采油新技術與新理論

1、采油新技術與新理論 (New Technology & Theories for Oil-production)水力壓裂技術(Hydraulic Fracturing) 主講： , 1主 要 內 容低滲透儲層特征地應力與應用壓裂材料（壓裂液與支撐劑）壓裂設計方法壓裂測量與評估技術壓裂工藝技術（重復壓裂技術、整體壓裂）水平裂縫壓裂理論與設計方法2第一講：低滲透儲層特征 1. 低滲透油田界限 2. 低滲透油田分類 3. 低滲透油田儲量分布 4. 低滲透油藏成因 5. 低滲透油藏物性特征 6. 低滲透油藏裂縫特征 7. 低滲透油藏開發(fā)特點31.1 低滲透儲層界限前蘇聯(lián)：美國：唐曾熊：羅蟄潭、王允誠嚴

2、衡文閻慶來1.1.1 低滲透油藏滲透率上限4低滲儲層與中高滲儲層的滲流特點(1) 低滲透儲層具有啟動壓力梯度不同流態(tài)的滲流曲線低滲透巖心中液體滲流曲線高速非線性滲流線性滲流低速非線性滲流5(2) 低滲透儲層滲透率對原油采收率具有明顯影響61.3 低滲透油田分布第一類 一般低滲透油田， (1050)mD 第二類 特低滲透油田，油層平均滲透率為（l一10）mD。第三類 超低滲透油田，其油層平均滲透率為（0.11）mD。1.2 低滲透油田分類71.4 低滲透儲層成因分類1. 沉積成因 （1）近源沉積 （2）遠源沉積2 成巖作用（1）壓實作用（2）膠結作用（3）溶蝕作用81.5 低滲透油田儲層裂縫特征

3、9砂巖裂縫與碳酸鹽巖裂縫區(qū)別（1）砂巖裂縫多為構造成因的張性和剪性縫；而碳酸鹽巖裂縫既有構造成因的張、剪縫，又有成巖作用或兩者結合形成的溶洞、溶孔、縫合線、微裂縫等。（2）砂巖裂縫一般縫面清楚，產狀穩(wěn)定，長度大，具有明顯的方向性；而碳酸鹽巖裂縫在地下常有一定開度，長度不大，寬度大。（3）原始狀態(tài)下多數(shù)低滲透砂巖裂縫是閉合的，屬微裂縫或潛裂縫，裂縫寬度在孔隙直徑的數(shù)量級內，因此裂縫不是主要的儲油空間和運移的通道。而碳酸鹽巖裂縫則相反。（4）砂巖裂縫由于在地下閉合（5）裂縫具有可變性。101.5.1 發(fā)育特征1層厚 2巖性113構造部位121.5.2天然裂縫系統(tǒng)識別 巖心裂縫觀測描述 露頭裂縫觀測

4、描述 測井識別裂縫方法 聲波測井 井壁成像技術 井下聲波電視 地層微電阻率掃描 全井眼地層微成像儀13裂縫的動態(tài)識別方法：鉆井顯示井壁崩落法（注意與地應力影響區(qū)別）試井顯示壓裂曲線顯示注水顯示油田生產顯示14第二講：地應力及應用 1. 地應力概述 2. 靜應力場及分布規(guī)律 3. 應力場測量與計算 4. 地應力對油田開發(fā)的影響152.1 地應力概述原地應力與擾動應力重力應力、構造應力與殘余應力古地應力與現(xiàn)今地應力分層地應力與 地應力分層地應力場性質與地應力場狀態(tài)162.2 靜應力場及分布規(guī)律2.2.1 原地應力 17例2-1 已知油藏深度H=2000m，地層巖石密度r=2300kg/m3，泊松比

5、=0.20，地層流體密度L= 1050 kg/m3，孔隙彈性常數(shù)=0.72。試計算有效垂向應力和地層最小水平主應力h。若油藏壓力衰減7MPa后，地層最小水平主應力的絕對增量為多大？解 上覆巖石壓力為 v=10-6rg H = 10-6 23009.82000=45.08 MPa 油藏壓力近似為 pS =10-6Lg H =10-6 10509.82000=20.58 MPa 有效垂向應力 =v - pS = 45.08-0.7220.58 = 30.26 MPa 地層最小水平應力(Mpa)和 最小水平主應力的絕對增量(Mpa)分別為18應力很大而未發(fā)生塑性變形。據Dirk & Teeuw資料1

6、9構造應力：是指構造運動引起的地應力增量構造應力只有兩個水平主應力，屬于水平的平面應力狀。 擠壓構造力引起擠壓構造應力，張性構造力引起拉張構造應力。 彈性模量高的地層有較高的構造應力。構造應力在傳播過程中逐漸衰減。20熱應力212.2 靜應力場分布規(guī)律2.2.1 地應力分布一般規(guī)律構造應力對地應力的影響斷層類型與地應力的關系不同巖性中地應力分布特點巖漿巖中水平應力一般都較高，且水平應力差較大，在統(tǒng)計深度（222000米）內，水平應力差隨深度增加而增大沉積巖中，水平應力與深度之間有良好的線性關系，其水平應力差是三大類巖石中最小的變質巖中，最大最小水平主應力總體上隨深度增加而增大，但較分散。構造應

7、力松弛地區(qū)水平應力隨巖石泊松比增加而增大；水平地應力隨孔隙壓力減小而減少地層剝蝕可使垂向應力成為最小主應力硬地層中構造應力分量大地質構造形態(tài)對地應力的影響22表2-1 彈性模量與構造應力23地質構造形態(tài)對地應力的影響地質構造的起伏變化往往引起局部地應力集中。背斜軸部水平地應力較低，但變化快；向翼部逐漸升高，但變化平緩。構造陡翼、傾俯端、鞍部或鼻狀構造，往往產生應力異常。單條逆斷層上盤誘發(fā)張應力場，主應力方位多與斷層線呈高角度斜交。逆斷層末端應力場變化復雜，應力性質、強度和方位的規(guī)律性差斷層的交叉、分枝及拐點部位多產生應力集中，應力強度明顯高于鄰區(qū)。在峽谷地區(qū)谷底經常出現(xiàn)地應力集中，河流切割越深

8、，應力集中越嚴重。24我國地應力分布區(qū)域特征強烈構造應力區(qū)：包括臺灣、西藏、新疆、甘肅、青海、云南、寧夏及四川中部。中等構造應力區(qū)：河北、山西、陜西關中、山東、遼寧南部、吉林延吉地區(qū)、安徽中部、福建-廣東沿海及廣西 較弱構造應力區(qū)：江蘇、浙江、湖北、湖南、河南、貴州、重慶、黑龍江、吉林及內蒙古大部地區(qū)。252.3 靜應力場測量與計算直接法: 地應力可以通過測量巖石的破裂壓力直接測量. 常用礦場測量方法，它可以較準確地給出地應力測量結果，定量描述地應力場。如水力壓裂測量、長源距聲波應力測量、井壁崩落應力方向測量、地面電位應力方向測量、井下微地震測應力方向等。間接法: 通過測量巖石的變形和物性變化

9、來反演地應力.26水力壓裂法壓力時間排量不變，提高砂比，壓力升高反映了正常的裂縫延伸裂縫閉合壓力（靜）裂縫延伸壓力（靜）凈裂縫延伸壓力管內摩阻地層壓力（靜）破裂前置液攜砂液裂縫閉合加砂停泵baa致密巖石b微縫高滲巖石FECS27井壁崩落法（井眼橢園法）28實驗室分析方法 典型的ASR曲線 典型的DSCA曲線29有限元模擬302.4 地應力對油田開發(fā)的影響天然裂縫原則。沿最大水平主應力方向矩形井網原則；最大水平主應力方向上的油水井不相間（混）原則；井網與最大水平主應力方向有利原則；射孔方案與最小水平應力剖面相結合原則；31采油新技術與新理論 (New Technology & Theories

10、for Oil-production) 第三部分：壓裂液與支撐劑 ( Fracturing Fluid & Proppant)323.1 壓裂液體系80年代前: 硼酸鹽交聯(lián)為代表的中低溫水基壓裂液;80年代: 鈦鋯有機金屬交聯(lián)液滿足了高溫地層改造要求, 但傷害高達80%目前主要發(fā)展低傷害壓裂液體系333.1.1 中低溫硼酸鹽延遲交聯(lián)水基壓裂液機理: 固體顆粒緩慢溶解特點: 易破膠, 瞬時交聯(lián), 抗剪切差控制PH值實現(xiàn)延遲交聯(lián)典型配方: 成膠劑濃度4.79Kg/m3; 交聯(lián)劑濃度0.44%;延遲釋放破膠劑濃度0,012-.06 Kg/m3; PH=11-13; 交聯(lián)時間2?7 技術水平343.1

11、.2 高溫地層有機復合硼酸鹽交聯(lián)水基壓裂液機理: 復合配位體覆蓋 堿性控制結合力-控制交聯(lián)時間 氧化降解技術水平: 有機復合硼酸鹽交聯(lián)劑耐溫150C有機復合硼酸鹽交聯(lián)液在250度不破膠時傷害ymax+y誘導，可以形成新裂縫 （1）重復壓裂井的應力變化能夠形成新的人工裂縫。解決該關鍵問題的基礎在于全面分析和描述人工裂縫、地層流體壓力變化、孔隙熱彈性應力、鄰井注水/生產活動都產生新的誘導應力；（2）堵老縫造新縫重復壓裂的時機?；卮鹪谑裁礂l件下能夠形成新裂縫，只有在此條件下實施堵老縫造新縫重復壓裂才有實際意義；(3) 如何實現(xiàn)堵老縫造新縫重復壓裂。實踐證明采用高強度裂縫堵劑封堵老裂縫是有效的。 1、

12、堵老縫壓新縫重復壓裂原理952、重復壓裂造新縫的力學機理(1) 裂縫誘導應力(2) 生產引起地應力變化(3) 注水引起地應力變化(4) 總應力變化與分布(5) 重復壓裂時機962.1 裂縫誘發(fā)的應力變化 縫口張開裂縫誘導應力最大，縫端所誘導的應力最小。 張開裂縫誘導應力隨著離縫距離變化，離縫越遠，誘導應力越小。 垂直于裂縫方向上（重壓新裂縫方向）所誘導的水平應力最大，在初始裂縫方向上所誘導的水平應力最小。 在重壓新裂縫方向上，最大水平主應力方向上的誘導應力明顯高于最小水平主應力方向上的誘導應力。 972.2 生產誘發(fā)的應力變化 空間上，距離井眼和裂縫端部距離越近，應力變化越大； 在間上，生產初

13、期，由于生產速度快，孔隙壓力下降幅度大，引起應力變化幅度最大，生產時間增加到一定程度后，應力隨時間變化不在明顯，近隨空間距離變化； 在垂直初始裂縫方向（重復壓裂新裂縫方向）上，最大水平主應力下降的速度大于最小水平應力方向上的應力下降。 982.3 鄰井注水產生熱彈性應力和孔隙彈性應力 注入引發(fā)的應力變化在徑向上始終為負，表現(xiàn)為張應力，井眼處應力變化最大，隨著徑向距離的增加應力數(shù)值逐漸降低，到一定距離后逐漸為零； 切向上應力變化相對比較復雜，首先隨著徑向距離增加逐漸增大，然后到達最大值，之后逐漸減少，到一定距離后為零，同時應力的變化從負值到正值，這種變化趨勢主要受徑向距離和注入時間控制； 從注入

14、模型的推導來看，沒有剪切應力產生，因此，徑向應力方向即為最大水平應力方向，切向應力方向為最小水平應力方向上； 切向上的應力變化比徑向上的應力變化偏大，則在最大水平應力方向和最小水平應力方向上的應力變化具有相似的特征。 992.4 總應力 重復壓裂井中發(fā)生了應力重定向，并在距井眼一定距離處（應力各向同性點）應力重新轉向，逐漸恢復到初始應力水平； 重壓縫長方向上，井眼到應力各向同性點之間的差應力隨初始差應力的降低而增加；超過應力各向同性點后，差應力隨初始差應力的增加而增加； 應力重定向的發(fā)生和應力各向同性點的距離與很多因素有關，其中初始水平應力差是決定應力轉向和和應力各向同性點位置的關鍵因素，如果

15、重復壓裂過程中差應力大于某一值，應力轉向根本不可能發(fā)生。 1002.5 重復壓裂時機1013、原裂縫堵劑實驗研究 3.1 裂縫堵劑性能要求 (1) 堵劑能夠在一定程度上預先成膠，優(yōu)勢在于 能完全進入地層裂縫中從而有效封堵裂縫； 不滲入地層孔隙從而不會堵塞巖石孔隙。(2) 要求堵劑有高的強度、良好的粘彈性，也就是很好的抗拉性及與巖石表面強的粘附力。以保證重復壓裂時裂縫偏離最大主應力方向，堵劑強度至少要高于產層破裂壓力。(3) 良好的剪切稀釋性，有利于泵入和流動。 102 3.2 堵劑體系1034、應用效果長慶油田1045、進一步開展的工作（1）物理模擬（2）裂縫監(jiān)測105采油新技術與新理論 (N

16、ew Technology & Theories for Oil-production) 第七部分：整體壓裂改造106低滲油藏壓裂開發(fā)技術目標：提高采收率提高單井產量開發(fā)井網系統(tǒng)+水力裂縫系統(tǒng)優(yōu)化組合經濟開發(fā)低滲透油藏低滲儲量動用與開發(fā)面臨問題：投入產出油藏整體壓裂近期技術應用“壓裂開發(fā)技術”按照儲層最大滲流方向布井，充分體現(xiàn)了壓裂油藏工程的特點，與儲層構造應力場、天然裂縫發(fā)育、儲層分布、壓裂裂縫優(yōu)化匹配，能夠有效的提高低滲透油田的壓裂開發(fā)效果，研究表明按照壓裂開發(fā)井網布井和開采可以提高采收率2%以上。1990年以來在低滲透油田的開發(fā)與調整中得到了廣泛的應用。 整體壓裂開發(fā)技術概況107 整體

17、壓裂開發(fā)技術輪廓構造應力場與分層應力 區(qū)域構造分析、地應力巖心試驗、現(xiàn)場水力壓裂測量、測井分析、數(shù)值模擬等配套的地應力測量與描述技術，能夠對古構造應力場和現(xiàn)今構造應力場進行測量與數(shù)值模擬分析整體壓裂開發(fā)井網的優(yōu)化。 地應力巖心試驗、現(xiàn)場水力壓裂測量、測井分析等配套分層應力剖面計算技術單井壓裂方案的優(yōu)化。壓裂模擬技術 國外“黑油模型改造”（石油工程平臺）、國內自主開發(fā)的整體壓裂數(shù)值模擬軟件整體壓裂方案模擬。 國外壓裂軟件（集總三維及擬三維軟件 FracPro 、 Meyer+全三維設計軟件GOHFER 、 Stim-plan ）、國內自主開發(fā)的三維壓裂優(yōu)化設計軟件單井壓裂方案模擬。108 整體壓

18、裂開發(fā)技術輪廓壓裂施工工藝 根據儲層應力、壓力、裂縫發(fā)育、壓裂液的濾失特征，研究適合不同類型油氣藏壓裂改造的壓裂工藝： 分層壓裂：機械封隔與投球 限流壓裂：薄互層、多層新完井壓裂改造 轉向壓裂：遮擋層薄弱時控制縫高的壓裂技術 暫堵與分步加砂：雙重介質低滲透砂巖儲層壓裂技術 增能助排技術：低壓地層壓裂技術 裂縫改向：注水開發(fā)油藏的重復壓裂技術 壓裂材料 室內實驗技術109 整體改造設計以 “壓裂開發(fā)井網”、壓裂油藏模擬、壓裂模擬為基礎，以經濟優(yōu)化和最終采收率為目標，優(yōu)化油水井壓裂方案及工作制度。自主開發(fā)的油藏壓裂設計與分析系統(tǒng)（FRADS） 整體壓裂改造優(yōu)化設計110低滲油藏整體壓裂開發(fā)技術已在

19、部分油藏成功應用 低滲均質整裝砂巖油藏：吉林乾安、大慶朝陽溝、吐哈善鄯等油田 以直井壓裂投產開發(fā)為主低滲復雜砂巖油藏整體壓裂開發(fā)技術需開展基礎研究 裂縫性低滲透油藏：壓裂數(shù)值模擬的技術難度、壓裂工藝技術難度復雜斷塊低滲油藏：壓裂數(shù)值模擬的技術難度、斜井/水平井壓裂工藝 技術難度直井+水平井整體壓裂開發(fā)油藏：壓裂數(shù)值模擬的技術難度、水平井壓 裂工藝技術難度 整體壓裂開發(fā)技術應用現(xiàn)狀111整體壓裂數(shù)值模擬在方案設計中的重要性 整體壓裂數(shù)值模擬是編制方案的一個強有力工具。 油藏整體壓裂優(yōu)化設計是建立在水力裂縫模擬和含水力裂縫的油藏數(shù)值模擬的組合應用基礎上。油藏整體壓裂數(shù)值模擬技術整體壓裂數(shù)值模擬技術

20、現(xiàn)狀 改造黑油模型：將裂縫長度、導流能力及裂縫方位作為油藏的性質置入黑油模型中，采用等值滲流阻力法、等連通系數(shù)法進行模擬。 低滲砂巖油藏模型、裂縫性單滲油藏模型、裂縫性雙滲油藏模型以及裂縫性油藏水平井模型都需要改造以適應整體壓裂數(shù)值模擬需要。112裂縫性油藏整體壓裂數(shù)值模擬模型開發(fā)與應用油藏整體壓裂數(shù)值模擬技術整體壓裂裂縫性油藏中滲流數(shù)學模型流動特點 三種滲流通道：孔隙介質+天然裂縫 +壓裂裂縫 壓裂裂縫改變了井周圍和縫中的流動特征：支撐裂縫導流能力高、縫中高速非達西流動出現(xiàn)滲流方程+輔助方程+定解條件油藏整體壓裂模擬軟件研制油藏在既定注采井網系統(tǒng)下的整體壓裂模擬；未投入開發(fā)油藏壓裂開發(fā)的整體

21、壓裂模擬；油藏整體壓裂可控參數(shù)的影響性分析113不同井網模式下整體壓裂效果的模擬研究滲透率各向異性時壓裂裂縫系統(tǒng)與井網不同組合井網不同泄油形狀 滲透率愈高，采出程度也愈高；而滲透率不同的各向異性程度與不同縫長對應的采出程度是不同的，與水力裂縫方向相平行的方向滲透性愈好，采出程度愈高。正方形（300300）矩形（360250）矩形（450200）114不同井網模式下整體壓裂效果的模擬研究115 5、裂縫性油藏深層/超深層壓裂技術井底破裂壓力高 井底破裂壓力一般主要受地應力及巖性的控制。一般說來絕大多數(shù)地層井底破裂壓力的絕對值隨地層深度的加深而增加。如塔里木東河塘石炭系6000m的深井,地層破裂壓

22、力普遍高于100MPa。壓裂管路沿程摩阻高 對于選定的壓裂液配方系列和管柱結構，井段越深，沿程摩阻損失越大，摩阻的增加，直接減少了作用與地層的實際有效作用力。因此，對降低摩阻提出了更高的要求。 施工注入方式選擇性差 由于必須考慮采取保護套管的措施防止套管超壓，在選擇進液方式時只能側重選擇油管進液。采用油管壓裂通常選用3 1/2in油管，或采用復合油管管柱。 116壓裂液性能要求高 由于壓裂井段深（5000m）、地層溫度高（120），所以要求壓裂液應具有良好的耐高溫、耐剪切、低摩阻等性能，同時要求壓裂液應具備良好的延遲交聯(lián)性能，以有效利用施工設備水功率。 壓裂支撐劑性能要求高 由于壓裂井段深，地層閉合壓力大，要求支撐劑具有高強度、高導流能力，一般都選用強度較高的成都陶粒作為支撐劑。 施工過程中易出現(xiàn)砂堵 壓裂過程中縫寬小、裂縫的高濾失都可能導致砂堵，引起砂堵原因有兩種：近井帶脫砂；裂縫端部脫砂。這兩種脫砂在施工曲線上有不同特