[教育]油水井增產(chǎn)增注措施

1、油水井增產(chǎn)增注措施第一節(jié) 水力壓裂,定義：當?shù)孛娓邏罕媒M將液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中時，在井底附近蹩起超過井壁附近地層的最小地應力及巖石抗張強度的壓力后，即在地層中形成裂縫。隨帶有支撐劑的液體注入縫中，裂縫逐漸向前延伸，這樣，在地層中形成了具有一定長度、寬度及高度的填砂裂縫。,,作用,一、 造縫機理 在壓裂中，了解裂縫的形成條件，裂縫形態(tài)及方向對有效地發(fā)揮壓裂在增產(chǎn)，增注中的作用是極為重要的。但由

2、于地下條件的復雜性，雖然進行了大量的研究，但仍未得到較好的解決。,地層中造縫的影響因素,井底附近的地應力及其分布,巖石力學性質及壓裂液的滲濾性質,注入方式,,1. 地應力及其分布 一般情況下，地層中的巖石處于壓應力狀態(tài)。作用在地下某單元體上的力有垂向主應力 及水平主應力 (其中又分為互相垂直 的和 )。(1) 應力 ①垂向應力：作用在單元體上的垂向應力來自上覆巖層的重量，其數(shù)值約為

3、,,,,,H：地層深度；φ ：孔隙度；,由于油氣層中均有一定的孔隙壓力pp(即地層壓力或流體壓力)，部分上覆巖層的壓力σz被多孔介質中的流體壓力支持。,②故有效垂向應力可表示為： ③根據(jù)廣義虎克定律，則可求出巖石的有效水平應力為：,=,,推導：在σxe,σye,σze 作用下，單元體在x軸方向上的應變?yōu)椋?因為存在側向應力的限制，側向應變?yōu)?，令 得,,,(2) 地質構造對應力的影響

4、 受地質構造影響發(fā)生很大的變化，各個方向的應力也彼此不等。 如果巖石單元體是各向同性材料，巖石破裂時的裂縫方向總是垂直于最小主應力軸。,(3) 井壁上的應力1) 井筒對地應力及其分布的影響 在地層中鉆井以后，破壞了原始應力的平衡狀態(tài)，使得井壁上及其周圍地層中的應力分布發(fā)生變化。為了簡化，將地層中的三維應力問題用二維方法來處理，并近似地直接采用彈性力學中雙向受力的無限大平板中鉆有一個圓孔時的應力

5、計算公式來分析井壁應力，,圓孔周向的應力分布 ：,,A）當r=a且σx=σy=σH時，σφ=2σx=2σy=2σH 說明圓孔壁上各點的周向應力相等，與φ值無關。B)當r=a, σx > σy 時，,,,隨著r的增加，周向應力迅速降低，如圖13-2(b)所示。大約在幾個圓孔直徑之外，即降為原地應力值，孔壁上的應力比遠處的大得多，這就是在壓裂中地層破裂壓力大于延伸壓力的一個重要原因。即：,,2) 井眼內壓所引起的井壁應力

6、 壓裂過程中，向井筒內注入高壓液體，使井內壓力很快升高，井筒內壓必然產(chǎn)生井壁上的周向應力。,簡化：若把井筒周圍的巖石看作是一個具有無限壁厚的厚壁圓筒，假設材料是彈性的，根據(jù)彈性力學中的拉梅公式(拉應力取負號),當厚壁筒外邊界半徑re→∞，厚壁筒外邊界壓力Pe=0時，井壁上r=a處的周向應力:,,式中 ——注入時的井底壓力。即井筒內壓引起的井壁周向應力與內壓大小相等，符號相反。,,3) 壓裂液徑向滲入地

7、層所引起的井壁應力 由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周圍地層中，形成了一個附加應力區(qū)，它的作用是增大了井壁周圍巖石中的應力。增加的周向應力值為：,,,巖石骨架壓縮系數(shù),,巖石體積壓縮系數(shù),,,其中：,,4) 井壁上的總應力顯然在地層破裂前，井壁上( =0°和 =180°處),總周向應力：,總垂向應力：,,,2. 造縫條件 為使地層破裂，必須使井底壓力高于井壁上

8、的總應力及巖石的抗張強度。 (1) 形成垂直裂縫,條件：如果地層的破裂屬于純張力破壞，那么隨井內注入壓力 的不斷增加， 當 達到或超過井壁附近地層的最小周向應力及巖石水平方向的抗張強度 時，在垂直于水平周向應力的方向上產(chǎn)生垂直裂縫，即：,,,,,,其中：即：,,1）當有濾失時：用 代入上式有：,,2）

9、無濾失時：有,垂直裂縫產(chǎn)生于井筒相對應的兩點上( =0°和180°)，這就是為什么在理論上假定垂直裂縫以井軸為對稱的兩條縫的原因。實際上多數(shù)情況是不對稱的。,,(2) 形成水平裂縫條件：當注入壓力達到或超過井壁附近地層的最小垂向應力及巖石的垂向抗張強度時，在垂直于垂向應力的方向上產(chǎn)生水平裂縫，其條件為：,,,1）存在濾失時：,2）無濾失時：,***有濾失時小于無濾失時的。,二、 壓裂液

10、 壓裂液是為造縫與攜砂使用的液體，是水力壓裂的關鍵組成部分。 壓裂液是一個總稱，根據(jù)其在壓裂過程中的任務不同可分為前置液、攜砂液和頂替液。,1）前置液：作用是破裂地層并造成一定幾何尺寸的裂縫以備后面的攜砂液進入，它還起到一定的降溫作用。有時為了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加細砂以堵塞地層中的微隙，減少液體的濾失。 2）攜砂液：作用是將支撐劑帶入裂縫中并將砂子放到預定位置上去。在壓裂液的總量中，這部分占的

11、比重較大。有造縫及冷卻地層的作用。 3）頂替液：作用是打完攜砂液后，用于將井筒中全部攜砂液替入裂縫中。中間頂替液用來將攜砂液送到預定位置，并有預防砂卡的作用。,對于占總液量絕大多數(shù)的前置液及攜砂液，必須具備如下的性能要求：1) 濾失少 壓裂液的濾失性主要取決于它的粘度與造壁性，粘度高則濾失少。在壓裂液中添加防濾失劑，能改善造壁性并大大減少濾失量。2) 懸砂能力強 壓裂液的懸砂能力主要取決于粘度，壓裂液只要有足夠高的粘度

12、，砂子即可完全懸浮，這對砂子在縫中分布是非常有利的。3) 摩阻低 壓裂液在管道中的摩阻愈小則在設備功率一定的條件下，利用造縫的有效功率愈大。摩阻過高不僅降低了有效功率的利用，且由于井口壓力過高，排量降低。,4) 穩(wěn)定性 壓裂液應具有熱穩(wěn)定性，不能由于溫度的升高而使粘度有較大的降低；液體還應有抗機械剪切的穩(wěn)定性，不因流速的增加而發(fā)生大幅度的降解。5) 配伍性 壓裂液進入地層后與各種巖石礦物及流體相接觸，不應產(chǎn)生不利于油氣滲濾的物

13、理—化學反應。6) 低殘渣 要盡量降低壓裂液中水不溶物的數(shù)量，以免降低巖石及填砂裂縫的滲透率。7) 易反排 施工結束后大部分注入液體反排出井外，排液愈完全，效果愈好。8) 貨源廣 便于配制，價錢便宜。,1. 壓裂液的類型 隨著水力壓裂技術的發(fā)展，壓裂液由最初的原油和清水逐步發(fā)展為目前經(jīng)常使用的水基、油基、酸基壓裂液及泡沫壓裂液等。 (1) 水基壓裂液 水基壓裂液主要是用水溶脹性聚

14、合物作為成膠劑，制成能懸浮支撐劑的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及懸砂能力強的優(yōu)點。缺點：但熱穩(wěn)定性和機械剪切穩(wěn)定性較差。為了克服這一缺點，又發(fā)展了交鏈壓裂液和延遲交鏈壓裂液。,(2) 油基壓裂液a.礦場原油或煉廠粘性成品油 b.稠化油 ，稠化油 =油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 ）+稠化劑（脂肪酸鋁皂、磷酸酯鋁鹽 ）,(3) 多相壓裂液,1）泡沫壓裂液外相： 水、水基溶膠或水基凍膠內相：氣體優(yōu)點：對地層傷害小、攜砂能

15、力和造縫能力強、易于 反排、摩阻低等特點。缺點：所需注入壓力高。2) 乳化壓裂液 乳狀液是用表面活性劑穩(wěn)定的兩相非混相液的一種分散體系 。優(yōu)點：攜砂能力強、粘度高、熱穩(wěn)定性好、對地層損 害小、排液快 。缺點：摩阻大、成本高,(4) 酸基壓裂液 用植物膠或纖維素稠化酸液得到稠化酸或用非離子型聚丙烯酰胺在濃鹽酸溶液中，以甲醛交鏈而得到酸凍膠。酸基壓裂液適宜

16、于碳酸鹽類油氣層的酸壓。,2. 壓裂液的濾失性 壓裂液濾失是指在裂縫與儲層的壓差作用下壓裂液向儲層中的濾失。主要受三種因素的控制,壓裂液的粘度地層巖石及流體的壓縮性壓裂液的造壁性。,,(1) 受壓裂液粘度控制的濾失系數(shù) 當壓裂液的粘度大大超過地層油的粘度時（即： ）時， 壓裂液的濾失速度主要取決于壓裂液的粘度，壓裂液在多孔介質中的實際滲流速度va為：,,,

17、代入達西公式： 令 則,,,,(2) 受地層流體壓縮性控制的濾失系數(shù) 當壓裂液的粘度接近于地層流體的粘度時，即（ ）時，壓裂液的濾失主要取決于地層流體的壓縮性。這是因為流體受到壓縮，讓出一部分空間，壓裂液才得以濾失進來。 Δq 以為因壓力降低Δp 所引起的液體

18、的膨脹dV(忽略巖石的體積膨脹 ),則單元地層體積內液體的體積V為:,對無限地層，邊界壓力為常數(shù)的解為：,,上式對x求導得縫壁面上的壓力梯度值：,,(3) 具有造壁性壓裂液的濾失系數(shù)C3  有的壓裂液具有很好的造壁性，其中添加有防濾失劑(硅粉或瀝青粉等)，能在壁面上形成濾餅，有效地降低濾失速度，其濾失系數(shù)由實驗方法確定 。(4)綜合濾失系數(shù)C 根據(jù)水電相似原理 有,,3. 壓裂液對地層滲透性的傷害及防止

19、措施,1）對地層情況了解不夠2）對壓裂液選擇不當3）用于改善壓裂液性能的添加劑針對性不強,,壓裂效果不理想或失敗,造成壓裂液對地層滲透性的傷害主要有下述原因。 (1) 壓裂液與地層及其中液體的配伍性差 壓裂液配伍性：指壓裂液與巖層和流體接觸時，無不利于油、氣滲流的物理化學反應。,,壓裂液對巖石、膠結物等固體物質的溶解粘土膨脹小顆粒脫落堵塞孔隙與地層流體相遇后產(chǎn)生沉淀,,傷害,,措施,對粘土地層

20、，應添加防粘土膨脹劑用水基壓裂液壓裂油層時，使用活性劑來防止乳狀液的形成。,,,,,,,(2) 壓裂液在孔隙中的滯溜 若高粘油基壓裂液進入地層后，反排不完全或水基壓裂液破膠不好，均發(fā)生對地層孔隙的滯溜損害。,為了便于排液及減少乳狀液，要保持地層巖石、小顆粒及壓裂砂的親水性降低液體的界面張力注入氮或二氧化碳，以增加液體的反排能力。,,措施,,,,,基液或成膠物質中的不溶物防濾失劑或支撐劑的微粒由于壓裂液對地層巖石的浸

21、泡作用而脫落下來的微粒。,殘渣的來源,,措施 在制備過程中要使用低殘渣或無殘渣壓裂液； 在基液、管線、液罐中不準有固形物； 支撐劑的粒徑范圍要求應嚴格； 要注意交鏈劑與金屬離子鈣、鎂的沉淀作用及防 濾失劑的不利作用。,,(3) 殘渣及其它堵塞作用,,,,,三、 支撐劑及支撐劑輸送 支撐劑：儲層形成裂縫后,由攜砂液輸送、

22、攜帶充填至裂縫中的具有一定強度與圓球度的固體顆粒。 作用：泵注停止并且縫內液體排出后保持裂縫處于張開狀態(tài)，地層流體可通過高導流能力的支撐劑由裂縫流向井底。,支撐劑按其力學性質分為兩大類：,1）脆性支撐劑(如石英砂、玻璃珠等)，特點是硬度大，變形??； 2）韌性支撐劑(如核桃殼、鋁球等)，特點是變形大，承壓面積隨之加大，高壓下不易破碎。,1. 支撐劑(1) 支撐劑類型,(2) 對支撐劑的要求

23、 對支撐劑的要求主要有下述幾方面。 1) 粒徑均勻。支撐劑粒徑均勻可提高支撐劑的承壓能力及滲透性。目前使用的支撐劑直徑多半是0.42～0.84 mm(40～20目)，有時也用少量直徑為0.84～2 mm(20～10目)的。 2) 強度高。支撐劑組成不同，其強度也不同，強度越高，承壓能力越大。 3) 雜質含量少。壓裂砂中的雜質是指混在砂中的碳酸鹽、長石、鐵的氧化物及粘土等礦物質。常用酸溶解度來衡量

24、存在于壓裂砂中的碳酸鹽、長石和氧化鐵含量；用濁度來衡量存在于壓裂砂中的粘土、淤泥或無機物質微粒的含量。 ,4) 砂子圓球度要好。砂子的球度是指砂粒與球形相近的程度，圓度表示顆粒棱角的相對銳度。支撐劑顆粒圓且大小大致相同時，顆粒上應力分布比較均勻，可承受的載荷比較大。5) 密度小。若密度大，在壓裂液中懸浮及在裂縫中充填較困難。6) 來源廣、價廉。,2. 填砂裂縫導流能力 填砂裂縫的導流能力：是裂縫閉合后，支撐劑充填帶對

25、儲層流體的通過能力。值為：,,,,填砂裂縫滲透率,,,裂縫寬度,(1) 導流能力確定 1）在室內模擬地層條件下測得 ； 2）不穩(wěn)定試井方法求得 ； 3）數(shù)值模擬方法加以估計 。,(2) 支撐劑的選擇 支撐劑的選擇如下所述。1) 根據(jù)油層性質和埋藏深度經(jīng)室內試驗確定能滿足壓裂增產(chǎn)效果的石英砂粒徑及濃度。一般在低閉合壓力下淺層可選用大顆粒支撐劑；在高閉合壓力下，選用粒徑較小的

26、支撐劑；裂縫面積上高濃度的支撐劑比低濃度的支撐劑有較高的導流能力。2) 根據(jù)實際需求量選貨源廣又符合要求的砂產(chǎn)地，做到既經(jīng)濟，又來源充足。3) 選擇合適的加砂方式，不同加砂方式要選擇不同的支撐劑。,3. 支撐劑輸送 支撐劑在壓裂液中的沉降規(guī)律直接影響到填砂裂縫的幾何尺寸、支撐劑在縫中的分布規(guī)律及填砂裂縫的導流能力。(1) 單顆粒支撐劑在靜止壓裂液中的自由沉降 斯托克斯利用浮力與阻力相等

27、的原理，得出了無限、靜止牛頓液體中顆粒以穩(wěn)定勻速沉降的基本關系。 作用在顆粒上的重力：,,顆粒穩(wěn)定勻速沉降時的阻力：由F1=F2,,,1)當 時，,,,,,2）當 時，3）當 時，,,,,,,,,,對于非牛頓冪律壓裂液以 代則：,,(2) 支撐劑在裂縫

28、中的沉降 此時壓裂液受到兩種剪切效應，即砂子沉降剪切和液體水平流動的剪切。因此，壓裂液受到的總剪切速率為 ：,,,,由于砂子在縫中并不是孤立的單一顆粒，而是在一定的濃度下，此時，一顆砂子的沉降，受到其它砂子的影響，這種條件下的沉降稱為干擾沉降。常用的干擾沉降速度的計算式為：,,,其中：,式中 ——干擾沉降速度， m／s；  ——攜砂液中液體所占的體積百分數(shù)。

29、 ——地面砂濃度，指單位體積攜砂液中支撐劑的質量，kg／m3 。,,,,(3) 影響顆粒沉降的因素 液體中多顆粒沉降時，由于粒間相互干擾作用，使多粒中的單顆粒沉降速度低于多顆粒的沉降速度。,1）單顆粒支撐劑的沉降引起周圍液體的向上流動，阻尼了周圍顆粒的下沉，砂比愈高阻尼作用愈大；2）混有砂子的液體混合物的密度、粘度都有所增加，其結果是增大了顆粒的浮力及沉降的阻力，這都使沉降速度變緩。3）當支撐劑在裂

30、縫中沉降時，壁面使顆粒沉降速度變緩。,相互干擾包括,,四、 裂縫擴展模型 建立壓裂裂縫延伸模型是個相當復雜的課題，對壓裂裂縫延伸的研究經(jīng)歷了一個逐步發(fā)展和完善的過程，由最初的線性模型發(fā)展為二維、擬三維及全三維模型。, 最初研究裂縫擴展的模型是假設裂縫被限制在儲層內，即壓裂過程中，裂縫始終具有與儲層厚度相同的高度，只在長度和寬度兩個方向延伸。 具有代表性的二維模型有卡特面積公式、PKN和KGD模型。,圖1

31、3-4裂縫形態(tài)理論模型示意圖,1. 卡特面積公式 卡特(Carter)利用霍華德(Howard)和法斯特(Fast)假設的裂縫形態(tài)［圖13-4(a)］，考慮液體濾失而導出了裂縫面積公式?；炯僭O為：1）裂縫等寬；2）壓裂液從縫壁垂直而又線性地滲入地層；3）地層中某點的濾失速度取決于該點暴露于液體中的時間；4）地層中各點的速度函數(shù)都是相同的；5）裂縫中各點的壓力相同，等于井壁儲層處的注入壓力。,以排量 Q 注入到

32、裂縫中的壓裂液，一部分濾失于地層，一部分使裂縫體積增加。,1) 濾失于地層的液量 因為濾失量是從兩個縫面濾失出去的，所以： 面積是時間的函數(shù)，上式可寫為：,,,,式中： δ——壓裂液到達裂縫中某點所需的時間， s； ——壓裂液到達縫中某點的時刻δ起的濾失速度，m／s； t——注入時間， s； ——裂縫的單面面積。,,,2)

33、使裂縫體積增加的液量,,,,,因此,用拉氏變換處理，解得：其中 ；erfc(α)可以查表或近似計算對于垂直裂縫 ：對于水平裂縫 ：,,,,,裂縫半徑,縫高,縫長,2. PKN模型 珀金斯(Perkins)和克恩(Kern)1966年建立了垂直縫擴展模型，諾爾準(Nordgren)1972年做了進一步改進，考慮了流量沿裂縫的變化。該模型的假設條件是：1）縫高為常量;

34、2）巖石具有彈塑性性質；3）裂縫縱向、橫向呈橢圓型；4）垂向上無流動，裂縫垂直截面中壓力恒定；5）沿裂縫長度某點處的應力狀態(tài)與其它位置的壓力分布無關。,縫寬方程 壓力方程 連續(xù)性方程,,藕合迭代求解,,在計算過程中,3. KGD模型 吉爾茲瑪(Geertsma)和德克拉克(Deklerk)利用克里斯丹諾維奇(Khristianovitch)和姚爾托夫(Zheltov)提出動平衡裂縫的概念，提出了裂縫擴展和

35、延伸模型，簡稱KGD模型 。動平衡裂縫：由于水力作用裂縫慢慢地擴展，而作用在縫壁上的液體正壓力會使裂縫邊界處的壁面光滑地閉合 。,假設：除了與PKN相同之外，還有： 1）裂縫以矩形斷面從一個線源向外線性地延伸； 2）沿縫長的壓力分布遵循層流牛頓液在窄的矩形縫中的流動方程； 3）采用英格蘭(England)與格林(Green)提出的平面應變條件下的巖石破裂方程； 4）考慮液體的濾失。 在實際壓裂過

36、程中，裂縫的高度、長度和寬度同時增加，因此二維模型與此不相符合。要真實地模擬垂直裂縫在垂向和橫向上的擴展，應按三維空間求解。,五、 水力壓裂優(yōu)化設計 水力壓裂優(yōu)化設計是以獲得最大經(jīng)濟凈現(xiàn)值為目標的壓裂設計，一般包括三項內容：1) 不同縫長及裂縫導流能力下的油、氣日產(chǎn)量及總產(chǎn)量；2) 確保上述縫長及裂縫導流能力的作業(yè)設計（壓裂液用量、支撐劑用量及加砂程序）；3) 綜合1)與2)可獲得最高凈現(xiàn)值條件下的縫長。這一概念模型

37、如圖13-5所示。,進行這樣的經(jīng)濟優(yōu)化設計，必須以油藏模擬、裂縫模擬與經(jīng)濟模型等為基本手段。優(yōu)選出最高經(jīng)濟凈現(xiàn)值的設計方案。,壓裂設計基本過程：1）收集壓裂設計所需參數(shù)————預測產(chǎn)量；2）優(yōu)選壓裂材料(壓裂液和支撐劑)及施工方式和規(guī)模（包括尺寸，砂分布，壓裂液和支撐劑用量）；3）確定壓裂效果和最佳縫長。（在最小風險和費用下能得到最大收益的最佳縫長）。,1. 壓裂設計所需參數(shù)壓裂設計參數(shù)分為不可控制參數(shù)和可控制參數(shù)。

38、 不可控制參數(shù)是指無法進行調整的儲層特征參數(shù)，包括：儲層滲透率和孔隙度；儲層凈厚度；儲層應力狀態(tài)；儲層壓力和溫度；儲層流體特性及其飽和度；鄰近遮擋層的厚度及其延伸范圍和應力狀態(tài)。 可控制參數(shù)是指可以加以調整來進行優(yōu)化壓裂設計的完井特征參數(shù)，包括：井筒套管、油管及井口狀況；井下設備；射孔位置和射孔數(shù)；壓裂液和支撐劑；施工排量等。,1) 普拉茲(Platz)認為如果裂縫的導流能力及填砂裂縫的長度是有限的，此時裂縫相當于

39、增加了井的有效半徑。 如果井半徑較小，填砂裂縫又具有較高的導流能力，井的有效半徑可按縫長的1／4來計算。壓裂后井的增產(chǎn)倍數(shù)可表示為：,,壓裂前的穩(wěn)定產(chǎn)量,壓裂后的穩(wěn)定產(chǎn)量,,2. 壓裂井的產(chǎn)量預測(1) 垂直裂縫,2) 如裂縫的單翼縫長小于供油半徑的1／10，即 時，可采用下式計算,,3) 麥克奎爾(McGuire)與西克拉(Sikora)作出了電模擬曲線，如圖13-6；該曲線的擬

40、合方程為：,,其中,,,***（1）低滲層（K<10-3um2），因為容易得到較高的裂縫導流能力比值，欲提高壓裂效果，應以增加裂縫長度為主。這是壓裂低滲、特低透層采取大型壓裂技術增加縫長的根據(jù)。***（2）高滲層，不容易得到較高的裂縫導流能力比值，欲提高壓裂效果，應提高(Kb)f，片面追求長Lf得不到好的效果。***（3）對一定縫長，存在一個最佳裂縫導流能力，超過該值而增加裂縫導流能力的效果甚微。***（4）無傷害井的最大增

41、產(chǎn)比為13.6倍。,,(2) 水平裂縫 比爾登(Bearder)認為如果壓出的是對稱的水平裂縫，則可用下述兩種方法預測產(chǎn)量。 1) 相當于擴大的井徑 壓裂后的穩(wěn)定生產(chǎn)能力，相當于將井徑擴大到裂縫的半徑，此時利用徑向流動公式：,,2) 相當于在地層中存在不連續(xù)的徑向滲透率如果在裂縫半徑內的壓降為 ，供油半徑至裂縫半徑處的壓降為 ，則從供油半徑到井底的總壓降為

42、 ，平均滲透率 為：,,,,,,增產(chǎn)倍數(shù)可近似的表示為：,,3. 裂縫幾何尺寸的確定 壓裂設計所需裂縫參數(shù)是縫高、支撐縫長和平均支撐縫寬、或者支撐縫寬度剖面。如前所述，縫高是用目前技術只能做粗略測量的一個參數(shù)。,4. 砂子在裂縫中的運移及分布 砂子在縫中的移動，主要受重力與液流攜帶力的控制。重力企圖使砂子沉降下來，攜帶力則將砂子送至裂縫深處。 壓裂液粘度高，砂子在

43、液體中呈懸浮狀態(tài)，在相當長的施工過程中，砂子很少或基本上沒有沉降，液體所到之處，皆有砂子。 由于液體的濾失，離井軸愈遠，該處的砂子濃度愈高。若壓裂液粘度不足以使砂子懸浮，砂子進入裂縫后，逐漸沉降下來。,(1) 砂子的理論分布 裂縫中砂子的理論分布主要有全懸浮式和垂直縫沉降式兩種。 1) 全懸浮式砂子分布壓裂的要求：停泵時支撐劑在縫中仍呈懸浮狀態(tài)，縫內各處都有一定的導流能力。 若加砂

44、濃度不變，由于壓裂液的濾失，縫中的砂分布就會出現(xiàn)縫端部砂濃度(砂比)過高，甚至在縫內發(fā)生砂卡，而在近井地帶的縫內砂濃度又不足以造成足夠的導流能力。,措施：1）應順序地改變地面加砂濃度(砂比)，以滿足縫中砂濃度的分布； 2）將攜有砂子的液體的總體積分成若干個單元體積(相當于分若干批加砂)，改變每個單元體積的砂濃度，就可以大體上保證縫中出現(xiàn)近似相同的砂濃度。,2) 垂直縫沉降式砂子分布,水平方向攜帶力重力浮力,

45、,砂子受力,,若低粘液體,重力>>浮力則砂沉降形成砂堤,,,攜砂液的過流斷面,,提高了流速,顆粒停止沉降,,平衡狀態(tài),,在砂堤上面的混砂液流速為,在此流速下,顆粒的沉積與被卷起處于動平衡狀態(tài),當達到使砂懸浮時,平衡流速,,減少,達到,(2) 砂子的實際分布 因為砂子粒徑不是均等，流速在裂縫中是變化的，粘度也不能保持恒定，這樣就出現(xiàn)了復雜的布砂現(xiàn)象。有的砂沉下來，有的砂還被攜帶著往遠處流動，直到流速低

46、于該粒徑的平衡流速，砂子即下沉。,5. 壓裂液與支撐劑的選擇 （1）壓裂液的選擇（應考慮的五個技術因素 ） 即粘度、液體摩阻損失、濾失、返排及其與儲層巖石和流體的配伍性，另需考慮的兩個因素是費用和來源。 （2）支持劑基本要求：是要能得到高導流能力。國內常用的支撐劑有石英砂和陶粒，可按壓裂設計要求選擇。,6. 油藏(區(qū)塊)總體經(jīng)濟優(yōu)化設計與評估 低滲油藏總體優(yōu)化壓裂設計是在某一設置的縫長情況下，研究該

47、縫長對掃油效率的影響，最大限度地延長無水采油期，獲得較長期的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。它的要點是：把油藏總體作為一個工作單元(而不是以單井作為工作單元)，優(yōu)化的目標函數(shù)是達到油藏總體的最高經(jīng)濟效益。對實際上在地層中形成的裂縫是否達到優(yōu)化 設計的預期結果進行量化分析，并評估一二次采油期的產(chǎn)量(注入量)是否達到優(yōu)化設計的預測結果。 ,顯然，具體的油藏應有其具體的優(yōu)化方案，不存在一個通用的總體優(yōu)化模式。 對低滲油藏，壓裂設計的基礎

48、應立足并滿足油田開發(fā)方案的各項要求。如在吐哈鄯善油田，低滲油藏的總體壓裂研究就是基于已有的五點法開發(fā)井網(wǎng)系統(tǒng)，使油藏總體在注水開發(fā)期取得最高的經(jīng)濟效益，滿足最大限度地提高水驅油藏的掃油效率，達到較長時期的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。,其設計步驟是：①對油藏地質資料進行壓前地層評估與材料選擇取得優(yōu)化設計計算的基本輸入數(shù)據(jù)；②再使用油藏模擬、水力壓裂模擬與經(jīng)濟模型進行一次采油期的經(jīng)濟優(yōu)化縫長設計與產(chǎn)量預測；③然后根據(jù)優(yōu)化縫長(包括已確定的導流力)使用

49、黑油模型進行二次采油期的掃油效率及其產(chǎn)量預測，若取得優(yōu)化結果則可完成最終報告。但若處理后發(fā)現(xiàn)掃油效率下降，不能獲得持續(xù)較長時間的無水采油期與長期的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。,7. 特殊的壓裂設計考慮 以上介紹的壓裂設計是一種針對常規(guī)均質油藏設計方法，人們可以此為基礎，對所有的井進行施工設計。但對天然裂縫性油藏，不希望的縫高延伸和蔬松儲層的壓裂有許多限定條件，需特殊考慮。(1) 天然裂縫性油藏 許多天然裂縫性油藏

50、有很高產(chǎn)量，因而無需進行水力壓裂即可增加開采量。但對有些具有中等的天然裂縫密度的油藏，為了經(jīng)濟開發(fā)，依然需要壓裂。天然裂縫性油藏對加砂壓裂施工有顯著的影響，這些天然裂縫可大大增加壓裂液濾失,速度，從而導致砂堵。為了成功地進行泵注作業(yè)，需泵入足夠量的前置液，從而產(chǎn)生大于支撐劑體積的裂縫體積，或有足夠大的排量以彌補濾失掉的液體。 (2) 不理想的縫高延伸 有時縫高的延伸并非是人們所希望的。有些壓裂層段附近存在氣或水，一旦

51、與延伸的裂縫相遇就會被產(chǎn)出。另外，由于縫高增加，縫長受損，使作業(yè)費用增加。此時，為減少不希望的縫高延伸，可降低施工排量和井底施工壓力。,(3) 疏松油層的壓裂 在松軟或松散的巖層中壓裂，由于支撐劑的嵌入或與油藏物質相混，使支撐縫導流能力下降。為減少這種可能性，可使用較高的支撐劑濃度，或者鋪置一個平衡堤，以產(chǎn)生最大的支撐縫寬。另一種方法是使用環(huán)氧樹脂涂層的石英砂，通過形成一個真正牢靠的支撐劑堤來保證裂縫的完整性。如果不

52、可能出現(xiàn)垂向縫高延伸，可利用低粘液體來形成平衡的支撐砂提，獲得更寬的支撐縫。,,六、 壓裂工藝 壓裂是靠在地層中造出高滲透能力的裂縫，從而提高地層中流體的滲流能力。從一口井的增產(chǎn)來說，壓裂主要解決有一定能量的低滲透地層的產(chǎn)量問題或井底堵塞而影響生產(chǎn)的井。 選井要求：有足夠的地層壓力、油飽和度及適當?shù)貙酉禂?shù)的井； 另外選井要注意井況，包括套管強度，距邊水、氣頂?shù)木嚯x，有無較好的遮擋層等。

53、 在選井層的基礎上，還要妥善地解決一些工藝技術的問題，保證壓裂設計的順利執(zhí)行。,1. 分層壓裂 對多油層的油井壓裂，在多層情況下，要進行分層壓裂。利用封隔器的機械分層方法、暫堵劑的分層方法、限流法或填砂法都可以進行分層壓裂作業(yè)。(1) 堵球法分層壓裂方法：堵球法分層壓裂是將若干堵球隨液體泵入井中，堵球將高滲透層的孔眼堵住，待壓力蹩起，即可將低滲層壓開。特點：可在一口井中多次使用，一次施工可壓開多層。施工結

54、束后，井底壓力降低，堵球在壓差的作用下，可以反排出來。優(yōu)點是省錢省時，經(jīng)濟效果好。,(2) 封隔器卡分法分層壓裂 使用封隔器一次多層壓裂的施工方法已被廣泛采用。共有三種方法，即憋壓分層壓裂、上提封隔器分層壓裂、滑套分層壓裂。 憋壓分層壓裂是用幾個封隔器隔開欲壓的各個層段，在每個上封隔器的下面接一個單流凡爾球座，在球座下面的封隔器上安一個帶噴嘴的短節(jié)，噴嘴用銅皮封隔。壓裂時，先壓最下面一層，然后

55、投球封閉底層，再憋壓將第二層壓開，依次將各層壓開。憋壓法壓裂一次可壓3層。,上提封隔器分層壓裂是用封隔器預先按施工設計卡開井下需要壓裂的最下1～2個層段，壓完后停泵使封隔器膠筒收縮，然后再按預先設計好的上提深度起出部分油管，啟泵再進行上一個層段的壓裂施工。 滑套分層壓裂自下而上進行，首先壓裂最下層，壓完后不停泵，用井口投球器投一鋼球，使之坐在最下面噴砂器的上一級噴砂器的滑套上，憋壓剪斷銷釘后，滑套便會落入下一級噴砂器

56、上，使出液通道封閉，從而壓裂第二層，依次類推，可實現(xiàn)多層壓裂。,(3) 限流法分層壓裂 限流法分層壓裂工藝是當一口井中具有多層而各層之間的破裂壓力有一定差別時，通過嚴格控制各層的孔眼數(shù)及孔徑的辦法，限制各層的吸水能力以達到逐層壓開的目的，最后一次加砂同時支撐所有裂縫。特點：是在完井射孔時，按照壓裂的要求設計射孔方案(包括孔眼位置、孔密度及孔徑)，從而使壓裂成為完井的一個組成部分。由于嚴格限制了炮眼的數(shù)量和直徑以及層內

57、局部射開和層間同時壓開，使得該工藝對套管和水泥環(huán)的損害較小，一般不會導致串槽。,2. 高砂比、端部脫砂及重復壓裂 高砂比、端部脫砂及重復壓裂方式都與增加縫中的鋪砂濃度有關，都屬于高砂比壓裂的范疇，但是它們在施工工藝及理論上還有一定差別。(1) 高砂比壓裂 所謂高砂比壓裂是指裂縫內砂濃度大于10 kg/m3的壓裂。主要用于高滲油氣層的壓裂和重復壓裂。目的：是要造成高導流能力的裂縫，從而提高壓裂的增

58、產(chǎn)效果。,高砂比壓裂方法主要有：1) 大粒徑高砂比壓裂。大粒徑高砂比壓裂基本思想是先壓入大量前置液，使地層形成較寬的裂縫，然后泵入攜帶有高濃度大粒徑支撐劑的高粘攜砂液，充滿裂縫各處，形成具有較高導流能力的裂縫。2) 超高砂比壓裂。超高砂比壓裂程序是在壓裂前首先對油井及附近地層進行酸化預處理，以清除堵塞及井底附近鈣質沉淀物，同時擴大壓裂井段孔眼直徑，加密孔眼數(shù)以防止注入的高砂比攜砂液在井底形成砂堵。通過增加前置液量產(chǎn)生較寬的裂縫，

59、使高砂比攜砂液在縫內形成高濃度支撐縫段，提高裂縫導流能力。 超高砂比壓裂方法的應用，使縫內支撐劑濃度由常規(guī)壓裂的小于10 kg/ m3增加到35 kg/ m3 。,,高砂比壓裂設計的關鍵是要造成高導流能力的裂縫。要達到這個目的，除了要有良好的壓裂設備和工藝條件外，還要根據(jù)高滲地層的特點，確定合適的加砂濃度、攜砂液、支撐劑和前置液用量以及地面加砂程序(防止砂堵)，以保證施工的順利進行。 (2) 端部脫砂壓裂

60、 端部脫砂壓裂工藝技術的特點是有意在一定縫長的端部(周邊)形成砂堵，阻止裂縫向前延伸，同時以一定的排量繼續(xù)泵入不同支撐劑濃度的壓裂液，迫使裂縫“膨脹”獲得較寬的裂縫和較高的砂濃度，達到提高導流能力的目的。,在高滲層中進行壓裂的原則應是縫相對較短而導流能力要求很高。 在一定閉合壓力下，選擇適當?shù)闹蝿╊愋?、粒徑，并選用閉合后對填砂裂縫傷害最小的壓裂液體系，有可能得到需要的填砂滲透率。如果考慮到支撐劑的嵌入、破碎及微粒遷

61、移等各種因素增加支撐劑的層數(shù)，亦即增加縫內支撐劑的濃度，這將是保證高滲透率的有效措施，但此時必然會導致縫寬增大。因此提高填砂裂縫導流能力必然是縫寬與填砂裂縫滲透率同時提高的結果。,當縫長延伸到設計長度時，也正是前置液完全濾失于地層的時刻。后到的攜砂液到達此處后，由于液體的迅速濾失，形成難以流動的砂堆，隨即發(fā)生砂堵。繼續(xù)泵入攜砂液，由于縫端被堵沒有出路，致使裂縫加寬、膨脹，并在縫中填滿了支撐劑。圖13-10是比較典型的端部脫砂壓裂過程中壓

62、力的變化。隨著地層破裂，裂縫延伸，壓力不斷升高之后，接著是壓力下降，這是由于隨著長度的增加，造成過多的濾失所致。前置液完全濾失后在端部形成砂堵，圖上出現(xiàn)在施工后期壓力迅速上升即描述此過程，此時形成的動縫寬可能有常規(guī)壓裂的2倍。,常規(guī)開采的出砂井，由于井底附近徑向流所引起的巨大壓降，使液流作用在砂粒上的拖曳力超過砂子之間的粘著力而進入井中，砂層被破壞。這種不穩(wěn)定性會導致井底附近滲透率變差、產(chǎn)量減少、作業(yè)工作量加大等一系列問題。端部脫砂技術

63、能降低井底附近的壓降梯度，也能收到礫石充填支撐砂層的作用。端部脫砂技術的使用條件是被深度污染且酸化不可能有效解除的中高滲地層；不適于采用酸化處理的地層；存在底水、氣頂或靠近注水井的地層或由于縫高及縫長的限制，不可能進行大規(guī)模壓裂的油井；膠結疏松的易出砂地層。,(3) 重復壓裂 經(jīng)初次壓裂的井層，其增產(chǎn)能力在有效的年限內將會失效，為恢復或提高初次壓裂井的生產(chǎn)能力，要采用重復壓裂技術。重復壓裂限于已經(jīng)壓裂地層的重復，

64、不是指采用各種分層壓裂措施，將井中的其它小層壓開。在一定條件下，由于初次壓裂的裂縫引起了近井地帶孔隙壓力的重新分布和支撐的裂縫使地應力場改變。應力場的變化在一定范圍內有可能使復壓裂縫垂直于或不同于初壓裂縫的方位。,1) 水力裂縫誘發(fā)的應力場 垂直于最小主應力的裂縫在兩個水平主應力方向上都誘發(fā)壓應力。最大的誘發(fā)應力的大小等于裂縫閉合后作用在支撐劑上的凈壓力(超出閉合壓力的值)并垂直于縫面。裂縫的存在對應力場的影響，隨

65、著遠離縫面而迅速減小。 為了使復壓裂縫與初壓裂縫在方位上有差別，應使誘發(fā)的壓應力足夠大，致使兩個水平應力分量發(fā)生變化，導致原最小主應力變成最大主應力。此時重復壓裂的裂縫方位則垂直于初壓裂縫方位。如果作用在支撐劑上的凈壓力不大，上述機制只能在兩個主應力差值相差不大的情況下才能發(fā)生。由于壓應力離開裂縫后，隨距離的增加迅速減小，有可能使新生的裂縫又重新轉向，平行于初壓裂縫。,2) 生產(chǎn)誘發(fā)的應力場 由于從

66、初次壓裂的裂縫中產(chǎn)出液體，在裂縫周圍油藏中的壓力梯度發(fā)生變化，也影響到應力場。如果應力場的某點單元巖石受到限制，該點應力的降低值與該點的壓降成正比。在裂縫附近，平行或垂直于縫面上都會有由于孔隙壓力的變化而誘發(fā)出來的張應力。但此張應力被稍遠于裂縫的壓應力所抵銷，如果由于孔隙壓力誘發(fā)的應力差大于原先存在的兩個平面上的最大與最小主應力差，那么這兩個應力就要換向。此時的復壓裂縫將垂直于初壓裂縫。, 如果生產(chǎn)時的井底流壓不變，隨著生產(chǎn)的繼續(xù)，

67、受壓力影響的地區(qū)，將離裂縫向遠處擴展。同時隨著張應力在水平面上影響距離的增加，在縫面上誘發(fā)的應力，先是增加，然后減少。應力差改變所需的時間幅度取決于距井眼的距離與地層的性質。在誘發(fā)張應力影響區(qū)域之外，重復壓裂的裂縫還要平行于初次壓裂的裂縫延伸。隨后壓應力影響的范圍已擴展到遠離裂縫的地區(qū)，在裂縫轉向平行于初壓裂縫之前，已經(jīng)延伸到相當遠的位置。, 在以后的時間里，誘發(fā)的張應力可能已無力超過原先在離井某距離的最大最小主應力差，在此位置上復

68、壓裂縫的方位將開始稍有轉向。因此可以說原先兩個主應力差比較小時，復壓裂縫在垂直于初壓裂縫的方向上得到最大延伸。在初次壓裂后的3.5～5年是復壓裂縫轉向的有利時機，此時壓力差達到了改變符號的最大值，復壓裂縫在轉向前一般可達90 m長。從孔隙壓力垂向分布上看，復壓裂縫的端部已穿透到高孔隙壓力區(qū)，這是提高產(chǎn)量的有利保證。,3. 用人造阻擋層控制裂縫高度 人造阻擋控制縫高是指在壓裂液中加入一種固體添加劑，在裂縫的上部形

69、成一個人工阻擋條帶，用以起到阻擋層的作用。該工藝方法的基礎是裂縫中的流體流動遵守沿阻力最小的流道流動的法則。如果要防止裂縫向下延伸，則使用較重的支撐劑輸入到新生的裂縫底部，此后壓裂液就能導向向裂縫上部流動。利用比重小的固體顆粒在裂縫的液體中靠浮力自動進入裂縫的高部位形成一條人造阻擋帶，以控制裂縫向上延伸。這種固體添加劑在泵入支撐劑之前泵入使它聚集在新生縫的頂部。由于這種人工阻擋條帶部分阻擋了縫內高壓向上部地層的傳遞，因此可以適當?shù)靥岣咛?/p>