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压裂过程中多裂缝产生因素分析及处理措施

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压裂液处理 分段压裂 压裂技术 压裂作业
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第17卷第5期 断 块 油 气 田 010年9月 617 文章编号:1005—8907(2010)05—617裂过程中多裂缝产生因素分析及处理措施 钟安海 (胜利油田分公司采油1:艺研究院,山东东营257000) 摘 要 压裂过程存在多裂缝是近年来对压裂技术的新认识,多裂缝的存在~i-,响.而处理多裂缝是压裂改造技术的一个难点。从提高压裂成功率及压后效果的角度出发,分别分析了多裂缝的形成原 因及几何形态。研究了多裂缝的理论特性,在研究现场施工曲线的基础上归纳了多裂缝敏感性特征,最终从根本避免产生 多裂缝和减少多裂缝的负面影响两个方面提出了优化钻井方案、优化射孔井段、采用定向射孔、优化施工排量及增加液体 黏度等多种措施。同时笔者提出了处理多裂缝问题的艰巨性,需要进一步研究新工艺、新措施,为进一步认识、研究和处理 多裂缝提供了理论依据和技术支持。为复杂储层的压裂改造提供了参考。 关键词 多裂缝:压裂:裂缝形态 中图分类号: l 文献标志码:A of of 57000,t is a in he of ut it is a to of of of 13 on—of n to to to of of as of of t of ew to be in t a of of K D 用总结归纳、实验研究及理论 分析等多种手段证明了地层存在产生多裂缝的条件并 提出了压裂过程存在多裂缝的观点,并且随着研究的 进一步深人,目前压裂过程存在多裂缝的观点已被广 泛认可[21。伴随着泥灰岩、玄武岩、火山岩等复杂岩性 的开发及井身条件越来越复杂,压裂过程存在多裂缝 已成为压裂增产措施发展的较大障碍旧],因此,研究多 裂缝的成因及控制措施对压裂技术的发展有着积极的 意义 1多裂缝形成原因 产生多裂缝的机理比较复杂,研究证明.传统的岩 石的抗拉强度、断裂力学的破坏准则和则都不能对多裂缝进行较好的解释 .因此采用考 虑流固耦合的分形模型[s]对多裂缝进行分析。杨天鸿 等利用流固耦合的模型研究了裂缝的起裂和延伸规 律,研究发现当围岩应力比为1.5~1.0时产生多条裂 缝,这为多裂缝的产生提供了较好的解释。同时,国外 618 断 块 油 气 田 的J L 过大量实验证明多裂缝的成因 与天然微裂缝、井身方向、射孔等因素有关。因此多裂 缝产生的主要原因可归纳为地层应力因素、井身方向、 井段的长度、射孔数目及位置等。 根据多裂缝形成的原因[ ,其形态大致分为3类: 一种是裂缝在各个方向上发展的多裂缝:一种是垂直 或与主裂缝交叉的多裂缝;一种是裂缝平行于最大主 应力方向的多裂缝。 第1种多裂缝形成的原因主要是由于地层应力均 衡,地层的最大水平主应力与最小水平主应力相差不 大,即 一: 一1.0~1.5。当在井筒的各个方向上都有 射孔且同时受力时,地层在各个方向上均有产生裂缝 并且延伸的可能。当最先起裂的裂缝在延伸的过程中 遇阻,近井地带压力升高,由于在水平各个方向应力相 差不大,此时就有新裂缝产生。从而导致多条裂缝共同 发展(见图1)。 第2种多裂缝是由于地层非均质性强且本身存在 潜在的天然微裂缝,这些天然微小裂缝与近井水平最 大主应力相交或垂直,水力裂缝方向大致与水平最大 主应力一致,在水力裂缝开启后,可能横穿天然裂缝。 当缝内净压力足够大时,天然裂缝开启,裂缝存在沿天 然裂缝方向发展的趋势,当水力裂缝横穿多个微小裂 缝时就出现形态如图2的多裂缝。 图1 第1种多裂缝 图2第2种多裂缝 第3种多裂缝是在大斜度井压裂时,当井斜方向 和最大主应力方向垂直或斜交时,由于射孔较多,在垂 直于井斜的平面上地应力大小和方向都相同,每个孔 眼所在的位置都有裂缝产生的可能,此时往往会产生 平行的多条裂缝,并一起延伸(见图3)。 图3第3种多裂缝 2多裂缝特性理论 在忽略裂缝问相互干扰的情况下.根据美国压裂 专家缝的特性。 ,J=—— (1) 3= (2) 4v/ )+ (3) (—(4) 式中: 为缝长,m;I/)为平均缝宽,m;10 m· 为某一时间点缝高,m;为排量,m ·p 为缝内净压力,为 弹性模量,Pa·m ;△ s 为 隔层应力差,a·S; 为缝高,m。 1)多裂缝中每条裂缝分配到的流量较单一裂缝 要少。在总量一定的条件下,裂缝条数越多每条裂缝 分得的流量越少。 2)多裂缝中每条裂缝缝长较短,缝宽也较小。根 据式(1),流量与缝长成正比,因此缝长较短。根据式 (3)推知,由于缝长小而导致每条缝内净压力较小,再 根据式(2)、(4)得到每条裂缝的缝宽、缝高,其都比单 一裂缝要小。 3)整体缝内净压力较高。从整体上分析,单一缝 宽较小,但总的缝宽比单一裂缝要大, 由式(2)得出总净压力升高,这与文献相一致[ 。 因此,多裂缝与单一裂缝相比,具有缝多、缝短、缝窄 及缝内净压力高等特点。 3多裂缝的敏感性特征 由于多裂缝分布在地层内部,因此分析多裂缝敏 感性外在特征最实际的方法是研究施工数据。为直观 地分析井底压力.选用2次不坐封压裂施工进行研 究,施工曲线分别如图4、图6所示。从施工曲线可以 看出,2次施工都是低砂比进地层时出现砂堵,反应了 地层内裂缝狭窄:对图4施工进行压力降见图5),从图5可以看出曲线出现明显上凸,且有天 然裂缝开启闭合的特征,地层滤失量大;图4为在深 度1 600 工压力大于30 显高于同层段的压裂施工压力。 第17卷第5期 钟安海:压裂过程中多裂缝产生因素分析及处理措施 619 善 图4压裂施工曲线一 G(图5压裂施工曲线一压降工时间/s 图6压裂施工曲线二 结合施工分析和理论研究及 的研究成 果,归纳敏感性特征如下: 1)缝窄,施工加砂困难,易形成砂堵,往往低砂比 砂子进入地层时即出现突然性砂堵 2)由于多裂缝缝内净压力高,总的缝长、缝高不 容易控制,形成的滤失面较大,因此滤失量大,有天然裂缝开启的特征 3)由于多裂缝缝内净压力高而导致施工压力异 常高,比同区块、同深度的压裂井施工压力高出很多。 4)斜井压裂时出现多裂缝较多。在近几年胜利油 田被认定为产生多裂缝的井中,斜井占90%。 5)压后产能递减快。由于多裂缝多产生于近井地 带.远井地带改造程度低,导致压后产能递减较快。 4解决多裂缝的手段探讨 多裂缝的形态各异,形成原因诸多,在处理措施 上应从根本上避免产生多裂缝、已产生多裂缝尽可能 降低危害2个方向进行探讨。 1)从储层改造的角度出发,尽量避免产生多裂 缝,这就要求在钻井方案设计时尽量避免在压裂目的 层有较大的斜度。这是避免产生多裂缝的根本,在必 需在目的层造斜时应当让井斜方向与最大主应力方 向一致,可以避免产生图3所示的多裂缝。 2)对于大井段压裂,采用优化射孑段和定向射孔的措施,只射开部分井段,使裂缝从 一处起裂、延伸,避免多裂缝的形成;对于斜井,采用 定向射孑射孔方向与地层最大主应力方向一 致,使起裂方向与延伸方向一致。 3)采用前置小陶粒段塞工艺_8]。采用小陶粒段塞 来堵塞多裂缝,使先得到液体的部分小裂缝被堵死, 以促使剩余裂缝可以得到足够的液体,从而能达到裂 缝充分发育。进而保证施工成功并且达到较好地改造 储层的目的。 4)优化施工排量。在不开启新裂缝的前提下,尽 可能采用大排量增大缝内的净压力,进而增大裂缝的 尺寸,保障顺利加砂。 5)增加液体的黏度。采用高黏度的液体可以降低 滤失,增强携砂能力,保证施工成功。 5 结论 1)多裂缝的存在影响了压裂施工和压后产能,其 本质是多条裂缝同时存在于近井地带,缝窄、缝短,表 现在施工上是滤失量大,低砂比阶段就出现加砂困 难,施工压力高等问题。产生多裂缝的根本原因是地 层应力在不同方向上差异小、最大主应力方向与起裂 受力方向不匹配或者存在与主应力方向垂直的潜在 天然微裂缝。 2)解决多裂缝的根本是在钻井或射孔时考虑裂 缝的走向,使裂缝的起裂方向与地层的最大主应力方 向一致;其次,采用小陶粒前置段塞技术、优化排量技 术、高黏度液体技术也能大幅度减少多裂缝带来的危 害,但不能从根本解决多裂缝的存在。因此,新的工 艺、措施尚待进一步探讨。 断 块 油 气 田 2 考 文 献 [1] D, W, T.a ].6441,1996. [2], A,,et of ].4772,2000. [3]罗天雨.水力压裂多裂缝基础理论研究[D] 成都:西南石油大学, 2006:1he on of in in ].006:1[4] 曲展.岩层水力压裂的非线性动力学分析[D].西安:西安交通大 学.2000:3n by ].Xi i 2000:3[5]杨天鸿,唐春安,徐涛,等.岩石破裂过程中的渗流特性:理论、模型 与应用[M].北京:科学出版社,2004:13—27. u he …~~ 一……一一一一一… [6] [7] [8] 印of ]. 004:13—27. 罗天雨,赵金洲,王嘉淮,等.复杂裂缝产生机理研究【J].断块油气 田,2008,15(3):46—48. et of in ].008,15(3):46—48. , ,.of ]. 7406,1997. 罗天雨,王嘉淮,赵金洲,等.多裂缝防治措施研究[J].断块油气 田,2006,13(6):40—42. et on of ].006,13(6):40—42. 收稿日期:2009—12—18;改回日期:2010—07—12。 作者简介:钟安海,男,1976年生,工程师,硕士,2004年毕业于石 油大学(北京),一直从事压裂酸化研究工作。63.(编辑滕春鸣) 欢迎订阅201 1年《油气地质与采收率》 《油气地质与采收率》是经新闻出版总署批准,由中国石油化工集团公司主管,胜利油田分公司主办,面向国内外公开发行的国 家级石油类技术期刊。中国标准连续出版物号:359/际标准连续出版物号:603。该刊为山东省优秀期刊、华 东地区优秀期刊、中国石油和化~45-&4国石化集团公司核心科技期刊、中文核心期刊和中国科技论文统计源期刊(中国 科技核心期刊)。 《油气地质与采收率》以讨论“油气勘探开发新理论、新方法”和“提高油气采收率技术”为主题,报道内容涵盖了油田勘探开发主 业的各个专业。设有“油气地质”、“勘探技术”、“油气藏工程”、“油气采收率”、“油气钻采工程”、“油气藏经营管理”、“专家论坛”等栏 目。 《油气地质与采收率》为双月刊,大16开本,110页,逢单月25日出版,每期定价25元,全年150元。欢迎广大读者直接从本期刊 社订阅。在校学生半价优惠。 订刊汇款方式 1.邮局汇款:山东省东营市聊城路3号期刊社 邮编:257015 联系人:左萍 订刊电话:(0546)871524O 传真:(0546)8715261 电子邮件:63..银行汇款:中国石化股份胜利油田分公司地质科学研究院 开户行:工商行东营区支行 帐号:1 615002109022100494

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