石油工程畢業(yè)論文-壓裂井返排優(yōu)化設(shè)計研究

1、<p>　　中國石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠程教育</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）</p><p>　　壓裂井返排優(yōu)化設(shè)計研究</p><p>　　姓 名：12212</p><p>　　學(xué) 號：2121232</p><p>　　性 別：212</p><p>

2、;　　專 業(yè): 石油工程</p><p>　　批 次：2121212</p><p>　　學(xué)習(xí)中心：2121212</p><p>　　指導(dǎo)教師：121212</p><p>　　2017年3月30日</p><p>　　壓裂井返排優(yōu)化設(shè)計研究</p><p><b>　　

3、摘要</b></p><p>　　加砂壓裂是低滲油氣藏開發(fā)評價和增儲上產(chǎn)必不可少的技術(shù)措施，然而經(jīng)過大量的現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，如果壓裂后油井排液控制不當(dāng)或生產(chǎn)過程中配產(chǎn)不合理，將導(dǎo)致支撐劑回流或出砂，引起氣井產(chǎn)能嚴重下降，從而影響最終的壓裂效果。本文分析了支撐劑回流機理，建立了壓裂液返排過程中臨界返排流量、支撐劑返排速度和沉降速度計算模型，提出了控制支撐劑回流的放噴油嘴選擇原則。在考慮氣井生產(chǎn)過程中既要返排

4、注入地層中的壓裂液，同時又不將地層砂(包括支撐劑)帶入井筒的前提下，推導(dǎo)出了壓裂油井的臨界產(chǎn)量計算公式。結(jié)合實際的壓裂施工資料進行了實例計算分析，為指導(dǎo)壓裂液返排和確定氣井合理產(chǎn)能提供依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：油井壓裂；支撐劑回流；壓裂液返排；出砂；臨界產(chǎn)量</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　S

5、and fracturing is the necessary technical measures to the development evaluation and the reserves-increasing and output-increasing of low-permeability oil reservoirs。But a lot of field constructions show that，the imprope

6、r flowing-back control and the irrational allocation of fractured oil wells will lead to the back flow of porppant and the sanding of reservoir，and then cause the reduction of the productivity of fractured oil wells。Base

7、d on the analysis of the mechanism of the proppant backflo</p><p>　　Key words:oil well；fracturing；backflow of proppant；flowing back of fracturing fluid；sanding；critical output目錄</p><p><b>

8、;　　摘要i</b></p><p><b>　　第一章 前言1</b></p><p>　　1.1 研究的目的與意義1</p><p>　　1.2 研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 支撐劑及支撐劑防砂現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 壓裂液返排研究現(xiàn)狀5

9、</p><p>　　1.3 支撐劑回流研究現(xiàn)狀6</p><p>　　第二章 壓裂油井支撐劑回流及出砂控制模型的建立9</p><p>　　2.1 臨界流量的建立9</p><p>　　2.2 支撐劑的回流速度9</p><p>　　2.3 放噴油嘴選擇10</p><p>　　2

10、.4 控制壓裂油井出砂的合理產(chǎn)量10</p><p>　　第三章 計算機程序編制及模型的應(yīng)用14</p><p>　　3.1 計算機程序的編制14</p><p>　　3.2 壓裂液返排過程中支撐劑回流模型應(yīng)用18</p><p>　　3.3 壓裂油井生產(chǎn)過程中出砂控制模型應(yīng)用23</p><p>　　第四

11、章 總結(jié)26</p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p>　　1.1 研究的目的與意義</p><p>　　加砂壓裂是低滲油氣藏開發(fā)評價和增儲上產(chǎn)必不可少的技術(shù)措施，而油井壓后的壓裂液返排是水力壓裂作業(yè)的重要環(huán)節(jié)。因為即

12、使水力壓裂的設(shè)計和施工做得再好，如果在壓后返排方式上做得不夠理想，也很難充分發(fā)揮油井的潛在產(chǎn)能。由于返排這一過程是在裂縫閉合期間進行的，因而適當(dāng)?shù)姆蹬懦绦蚝头蹬潘俣仁潜３至芽p導(dǎo)流能力的關(guān)鍵，油井壓后的產(chǎn)能在很大程度上取決于該導(dǎo)流能力。</p><p>　　壓裂施工后合適的返排，就是使最少的支撐劑流出，保持裂縫較高的導(dǎo)流能力，同時又流出最大量的注入液體，提高壓裂液的返排效率。但是，由于對壓后關(guān)井期間或返排過程中的裂

13、縫閉合情況、支撐劑運移情況、壓裂液的濾失變化情況不能很好地把握，所以對返排流量的控制顯得無據(jù)可依。</p><p>　　當(dāng)開始返排時，返排速度十分關(guān)鍵。如果排液速度過快，高速流動的壓裂液沖刷近井筒地帶的砂拱，引起支撐劑充填失效，導(dǎo)致支撐劑回流，從而導(dǎo)致人工裂縫的支撐狀況變差，導(dǎo)流能力下降，影響油井產(chǎn)量，或?qū)е戮壮辽岸逊e掩埋油層，或出砂侵蝕地面油嘴和閥門，影響采油工作的正常進行；如果排液速度過慢，壓裂液攜帶支撐劑

14、濾失進生產(chǎn)層中，壓裂液殘渣造成地層有效滲透率的降低，對儲層造成二次傷害，并且壓裂液不及時返排的話，產(chǎn)層中的氣體進入到裂縫中，引起氣液兩相流，地層壓降遞減，地層能力損耗，從而影響壓裂液的最終返排效率。</p><p>　　存在這些問題的重要原因是在壓裂液的返排控制過程中大多采用經(jīng)驗方法，缺少可靠的理論依據(jù)。因此，對返排過程進行合理優(yōu)化，使之有據(jù)可依，合理控制壓裂液的返排速度，合理控制壓裂液的返排過程，就顯得尤為必要

15、。</p><p><b>　　1.2 研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　1.2.1 支撐劑及支撐劑防砂現(xiàn)狀</p><p>　　水力壓裂從20世紀40年代末開始以來，其支撐劑經(jīng)歷了六十年的發(fā)展，所用的支撐劑大致可分為天然的和人造的兩大類，前者以石英砂為代表，后者主要為電解、燒結(jié)陶粒。50-60年代曾經(jīng)使用的金屬鋁球、塑料球、核桃殼和玻璃球

16、等支撐劑由于自身存在的缺點已被淘汰。石英砂在60年代后開始在現(xiàn)場應(yīng)用，90年代以后仍在淺井、中深井中廣泛應(yīng)用。但隨著深層致密油氣層的開發(fā)，油氣層閉合壓力增加到一定值，石英砂已不能適應(yīng)這種地層水力壓裂的要求，而研制了高強度的人造陶粒支撐劑[1]。</p><p>　　首先介紹一下天然石英砂。石英砂是一種分布廣、硬度大的天然的穩(wěn)定性礦物，其主要化學(xué)成分為二氧化硅，主要產(chǎn)于沙漠、河灘和沿海地帶，礦物組分以石英為主，石英

17、含量一般在80%左右，國外優(yōu)質(zhì)石英砂中石英含量可達98%以上。石英顆粒相對密度約在2.65左右，體積密度約在1.75g/ cm3。對于低閉合壓力的儲層，使用石英砂作為壓裂用支撐劑取得了一定在增產(chǎn)效果。石英砂的相對密度較，便于施工泵送，且價格便宜，因而在淺井中至今仍被大量使用。但是石英砂具有以下缺點：</p><p>　　(1)石英砂強度較低，開始破碎的壓力約為20MPa，不適合在于中高閉合壓力的壓裂層中使用。&l

18、t;/p><p>　　(2)石英砂圓球度較差，表面光潔度較低，對支撐裂縫滲透率有不利影響。</p><p>　　(3)石英砂的抗壓強度低，破碎后將大大降低裂縫的導(dǎo)流能力；圓球度、表面光潔度較低，加之受嵌入、微粒運移、堵塞、壓裂液傷害（濾餅和殘渣）及非達西流動、時間等因素的影響，其導(dǎo)流能力可降低到1/10或更低一些。</p><p>　　因此石英砂僅適用于淺井、低閉合壓力

19、油氣層的水力壓裂。</p><p>　　我們通過對石英砂改造就形成了樹脂包層砂。預(yù)固化樹脂包層砂是近10余年來發(fā)展起來的，針對天然石英砂抗壓強度低、導(dǎo)流能力差而研制的支撐劑，采用特殊工藝將改性苯酚甲醛樹脂包裹到石英砂的表面上，并經(jīng)熱固處理制成，一般它的顆粒密度為2.55，比石英砂略輕。由于在砂子表面包裹了一層高強度樹脂，使閉合壓力分布在較大的樹脂層的面積上，減少了點負荷，這樣即使壓碎了包層內(nèi)的砂子，外邊的樹脂層仍

20、可以將碎塊、微粒包裹在一起，防止它們運移或堵塞支撐劑帶的孔隙，使裂縫保持有較高的導(dǎo)流能力。</p><p>　　適用于深層低滲透油氣藏的支撐劑應(yīng)該是人造陶粒支撐劑。對于深層低滲透油氣藏，油氣層埋藏較深，地層閉合壓力高，溫度也較高，石英砂不能適應(yīng)該條件下水力壓裂的需要。目前深層低滲透油氣藏主要使用的支撐劑是人造陶粒支撐劑，陶粒從生產(chǎn)工藝上分為電解和燒結(jié)兩種，其主要物料是鋁磯土。陶粒具有很高的強度，尤其是在高閉合壓力

21、下仍具有非常高的導(dǎo)流能力。隨閉合壓力的增加或承壓時間的延長，陶粒的破碎率要比石英砂低的多，導(dǎo)流能力的遞減率也要慢得多。鹽水中陳化240 h后抗壓強度不變。因此對于任一深度任一儲層來說，使用陶粒支撐水力裂縫都會獲得較高的初產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)量與更長的有效期。</p><p>　　水力壓裂后的支撐劑回流一直是困擾油氣采輸?shù)碾y題之一，有的施工井支撐劑回流量高達注入總量的20% 。70年代末，樹脂涂層(包膠)支撐劑投入應(yīng)用并獲成

22、功后，這種支撐劑控制回流技術(shù)受到廣泛重視，發(fā)展迅速。80年代相繼開發(fā)出可固化、預(yù)固化和雙涂層支撐劑及現(xiàn)場包膠注入技術(shù)。進入90年代后，包膠支撐劑已能在保持102um3滲透率的同時，抗壓強度達62MPa。同時，現(xiàn)場上也應(yīng)用了一些新支撐劑回流控制方法，收到了良好效果。下面介紹一下控制支撐劑回流的新技術(shù)[2]。</p><p>　　樹脂涂層防砂技術(shù)：樹脂涂層支撐劑(RCP)是在普通的石英砂表面均勻地涂覆一層樹脂而制成的

23、防砂材料。這種材料呈松散狀，在常溫常壓下穩(wěn)定，不發(fā)生粘連。樹脂涂層支撐劑用于油氣田井下作業(yè)始于20世紀 70年代中期。這種防砂技術(shù)就是利用砂粒表面包復(fù)的樹脂在地層溫度、壓力下發(fā)生固化反應(yīng)，使涂層砂固結(jié)而形成具有中等強度的可滲濾的人工井壁，成為可阻擋地層砂進入井筒的防砂屏障。由于樹脂涂層支撐劑具有以下優(yōu)點： </p><p>　　(1)抗破碎能力比較好；</p><p>　　(2)可防止支撐

24、劑吐出及嵌入地層；</p><p>　　(3)防止細粉運移，因而能保持裂縫有較好的滲透率。</p><p>　　但樹脂涂層支撐劑能與壓裂液的部分添加劑(如pH值調(diào)節(jié)劑、交聯(lián)劑和破膠劑等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響支撐劑在裂縫中的堆積，并且 RCP的固化需要較長的關(guān)井時間，增加了施工時間及費用。另外，樹脂涂層支撐劑不能在溫度大于200 ℃時使用，并且在溫度低于50 ℃時需要催化劑以促使包膠樹脂固

25、化。所以樹脂涂層支撐劑的應(yīng)用受到了一定的限制，要使用RCP必須進行合理的選井選層。</p><p>　　纖維防砂技術(shù)：利用纖維形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以允許流體自由通過而不影響土壤微粒性質(zhì)的特點，所以纖維早期用于固定土壤以防止因洪水、塌方和土壤侵蝕引起的自然災(zāi)害。根據(jù)纖維的這一原理 ，我們可以把纖維用來防止支撐劑的回流。纖維材料通過在裂縫中構(gòu)成一種類似網(wǎng)狀的互繞結(jié)構(gòu)，固定住支撐劑、增加支撐劑充填層的穩(wěn)定性 ，但不影響液體

26、的自由流動。由于它采用的是物理穩(wěn)固機理、而非復(fù)雜的化學(xué)固化反應(yīng)，與壓裂液及交聯(lián)劑、破膠劑等添加劑的配伍性好 ，它受地層溫度、裂縫閉合壓力和關(guān)井時間的影響較小，應(yīng)用范圍廣。作業(yè)者有較強的靈活性來選擇排液程序，最大限度增加油井產(chǎn)能、降低排液費用。</p><p>　　熱塑性薄膜防砂技術(shù)：熱塑性薄膜(TFS)與支撐劑一起泵入井底進入裂縫后，這種薄片和支撐劑在裂縫中相互粘結(jié)，形成無數(shù)固結(jié)團，限制了支撐劑的自由運動，使新壓

27、開的裂縫保持張開狀態(tài)并防止支撐劑回流。低溫下(小于115℃)，熱塑性薄膜有較高的摩阻表面，可減緩支撐劑在生產(chǎn)管線內(nèi)的滾動；高溫下，熱塑性薄膜通過粘接、收縮作用固定支撐劑。隨著溫度的升高，薄膜的表面將變得粘稠，它就會把支撐劑粘附在表面形成小的支撐劑團。如果溫度進一步提高，薄膜會發(fā)生收縮形成更緊密和更牢固的固結(jié)團。這些固結(jié)團比單個支撐劑微粒曲線度高，更利于橋連在一起，形成較大的空間，減小了破膠液在支撐劑充填層中回流時的流動阻力，從而有利于減

28、少支撐劑的回流。</p><p>　　可變形支撐劑防砂技術(shù)：幾年前，一種可變形支撐劑(DIP)防砂技術(shù)被用來控制支撐劑回流。這些可變形的支撐劑是由樹脂和惰性填充物包裹在一起而形成的。它們具有相似的形狀和網(wǎng)格分布。更重要的是，在這些微粒被泵送到井底后，在一定地應(yīng)力下是可以變形的。當(dāng)DIP 均勻地與普通壓裂用支撐劑混合后，在一定閉合壓力下，由于變形在這種支撐劑的表面會形成一些小的窩或凹陷處。這些窩或凹陷處有助于穩(wěn)定和

29、鎖住周圍的支撐劑。這種綜合效應(yīng)將增強整個支撐劑填充層抗流動和壓力的能力。由于這種支撐劑的內(nèi)核具有較好的柔韌性并具有較大的外涂層，所以具有較好的抗腐蝕能力，并且在混和、泵送的過程中和在較高的地應(yīng)力下不易被破壞。</p><p>　　水力加砂壓裂已成為油氣田增產(chǎn)的一種重要措施 ，但是壓后支撐劑的回流給生產(chǎn)帶來了嚴重影響，帶到地面的支撐劑可能損壞地面測試設(shè)備，增加作業(yè)費用，降低水力壓裂作業(yè)的改造效果。支撐劑的回流主要有

30、兩種情況：一是在壓裂施工結(jié)束后，隨壓裂液返排的回流；二是在生產(chǎn)過程中支撐劑的回流，其影響主要體現(xiàn)在：直接導(dǎo)致支撐裂縫的導(dǎo)流能力降低，進而影響油井生產(chǎn)；回流的支撐劑會造成設(shè)備破壞(如加快泵、套管、管線等的磨損)；以及回流支撐劑在井眼沉降，造成堵塞。因此，有效地預(yù)測、預(yù)防以及控制回流尤為重要[3]。</p><p>　　目前，國內(nèi)外支撐劑回流控制技術(shù)在不斷的完善和進步。它們的防止支撐劑回流的機理不盡相同，但它們都可以

31、有效的防止支撐劑和出砂，當(dāng)然不同的防砂方法有不同的適用范圍。</p><p>　　1.2.2 壓裂液返排研究現(xiàn)狀</p><p>　　近十多年來，國外學(xué)者在壓后壓裂液返排問題上形成了多種認識，其中有代表性的觀點主要有小排量返排、強化返排和反向脫砂三種[4]。</p><p>　　1988年，Robinson[5] 等人討論了采用小油嘴排液以減小裂縫閉合應(yīng)力的優(yōu)點，提

32、出了“小排量早期返排”的觀點。實際上，“小排量早期返排”是一種有控制的返排。Robinson等人所做的研究突出了裂縫閉合應(yīng)力對支撐劑破碎以及裂縫閉合時間對支撐劑沉降的影響。他們認為低滲透儲層壓裂后通常需要較長的閉合時間，在此之前壓裂液己完全破膠，支撐劑已大量沉降，排液初期通過控制返排速度的辦法，盡可能減小地層閉合應(yīng)力，讓支撐劑留在裂縫內(nèi)，從而減少支撐劑的破碎和回流。</p><p>　　1990年，與Robins

33、on等人相反的Ely[6]等人提出用強制裂縫閉合工藝，配以較高的支撐劑濃度和嚴格的壓裂液質(zhì)量控制措施，能極大地改善低滲透油井支撐裂縫的導(dǎo)流能力。Ely等人推薦的排液做法是在頂替壓裂液的30秒內(nèi)完成裂縫的閉合，當(dāng)從地面壓力檢測到近井筒地帶裂縫己經(jīng)閉合后，以小于38-57L/min的速度返排30分鐘，然后放大返排量至 160～320L/min，只要不發(fā)生支撐劑回流。這種“強制裂縫閉合”實際上是一種強化返排方式。強化返排減少了壓裂液在地層中的

34、停留時間，從而減少了液體傷害，有助于改善裂縫的導(dǎo)流能力。這種返排程序非常適合特低滲地層，能極大地改善低滲透油井的返排效果。</p><p>　　1995年，Barree和Mukherjee[7]使用全三維裂縫幾何模擬器，系統(tǒng)研究了裂縫閉合期間支撐劑的沉降規(guī)律，討論了返排速度、射孔段位置、最終鋪砂濃度、裂縫幾何形態(tài)對保持閉合后裂縫內(nèi)鋪砂濃度的影響，提出了“反向脫砂”工藝。這種工藝實際上是一種快速返排加井筒脫砂的方式

35、。它有三大好處：一是減輕了壓裂液對地層的傷害；二是井筒脫砂顯著改善了支撐劑在近井筒帶的充填，提高了裂縫的導(dǎo)流能力；三是快速返排使得支撐劑還沒有大量沉降到裂縫端部前，裂縫己經(jīng)閉合，從而形成較長的支撐裂縫。</p><p>　　1.3 支撐劑回流研究現(xiàn)狀</p><p>　　支撐劑回流現(xiàn)象是近幾年來研究的一個熱門問題，到目前為止，針對支撐劑回流的研究主要是以物理模型實驗為主。限于設(shè)備的原因，國

36、內(nèi)尚未見這一方面的研制和應(yīng)用的詳細報道。國外的研究人員已經(jīng)進行了大量的物模實驗來研究支撐劑的回流現(xiàn)象。常見的實驗?zāi)Ｐ陀腥缦聨追N：</p><p>　　(1)圓管—射孔模型[8]</p><p>　　這種模型主要是研究射孔附近沒有側(cè)限應(yīng)力時，支撐劑發(fā)生回流的臨界流速。實驗時，不銹鋼管中先充填支撐劑，然后用實驗流體使其飽和。實驗開始后，慢慢增加流體流速，直到發(fā)現(xiàn)裝置末端的集砂器中出現(xiàn)支撐劑為止

37、。這種實驗方法較為簡單，不能模擬縫寬變化和閉合壓力變化對臨界流速的影響。</p><p>　　(2)狹槽模型[9]</p><p>　　這種模型主要是研究不同支撐劑顆粒尺寸、裂縫寬度和地層閉合壓力條件下的臨界流速。裝置右端的多個入口處，可以模擬裂縫中的線性流，左端的三個孔眼可以模擬裂縫向井筒的流動。實驗過程中，先將狹槽調(diào)到一定寬度，再將支撐劑和水的混砂漿從左端孔眼泵入狹槽中充填裂縫，然后利

38、用水力錨給支撐劑充填層施加一定的閉合壓力。返排模擬開始，從右端入口處逐漸增加泵入速度，直到發(fā)現(xiàn)有支撐劑產(chǎn)出。</p><p>　　(3) API線性流動巖芯夾持器</p><p>　　該裝置主要用來觀察和測量支撐劑充填帶在不同應(yīng)力條件下的支撐劑回流現(xiàn)象。該實驗可以模擬裂縫中的閉合壓力和地層中的溫度，并可以得到不同流速和支撐縫寬時支撐劑發(fā)生回流的臨界點。</p><p&g

39、t;　　研究人員對造成支撐劑充填層松動并導(dǎo)致支撐劑回流的主要原因的解釋有如下三種觀點：</p><p>　　Gidley[10]等人認為，支撐劑充填層的失穩(wěn)主要是因為充填層以外的自由砂對其不斷侵蝕而造成的。隨著縫中流體流速的增加，這種侵蝕現(xiàn)象就越嚴重。</p><p>　　Sparlin[11]等人認為，由于支撐劑的沉降，支撐劑充填層的頂部及其內(nèi)部很容易形成不規(guī)則的小通道，如果縫中流體的流

40、速過大，小通道周圍的支撐劑顆粒就會流化，從而使小通道在支撐劑充填層中迅速擴展，導(dǎo)致大量的支撐劑回流。</p><p>　　Bratli[12]等人提出，支撐劑充填層在靠近射孔區(qū)域有可能形成多為半球狀的砂拱，砂拱形成的不完善或遭到破壞則直接導(dǎo)致支撐劑充填層的松動和支撐劑的回流。并且他們認為，砂拱的失效有可能是由于砂拱受到過大的來自流體的剪切應(yīng)力以及法向閉合應(yīng)力在支撐劑充填層中所誘發(fā)的徑向擠壓力而造成的。</p

41、><p>　　在對支撐劑充填層穩(wěn)定性的實驗研究中，研究人員提出了兩個臨界參數(shù)來評估支撐劑充填層的穩(wěn)定性：臨界返排流量和裂縫寬度與支撐劑顆粒直徑的臨界比。</p><p>　　Romero和Feraud[13]通過考察支撐劑顆粒從支撐劑充填層被侵蝕的情況來確定臨界返排流量。</p><p>　　Sparlin和Hagen[11]根據(jù)最小流化速度來量化臨界返排流量，建議支撐

42、劑回流的臨界流量為2.65L/min。</p><p>　　Nava Goelld[9]等人對臨界返排流量做了進一步的研究。他們主要通過觀察砂拱的失穩(wěn)來確定臨界返排流量，并考慮不同的實驗條件，諸如不同的支撐劑粒徑、裂縫寬度和閉合壓力等，對臨界返排流量的影響。</p><p>　　除了研究臨界返排流量外，一些學(xué)者還研究了支撐劑充填層穩(wěn)定時的縫寬與支撐劑直徑的臨界比。</p>&

43、lt;p>　　Milton和Tayler[14]等人在他們的實驗中觀測到，當(dāng)縫寬與支撐劑粒徑的比值小于6時，支撐劑充填層是穩(wěn)定的。</p><p>　　Naval Goel[9]等人則在實驗中觀測到，隨著縫寬與支撐劑粒徑的比值從3.2增加到16.0，臨界返排流量是減少的。對于相同的縫寬與支撐劑粒徑的比值，在閉合壓力為0Mpa時的臨界流量遠比閉合壓力為6.89Mpa時所對應(yīng)的臨界返排流量大。</p>

44、;<p>　　目前，對支撐劑充填層穩(wěn)定性所進行的數(shù)值模擬研究很少，基本還出于嘗試階段。</p><p>　　Asgian[15]等人采用Cundall等人發(fā)展的離散單元法模擬了支撐劑充填層中顆粒的受力運動 。</p><p>　　Mark Parke[8]等人采用King和Biezen提出的隨機方法，并結(jié)合Darcy方程建立了隨機模型去預(yù)測支撐劑的回流。</p>

45、<p>　　明尼蘇達大學(xué)利用邊界元方法開發(fā)了Trubal軟件來模擬支撐劑的回流[16]。</p><p>　　但這些研究成果均未有詳細的理論介紹和報道。</p><p>　　就在國外的支撐劑回流控制技術(shù)不斷完善和進步的同時，國內(nèi)卻尚未見這一方面的研制和應(yīng)用的詳細報道。四川石油管理局井下作業(yè)處曾在8o年代末試圖開題研究，但因技術(shù)難度較大而擱淺。</p><p&

46、gt;　　第二章 壓裂油井支撐劑回流及出砂控制模型的建立</p><p>　　通過分析支撐劑回流機理，來建立壓裂液返排過程中臨界返排流量、支撐劑返排速度和沉降速度計算模型、提出控制支撐劑回流的放噴油嘴選擇原則。在考慮油井生產(chǎn)過程中既要返排注入地層中的壓裂液，同時又不將地層砂(包括支撐劑)帶入井筒的前提下，推導(dǎo)壓裂氣井的臨界產(chǎn)量計算公式，為指導(dǎo)壓裂液返排和確定油井合理產(chǎn)能提供依據(jù)。</p><

47、p>　　2.1 臨界流量的建立</p><p>　　以縫口單顆粒支撐劑為研究對象，得出支撐劑發(fā)生回流的臨界流速為</p><p>　　（2-1） </p><p>　　式中，ulc—臨界返排流速，m/s；dp—支撐劑顆粒直徑，m；ρs— 支撐劑顆粒密度，kg/ m3；ρ—攜帶介質(zhì)密度，kg/ m3。</p><p>　

48、　臨界流速還受返排壓裂液黏度、裂縫閉合壓力和裂縫寬度的影響，對臨界流速修正為</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　則防止支撐劑回流返排量為的臨界 </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，α —放大系數(shù)，一般在1。0~1。2之間取值

49、；D—井筒直徑，m；</p><p>　　Qlc—臨界返排流量，m3/min。</p><p>　　2.2 支撐劑的回流速度</p><p>　　當(dāng)實際的返排流量大于臨界返排流量時，就會發(fā)生支撐劑回流。單個支撐劑顆粒在返排流體攜帶力、阻力和重力作用下的回流速度為</p><p>　?。?-4） </p><

50、;p>　　式中，ul—攜帶介質(zhì)流速，m/s； t—時間，S；Cd—阻力系數(shù)。</p><p>　　考慮到停泵時刻壓裂液黏度和流動狀態(tài)的影響，結(jié)合諾沃特尼阻力系數(shù)計算公式，可得不同流動條件下支撐劑顆粒的回流速度</p><p><b>　　（2-5） </b></p><p>　　2.3 放噴油嘴選擇</p><p

51、>　　在油井壓后強制返排過程中，可能會有很少一部分支撐劑回流到地面。 排液過程中的支撐劑回流量由支撐劑回流速度和排液時間確定。 為防止在壓裂液返排過程中出現(xiàn)大量支撐劑回流，要把支撐劑的臨界返排流量作為一個重要的參考依據(jù)，控制支撐劑返排。在前面建立模型基礎(chǔ)上還必須結(jié)合井筒內(nèi)的流動進行計算。但需要說明的是，隨著返排的進行，井口壓力是隨時間降低的，所以，油嘴尺寸的優(yōu)化過程是動態(tài)的[17]。</p><p>　　2

52、.4 控制壓裂油井出砂的合理產(chǎn)量</p><p>　　對于壓裂油井，臨界產(chǎn)量確定主要考慮了以下因素： </p><p>　　（1）油井在生產(chǎn)過程中要能返排注入地層中的壓裂液； </p><p>　?。?）油井生產(chǎn)過程中，不能將壓裂裂縫中的支撐劑帶入井筒，否則壓裂裂縫就會閉合； </p><p>　?。?）要考慮在一定的生產(chǎn)壓差范圍內(nèi)生產(chǎn)；&l

53、t;/p><p>　?。?）考慮一定的穩(wěn)定期。</p><p>　　根據(jù)低滲壓裂油井臨界產(chǎn)量的確定原則，即可得到油井生產(chǎn)的臨界產(chǎn)量必須存在關(guān)系</p><p>　　（2-6） </p><p>　?。?-7） </p><p>　?。?-8） </p><p>

54、;　　油井?dāng)y液產(chǎn)量的計算公式為</p><p>　?。?-9） </p><p>　　式中，A—油管截面面積， m3；p—井口壓力，MPa；σ—油液表面張力， N/m；ρl—液體密度，kg/ m3；ρo—原油密度，kg/ m3。</p><p>　　假設(shè)油井壓裂中加入的砂粒都是球形的，且砂粒的堆積方式如圖 2-1 所示。</p>&

55、lt;p>　　圖2-1 裂縫中支撐劑的堆積方式及受力分析示意圖</p><p>　　這里主要以砂粒A作為研究的對象，砂粒A受到氣流的沖擊力和自身重力，以及B 砂粒和 C砂粒支撐力的作用，以E點作為研究點，那么，要使砂粒A 滾動，必定有</p><p>　　（2-10） </p><p>　　式中，F(xiàn)—油流的沖擊力；</p><

56、;p>　　L—沖擊力F到E點的垂直距離；G—砂粒的重力；H—重力G到E點的垂直距離。</p><p>　　其中，沖擊力F可由 （2-11）</p><p>　　計算，若砂粒半徑rd為則</p><p>　?。?-12） </p><p>　?。?-13） </p&g

57、t;<p>　　將式（2-11），式（2-12）和式（2-13）代入式（2-10）中，得</p><p>　?。?-14） </p><p>　　式中，rd—砂粒的半徑，m；ρc—支撐劑的密度，kg/ m3。</p><p>　　假設(shè)壓裂裂縫的寬度為wf，裂縫的縫高為h，砂粒的面孔率k。根據(jù)裂縫中的流動特性可知，只要井壁處的砂粒不被沖出，那

58、么，整個裂縫中的砂粒就不會被沖出。為此，在考慮流量時，以井壁處裂縫的流速為準，并假設(shè)所有液體都是通過裂縫流入井筒的。這樣，油井的日產(chǎn)量為</p><p>　?。?-15） </p><p>　　由此可知，只要油井生產(chǎn)的產(chǎn)量小于qoc，那么，該油井就不會破壞裂縫中的支撐砂粒，使裂縫保持長期的有效性。</p><p>　　將式（2-14）代入式（2-15）中得

59、</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　第三章 計算機程序編制及模型的應(yīng)用</p><p>　　3.1 計算機程序的編制</p><p>　　程序包括五部分：臨界流量計算、回流速度計算、沉降速度計算、攜液產(chǎn)量計算、最大產(chǎn)量計算。通過這些程序可以得到控制支撐劑回流的最佳返排速度和最大產(chǎn)量。

60、</p><p>　　圖3-1 計算機程序應(yīng)用示意圖</p><p>　?。?）壓裂液臨界流量計算</p><p>　　該程序是根據(jù)臨界流量模型中式（2-3）編制的。它所涉及的參數(shù)有支撐劑顆粒直徑、支撐劑顆粒密度、攜帶介質(zhì)密度、井筒直徑以及放大系數(shù)，通過計算可以得到控制支撐劑回流的臨界流量。</p><p>　　圖3-2 臨界流量計算機程序計

61、算示意圖</p><p>　?。?）支撐劑回流速度計算</p><p>　　該程序是根據(jù)支撐劑回流速度模型中式（2-5）編制而成的。它所涉及是參數(shù)有攜帶介質(zhì)關(guān)于時間的導(dǎo)數(shù)、支撐劑粒徑、支撐劑密度、攜帶介質(zhì)密度、攜帶介質(zhì)黏度以及雷諾數(shù)。該程序可以計算得到當(dāng)攜帶介質(zhì)流速大于防止支撐劑回流的臨界流速時的支撐劑回流速度。</p><p>　　圖3-3 支撐劑回流速度計算機程

62、序示意圖</p><p>　?。?）支撐劑沉降速度計算</p><p>　　該程序是考慮顆粒間的相互干擾和裂縫壁面效應(yīng)，支撐劑在冪律流體中得到的沉降速度編制而成的。關(guān)于它的參數(shù)有壓裂液流態(tài)指數(shù)、稠度系數(shù)、混砂比、支撐劑體積、支撐劑體積密度、停泵時刻裂縫體積等，由于該模型所涉及的部分參數(shù)在現(xiàn)場操作中不容易得到，所以程序應(yīng)用中沒有計算支撐劑的沉降速度，但是不能否認該計算程序是防止支撐劑回流的的

63、重要研究部分。</p><p>　　（4）油井?dāng)y液產(chǎn)量計算</p><p>　　該程序是根據(jù)控制壓裂油井出砂的合理產(chǎn)量中油井?dāng)y液產(chǎn)量公式即式（2-9）編制而成的。它涉及的參數(shù)包括油管截面積、井口壓力、油液表面張力、液體密度、原油密度。通過該程序可以計算油井生產(chǎn)過程中能返排壓裂液的產(chǎn)量。</p><p>　　圖3-4 壓裂油井生產(chǎn)過程中攜液產(chǎn)量計算機程序示意圖<

64、;/p><p>　?。?）油井最大產(chǎn)量計算</p><p>　　該程序是根據(jù)控制壓裂油井出砂合理產(chǎn)量模型防止支撐劑運移計算式（2-16）編制而成的。它包括壓裂裂縫寬度、裂縫縫高、砂粒的面孔率、砂粒半徑、支撐劑密度、原油密度、原油體積系數(shù)等參數(shù)。通過計算可以得到壓裂油井防止支撐劑回流的最大日產(chǎn)量。</p><p>　　圖3-5 壓裂油井生產(chǎn)過程中防止支撐劑回流最大產(chǎn)量計

65、算機程序示意圖</p><p>　　3.2 壓裂液返排過程中支撐劑回流模型應(yīng)用</p><p>　　根據(jù)前面建立的壓裂液返排控制模型，對某油田油井壓裂停泵后即刻返排進行了計算。主要的輸入數(shù)據(jù)：施工排量3.4 m3 / min，施工時間 64.7 min，支撐劑35 m3，閉合壓力22 MPa，瞬時關(guān)井井口壓力12.5 MPa，靜液柱壓力15 MPa，壓裂液流態(tài)指數(shù)0.56，壓裂液稠度系數(shù)0

66、.211 Pa·sn，支撐劑視密度2850 kg/ m3，支撐劑體積密度1710kg/m3，支撐劑平均粒徑0.8 mm，返排液密度1020kg/ m3，井筒半徑80 mm。采用模擬軟件預(yù)測施工停泵時的裂縫向上延伸8.0 m，向下延伸13.0 m。</p><p>　　圖3-6為預(yù)測出的關(guān)井后的壓降曲線。計算表明只有當(dāng)井口壓力小于8.13 MPa時，裂縫才能閉合。由圖3-2可知，裂縫在關(guān)井后200 min

67、還不能閉合。這主要是該井滲透性太差、濾失性太低的原因。如果壓裂停泵之后采用裂縫自然閉合方式，可能對儲層造成二次傷害，因此建議采用裂縫強制閉合技術(shù)。</p><p>　　圖3-6 預(yù)測的施工后關(guān)井壓降曲線</p><p>　　預(yù)測了不同放噴油嘴直徑對應(yīng)的井口壓力變化規(guī)律、裂縫閉合時間以及返排排量隨時間的變化關(guān)系。油嘴直徑越大，井口壓力下降越快。 當(dāng)井口壓力下降到8.13 MPa時，裂縫基本

68、閉合。通過對比不同油嘴對應(yīng)的井口壓力與時間關(guān)系不難發(fā)現(xiàn)，油嘴直徑越大，返排速度就越快，裂縫閉合時間也就越短。但對于直徑為1mm，2mm和3mm的油嘴而言，壓力下降得非常慢，在放噴200 min后，對于該壓裂井而言，至少要使用3 mm以上的油嘴進行放噴。</p><p>　　圖3-7為不同油嘴直徑所對應(yīng)的支撐劑沉降距離和出砂量的計算結(jié)果。采用不同的油嘴直徑進行放噴，裂縫閉合時對應(yīng)的支撐劑最大沉降距離隨著油嘴直徑的增

69、加而減小，而支撐劑回流量隨著油嘴直徑的增加而增加。從減少縫中支撐劑的沉降距離形成裂縫有效支撐角度而言，油嘴直徑越大越好，但當(dāng)油嘴直徑變大以后，縫中回流的支撐劑量也隨著迅速增加。因此，必須找一個平衡點，考慮到支撐劑沉降距離一般不應(yīng)大于裂縫上延伸高度，本文取最佳油嘴直徑為5mm。</p><p>　　圖3-7 不同油嘴下支撐劑沉降距離與回流量的關(guān)系</p><p>　　根據(jù)計算機程序計算，該

70、井防止支撐劑回流的臨界返排流量為0.122 m3/min，很顯然這個返排速度太慢，雖然不會引起支撐劑回流但是長時間的返排會造成產(chǎn)層的二次傷害。</p><p>　　下面就對支撐劑回流速度進行分析，根據(jù)支撐劑回流速度計算模型，隨著dul/dt的變化，支撐劑回流速度是變化的。同時支撐劑回流速度還受攜帶介質(zhì)流動形態(tài)而改變。</p><p>　　當(dāng)NRe≤2時，分別對dul/dt進行取值為4，6，

71、8，10計算得到對應(yīng)的支撐劑回流速度。</p><p>　　表3-1 NRe≤2時對應(yīng)dul/dt的支撐劑回流速度</p><p>　　圖3-8 NRe≤2時dul/dt于支撐劑回流速度的關(guān)系</p><p>　　當(dāng)2＜NRe≤500時，分別對dul/dt進行取值為4，6，8，10計算得到對應(yīng)的支撐劑回流速度。</p><p>　　表3-2

72、 2＜NRe ≤500時對應(yīng)dul/dt的支撐劑回流速度</p><p>　　圖3-9 2＜NRe ≤500時dul/dt與支撐劑回流速度的關(guān)系</p><p>　　當(dāng)NRe＞500時，分別對dul/dt進行取值為4，6，8，10計算得到對應(yīng)的支撐劑回流速度。</p><p>　　表3-3 NRe＞500時對應(yīng)dul/dt的支撐劑回流速度</p>

73、<p>　　圖3-10 NRe＞500時對應(yīng)dul/dt的支撐劑回流速度</p><p>　　對表3-1、表3-2、表3-3、圖3-8、圖3-9、圖3-10進行分析，縱向比較，支撐劑回流速度隨著NRe的增加而增加；橫向比較，支撐劑回流速度隨著dul/dt的增加而增加。由此可見為了防止支撐劑回流一定要控制好返排流量，并且保持流量的穩(wěn)定性，以免返排速率的變化引起支撐劑的運動而導(dǎo)致回流。</p>

74、;<p>　　綜上對返排過程中支撐劑回流的分析，壓裂液返排要做到以下兩點：第一控制好返排速度并且并且返排速度的穩(wěn)定性，避免返排速度過大或者速度變化引起支撐劑的回流影響壓裂效果；第二在控制好返排速度的前提下要保持一個較高的返排速率，使地層中的壓裂液在較短的時間內(nèi)返排出來，避免壓裂液的地層中時間過長對地層造成二次傷害，使地層的導(dǎo)流能力受到影響。</p><p>　　3.3 壓裂油井生產(chǎn)過程中出砂控制模型

75、應(yīng)用</p><p>　　以某油田一井實測數(shù)據(jù)為例，裂縫寬3 mm，裂縫高度23.4 m，支撐劑密度1730 kg/ m3，砂粒半徑0. 4～ 0. 9 mm，砂粒面孔率10. 5 %，原油相對密度0.85 地層壓力26.9 MPa，地層溫度88. 9℃ 井底流壓21.6 MPa。</p><p>　　根據(jù)前面對生產(chǎn)過程中出砂控制的研究首先對油井的攜液產(chǎn)量進行計算結(jié)果為6.13 m3/d。

76、</p><p>　　下面對該油井的臨界產(chǎn)量進行計算，根據(jù)防止支撐劑回流的最大產(chǎn)量程序得計算結(jié)果為112.93 m3/d，即生產(chǎn)過程中控制在這個產(chǎn)量以內(nèi)就不會出現(xiàn)支撐劑回流，一旦大于這個生產(chǎn)速度就可能有支撐劑回流現(xiàn)象。</p><p>　　下面對不同日產(chǎn)量下的液體流速和支撐劑回流情況進行討論。取日產(chǎn)量分別為112 m3/d，150 m3/d，200 m3/d，根據(jù)程序計算這些產(chǎn)量下的液體的

77、流速。</p><p>　　表3-4 壓裂油井不同日產(chǎn)液量對應(yīng)液體流速</p><p>　　作出油井日產(chǎn)液量與液體流速的關(guān)系圖如下</p><p>　　圖3-11 油井日產(chǎn)液量與液體流速的關(guān)系圖</p><p>　　結(jié)合壓裂液返排過程中返排的臨界速度為0.146m/s，以上圖表說明當(dāng)產(chǎn)量過大時液體流速會超過支撐劑所允許的臨界流速時，就有可

78、能出現(xiàn)支撐劑回流，所以當(dāng)該井把產(chǎn)量定在150m3/d和200 m3/d時就會發(fā)生支撐劑回流，所以把產(chǎn)量定在110 m3/d左右比較合適。</p><p>　　綜上對生產(chǎn)過程中出砂控制的研究，對于壓裂油井生產(chǎn)過程一定要采用一個合理的采油速度，不要為了追求最大的經(jīng)濟效益而使產(chǎn)量放的盡可能大。如果生產(chǎn)速度過快，高速流動的液體沖刷近井筒地帶的砂拱，引起支撐劑充填失效，導(dǎo)致支撐劑回流，從而導(dǎo)致人工裂縫的支撐狀況變差，導(dǎo)流能

79、力下降，影響油井產(chǎn)量，或?qū)е戮壮辽岸逊e掩埋油層，或出砂侵蝕地面油嘴和閥門，影響采油工作的正常進行。所以一個合理的采油速度不僅可以延長壓裂的有效期，而且可以減少作業(yè)次數(shù)和設(shè)備損失，從而提高經(jīng)濟效益。</p><p><b>　　第四章 總結(jié)</b></p><p>　　通過對壓裂井返排優(yōu)化設(shè)計研究，對支撐劑回流機理分析，要實現(xiàn)防止支撐劑的回流可以做以下幾點：<

80、/p><p>　　1、從支撐劑方面來講，使用改造支撐劑工藝技術(shù)如樹脂涂層支撐劑防砂技術(shù)、纖維防砂技術(shù)、熱塑性薄膜防砂技術(shù)、可變形支撐劑防砂技術(shù)等來有效的防止支撐劑回流。</p><p>　　2、從壓裂工藝方面來講，建立的壓裂液返排過程中臨界返排流量、支撐劑返排速度和沉降速度計算模型與放噴油嘴選擇原則相結(jié)合，可實現(xiàn)對放噴油嘴的動態(tài)優(yōu)化。壓裂液返排時選擇一個合理返排流量，使壓裂液及時有效的排出，實

81、現(xiàn)既不傷害儲層又不出現(xiàn)支撐劑回流的目的。</p><p>　　3、從生產(chǎn)方面來講，提出的壓裂油井的臨界產(chǎn)量公式。在生產(chǎn)過程中采用合理的生產(chǎn)產(chǎn)量，既達到的產(chǎn)量的最大化又防止了支撐劑回流，同時也提高的壓裂的有效期和穩(wěn)定性。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉讓杰，張建濤.水力壓裂支撐劑現(xiàn)狀及展望.鉆采工藝，

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