油水井增產(chǎn)增注技術(shù)第七章

1、第七章 壓裂設(shè)計(jì)及壓后分析 一壓裂設(shè)計(jì)的基本任務(wù)二壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)三壓裂模型與裂縫幾何參數(shù)四壓后分析一、壓裂設(shè)計(jì)的基本任務(wù) 一個(gè)優(yōu)化的壓裂設(shè)計(jì)必須完成如下基本任務(wù)： 在給定的儲(chǔ)層和注采井網(wǎng)條件下，根據(jù)不同裂縫長(zhǎng)度和裂縫導(dǎo)流能力預(yù)測(cè)井在壓后的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)； 根據(jù)儲(chǔ)層條件選擇壓裂液、支撐劑等壓裂材料的類(lèi)型；并確定達(dá)到不同裂縫長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力所需要的壓裂液與支撐劑的用量； 根據(jù)井下管柱與井口裝置的壓力極限，確定泵注方式、泵注排量、所需設(shè)備的功率與地面泵壓； 確定壓裂施工時(shí)壓裂液與支撐劑的泵注程序； 對(duì)上述各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，并使之最優(yōu)化； 對(duì)這一優(yōu)化進(jìn)行檢驗(yàn)。二、壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)的分類(lèi)有效滲透率有效厚度

2、地層溫度地層壓力地層流體密度，粘度和壓縮系數(shù)巖石力學(xué)性質(zhì)、泊松比和彈性模量地應(yīng)力及其垂向分布地層破裂壓力和破裂壓力梯度裂縫延伸壓力裂縫閉合壓力蓋、底層性質(zhì)油管套管井口裝置封隔器射孔狀況（一）設(shè)計(jì)參數(shù)的分類(lèi) 1.油氣井參數(shù) 2.油氣層參數(shù) 3.壓裂參數(shù) 4.經(jīng)濟(jì)參數(shù)定義： 有效滲透率：在多孔介質(zhì)中如有兩種以上的流體流動(dòng)，則該介質(zhì)對(duì)某一相的滲透率稱(chēng)之為有效滲透率（或相滲透率)。作用：有效滲透率是檢驗(yàn)井在壓前生產(chǎn)狀況，預(yù)測(cè)壓后產(chǎn)量及評(píng)價(jià)壓裂效果的重要參數(shù)。有效滲透率是儲(chǔ)層定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，也是劃分增產(chǎn)措施類(lèi)別的主要依據(jù)。判斷近井地帶滲透率的變化，確定壓裂作業(yè)的性質(zhì)（解堵或改造)。有效滲透率與壓裂液綜

3、合濾失系數(shù)的二次方成正比。有效滲透率是選擇壓裂支撐劑類(lèi)型、尺寸與鋪置濃度 (確定施工砂液比）的主要依據(jù)。（二）有效滲透率 定義 有效厚度是指油氣層在目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下具有產(chǎn)出工業(yè)性油氣的實(shí)際厚度。作用油氣層有效厚度是檢驗(yàn)壓前生產(chǎn)狀況，預(yù)測(cè)壓后產(chǎn)量，評(píng)價(jià)壓裂效果的重要參數(shù)。有效厚度及其在平面上的分布是壓裂選井選層的主要依據(jù)。有效厚度是影響設(shè)計(jì)最優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)之一。采集方法有效厚度的劃分，應(yīng)以巖心資料分析為基礎(chǔ)，單層試油資料為依據(jù)，利用測(cè)井解釋資料加以確定。使用油氣田的有效厚度等值圖估算壓裂井層的有效厚度。（三）有效厚度定 義 地層溫度是指在靜態(tài)無(wú)干擾條件下所具有的溫度。 作 用 地層溫度是選擇壓

4、裂液的主要依據(jù)。 地層溫度是控制壓裂液在縫中粘度、 流態(tài)指數(shù)與稠度系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)的重要因素 。 （四）地層溫度定義原始地層壓力：原始地層壓力是指油氣層在未開(kāi)采前從探井中測(cè)得的油氣層中部的壓力。 目前地層力：油氣藏投人開(kāi)發(fā)后，在某一時(shí)期內(nèi)測(cè)得的油氣層中部壓力稱(chēng)之為該時(shí)期的目前地層力 。 靜止壓力：指油氣井在關(guān)井后，待壓力恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所測(cè)得時(shí)油氣層中部壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)為靜壓 。作用 1) 衡量油井自噴能力的強(qiáng)弱。 2) 它也是選擇壓裂液類(lèi)型的依據(jù)之一。 3) 地層壓力是檢驗(yàn)壓前生產(chǎn)狀況， 預(yù)測(cè)壓后產(chǎn)量與評(píng)價(jià)壓裂效果的重要參數(shù)。 4) 地層壓力與地層破裂壓力有關(guān)。 （五）地層壓力定義 地層流體密度：?jiǎn)?/p>

5、位原油 （ 氣） 體積的質(zhì)量。 地層流體粘度又稱(chēng)為粘滯系數(shù)：是指在地層條件下油氣內(nèi)部摩擦引起的阻力。 原油壓縮系數(shù)：在地層條件下每變化 1MPa 壓力，單位體積原油的體積變化率。 作用 1) 地層流體粘度是確定壓力恢復(fù)試驗(yàn)取得的流動(dòng)系數(shù)和流動(dòng)度必不可少的參數(shù)。 該值估算的大小影響到有效滲透率的準(zhǔn)確與否。 2) 地層流體粘度和壓縮系數(shù)與壓裂液濾央系數(shù)有關(guān)，因此，影響到裂縫的幾何尺寸。 3) 這些地層流體性質(zhì)是預(yù)測(cè)壓后產(chǎn)量，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，確定設(shè)計(jì)的最優(yōu)化以及評(píng)價(jià)壓裂效果的重要參數(shù)。 （六）地層流體密度、 粘度和壓縮系數(shù) 定義 巖石的泊松比：當(dāng)巖石受抗壓應(yīng)力時(shí)在彈性范圍內(nèi)，巖石的側(cè)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的

6、比值。 巖石的彈性模量：巖石受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力時(shí)，當(dāng)負(fù)荷增加到一定程度后，應(yīng)力與應(yīng)變曲線變成線性關(guān)系。 比例常數(shù)稱(chēng)為巖石的彈性模量。作用 1) 泊松比是使用測(cè)井方法確定地層水平主應(yīng)力值及其垂向分布的重要參數(shù)。 由于地應(yīng)力值與地層破裂壓力、 裂縫延伸壓力 、 裂縫閉合壓力以及裂縫高度有關(guān)， 所以， 泊松比在壓裂設(shè)計(jì)中起著重要作用。 2) 彈性模量在設(shè)計(jì)中的重要性與泊松比相同。 在應(yīng)用線彈性壓力一應(yīng)變理論推導(dǎo)的壓寧模型的設(shè)計(jì)計(jì)算中， 該值關(guān)系到裂縫的兒何尺寸。 （七）巖石力學(xué)性質(zhì)、 泊松比和彈性模置定義 地應(yīng)力的概念：地下埋藏的巖層， 由于受上覆巖層的重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響， 巖層處于壓應(yīng)力狀態(tài)。

7、 作用在地下某巖石單元體上的垂向主應(yīng)力和 水 平 主 應(yīng) 力就稱(chēng)之為地應(yīng)力。 垂向主應(yīng)力：作用在巖石單元體上的垂向主應(yīng)力來(lái)自上覆巖層重力。 作用 1) 垂向與水平主應(yīng)力的相對(duì)大小，決定了水力裂縫的形態(tài)和方位。 2) 進(jìn)行儲(chǔ)層物性、巖石力學(xué)參數(shù)以及裂縫方位等巖心試驗(yàn)中，地應(yīng)力值是必不可少的試驗(yàn)依據(jù)。 3) 儲(chǔ)層與其上下巖層的就地應(yīng)力值以及地應(yīng)力的垂向剖面，是擬三維或全三維壓裂設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)最基本的設(shè)計(jì)輸人參數(shù)。 4) 上下巖層與地層的地應(yīng)力差如大于 13.8MPa，則上下巖層可以起到控制裂縫高度擴(kuò)展的遮擋作用 。 5) 儲(chǔ)層與其上下巖層的地應(yīng)力差，也是確定分壓層段，選擇分壓方法的主要依據(jù)。（八）地應(yīng)

8、力及其垂向分布 定 義 地層破裂壓力：使地層產(chǎn)生水力裂縫或張開(kāi)原有裂縫時(shí)的井底流體壓力。 破裂壓力梯度：地層破裂壓力與深度的比值。 作 用 1) 地層破裂壓力是確定井下管柱 、 井下工具、 井口裝置力極限的主要依據(jù)。 2 ) 根據(jù)破裂歷力 d以確定壓裂施工時(shí)的最高地面泵壓 、 泵注排量以及需用設(shè)備功率。 3）根據(jù)破裂壓力梯度可以大致推斷水力裂縫的形態(tài)。 （九） 地層破裂壓力和破裂壓力梯度 定 義 裂縫延伸壓力：水力裂縫在長(zhǎng) 、 寬 、 高三個(gè)方向擴(kuò)展所需要的縫內(nèi)流體壓力。 一般， 它比閉合壓力大， 且與裂縫大小及壓裂施工有關(guān)。 單位以 MPa 表示。 作 用 1) 裂縫延伸壓力是擬三維或全三維

9、壓裂設(shè)計(jì)必須輸人的關(guān)鍵參數(shù)。 2) 裂縫延伸壓力的變化反映了水力裂縫在延伸過(guò)程中可能發(fā)生的變化， 因此， 可用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)。 (十）裂縫延伸壓力 定 義 裂縫閉合壓力可用以下不同方式定義： 1) 開(kāi)始張開(kāi)一條已存在的裂縫所必須的流體壓力； 2) 使裂縫恰好保持不致于閉合所需要的流體質(zhì)力。 作 用 1) 裂縫閉合壓力是所有壓裂壓力分析的參考或基準(zhǔn)的壓力，該壓力相當(dāng)于油藏滲流分析中的原始地層壓力。因此， 它是壓裂設(shè)計(jì)與壓裂效果評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。 2) 裂縫閉合壓力是選擇支撐劑類(lèi)型、 粒徑、 鋪置濃度和確定導(dǎo)流能力的主要依據(jù)。 ( 十 一）裂 縫 閉 合 壓 力定義 蓋 、 底層：儲(chǔ)層上下的巖

10、層。 蓋、 底層的性質(zhì)：包括蓋、底層的巖性及其力學(xué)參數(shù)、 厚度及其在平面上的分布與地應(yīng)力等。作用 1）蓋、 底層的作用在于能否控制裂縫的垂向擴(kuò)展， 保證裂縫在壓裂目的層內(nèi)延伸。 2）裂縫穿透的蓋、 底層如具有一定的滲濾作用， 將會(huì)增加壓裂液的濾失 ， 如穿透到高含氣層或產(chǎn)水層， 將導(dǎo)致壓裂失敗。(十二） 蓋、 底層性質(zhì) 大多數(shù)壓裂施工是通過(guò)油管進(jìn)行的。 油管泵注的優(yōu)點(diǎn) 有利于保護(hù)套管， 相對(duì)于油套環(huán)形空間泵注或套管泵注而言， 在相同的排量下 ， 能保持較高的流速 ， 減少或避免在井筒內(nèi)脫砂 ， 以及便于壓后的井下作業(yè)。 油管泵注的缺點(diǎn) 產(chǎn)生的高沿程摩阻將增加地面泵壓， 使泵注排量受到限制且要消

11、耗大部分設(shè)備功率， 以致降低壓裂的凈收益。 因此， 油管的尺寸、 規(guī)范、 鋼級(jí)及抗拉、 抗內(nèi)壓、抗外擠等性能是確定泵注排量、 地面泵壓、 井口裝置、 需用功率以及安全作業(yè)必須考慮的重要因素。 ( 十 三）油 管 如果選用油套管環(huán)形空間或油套管合注的方式壓裂， 那么，套管的每一部分都需要承受最髙的施工壓力； 如果井內(nèi)下有封隔器， 封隔器以下的套管也必須能夠承受最髙的施工壓力。 因此，泵注排量的極限與地面泵壓的極限取決于套管允許的抗內(nèi)壓強(qiáng)度。 與油管泵注比較， 使用套管壓裂的優(yōu)點(diǎn)是沿程摩阻小、 地面泵壓低、 泵注排量大， 在相同的地層條件下， 同一排量可節(jié)約設(shè)備功率， 降低施工成本。（十四） 套管

12、作用 井口裝置的作用在于聯(lián)接地面壓裂車(chē)組與井筒內(nèi)的油套管柱，使壓裂車(chē)泵出的流體通過(guò)井口沿井下管柱泵人地層。因此，井口裝置的承壓能力影響泵注排量與地面壓力極限的選擇與確定。選擇 1) 對(duì)于淺井或破裂壓力較低的井， 可直接使用常規(guī)采油樹(shù)作為壓裂井口。 一般 ， 這種丼口可承壓 24.5MPa。 2) 如果預(yù)期的地面壓力大于井口的額定壓力， 則應(yīng)根據(jù)地面壓力選用如下壓裂井口( 十五） 井口裝置作用 在壓裂施工中， 封隔器可以隔絕油管與油套環(huán)形空間之間的流體流動(dòng)和質(zhì)力傳遞， 起到保護(hù)套管 、 封隔非壓裂層段的作用。選擇 (1) J 型壓裂封隔器(2) EA 型壓裂封隔器(3) N-1 型壓裂永久式橋塞

13、(4) 電纜坐封， 油管打撈， 可回收式m裂橋塞(5) G 型可回收壓裂橋塞(6) BOBCAT 型可回收壓裂橋塞( 十六） 封隔器 射孔孔眼是溝通井筒與地層的通道。壓裂施工時(shí)，壓裂流體需經(jīng)孔眼進(jìn)人地層， 壓后，油氣流也要經(jīng)過(guò)孔眼進(jìn)入井筒。因此，掌握壓裂井層射孔方法與射孔彈的選擇、孔眼的分布、尺寸、相位角以及穿透深度等射孔狀況，對(duì)壓裂設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常重要的。 ( 十七） 射孔狀況一、壓裂模型的基本內(nèi)容和基本方程二、PKN模型三、KGD模型四、PKN模型和KGD模型的比較五、選擇二維壓裂模型的一般原則三、壓裂模型與裂縫幾何參數(shù)壓裂模型的基本內(nèi)容： 1) 裂縫張開(kāi)模型； 2) 流體流動(dòng)模型； 3)

14、裂縫延伸準(zhǔn)則； 4) 當(dāng)進(jìn)行數(shù)值解時(shí)的裂縫延伸計(jì)算法。 壓裂模型即是對(duì)上述問(wèn)題的組合求解，以便在給定的地質(zhì)與工程條件下，計(jì)算裂縫的幾何尺寸。裂縫的幾何尺寸是指裂縫的長(zhǎng)、 寬和髙。 3.1壓裂模型的基本內(nèi)容和基本方程壓裂模型的基本方程: 裂縫擴(kuò)展寬度方程巖石變形的平衡方程流體降壓方程 流體連續(xù)方程 裂縫延伸準(zhǔn)則方程3.1壓裂模型的基本內(nèi)容和基本方程 由Perkins和Kern提出后經(jīng)Norgren和Nolte加以發(fā)展的二維假設(shè)， 在用模型求解裂縫幾何尺寸時(shí)稱(chēng)為PKN模型。 3.2 PKN模型 W(x,z,t)L(t)H基本假設(shè)條件 1) 地層均厚， 且各向同性； 2) 地層巖石變形為線彈性應(yīng)變，

15、平面應(yīng)變發(fā)生在垂直剖面上，壓裂層與上下巖層之間無(wú)滑移，裂縫剖面是橢圓形； 3) 流體在裂縫中作:x方 向 的 一 維 流 動(dòng)； - 4) 地層為非滲透性地層， 不考慮流體的濾失； 5) 在方向上的壓力降完全由流體的流動(dòng)阻力所引起 6) 在裂縫延伸前緣， 流體壓力等于地應(yīng)力； 7)冪律型流體以恒定的排量泵注； 8) 裂縫高度是給定的常數(shù)， 并受儲(chǔ)層上下遮擋層的控制。 3.2 PKN模型裂縫幾何尺寸的計(jì)算 (1) 裂縫寬度的計(jì)算式1) 對(duì)于牛頓型流體： 線性流湍流 2) 對(duì)于非牛頓型流體 3.2 PKN模型3.2 PKN模型由Khristianovic與Zheltov提出，后經(jīng)Geertsma與D

16、ekerk,Daneshy, Settari 等人發(fā)展的二維假設(shè)，用模型求解裂縫兒何尺寸時(shí)稱(chēng)為KGD模型KGD 模型假設(shè)在邊界層面上產(chǎn)生滑移，因此，裂縫剖面的形狀是矩形： 3.3 KGD模型 基本假設(shè)條件 1) 地層為均質(zhì)，且各向同性； 2) 地層巖石變形為線彈性應(yīng)變，平面應(yīng)變發(fā)生在水平面上 ,儲(chǔ)層與上下巖層之間產(chǎn)生相互滑移，裂縫剖面是矩形； 3) 流體在縫中作一維的層流流動(dòng)； 4) 地層為非滲透性地層， 不考慮流體的濾失； 5) 垂直剖面上， 流體壓力為常數(shù)， 泵注排量保持恒定; 6) 裂縫髙度是給定的常數(shù)， 并受儲(chǔ)層上下巖層控制。 3.3 KGD模型 3.3 KGD模型 裂縫幾何形狀的比較

17、 1) PKN 模型假設(shè)壓裂層與上下巖層之間的邊界界面不產(chǎn)生滑移效應(yīng) ， 因此， 裂縫的垂直剖面是橢圓彤的； 2) KGD 模型推導(dǎo)的假設(shè)條件之一就是壓裂層與其上下巖層之間的邊界界面會(huì)產(chǎn)生滑移， 所以， 裂縫的垂直剖面是矩形的。 3.4 PKN模型和KGD模型的比較 裂縫寬度擴(kuò)展方程的比較 (1) PKN 模型的裂縫寬度擴(kuò)展方程 (2) KGD 模型的裂縫寬度擴(kuò)展方程 (3）上面兩個(gè)公式是二維壓裂模型經(jīng)常使用的裂縫寬度的擴(kuò)展方程。 它們反映了裂縫寬度在擴(kuò)展過(guò)程中與裂縫內(nèi)壓力 （ 裂縫凈壓力，長(zhǎng)度（或高度），巖石地應(yīng)力以及巖石彈性模量之間的關(guān)系。 3.4 PKN模型和KGD模型的比較 裂縫中壓力

18、行為的比較 (1) PKN 模型的壓力行為 (2) KGD 模型的壓力行為 1) PKN 模型預(yù)測(cè)壓力增加的比例， 大致為裂縫長(zhǎng)度增長(zhǎng)的1/4 次方， 即在壓裂過(guò)程中， 井底壓力隨縫長(zhǎng)的延伸而增加。 2) KGD 模型則表明， 壓力下降的比例， 近似裂縫飫度增長(zhǎng)的 1/2 次方， 即在壓裂過(guò)程中， 井底壓力隨縫長(zhǎng)的增加而遞減。3.4 PKN模型和KGD模型的比較 裂縫長(zhǎng)度與裂縫寬度的比較PKN模型 PKN型的裂縫在變寬與變長(zhǎng)的過(guò)程中，縫寬的增加速度低于縫長(zhǎng)的增加速度。同時(shí)，隨縫長(zhǎng)的延伸也增大了摩阻損失。PKN 型的裂縫是長(zhǎng)而窄。KGD模型 與 PKN 模型裂縫情況相反，KGD 型裂縫在變寬與變

19、長(zhǎng)的過(guò)程中使壓力損失減少，以致裂縫變寬的速度比裂縫變長(zhǎng)的速度要快，所以KGD 型的裂縫是短而寬的。 PKN 的動(dòng)態(tài)裂縫半長(zhǎng)比 KGD 模型要長(zhǎng) 38% ,支撐半長(zhǎng)約差 40%; 而 KGD 在縫長(zhǎng)方面的損失， 在寬度上得到補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)縫寬比 PKN 模型增加 71% ， 支撐縫寬增加 68%。 3.4 PKN模型和KGD模型的比較 其 它 方 面 的 比 較 3.4 PKN模型和KGD模型的比較 1.根 據(jù) 井 底 壓 力 的 變 化 趨 勢(shì) 1) 在正常施工階段， 如果裂縫在垂向上的擴(kuò)展受到抑制，并且裂縫在長(zhǎng)度上的延伸速度大大快于裂縫高度時(shí)， 隨施工時(shí)間的延續(xù)， 井底壓力將不斷增加。 選用 P

20、KN 模型較好。 2) 如果垂向增長(zhǎng)的趨勢(shì)與徑向擴(kuò)展的速度大致相等， 井底壓力將不斷下降。 這種現(xiàn)象更適合于 KGD 模型的假定。2.根據(jù)壓裂埋藏深度 PKN 和 KGD 模型的主要區(qū)別之一就是壓裂層與上下巖層之間有無(wú)滑移。對(duì)淺層來(lái)說(shuō)，作用在壓裂層面上的上覆壓力與產(chǎn)生滑移時(shí)必須克服的摩擦阻力比深層要小得多， 更有可能發(fā)生層間的滑移效應(yīng)。所以，淺層的壓裂設(shè)計(jì)選用 KGD 模型，深層選用PKN 模型為好。 3.5選擇二維壓裂模型的一般原則 3. 根據(jù)壓裂層與上下巖層的地應(yīng)力差 1) 壓裂層的地應(yīng)力值如小于上下巖層， 且地應(yīng)力差大于13.8MPa, 則裂縫高度僅擴(kuò)展到邊羿界面。 此時(shí)， PKN 和 KGD模型都可選用。 2) 如果情況相反， 或地應(yīng)力差大于 13.8MPa 時(shí)， 對(duì)薄壓裂層， 且上下有泥巖作遮擋層的井， 選擇 PKW 模型較好； 對(duì)塊狀厚層或射孔井段較長(zhǎng)的井， 最好選用 KGD 模型。 3.5選擇二維壓裂模型的一般原則 、 施工壓力分析 二、 油井測(cè)試