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储层改造技术讲稿

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改造 技术 讲稿
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储层改造技术专题交流石油工程学院 李小刚,“高酸气田开发地质与采气工程技术”培训班,2009年11月,18:00,2,交流提纲,储层改造技术概述水力压裂技术酸化技术对川东北含硫碳酸盐岩储层改造的建议,18:00,3,第一部分 储层改造技术概述,油气井增产方法水力压裂技术概述酸化技术概述,18:00,4,第一节 油气井增产方法,油气井产量低的主要原因油气井增产途径各类储层中增产方法的使用,18:00,5,油气井产量低的主要原因,近井地带受伤害,导致渗透率严重下降油气层渗透性差地层压力低,油气层剩余能量不足地层原油粘度高,18:00,6,油气井增产途径,提高或恢复地层渗透率保持压力增加地层能量降低井底回压降低原油粘度,18:00,7,各类储层中增产方法的使用,砂岩储层 Sandstone Formation水力压裂、基质酸化碳酸盐岩储层 水力压裂、基质酸化、酸压特低渗储层MHF特低渗坚硬储层高能气体压裂,18:00,8,第二节 水力压裂概述,水力压裂基本原理水力压裂发展概况水力压裂的作用,18:00,9,,,,,,水力压裂基本原理,S1,S2,S3,S4,,,,,,,,,,,,,,压裂,压裂,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,压裂,压裂,18:00,10,水力压裂发展概况,偶然发现(敏锐的观察力)美国正式验证(1947.7)中国首次试验(1955)50年代:迅速发展、简单、规模小60年代:压裂工艺改进、压裂材料质量;分层改造工业化应用70年代:推广应用、舍弃核爆炸压裂、大型压裂;分层改造、内部选择性改造(当其他措施无效时就压裂)80年代:裂缝量化描述—三维延伸模拟器、优化设计90年代:压裂液体系、整体/开发压裂、监测评估发展方向:压裂系统工程、选井评层、复杂井筒与复杂地层压裂(深井与超深井,多层压裂、大斜度井与水平井、分支井,复杂岩性与流体)工艺,水力压裂评估技术,压裂材料,重复压裂技术,18:00,11,水力压裂的作用,在勘探阶段 -提高勘探含油气评价,增加可采储量Wattenberg气田陕北安塞特低渗油田H=1000-1300m,h=12.2m,=12.4%, kair=1-2md, ke<0.5md, So=55-57%, pr=8.3-9.8MPa,18:00,12,水力压裂的作用,在开发阶段油气井增产水井增注,18:00,13,水力压裂的作用,在开发阶段调整层间矛盾 改善吸水剖面二次和三次采油中应用,18:00,14,水力压裂的作用,提高采收率 -电模拟和数模表明 -大庆小井距试验证实控制井喷其它煤层气开采工业排污废核处理,18:00,15,第二节 酸化技术概述,酸化处理历史酸化工艺分类水力压裂发展概况水力压裂的作用,18:00,16,1、1895,赫曼佛拉施(Herman Frasch)发明;2、早期的除垢处理,吉普石油公司,盐酸作为除垢剂;3、 1932,酸化新时代: 普尔石油公司与道化学公司的磋商,HCl正式用于油气井处理,酸化形成正常应用的技术--酸化作业公司的形成;5、1933,Wilson与印第安那标准石油公司申请HF处理砂岩工艺专利;6、1940 Dowell 公司,土酸的首次工业性应用;7、至今,全面工业化应用。,酸化处理历史,18:00,17,酸化工艺分类,酸洗 基质酸化 酸压,18:00,18,酸化工艺的特点及适用情况对照表,18:00,19,18:00,20,酸洗:清除井筒中的酸溶性结垢物,或疏通射孔孔眼 的工艺。 两种方式:将酸液注入预定井段,让其静置反应,在无外力搅拌的情况下溶蚀结垢物或射孔孔眼中的堵塞物;酸液通过正反循环,使酸液沿井筒、射孔孔眼或地层壁面流动反应,借助冲刷作用溶蚀结垢物或堵塞物。特点: 酸液局限于井筒和孔眼附近,一般不进入地层或很少进入,地面不用加压或加压很小。不能改善地层渗流条件。,18:00,21,18:00,22,原理:不压破地层的情况下将酸液注入地 层孔隙(晶间,孔穴或裂缝)的工艺。利用酸液溶解砂岩孔隙及喉道中胶结物和堵塞物,改善储层渗流条件,提高油气产能。目的:解堵。特点:不压破地层。,18:00,23,18:00,24,原理:酸或酸的前置液以高于储层所能承受的排量从套管或油管中注入,使之在井筒中迅速建立压力,直至超过地层的压缩应力及岩石的抗张强度,从而压破地层,形成裂缝,连续注酸使裂缝延伸、酸刻蚀裂缝形成酸蚀裂缝,该裂缝具有比原地层更高的导流能力,因此能提高油气井产能。目的:增产(解堵是必然结果)。特点:大排量、高泵压(压破地层)。,18:00,25,第一节 水力压裂造缝机理第二节 压裂液第三节 支撑剂及裂缝导流能力第四节 单井压裂设计第五节 压裂工艺,第二部分 水力压裂技术,18:00,26,压裂施工典型曲线,pF—破裂压力 pE —延伸压力 pS —地层压力 p井底>= pF时,第一节 水力压裂造缝机理,18:00,27,地应力 存在于地壳内部的应力,是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。,地下岩石应力状态:为三向不等压压缩状态.,主应力: x , y, z ; 应变: x, y, z,一、地应力分析1 地应力场,18:00,28,原地应力:重力应力 构造应力 孔隙流体压力 热应力 。,地应力构成:原地应力 + 扰动应力。,18:00,29,其中:r(h) 为上覆岩层密度,由密度测井曲线获得。,(1) 重力应力(上覆压力), 为Boit孔隙弹性常数。,有效垂向应力为:,18:00,30,由广义虎克定律计算总应变,研究对象:地层中任意单元体。,18:00,31,由于泊松效应,垂向应力产生的侧向压力,18:00,32,(2) 构造应力,定义:地壳的构造运动引起的岩体之间的相互作用力。是地应力的一个分量。,来源:各种构造运动,包括: 区域构造—巨大构造单元间的相互作用力; 局部构造—产生于局部地区岩体之间。如断层、岩层弯曲等。,18:00,33,特点构造应力属于水平的平面应力状态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构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。,18:00,34,断层和裂缝发育区 — 正断层,水平应力x可能只有垂向应力z的1/3。,右旋走向滑动断层,正断层,逆断层,— 逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z的3倍。,18:00,35,(3) 热应力,原因:地层温度变化引起的内应力增量。计算方法,特点:与温度变化、岩石力学性质有关产生环境:火烧油层、注蒸汽开采、注水,18:00,36,2 人工裂缝方位,原理:裂缝面垂直于最小主应力方向,当z最小时,形成水平裂缝;当Y或x>z,形成垂直裂缝。,18:00,37,显裂缝地层很难出现人工裂缝。微裂缝地层 —垂直于最小主应力方向; —基本上沿微裂缝方向发展,把微裂缝串成显裂缝,18:00,38,二、水力压裂造缝机理1 井壁最终应力分布,18:00,39,(1)井筒处应力分布,,当r =rw,=0及180时,= 3y- x当r =rw,=90及270时,= 3x- y,18:00,40,当 x = y = 2y=2 x 说明周向应力相等,与无关当 x > y ()0,180= ()min ()90,270= ()max分析 随r增加, 迅速降低(平方次) 应力集中 Pf > PE,18:00,41,钻井引起的井壁诱导应力场,18:00,42,(2)向井筒注液产生的应力分布弹性力学拉梅公式(拉应力为负),当 re, Pe =0 且re > rw于是 r= ra时,= - Pi,18:00,43,(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力,,,18:00,44,(4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理) =地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力,18:00,45,2 水力压裂造缝条件,(1) 形成垂直缝岩石破坏条件,-压为正,拉为负-最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度,18:00,46,有液体渗滤,当破裂时,Pi=PF,18:00,47,无液体渗滤,当破裂时,Pi=PF,18:00,48,(2) 形成水平缝,岩石破坏条件,最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度,18:00,49,3 破裂压力梯度,定义,理论计算(垂直裂缝形态),矿场统计,当αF < 0.015~0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝当αF > 0.022~0.025 MPa/m, 形成水平裂缝,18:00,50,三、 地应力的测量及计算,(1) 矿场测量 — 水力压裂法 — 井眼椭圆法(井壁崩落法),(2)岩心分析(实验室) —滞弹性应变恢复 (ASR) —微差应变分析 (DSCA),(4) 有限元计算,,(3) 测井解释,18:00,51,压裂液及其性能要求压裂液对储层的伤害及保护,第二节 压裂液,18:00,52,(一)压裂液及其性能要求,压裂液组成压裂液性能要求压裂液类型压裂液添加剂,18:00,53,1、压裂液组成(按功能分),(清孔液)(预前置液)前置液携砂液顶替液,18:00,54,前置液,作用造缝降温减少携砂液滤失防砂卡要求一定粘度足够用量,18:00,55,携砂液,作用将支撑剂代入裂缝继续扩张裂缝冷却地层要求粘度高携砂能力强防井底沉砂、缝内砂卡,18:00,56,顶替液,作用中间顶替液尾注顶替液要求用量适当,避免过量顶替,18:00,57,18:00,58,2 压裂液性能要求,滤失低携砂能力强摩阻低、比重大稳定性好配伍性好残渣少易于返排货源广、价格便宜、便于配制,18:00,59,性能表证内容及指标(以水基冻胶压裂液为例)粘度性能:未交联液的粘度、交联后的耐温抗剪切性、流变指数滤失性能:初滤失、造壁系数、滤失速度破胶性能:破胶时间、破胶液粘度、残渣量助排性能:滤液及破胶液的表面张力、界面张力和接触角配伍性能:破乳率(流体配伍)、防膨率(岩石配伍)岩心伤害率:渗透率递减百分数,SY/T 5107-2005水基压裂液性能评价方法,18:00,60,3、 压裂液类型,水基压裂液油基压裂液乳化压裂液泡沫压裂液液化汽压裂液酸基压裂液液态CO2压裂液醇基压裂液,18:00,61,压裂液发展,四十年代和五十年代矿场原油凝胶油粘性乳化液六十年代初期凝胶水六十年代后期水包油乳化液水基冻胶,18:00,62,压裂液发展,七十年代以来国外: 水基冻胶压裂液的次数占三分之二,用量占总量的90%以上国内: 则基本上使用的都是水基压裂液。目前,泡沫压裂液、液体CO2压裂液、液氮压裂液也开始应用。,18:00,63,水基压裂液,发展水稠化水水基冻胶水基冻胶压裂液组成水+添加剂+成胶剂(增稠剂) 成胶液水+添加剂+交联剂 交联液成胶液+交联液水基冻胶,18:00,64,水基压裂液,水基压裂液种类(据稠化剂种类分)植物胶及衍生物瓜(尔)胶(guar)、田菁胶(sesbania gum)、魔芋、槐豆、皂仁纤维素及衍生物羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)工业合成聚合物聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(PHPAM)综合类CMHPG……,18:00,65,油基压裂液,适应:水敏性地层有些气层发展:矿场原油 稠化油 冻胶油,18:00,66,乳化压裂液,两份油 + 一份稠化水(聚合物) 油相<50%,压裂液粘度太低 >80%, 不稳定或粘度太高,18:00,67,乳化压裂液之 特点,外相为水冻胶摩阻低粘度高热稳定性好悬砂能力特别强滤失低,压裂液效率高伤害小在某些地返排困难在大多数情况下,易返排,18:00,68,泡沫压裂液,适用:K<1MD, 粘土含量高的砂岩气藏低压、低渗浅油气层压裂 液相 + 气相 + 添加剂泡沫液液相:清水、盐水、冻胶水、原油或成品油、酸液气相氮气、二氧化碳、空气、天然气等,18:00,69,泡沫质量:泡沫质量=泡沫中气体体积/泡沫总体积特点:在压裂时的井底压力和温度下,泡沫质量 一般为60%~85%随着泡沫质量的增加,泡沫压裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增加滤失少(气体本身就是降滤剂)排液较彻底,对地层伤害小悬砂能力特别强,砂比可高达70%,18:00,70,液化汽压裂液,适用:某些对水、残渣特别敏感的气层特点:悬砂能力较差滤失大费用高配制困难,18:00,71,酸基压裂液,适用:碳酸盐储层种类:常规酸稠化酸冻胶酸乳化酸,18:00,72,液态CO2压裂液,在浅井可以不加胶联剂和破胶剂直接携砂;液态二氧化碳在地层中受热后迅速气化,因此不存在水敏、水锁及残留物伤害,最适合于低压致密砂岩。液态二氧化碳携砂浓度较低,砂粒径较小;价格及运费高,施工需用专用压裂设备,施工技术复杂。,18:00,73,醇基压裂液,甲醇压裂液乙醇压裂液,18:00,74,醇基压裂液之甲醇压裂液,对砂岩储层无水敏、水锁伤害;易返排低表面张力的流体(20℃时22. 50 mN/ m),仅为水(72. 8 mN/ m)的二分之一,返排时毛竹阻力低,另外甲醇沸点65 0C,部份甲醇可溶于天然气中,更使得甲醇压裂液快速排液。密度低费用比二氧化碳泡沫压裂低甲醇压裂不需使用粘土稳定剂助排剂、不用(或少用)液氮即可节约部分投资,还可避免因这些附加剂使用不当引起的意外伤害。甲醇价格较贵;有剧毒、易挥发、易燃,施工时安全和环保要求高稠化剂中的大分子集团和压裂液残渣对储层有一定伤害。,18:00,75,具有甲醇压裂液的所有优点,而目乙醇无毒。乙醇价格比甲醇更贵;乙醇易燃,易挥发 ;稠化剂中的大分子集团和压裂液残渣对储层有一定伤害。,醇基压裂液之乙醇压裂液,18:00,76,4、 压裂液添加剂,降滤剂防膨剂杀菌剂表面活性剂pH值调节剂稳定剂破胶剂,18:00,77,降滤剂,降滤剂有:固体型液体型常用的降滤剂:硅粉硅粉和聚合物的混和物天然聚合物油溶性树脂,18:00,78,防膨剂,目的:控制油气层中的粘土膨胀粘土膨胀要降低流动通道粘土种类:蒙脱石伊利石高岭石绿泥石,18:00,79,防膨剂种类A,酸类防膨剂作用:调节基液的pH值将粘土的pH值控制在3~7盐类防膨剂:氯化钾、氯化钠、氯化钙和氯化铵稳定粘土,将浓度控制在1~3%以内,可避免絮凝效应,18:00,80,防膨剂种类B,甲醇:吸收粘土颗粒上的水份,防止粘土遇水膨胀,降低压裂液表面张力,从而减少基液在地层中的滞留量。此外,甲醇还可以起到助排剂的作用油、泡沫和乳化液:作为降滤剂,防止水向地层的渗透,并且作为水的代替液而减少水量来达到防膨目的,18:00,81,杀菌剂,目的:防止细菌对冻胶的降解和变质延缓钢材的腐蚀防止细菌生成沉淀细菌来源:不干净罐基液地层,18:00,82,表面活性剂,加表面活性剂原因:水要降低地层对油的有效渗透率导致部分或完全水堵原油与水要形成比原油粘度高得多的乳化液(有时高达几千倍),这些形成堵塞的水和油-水乳化液大部分就存在于井筒附近,对压裂效果影响很大,18:00,83,表面活性剂作用,减少压裂液滞留量提高返排速度和返排量降低形成油-水乳化液的可能性当使用乳化压裂液时,加入表面活性剂还能起到稳定乳化液的作用,18:00,84,表面活性剂作用机理,表面活性剂由亲油基团和亲水基团构成。表面活性剂通过在液气界面和在两种不混溶液体间界面上的吸附作用,可以降低界面张力;通过在液固界面上的吸附作用,可以减少湿润边界角。,18:00,85,表面活性剂种类,阴离子型活性剂阳离子型活性剂非离子型活性剂两性活性剂,18:00,86,pH值调节剂,防止地层伤害,含有泥质的地层在pH值为3~7的范围内时伤害最轻控制增粘速度,成胶剂的增粘速度直接取决于液体pH值的大小pH值还可以控制细菌繁殖,18:00,87,温度稳定剂,作用: 在高温下稳定冻胶,防止提前破胶种类:醇类,尤以5%甲醇用的最多硫代硫酸钠(还原剂)铁离子稳定剂主要是防止铁盐沉淀,18:00,88,破胶剂,破胶机理:与冻胶接触使其发生化学水解及氧化作用,造成聚合物断链降解而破胶。常用破胶剂:二硫酸铵黑曲酶破胶剂用量依据冻胶的浓度、压裂液的用量、井底温度和裂缝中的温度以及破胶速度或时间而定。,18:00,89,(二)压裂液对储层的伤害及保护,按压裂液作用位置分:地层基质伤害支撑裂缝伤害按流体性质分:液体伤害固体伤害压裂液滤饼和浓缩胶,18:00,90,压裂液对储层的伤害,压裂液在地层中滞留产生液堵地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害压裂液与原油乳化造成的地层伤害润湿性发生反转造成的伤害压裂液残渣对地层造成的损害压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害,18:00,91,支撑剂性质及种类裂缝导流能力及其影响因素支撑剂的选择,第三节 支撑剂及裂缝导流能力,18:00,92,(一)支撑剂性质及种类,基本概念支撑剂特性要求支撑剂种类,18:00,93,基本概念,闭合压力支撑剂颗粒大小支撑剂颗粒形状支撑剂砂堆孔隙度支撑剂强度和硬度,18:00,94,闭合压力定义: 停泵后作用在裂缝壁面上欲使之闭合的力 为闭合压力。计算:(1)PC=αFH-PS(2)PC=PI+PH-PS,18:00,95,支撑剂颗粒大小 支撑剂颗粒大小一般用筛析法确定,并且大多使用美国材料试验协会即ASTM标准。,筛析法的筛孔表示方法通常有两种:,一种是以每英寸长的孔数来表示,称之为目或号;,另一种则是用毫米直接表示筛孔孔眼的大小。,18:00,96,18:00,97,支撑剂颗粒形状 支撑剂的颗粒形状一般用圆度和球度描述。 圆度是指颗粒表面光滑的程度,用ψ表示; 球度则是指颗粒接近球体的程度,用φ表示。φ、ψ越大,颗粒和圆球度越好。,18:00,98,支撑剂砂堆孔隙度 支撑剂砂堆孔隙度Φp为砂堆中的孔隙体积V孔与砂堆总体积V总之比,即 Φp = V孔/V总。 支撑剂砂堆密度ρpdρpd=砂堆质量/砂堆总体积 =ρp(1-φp),18:00,99,支撑剂强度和硬度支撑剂强度支撑剂抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而不致发生破碎的能力为支撑剂的强度;支撑剂硬度抵抗闭合压力和上覆岩石重力的作用而不致被压实的能力为支撑剂的硬度。,18:00,100,支撑剂特性要求,强度高、硬度适中粒径均匀圆球度好化学温度稳定性好质量高,杂质含量少密度适中货源广、价格低,18:00,101,支撑剂种类,现有的支撑剂按其力学性质例如强度和硬度可分为两大类: 一类是脆性支撑剂,如石英砂、玻璃珠等,其特点是硬度大,变形很小; 另一类是韧性支撑剂,如核桃壳、铝球等,其特点是变形大,在高压下不易破碎。,18:00,102,支撑剂种类,石英砂(砂子)核桃壳铝球玻璃珠陶粒塑料包层支撑剂,18:00,103,(二)裂缝导流能力及其影响因素,裂缝导流能力定义: 裂缝导流能力是指裂缝传导(输送)流体的能力。填砂裂缝的导流能力定义为支撑后的裂缝渗透率Kf与支撑后的裂缝宽度Wf之积。即填砂裂缝导流能力(KW)f或FRCD=KfWf,18:00,104,裂缝导流能力的影响因素,地层的闭合压力地层岩石硬度支撑剂性质支撑剂在裂缝中分布其它,18:00,105,地层的闭合压力,如果地层闭合压力大,则裂缝中的支撑剂容易 破碎和压实,破碎产生的粉粒将部分或全部堵塞裂缝的流动通道,压实将降低填砂裂缝的渗透率和宽度。对于脆性支撑剂,主要是破碎问题;对于韧性支撑剂,主要是压实问题。,18:00,106,地层岩石硬度,地层岩石的软硬对导流能力的影响与支撑剂 颗粒的强度和硬度有关。当支撑剂强度低时,影响导流能力的主要是 破碎问题;当支撑剂强度高时, 支撑剂颗粒嵌入裂缝壁 面 是影响导流能力的主要因素。,18:00,107,支撑剂性质,影响导流能力的支撑剂性质包括支撑剂的强度、硬度、圆球度、粒径以及支撑剂的质量等等支撑剂强度越高,在闭合压力和上覆岩石重力的作用下抵抗破碎的能力越强,因而提供的导流能力越高支撑剂硬度越大,越容易嵌入地层而降低支撑裂缝宽度,18:00,108,在高闭合压力下,圆球度越好,导流能力愈高。支撑剂粒径的影响也有待于进一步研究,在一定条件下粒径大的砂子提供的导流能力仍比粒径小的为高支撑剂质量在闭合压力较高时对导流能力的影响尤为显著,杂质含量增加几倍,裂缝导流能力要降低几十倍甚至更大。,18:00,109,18:00,110,支撑剂在裂缝中分布,支撑剂在裂缝中的分布主要指排列层数和填砂浓度。支撑剂排列层数越多,颗粒的受力面积越大,有利于降低破碎率,并且层数越多,一方面因为“饱填砂”,一方面因为减少了颗粒的嵌入而增加了支撑缝宽,所以多层排列的填砂方式能获得较高的裂缝导流能力。,18:00,111,其它因素,地层环境条件如地层盐水的存在以及盐水的成分和含量流动条件如缝中流动是达西渗流还是非达西渗流压裂液残渣的伤害等等,18:00,112,(三)支撑剂的选择,支撑剂强度地岩岩石硬度支撑剂颗粒大小支撑剂密度支撑剂浓度(排列方式),18:00,113,支撑剂强度,在闭合压力较高时,应考虑使用高强度支撑剂如陶粒等等。在闭合压力较低时,低强度支撑剂仍能起到支撑裂缝的作用,只要砂子不破碎,它在浅井浅层应用的特别广泛当闭合压力达到42MPa时,原则上不再使用石英砂,应使用象陶粒等更高强度的支撑剂,陶粒在闭合压力为70MPa时也很少破碎。,18:00,114,地层岩石硬度,如果地层岩石硬度较低,则该地层可以认为是软地层,支撑剂颗粒倾向嵌入岩石,减小裂缝宽度,甚至导致裂缝闭合。很硬的地层,支撑剂不易嵌入,但硬地层常常具有高的闭合压力,因而需要使用高强度支撑剂。,18:00,115,支撑剂颗粒大小A,软地层要求使用大颗粒的支撑剂以阻止颗粒的嵌入,较高渗透率的地层亦应使用大颗粒的支撑剂以提供适当的导流能力。在硬地层,由于颗粒难以嵌入,并且硬地层常常具有较低的渗透率,不需要裂缝具有很高的导流能力,因此可使用小颗粒的支撑剂。,18:00,116,支撑剂颗粒大小B,对于泥质含量较高或其中细粉粒要发生运移的地层。不宜使用大颗粒支撑剂,因为这些泥质和细粒很容易堵塞孔隙空间,在这种情况下,较小颗粒的支撑剂更适宜。支撑剂颗粒大小和支撑剂质量有关系。小颗粒含量过高就如同含有杂质一样,对裂缝导流能力的降低有同样的影响。,18:00,117,支撑剂密度,支撑剂密度在一定的井况条件下是影响选择应用支撑剂的一个重要因素,高密度的支撑剂颗粒在裂缝中难以悬浮和携带,低密度的支撑剂颗粒难以铺置在希望的位置上。,18:00,118,支撑剂浓度(排列方式),单层或部分单层支撑的裂缝在理论上具有最大的导流能力。但是由于在软地层容易发生嵌入现象,在硬地层容易发生破碎现象,这种单层或部分单层排列是不实际的。现在大多数压裂设计都采用支撑剂颗粒多层排列的填砂方式。,18:00,119,选井选层确定施工参数增产倍比的预测,第四节 单井压裂设计,18:00,120,单井压裂设计方案,对一口井的压裂施工来说是一个指导性的文件。它能在油气层与设备的条件下优化出经济而有效的压裂增产方案。一个好的压裂设计能更好地发挥压裂技术的潜在作用,最大可能地提高压裂效果,为改进压裂工艺提供途径和方向 。,18:00,121,(一)水力压裂选井选层,试井确定地层参数地层渗透率K静压力Ps表皮系数SS>0 污染S<0 改善地层系数Kh,18:00,122,水力压裂选井选层,地层应有较高能量油层井壁受污染、堵塞严重的油井,应采用小规模压裂解堵或酸化解堵油层渗透率低,深穿透、饱填砂的大规模压裂油层含油性好,含油饱和度要高,一般要求在50%以上,18:00,123,水力压裂选井选层,一般认为孔隙度为6%~15%时,才值得进行压裂。如果油层厚度较大,最低孔隙度极限为3%~5%地层渗透率越低,越要优先压裂,使低渗地区的井获得商业性的开采含水饱和度<70%, 防止大量产水地层系数:Kh>1.510-4m2.m,18:00,124,水力压裂选井选层,如果怀疑有水层,完井时应当在水层上方至少30米处射孔,特别是产层与水层间不存在坚密的页岩遮挡层时更应如此经验表明,对于规模较大的压裂来说,如果页岩遮挡层的厚度不超过15米,无论其坚密程度如何,它还是常常不能起到控制裂缝窜层的作用,18:00,125,不宜压裂的井一,油层压力衰竭不宜压裂在压裂层与水层或气层间的夹层很薄时附近有与水或气的接触面(如底水驱油藏或存在底水的油藏),而且位于裂缝可能通过的方向时高含水井或高油气比井,除非出水或出气层可以堵住时,18:00,126,不宜压裂的井二,井下技术状况差,例如固井质量不好、或可能窜槽、套管变形或有严重损伤、井下有落物经过复杂措施处理过、或经过大修中的磨铣的井层均不宜压裂。注水效果明显,裂缝比较发育的井层,为了避免油井水淹,是否压裂需慎重。高渗透地下亏空的井不宜压裂。稠油井不宜压裂,井底附近严重堵塞的除外,18:00,127,(二)施工参数的确定,施工排量施工泵压及水功率压裂车台数的确定压裂液和支撑剂用量,18:00,128,施工排量的确定,为了在井底有足够的流体憋起高压,选择施工排量要考虑的因素是:地层的吸液速度。施工排量Q必须大于地层吸液速度Q′,即最小极限排量。,18:00,129,施工排量的确定,不同排量下所需的压裂液用量。实践表明,当滤失系数一定时欲压开一定大小的裂缝,采用较高的施工排量可减少所需的压裂液用量;并且施工排量大时,可提高压裂液效率,亦有助于减少压裂液用量。摩阻压力。排量越大,产生的射孔孔眼摩阻和井筒摩阻越高,因此所需的井底施工压力愈大,对设备的要求就越高。,18:00,130,施工排量的确定,裂缝高度。 施工排量太大,极有可能导致裂缝窜层。特别是对于产层与水层之间的遮挡层不足够坚密,其厚度不是足够大时,窜层是很危险的。施工排量太小时,又不能充分压开产层的有效厚度,特别是对于多产层的情况,施工排量高无疑是有利的。施工排量高还有利于输送支撑剂。,18:00,131,施工排量的确定,此外,要注意对设备能力的要求:施工排量受管材和井口装置所能承受的压力的限制施工排量受压裂设备处理支撑剂的能力的限制,施工排量大,易导致砂子传送带或混砂装置超过负荷施工排量大,压裂车不易达到要求,即使满足要求,也需更多台压裂车,18:00,132,施工排量的确定,最小极限排量 选择施工排量时,必须首先考虑的是所选排量应大于地层吸液速度,否则无法憋起高压。地层吸液速度Q′即施工最小极限排量Qmin为,q-压前产量;B地层原油体积系数;,破裂压力与井底流压的差值,孔隙压力与井底流压的差值,原油密度,18:00,133,施工排量的确定,最大极限排量 压裂时的最大极限排量由井口和油套管的允许承受压力而定。压裂施工时,注液方式一般分为油管注液、套管注液、环空注液以及环空与油管同时注液(简称油套合注)几种方式。虽然注液方式不同,但确定最大极限排量的方法类似。,18:00,134,施工排量的确定,合压最大极限排量计算基本步骤根据井底破裂压力、液柱压力、套管或采油树的允许承受压力确定套管极限摩阻压力。用试算法确定最大极限排量。先假定油管及套管环空的排量,然后分别计算套管及油管摩阻,这两者必须等于或接近前一步计算的套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力。,18:00,135,施工排量的确定,如果计算的油、套摩阻压力低于套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力时,应提高排量假定值进行二次计算;如果计算的油、套摩阻压力大于套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力时,降低排量假定值进行二次计算,直至油、套摩阻压力基本相等并且接近或等于套管极限摩阻压力时为止。这时两者的排量之和就是合压时的最大极限排量。,18:00,136,施工泵压及水功率的确定,井口施工泵压 设井底破裂压力为PF,井口施工泵压为PP,管柱摩阻为Pf,孔眼摩阻为Pm,井筒液柱压力为PH。根据压开裂缝的条件,必须 PP≥PF+Pf+Pm-PH,18:00,137,施工泵压及水功率的确定,施工水功率 HP=16.55PPQ 式中: HP——井口施工水功率,kw; PP——施工泵压,MPa; Q——施工排量,m3/min,18:00,138,压裂车台数的确定,按功率计算 设压裂车的功率为Hη,机械效率为η,则所需压裂车台数为 压裂车数=,18:00,139,压裂车台数的确定,按排量计算 设压裂车单车排量为q,则所需压裂车台数为压裂车数=Q/q+(1~2),18:00,140,压裂液和支撑剂用量的确定,压裂液的选择基于一系列评价试验和工艺要求。支撑剂类型、粒径和用量及压裂液用量的确定基于优化设计计算。,18:00,141,(三)增产倍比预测,图版法公式法产能预测,18:00,142,增产倍比预测之 图版法,麦克奎尔和西科拉在认为裂缝双翼对称的条件下,采用电模拟方法,作出了裂缝导流能力、裂缝长度和增产倍数的对应关系曲线。,18:00,143,增产倍比预测之 图版法,18:00,144,增产倍比预测之 图版法,分析该图,我们可以得到三点启示:在闭合压力不太高的低渗地层,一般容易获得较高的相对导流能力,其值常大于0.4。因此压开较长的裂缝能够大大提高增产倍数,这就是当前对于低渗透油气层主要采用大型压裂造长缝的依据。对于闭合压力较大的高渗层,不易获得较高的相对导流能力,其值常小于104。这时要取得好的压裂效果,主要是靠提高裂缝的导流能力。,18:00,145,增产倍比预测之 图版法,对于实际油气田,属于这两种情况的都有。因此,在水力压裂设计中,应解决它们的主要矛盾。根据油气层的特性具体分析,全局考虑,以最优为准则,对特低渗地层的压裂,应当增大施工规模,造缝要长;对于高闭合压力的中高渗透地层,应着眼于提高裂缝导流能力,在这种情况下片面追求施工规模和缝长,既不经济又得不到好的压裂效果。,18:00,146,增产倍比预测之 公式法,图版公式:,式中:,18:00,147,增产倍比预测之 公式法,Lf<0.1Re时,,,,,,Re,L,,rw,,Rw,18:00,148,增产倍比预测之 公式法,压裂前后不存在污染时:,18:00,149,增产倍比预测之 公式法,压裂前后存在污染时:,18:00,150,产能预测简介,前述方法很少考虑实际油藏的诸多因素的影响,只能简单计算压后的增产倍比,无法预测压裂井在一段时间里生产动态的变化。用数值模拟方法研究压裂井产能动态,可以考虑地层、流体等诸多因素的影响,将压裂井与油藏结合起来,较好油藏压裂井的增产效果。,18:00,151,多层压裂技术暂堵剂分层压裂工艺孔眼堵塞球法压裂工艺限流法分层压裂技术填砂法压裂技术氮气压裂技术控缝高压裂技术端部脱砂压裂技术,第五节 压裂工艺,18:00,152,多层压裂技术A,大多数油气田都具有多产层。在多层的情况下,压裂成功率低的原因之一就是压裂液不能按需要进入目的层段,从而导致该压开的压不开,不应压开的反而压开了。因此,对于多层的情况应进行分层压裂。,18:00,153,多层压裂技术B,在工艺上,分层的方法很多,包括: — 使用封隔器的机械分层 —暂堵剂分层 —堵塞球分层 —限流分层 —填砂分层,18:00,154,氮气压裂技术,在某些特殊地层,例如压力低(20MPa以下)、渗透率小(以内)、孔隙度低(5%以下)、泥质含量高、含有天然裂缝的致密地层,不注支撑剂仅用氮气作为压裂液会得到很好的效果。氮气压裂前,一般常要借助于酸化手段清洗射孔孔眼,酸处理后,接着以小排量注氮气破裂地层,当施工压力稳定后,再提高排量以延伸扩展裂缝。,18:00,155,氮气压裂技术A,与普通压裂相比,氮气压裂具有许多优点:(1)没污染。氮气相对来讲具有可压缩性并且难溶解,所以对水敏性地层几乎没有污染。由于在氮气压裂中不需要使用降滤剂,所以也不会降低地层流体向井底的流动能力。此外,由于氮气的流动性好,因此可以有效地连通地层中的天然裂缝系统。,18:00,156,氮气压裂技术B,注入液体在地层中的停留时间越长,对地层造成的污染越严重,对于水敏性地层尤其如此。使用氮气压裂,不需要高成本的返排抽汲装置,氮气压裂实际上最大限度地消除了污染问题,一旦施工结束,注入气体即可马上排出。(2)成本低。氮气压裂与普通压裂相比成本要低得多,一次氮气压裂的费用大约是普通压裂的四分之一,有时一口井压裂后,几星期的生产利润即可抵消施工成本。,18:00,157,控缝高压裂技术A,水力压裂时,若裂缝向产层上、下无限制的延伸,进而造成压裂后产量低、递减快、增产有效期短,大大影响了增产增注效果。对于存在底水或气顶的油藏,裂缝高度无控制延伸,容易压穿气顶或含水层,造成大量出水出气。如果裂缝穿入产层上下的非油气层段,造缝长度相应地要减小,供油气流动的有效裂缝面积极为有限,同时大量的压裂液和支撑剂都消耗在产层以外的裂缝中。,18:00,158,控缝高压裂技术B,控缝高压裂技术就是通过上浮式和下沉式导向剂在裂缝的顶部和底部形成人工遮挡层,阻止裂缝中的压力向上下传播,继而达到控制裂缝在高度方向上进一步延伸的目的。,18:00,159,控缝高压裂技术C,18:00,160,端部脱砂压裂技术A,端部脱砂压裂的目的是达到超高导流能力以解决高渗透油气层的稀井高产、少投入多产出的经济优化开发问题,端部脱砂将使裂缝中的砂浓度面积浓度比常规提高3~4倍以上,导流能力由常规的数十μm2·cm提高到数百μm2 ·cm以上。形成超高导流能力除了提高缝中的砂浓度外,压开超宽裂缝也是主要技术关键。,18:00,161,18:00,162,端部脱砂压裂技术B,端部脱砂压裂技术要点: 从理论上讲,前置液应在施工结束时正好从裂缝中全部滤失完毕,携砂液恰好达到裂缝最前缘即裂缝端部,这时将在裂缝端部附近脱砂产生桥塞,裂缝中的净压力因此而急剧升高。这在常规施工中是力求避免的,但它正是端部脱砂压裂技术的理论依据。,
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