缝量)是的误差补偿函数,可查数学手册的函数表。2  单翼、缝长)水平缝长(裂缝米径 R)(二) 宽)基本假设:① 岩石是弹性 、 脆性材料 , 当作用于岩石上的张应力大于某个极限值后 , 岩石张开破裂;② 缝高在整个缝长方向上不变,即在上、下层受阻;造缝段全部射孔,一开始就压开整个地层;③ 裂缝断面为椭园形,最大缝宽在裂缝中部;④ 缝内流体流动为层流;⑤ 缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力;⑥ 不考虑压裂液滤失于地层。裂缝内的压力分布公式:   4/13243 牛顿液体缝宽公式:   4/12m a x   对非牛顿液液体,最大缝宽为:       2a x 垂直缝的平均宽度:m a 卡特面积公式 联立,给定一个缝宽,通过迭代求解缝宽和缝长。m a 水平:(三) 地层均质 , 各向同性;② 线弹性应力一应变;③ 裂缝内为层流,考虑滤失;④ 缝宽截面为矩形,侧向为椭园形。缝宽:   41a x  缝长:     a x2 e r f 1(四)吉尔兹玛模型该模型以牛顿液体为基础,流动方程采用了泊稷叶理论,岩石破裂方程采用英格兰 — 格林公式。假设缝端部的闭合圆滑,并考虑液体的滤失作用。在岩石泊松比 ν =尔兹玛方程为:缝长:缝宽:缝高 宽时,都要用到缝高参数 H,但这是一个难以确定的数值,同时也会影响裂缝几何尺寸计算的准确性。1、利用油层有效厚度来确定。2、根据各层的泊松比来确度(软硬程度):遮挡层的位置,此时: 2 33、利用声波测井来确定(致密程度),低时差致密,不易压开,如果油层上、下均为低时差的致密岩层,则可根据此确定缝高。4、利用井温或放射性测井来确定。5、按排量确定: H=国棉花谷地区)式中: Q—— 泵排量( m3/—— 缝高( m)由上式可知, Q↗ H↗ ,为了避免裂缝窜入上下层,常将排量限制在 外,压裂液粘度愈高,缝高愈大。三、压裂效果预测效果预测有 增产倍数 和 产量预测 两种垂直缝 的增产倍数一般可用麦克奎尔 — 西克拉增产倍数曲线确定; 水平缝 可用解析公式计算。产量 、 压裂的有效期 和 累积增产量 等的预测可用典型曲线拟合和数值模拟方法。(一)增产倍数计算垂直缝压裂井 用麦克奎尔-西克拉增产倍数曲线确定水平缝压裂井  定和拟稳定 生产阶段,对低渗透地层压裂后采用增产倍数法预测的结果将会有很大的误差。(二 ) 油层流体微可压缩 ,粘度为常数;② 导流能力为常数;③ 不存在井筒存储和井筒附近的油层损害;④ 忽略边界影响;⑤ 忽略气体紊流影响。x f 5 6   1油    7 11 气无因次导流能力四、裂缝参数设计方法基本步骤:① 预测不同裂缝长度和导流能力下的产量,并绘制产量与缝长和无因次导流能力关系曲线② 根据产量要求 , 优选裂缝参数③ 选择支撑剂类型④ 确定尾随支撑剂体积和尾随比⑤ 根据地层条件选择压裂液复习思考题:1、水力压裂的基本原理是什么?其增产增注的实质是什么?2、压裂液的滤失性受哪几种因素控制?综合滤失系数及速度表达式。3、压裂液按其在施工过程中的任务和作用,可分为哪几种类型?4、形成水平和垂直裂缝的造缝条件各是什么?5、试分别捡推证有滤失与无滤失条件下形成垂直裂缝时破裂压力的表达式。6、支撑剂的性能要求。颗粒在缝高上浓度分布特征。7、典型压裂施工曲线的分析与应用。8、 、管流和缝流中非牛顿压裂液的视粘度如何计算?10、压裂施工后其压裂效果如何评价?
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