第十章壓裂設(shè)計(jì)

第十章壓裂設(shè)計(jì)2023/5/51第1頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四簡(jiǎn)介

壓裂增產(chǎn)措施通常用來(lái)解決地層傷害和低滲儲(chǔ)層提高產(chǎn)量與可動(dòng)用儲(chǔ)量、控制產(chǎn)水與防砂問題。要達(dá)到此目的需要應(yīng)用不同的壓裂設(shè)計(jì)技術(shù)。壓裂設(shè)計(jì)評(píng)估技術(shù)對(duì)確定何種方法最優(yōu)至關(guān)重要。壓裂經(jīng)濟(jì)優(yōu)化技術(shù)可用來(lái)進(jìn)行該項(xiàng)評(píng)估。第2頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四簡(jiǎn)介經(jīng)濟(jì)分析一般概念

貼現(xiàn)率表示資金的時(shí)間價(jià)值，它用來(lái)權(quán)衡相對(duì)于投資風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目投資回報(bào)率?，F(xiàn)值表示在一定的貼現(xiàn)率下相對(duì)于目前時(shí)間的未來(lái)現(xiàn)金流量的總和（收入與支出）。凈現(xiàn)值（NPV）反映的是項(xiàng)目本來(lái)現(xiàn)金流量現(xiàn)值與投資現(xiàn)值的差值。投資回報(bào)率（DROI）是指項(xiàng)目的凈現(xiàn)值與在一定的貼現(xiàn)率下總投資的現(xiàn)值之比，DROI是投資項(xiàng)目有效性的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。第3頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四簡(jiǎn)介經(jīng)濟(jì)分析一般概念

投資回報(bào)（ROI）指項(xiàng)目在不貼現(xiàn)條件下的現(xiàn)金流童與不貼現(xiàn)條件下投資總額的比值，它沒有考慮資金的時(shí)間價(jià)值?；厥掌谑琼?xiàng)目累計(jì)現(xiàn)金流量等于零的時(shí)間，回收期沒有考慮資金的時(shí)間價(jià)值和項(xiàng)目達(dá)到回收期后的現(xiàn)金流量的重新回收。收益率或利益率指數(shù)，是一種考慮了貼現(xiàn)影響的凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值等于零時(shí)的復(fù)合利率，它類似于在當(dāng)前情況下投資被當(dāng)成了現(xiàn)金來(lái)回收。第4頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四簡(jiǎn)介NPV的設(shè)計(jì)

固定費(fèi)用已定條件下的各種壓裂用量與砂濃度的NPV值如下：第5頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四簡(jiǎn)介NPV的設(shè)計(jì)

圖中曲線說(shuō)明：中強(qiáng)度支撐劑總是最優(yōu)的。在130000lbm以下，最大砂濃度10ppg最優(yōu)；超過130000lbm,當(dāng)砂濃度為14ppg時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益最好。第6頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂設(shè)計(jì)第7頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮經(jīng)濟(jì)優(yōu)化

壓裂施工費(fèi)用包括各種可變費(fèi)用和與施工規(guī)模無(wú)直接關(guān)系的固定費(fèi)用：

（1）液體費(fèi)用=美元/單位×單位液體。單位費(fèi)用包括：①壓裂液與添加劑；②配液費(fèi)用；③運(yùn)輸、保管費(fèi)用（通常含其它固定費(fèi)用）第8頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮經(jīng)濟(jì)優(yōu)化

（2）支撐劑費(fèi)用=美元/單位×單位支撐劑。單位費(fèi)用包括：①支撐劑；②支撐劑運(yùn)輸與保管費(fèi)用；③支撐劑泵注費(fèi)用。（3）水馬力費(fèi)用=美元/馬力×注入排量×地面施工壓力／40.8×馬力系數(shù)第9頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮經(jīng)濟(jì)優(yōu)化

（4）其他固定費(fèi)用：①動(dòng)遷費(fèi)；②人員；③備井；④排液費(fèi)用（連續(xù)油管，配液費(fèi)用等，如果沒有包含在單位液體費(fèi)用中）第10頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法如下：

（1）選擇適合地層的壓裂液體系。（2）選擇在閉合壓力下能提供地層所需導(dǎo)流能力的支撐劑。（3）依據(jù)井口及管柱限壓確定最大允許排量。優(yōu)化的排量應(yīng)當(dāng)滿足當(dāng)排量增大時(shí)濾失減小、水馬力提高。（4）在就地應(yīng)力、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、測(cè)試壓裂和測(cè)井分析的基礎(chǔ)上，選擇適合地層特征和壓力動(dòng)態(tài)的近似的裂縫擴(kuò)展模型（擬三維或三維）。第11頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法：

（5）確定所選模型的輸入數(shù)據(jù)。（6）通過前面的模擬確定裂縫穿透率及導(dǎo)流能力，或反過來(lái)模擬在所需的裂縫穿透率下的液量及砂量，確定優(yōu)化的前置液百分?jǐn)?shù)。（7）在特定的裂縫支撐長(zhǎng)度及導(dǎo)流能力下確定壓后產(chǎn)量及所選期限內(nèi)的累計(jì)產(chǎn)量。（8）計(jì)算在一定貼現(xiàn)率下產(chǎn)量?jī)羰杖氲默F(xiàn)值（例如所選期限內(nèi)每一年的現(xiàn)值）。第12頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法經(jīng)濟(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法：

（9）計(jì)算壓裂液、支撐劑和水馬力等總的壓裂施工費(fèi)用。（10）通過井凈收益減去壓裂費(fèi)用，計(jì)算壓裂凈現(xiàn)值NPV。（11）增加裂縫長(zhǎng)度重復(fù)計(jì)算前面的過程直到NPV值下降或達(dá)到最大裂縫長(zhǎng)度。（12）繪制壓裂NPV或其他經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與裂縫支撐長(zhǎng)度的關(guān)系曲線可以看到，當(dāng)NPV值隨著裂縫支撐長(zhǎng)度的增加開始下除時(shí)，累計(jì)產(chǎn)量仍繼續(xù)上升。第13頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮裂縫導(dǎo)流能力

除壓裂液殘液的傷害外，裂縫中的支撐劑鋪置濃度和破碎決定了油井生產(chǎn)過程中的導(dǎo)流能力。支撐劑的優(yōu)化選擇通過裂縫導(dǎo)流能力與附加費(fèi)用或施工風(fēng)險(xiǎn)的潛在關(guān)系來(lái)進(jìn)行。支撐劑性能、閉合壓力、聚合物傷害、壓差、沉砂和支撐裂縫寬度等因素都將影響裂縫導(dǎo)流能力。第14頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮裂縫導(dǎo)流能力

產(chǎn)量模擬中，裂縫導(dǎo)流能力?？紤]為均勻的。隨著裂縫模擬和產(chǎn)量模擬的發(fā)展，可以使導(dǎo)流能力分成水平(Bennett等人)與垂直（Poe等人）兩個(gè)變量來(lái)模擬。

垂直剖面上的兩個(gè)區(qū)域受導(dǎo)流能力的不同標(biāo)準(zhǔn)影響（1）裂縫底部的砂堤區(qū)，支撐帶寬度等于造縫裂縫寬度；（2）上覆混砂液高濃度區(qū)，閉合時(shí)該區(qū)的支撐寬度和高度受支撐劑濃度與閉合時(shí)間的影響。第15頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮裂縫導(dǎo)流能力裂縫導(dǎo)流能力與支撐劑鋪置的典型關(guān)系

由圖可知：提高支撐劑鋪置濃度使支撐劑鋪置成多層從而提高裂縫導(dǎo)流能力第16頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮裂縫導(dǎo)流能力20/40目石英砂在裂縫中支撐劑鋪置濃度與支撐裂縫寬度的關(guān)系第17頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮無(wú)量綱裂縫導(dǎo)流能力

不同無(wú)量綱裂縫導(dǎo)流能力CfD下與產(chǎn)量倒數(shù)1/qD的關(guān)系曲線，容易比較裂縫導(dǎo)流能力對(duì)產(chǎn)量的影響

第18頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮無(wú)量綱裂縫導(dǎo)流能力在特殊情況下導(dǎo)流能力的選擇：

支撐劑量恒定，優(yōu)化CfD：滲透率大于1mD時(shí)，優(yōu)化的CfD為1.26；滲透率小于0.1mD時(shí)，優(yōu)化的CfD為3。

縫長(zhǎng)恒定，優(yōu)化CfD：CfD的優(yōu)化范圍是10~30

定縫長(zhǎng)，變導(dǎo)流能力

第19頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮支撐劑優(yōu)選

支撐劑優(yōu)選主要是優(yōu)化支撐劑滲透率或?qū)Я髂芰σ约芭c此有關(guān)的費(fèi)用和效益。滲透率最高的支撐劑并不總是優(yōu)化的，還應(yīng)考慮其數(shù)量、費(fèi)用及其導(dǎo)流能力。第20頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮支撐劑優(yōu)選

支撐劑的相對(duì)體積表示獲得一定導(dǎo)流能力所需的支撐劑數(shù)量。表達(dá)式如下：試中ρp——支撐劑的密度，lbm/ft3;φp——支撐裂縫的孔隙度；Kf——裂縫的滲透率（支撐劑在裂縫中的滲透率)第21頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮支撐劑優(yōu)選

不同類型的支撐劑相對(duì)體積與閉合壓力的關(guān)系曲線第22頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮支撐劑優(yōu)選

當(dāng)閉合壓力提高時(shí)，支撐劑相對(duì)體積（RPV）相應(yīng)提高，但對(duì)于低強(qiáng)度支撐劑來(lái)說(shuō)因其滲透率和孔隙度小而更為有利。第23頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮支撐劑優(yōu)選RPV值、每種支撐劑的費(fèi)用與閉合壓力的關(guān)系如下：第24頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂規(guī)模

通過考慮支撐劑輸送、液體濾失、水馬力與限壓等因素，壓裂液與泵注排量已選定，那么設(shè)計(jì)中主要考慮的其它因素就是施工規(guī)模、支撐劑類型和泵注程序。壓裂規(guī)模應(yīng)當(dāng)由前面討論過的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的裂縫支撐長(zhǎng)度來(lái)確定。第25頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂規(guī)模中強(qiáng)度支撐劑與石英砂在10、14、16PPg等砂濃度下的NPV與裂縫支撐長(zhǎng)度的關(guān)系曲線如下第26頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂規(guī)模由上圖可見，石英砂在10ppg砂濃度下的NPV值最小。以一年為限，其優(yōu)化的縫長(zhǎng)為500～600ft。高滲透率與高價(jià)格的支撐劑在16ppg砂濃度下縫長(zhǎng)為900ft時(shí)，NPV提高了35％。第27頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂規(guī)模

壓裂液應(yīng)當(dāng)滿足的條件：

（1）適當(dāng)?shù)臑V失控制；（2）輸砂過程中的粘度穩(wěn)定性；（3）與地層巖石和油藏流體的配伍性；（4）管路中低摩阻；（5）對(duì)支撐劑滲透率傷害最??；（6）破膠與返排可控；（7）容易混配；第28頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂規(guī)模

壓裂液應(yīng)當(dāng)滿足的條件：（8）處理難度?。唬?）操作安全；（10）環(huán)境安全；（11）經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。不滿足最后二項(xiàng)，該壓裂液體系就不能應(yīng)用。第29頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮壓裂規(guī)模

壓裂液粘度和濾失特性對(duì)于裂縫延伸和支撐劑鋪置是起作用的，當(dāng)然也應(yīng)當(dāng)考慮其它特性。所選壓裂液的選擇原則為：第30頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第31頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮液體濾失液體濾失影響造縫長(zhǎng)度與裂縫閉合時(shí)間；

液體濾失可使用砂、表面活性劑、液態(tài)碳?xì)浠衔锖蜌怏w來(lái)改善；控制液體濾失也期望對(duì)基質(zhì)的傷害最小化。壓裂高滲透地層，若壓裂液不能有效破膠，會(huì)顯著影響壓后產(chǎn)量。特別對(duì)需要高導(dǎo)流的高滲透地層，壓裂液對(duì)支撐帶的傷害比對(duì)基質(zhì)的傷害嚴(yán)重得多。第32頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮粘度影響

高粘度交聯(lián)壓裂液技術(shù)的發(fā)展，使溫度對(duì)粘度降解作用最小化。因涉及支撐劑輸送問題，在壓裂設(shè)計(jì)中總是設(shè)計(jì)出比實(shí)際需要更高的壓裂液粘度。聚合物的濃度取決于泵注過程中各階段的剪切時(shí)間與溫度。第33頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

在裂縫中最大溫度下壓裂液的剪切時(shí)間和在該溫度下聚合物濃度的變化見下圖

這不僅節(jié)約聚合物的費(fèi)用，也是減少聚合物對(duì)支撐劑充填層滲透率的傷害和減少超過臨界凈壓力的威脅使裂縫有效延伸的需要。

聚合物濃度愈高，壓裂液效率愈高。第34頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮粘度影響

閉合前各種液體在裂縫中的曝光時(shí)間以及在裂縫中達(dá)到各種溫度前的曝光時(shí)間第35頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四設(shè)計(jì)考慮

壓裂施工排量的選擇取決于多種因素。通常，提高裂縫寬度、降低濾失時(shí)間、提高壓裂效率需用高排量，高排量也直接用來(lái)改善攜砂能力。壓裂管柱的尺寸和相應(yīng)的摩阻壓力通常限制了泵注排量，地面壓力的提高增加了水馬力和費(fèi)用。泵注排量第36頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四壓裂設(shè)計(jì)裂縫形態(tài)模擬第37頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫形態(tài)模擬模型選擇模擬裂縫幾何形態(tài)和支撐劑鋪置的步驟如下：

（1）確信支撐劑泵注程序不會(huì)引起脫砂；（2）確定理想縫長(zhǎng)下的壓裂液與支撐劑量；（3）確定在產(chǎn)層內(nèi)能提供足夠的裂縫導(dǎo)流能力的裂縫面單位面積下的支撐劑鋪置濃度。第38頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫形態(tài)模擬模型選擇二維PKN，擬三維和多層油藏中的多層裂縫模型（MLF）的裂縫寬度示意圖如下第39頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫形態(tài)模擬模型選擇

平面三維模型模擬水力裂縫耗費(fèi)時(shí)間；2D模擬雖然耗時(shí)較少，但結(jié)果相對(duì)簡(jiǎn)單；擬三維模型為一種折衷模型，它用來(lái)進(jìn)行水力壓裂施工評(píng)價(jià)；壓裂壓力歷史擬合常被用來(lái)劃分裂縫延伸的各種模式，工程師使用該方法選擇近似的裂縫模型和求取如壓裂液效率和凈壓力等重要的裂縫參數(shù)；裂縫模型通常用試并和產(chǎn)量歷史擬合方法來(lái)驗(yàn)證。第40頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫形態(tài)模擬地層參數(shù)來(lái)源

三維模型需要較多的數(shù)據(jù)，主要為地應(yīng)力與楊氏模量剖面。地層參數(shù)可從對(duì)數(shù)分析，巖心測(cè)試和注入測(cè)試的壓力解釋中獲得。反模擬和注入壓力歷史擬合（Bhalla和Brady，1993；Gul－rajanil996）也可以用來(lái)確定未知的參數(shù)。測(cè)井分析的應(yīng)力剖面需要依據(jù)應(yīng)力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化或直接從注入壓力數(shù)據(jù)獲得。第41頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四裂縫形態(tài)模擬地層參數(shù)來(lái)源用巖性校正就地應(yīng)力三種不同孔隙壓力油藏泊松比與應(yīng)力梯度的關(guān)系

當(dāng)孔隙壓力梯度提高時(shí)，應(yīng)力比對(duì)泊松比v的影響減弱。還可看到，在純凈砂巖中由于孔隙壓力的降低而導(dǎo)致的應(yīng)力降低較大。第42頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四壓裂設(shè)計(jì)泵注程序第43頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序泵注程序

壓裂設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提供壓裂液與支撐劑注入的程序。泵注程序反映的是獲得理想裂縫長(zhǎng)度的壓裂液用量、粘度剖面與獲得理想導(dǎo)流能力的支撐劑數(shù)量與類型。支撐劑加入速度程序化，其目的在于防止災(zāi)難性的事件如脫砂的發(fā)生。在壓裂過程中加砂程序由支撐劑濃度漸進(jìn)增加的加入表組成，同時(shí)加砂程序要依賴現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，加砂程序?qū)Ρ苊饷撋笆潜Ｊ氐?。?4頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序經(jīng)濟(jì)敏感性

壓裂與儲(chǔ)層滲透率和表皮系數(shù)的經(jīng)濟(jì)敏感性

使用三年的NPV值來(lái)確定不同滲透率和表皮系數(shù)下的優(yōu)化的裂縫長(zhǎng)度。表中列出了優(yōu)化的裂縫長(zhǎng)度值，該例中表皮系數(shù)保持不變。第45頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序經(jīng)濟(jì)敏感性生產(chǎn)收益與NPV值見下圖

10mD的地層總的生產(chǎn)收益最高，其余隨滲透率的降低而降低。由于壓前產(chǎn)量高，10mD儲(chǔ)層凈收益（壓后減壓前）低；滲透率從1.0到0.1mD凈收益提高，而從0.01到0.001mD凈收益降低。

第46頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序常規(guī)加砂程序常規(guī)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是這樣的：前置液全部濾先進(jìn)地層，泵注結(jié)束時(shí)支撐劑達(dá)到裂縫端部，形成充滿支撐劑的裂縫，獲得相當(dāng)均勻的支撐寬度和足夠的導(dǎo)流能力使生產(chǎn)過程中的壓力降最小。第47頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序常規(guī)加砂程序混砂液濃度為1ppg和2ppg時(shí)的支撐劑濃度剖面第48頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序常規(guī)加砂程序下圖表示的是均勻濃度的加砂程序，它依據(jù)Sidebar6L的方程以各種效率的形式表示。

由上圖或聯(lián)立方程可用來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)加砂程序使砂濃度剖面均勻，同時(shí)給出一個(gè)快速的計(jì)算程序。第49頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序常規(guī)加砂程序?yàn)楹?jiǎn)化模擬和實(shí)際操作的需要，連續(xù)的、斜坡式的加砂程序總是以階梯狀增加的形式出現(xiàn)，下圖表示的是一個(gè)壓裂液效率為0.5的加砂程序。第50頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序常規(guī)加砂程序采用以上的加砂程序得到下面的模擬結(jié)果上圖說(shuō)明了從泵注結(jié)束到閉合過程中支撐劑的運(yùn)移情況。第51頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序常規(guī)加砂程序如果在混砂液前注入的前置液過量，它可能繼續(xù)延伸裂縫。前述模擬的支撐劑鋪置濃度剖面與用2倍前置液量的比較結(jié)果見下圖第52頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序端部脫砂

高滲油藏的水力壓裂與常規(guī)低滲油藏壓裂的區(qū)別在于要獲得高導(dǎo)流能力的短縫。提高導(dǎo)流能力的技術(shù)包括：提高支撐劑的大小使其不產(chǎn)生細(xì)粒物質(zhì)進(jìn)入裂縫充填層、提高砂濃度、使用助排劑和使用端部脫砂技術(shù)（TSO）。TSO壓裂技術(shù)能獲得超過20lbm／ft2的支撐劑鋪置濃度，這表明導(dǎo)流能力可提高10～20倍。由于寬度有限、前置液消耗或混砂液脫水，TSO設(shè)計(jì)目的在于使支撐劑在一定位置上充填。端都脫砂開始后提高混砂液濃度是一種僅比提高裂縫寬度來(lái)提高導(dǎo)流能力更有效的方法。第53頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序端部脫砂設(shè)計(jì)

TSO壓裂可用一個(gè)近似的鋪置模擬器或基于壓裂效率的解析方法來(lái)設(shè)計(jì)，解析方法通過采用前置液消耗和物質(zhì)平衡來(lái)控制TSO壓裂過程。對(duì)一定穿透率的裂縫，TSO設(shè)計(jì)已經(jīng)預(yù)測(cè)了裂縫和濾失，寬度增長(zhǎng)已由作為壓裂效率的函數(shù)和脫砂后注入液量引起的裂縫增加的體積來(lái)確定，現(xiàn)舉例說(shuō)明：第54頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序端部脫砂設(shè)計(jì)

例如在脫砂時(shí)壓裂效率為50％，為使水力裂縫寬度W與Wso之比提高兩倍，需要注入的總液量是脫砂前注入液量的1．8倍。

第55頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序端部脫砂設(shè)計(jì)

Martins等人通過延長(zhǎng)初始的低砂濃度段使其在相同長(zhǎng)度下一直到達(dá)端部和脫砂改進(jìn)了這種加砂程序，并且依據(jù)壓裂最終效率（EOJ）和更長(zhǎng)的壓裂設(shè)計(jì)出一種新的加砂程序。新加砂程序以均勻加砂開始，因脫砂后效率高，后面時(shí)間以一種攻擊性更強(qiáng)的程序加入。第56頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序端部脫砂設(shè)計(jì)上圖給出了各種不同加砂程序的假設(shè)條件，圖形顯示了一個(gè)加砂程序和4種不同TSO壓裂設(shè)計(jì)假設(shè)。第57頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序端部脫砂設(shè)計(jì)

下圖顯示了上圖中常規(guī)和4個(gè)TSO加砂程序的相應(yīng)的砂濃度剖面第58頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序TSO與防砂技術(shù)TSO技術(shù)三種控制吐砂的方法：1.四步操作法，即端部脫破、井筒排液、濾網(wǎng)集成和礫石充填。2.為一步法，它克服了第一種方法中排液所引起的可能的地層傷害。壓裂施工用安裝的濾網(wǎng)、環(huán)流位置的轉(zhuǎn)換工具及環(huán)空的節(jié)流器來(lái)泵注。3.用支撐劑與回流控制添加劑（如可固化的樹脂，纖維）穩(wěn)定端部脫砂技術(shù)。第59頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四泵注程序TSO與防砂技術(shù)Mullen等人提出了壓裂和充填完井與僅使用礫石充填提高產(chǎn)能，產(chǎn)能比與表皮系數(shù)曲線見下圖

該圖比較了美國(guó)GulfCoast地區(qū)礫石充填井和用壓裂與充填處理完井的井的產(chǎn)能。第60頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四壓裂設(shè)計(jì)多層壓裂第61頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂限流壓裂

限流射孔技術(shù)通常用來(lái)獲得一個(gè)較大的摩阻壓力降，確保液體注入通過完井層段的每一個(gè)孔眼。通過限制多個(gè)層段的射孔數(shù)，限流壓裂技術(shù)可能提高壓裂液穿透層的數(shù)量。在注入過程中，摩阻回壓消除了層間的應(yīng)力差而使注入量提高進(jìn)入所有的射孔層段。第62頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂分層壓裂

多層地層壓裂設(shè)計(jì)的最初考慮是通過把用一次壓裂施工能處理的最多層數(shù)分組，使壓裂作業(yè)次數(shù)最少，最簡(jiǎn)單的是所有層段一條裂縫。對(duì)于所有產(chǎn)層與相鄰非產(chǎn)層應(yīng)力差較小的地層，一次性壓裂是有效的。針對(duì)該情況，大多都設(shè)計(jì)高排量、大規(guī)模的壓裂施工。如果產(chǎn)層被高應(yīng)力、非產(chǎn)層隔開，問題就更復(fù)雜。例如一個(gè)大井段上有四個(gè)分開的產(chǎn)層，有8種分組選擇可用。第63頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂分層壓裂依據(jù)產(chǎn)層厚度和它們的相似性及近似條件下的經(jīng)驗(yàn)通過直覺來(lái)分組。下面的方程可被用作產(chǎn)層A、B之間的注入量的分配式中qi——注入排量,bbl／min；pf——裂縫壓力，psi；бh,min——最小應(yīng)力，psi。hf——裂縫高度,ft；E——平面應(yīng)變模量，psiη——液體效率（注入體積與裂縫體積之比）。

方程說(shuō)明A、B儲(chǔ)層的注入量的分配受凈高度、凈壓力、楊氏模量和液體效率等四個(gè)儲(chǔ)層參數(shù)控制。

（1）第64頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂穿過多層的單裂縫最簡(jiǎn)單的多層壓裂是所有層只有一條裂縫，而這些層厚度相對(duì)較小，與相鄰的非產(chǎn)層應(yīng)力差小。如果這些產(chǎn)層依次被巨厚高應(yīng)力泥巖隔開，水力裂縫高度將被限制在產(chǎn)層內(nèi)，在此情況下用2D裂縫模型設(shè)計(jì)就足夠了。對(duì)于縫高等于產(chǎn)層厚度的情況，裂縫長(zhǎng)度和凈壓力僅降低約10%，設(shè)計(jì)中使用高度恒定的模型應(yīng)當(dāng)是準(zhǔn)確的。第65頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂多層油藏中的雙裂縫如方程(2)所說(shuō)明的，射開兩個(gè)層段可能形成不同的裂縫，在每一層獲得相同的裂縫長(zhǎng)度存在難度。對(duì)于裂縫高度延伸并相互重疊的情形，每一條裂縫的寬度效應(yīng)將使周圍地應(yīng)力提高，從而阻止裂縫高度增長(zhǎng)進(jìn)入重疊區(qū)域。對(duì)于應(yīng)力差大，可以限制裂縫高度增長(zhǎng)進(jìn)入隔層的情形，模型假設(shè)縫高恒定是正確的。擬三維模型用來(lái)確定單層的裂縫高度增長(zhǎng)。第66頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂多層中的裂縫評(píng)價(jià)Bennet等人提出了等效的單層裂縫長(zhǎng)度Lapp為每一層的CRD乘以改層的裂縫長(zhǎng)度L：幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）在缺乏綜合油藏特征的情況之下，壓后油藏動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然不是唯一的；（2）從試井或產(chǎn)量分析來(lái)評(píng)價(jià)裂縫形態(tài)是困難的；（3）油藏中水力裂縫長(zhǎng)度xf與天然裂縫長(zhǎng)度L應(yīng)當(dāng)通過不同的方法分開。第67頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂油田實(shí)例

圖中a的測(cè)井曲線劃分出三個(gè)不同的含氣層（1號(hào)層、二號(hào)層、3號(hào)層，厚度分別為10ft、6ft和14ft），這三個(gè)層被22ft和20ft的泥巖隔層隔開，用多層模型模擬測(cè)試壓裂得到下圖所示的各層流量分配結(jié)果。第68頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂油田實(shí)例第69頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四多層壓裂油田實(shí)例實(shí)際壓裂施工流量分配的多層模擬結(jié)果下圖A。在該流量分配條件下，用擬三維模擬得到的裂縫長(zhǎng)度和高度如圖B所示。AB第70頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四壓裂設(shè)計(jì)酸壓第71頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸壓的發(fā)展1932年，防止井筒管柱腐蝕的鹽酸酸化被純油公司首次用于石灰?guī)r地層的增產(chǎn)改造。1935年，Grebe和Stoesser注意到在酸化泵注過程中有時(shí)出現(xiàn)了地層的“破裂壓力”，這表明地層已被壓開，這是水力壓裂應(yīng)用于油藏中的首次描述。隨著酸壓模擬技術(shù)的發(fā)展（Settari，1991；Mach和Elbel，1993）和反應(yīng)參數(shù)(Li1993；deROzieres，1994）開始在20世紀(jì)90年代確定，這些技術(shù)發(fā)展為更可靠的壓裂設(shè)計(jì)和碳酸鹽巖地層酸化或加砂壓裂的選擇提供了技術(shù)支撐。第72頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力酸壓和加砂壓裂的主要區(qū)別在于裂縫閉合后獲得的裂縫導(dǎo)流能力的方式：分別為一種裂縫面上空的刻蝕式樣和有支撐劑保留的裂縫面?？刂扑釅河行缘囊蛩貫樗嵛g裂縫長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力。酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果總是不可再生的，而且由于實(shí)驗(yàn)巖心的尺寸大小不能代表實(shí)際情況。第73頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸蝕裂縫的導(dǎo)流能力由于較高的石灰?guī)r反應(yīng)與獲得期望縫長(zhǎng)所需的相對(duì)大的酸液量，酸壓得到的導(dǎo)流能力通常較高。、對(duì)產(chǎn)量預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，這使得在導(dǎo)流能力上產(chǎn)生誤差，因此，對(duì)白云巖地層，其導(dǎo)流能力預(yù)測(cè)對(duì)優(yōu)化酸液用量十分重要。準(zhǔn)確模擬酸蝕裂縫導(dǎo)流能力的難度是顯而易見的。均衡酸化的技術(shù)已成功地用來(lái)提高低溫白云巖地層的導(dǎo)流能力，運(yùn)用該技術(shù)，通過降低酸液用量與注入排量來(lái)保持與酸液濾失速度的均衡獲得要求長(zhǎng)度的裂縫。第74頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸液濾失對(duì)于碳酸鹽巖地層的酸壓，液體的過度濾失通常被認(rèn)為是限制裂縫延伸和酸蝕縫長(zhǎng)的因素。控制液體濾失的參數(shù)有地層滲透率和空隙度，藏流體壓縮系數(shù)，濾液粘度以及油藏與裂縫的壓差。高于泡點(diǎn)壓力與自山氣的油藏可能有足夠低的壓縮系數(shù)來(lái)控制液體濾失，否則液體濾失高。第75頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸液濾失當(dāng)油藏壓力高于泡點(diǎn)壓力時(shí)不必用粘性前置液和使酸乳化來(lái)控制液體濾失，此種情況下能獲得較長(zhǎng)的酸蝕縫長(zhǎng)與提高產(chǎn)量。上圖顯示了各種注入排量和地層滲透率在高于和低于泡點(diǎn)壓力時(shí)的縫長(zhǎng)表化。第76頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸液濾失下圖顯示了酸蝕孔洞深度受沿酸蝕孔洞通道方向酸擴(kuò)散速度的限制第77頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓粘性前置液控制濾失酸化作業(yè)前通常使用油基或粘性前置液來(lái)使裂縫啟裂并沉積下一條可作為酸液濾失邊界的沉積物，但粘性前置液以這種方式控制液體濾大的實(shí)際能力值得懷疑。粘性前置液沉積下來(lái)的沉積物被酸液濾失形成酸蝕孔洞的快速穿透，一旦發(fā)生這種情況，酸液濾失與未使用粘性前置液相同。使用粘性前置液多次住人來(lái)控制酸液濾失。最先通過前置液?jiǎn)⒘蚜芽p，之后，輪流泵注酸和前置液，隨后注入的前置液和酸液對(duì)于控制濾失的酸進(jìn)入酸蝕孔洞與擴(kuò)大天然裂縫都有效。第78頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓蚓眼中的濾失控制酸壓過程中因酸液濾失產(chǎn)生的酸蝕孔洞可導(dǎo)致過量濾失，限制酸蝕縫長(zhǎng)，酸液和前置液交替注入技術(shù)常用來(lái)使濾失最小化，下圖顯示了濾失控制效果第79頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸反應(yīng)速度酸反應(yīng)速度通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試純石灰?guī)r或白云巖來(lái)確定。加速反應(yīng)速度的溫度效應(yīng)影響酸穿透的深度，酸濃度也有類似的影響。下圖顯示了，在1000F（40℃）下15％和28％的HCl降低白云巖的穿透深度是石灰?guī)r的2倍多。提高溫度到220oF（105℃），石灰?guī)r的穿透深度降低約10％，而白云巖則降低50％。第80頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四15%和28%的HCl在白云巖和石灰?guī)r中的穿透距離第81頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸反應(yīng)速度

乳化酸對(duì)反應(yīng)速度的影響因油外相自身地把酸與起反應(yīng)作用的碳酸鹽表面分開，因而油外相乳化最普遍。在1500F（65℃）下，HCI酸的有效擴(kuò)散速度為1.3×10-5ft/min，乳酸則僅為3×10-9ft/min。第82頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸反應(yīng)速度

膠凝酸體系對(duì)反應(yīng)速度的影響用于酸壓中的膠凝酸因其粘度在降低裂縫面?zhèn)鬏斔俣鹊淖饔帽徽J(rèn)為具有延遲反應(yīng)的作用。Crowe等人指出粘度的作用不可能很明顯。DeRozieres比較了純酸、膠凝酸和乳化酸的延遲效應(yīng)（擴(kuò)散效應(yīng)）對(duì)酸蝕裂縫導(dǎo)流能力、穿透深度和產(chǎn)量的影響，見下圖。第83頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸反應(yīng)速度純酸、膠凝酸和乳化酸對(duì)酸蝕裂縫導(dǎo)流能力影響第84頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓酸壓模型預(yù)測(cè)酸壓作業(yè)的結(jié)果有不同的數(shù)學(xué)模型。這些模型設(shè)計(jì)可用來(lái)預(yù)測(cè)基于擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)、裂縫內(nèi)的流動(dòng)與溫度條件和裂縫面的液體濾失等條件下的有效酸穿透距離。也可用來(lái)研究各種酸體系優(yōu)化設(shè)計(jì)中的排量、前置液百分?jǐn)?shù)等參數(shù)的敏感性。第85頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓參數(shù)敏感性獲得酸蝕裂縫深穿透的一種有效方法為：提高酸量，修正注入排量，酸濃度，使用粘性前置液和延遲表面劑。這些參數(shù)對(duì)穿透深度單獨(dú)或綜合的影響見以下A、B、C、D四圖：第86頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓A.酸量和酸濃度在控制液體濾失與酸反應(yīng)速度的基礎(chǔ)上提高酸量將提高酸蝕穿透深度和酸蝕導(dǎo)流能力，各種酸量和酸濃度見下圖濃度為15%和28%的各種體積的HCl酸蝕導(dǎo)流能力剖面第87頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四B.注入排量敏感性酸壓10000和20000gal濃度15％和28%的鹽酸在排量20bbl／min下模擬的導(dǎo)流能力剖面

第88頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓C.前置液敏感性注入20000gal酸前注入10000gal前置液對(duì)導(dǎo)流能力的影響第89頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓D.液體體積敏感性高于和低于泡點(diǎn)壓力下使用和不使用10000gal前置液20000gal濃度28％的鹽酸的模擬結(jié)果第90頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓地層反應(yīng)特性

正確的模擬需要地層詳細(xì)的反應(yīng)速度參數(shù)，在各種地層中用不同的反應(yīng)特性與相同的施工程序模擬得到的導(dǎo)流能力剖面見下圖第91頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓

由圖可知，地層穿透愈大，導(dǎo)流能力愈小。對(duì)于低穿透、高導(dǎo)流的地層反應(yīng)參數(shù)可用來(lái)進(jìn)行正確的預(yù)測(cè)。第92頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓加砂壓裂和酸壓結(jié)論對(duì)碳酸鹽巖或白云巖地層的增產(chǎn)改造，用加砂壓裂或酸壓都有其優(yōu)點(diǎn)與局限性，克服加砂壓裂與酸壓局限性的技術(shù)發(fā)展如下：酸壓的優(yōu)點(diǎn)為：（1）凈壓力低，裂縫高度增長(zhǎng)??；（2）能獲得高導(dǎo)流；（3）無(wú)脫砂之風(fēng)險(xiǎn)；（4）無(wú)支撐劑回流的問題。第93頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四酸壓加砂壓裂和酸壓結(jié)論酸壓缺點(diǎn)為：（1）高濾失限制了酸蝕裂縫的穿透距離；（2）酸蝕裂縫穿透受限于溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響；（3）油井中潛在乳化與軟泥問題；（4）酸蝕導(dǎo)流能力難以預(yù)測(cè)；（5）環(huán)境保護(hù)問題。第94頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四壓裂設(shè)計(jì)斜井壓裂第95頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂油藏考慮水平井與垂直裂縫井的流態(tài)表明垂直裂縫井勝過橫向長(zhǎng)度小于或等于端部到端部長(zhǎng)度的水平井，這種情況發(fā)生在CfD大于3的情形。下圖比較的是裂縫半長(zhǎng)為500ft的垂直裂縫井與不同裂縫導(dǎo)流能力、橫向延伸長(zhǎng)度為1000ft水平井累計(jì)產(chǎn)出量隨時(shí)間的變化：第96頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂油藏考慮不同裂縫導(dǎo)流能力和縫長(zhǎng)為500ft的垂直裂縫井與1000ft水平井的比較第97頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂油藏考慮

Kv／Kh值是水平井成功的關(guān)鍵。下圖比較了垂直裂縫井的采油指數(shù)PI與Kv／Kh值分別為1，0.5和0.1的水平井的情況。由圖可知，垂向滲透率差的油藏水平井明顯不如垂直裂縫的裂縫井第98頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂油藏考慮

下圖顯示了各向異性對(duì)水平井動(dòng)態(tài)的影響以及在低滲厚地層中水力壓裂垂直裂縫井的比較第99頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂裂縫間距

水平井中多重裂縫的成功應(yīng)用取決于與井眼的相對(duì)方位有關(guān)的最大主應(yīng)力和裂縫的條數(shù)與間距?？v向（軸向）與橫向裂縫（見下圖），在縱向壓裂中水平井眼與裂縫方向在一條線上。這樣的裂縫克服了油藏垂向滲透率差和地層厚度的不利影響。在該方向上，井眼面積對(duì)有效裂縫導(dǎo)流能力的貢獻(xiàn)較大。第100頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四縱向（軸向）與橫向裂縫第101頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂裂縫間距

橫向長(zhǎng)度為2000，3000，4000ft的水平井累計(jì)產(chǎn)出與橫向裂縫的條數(shù)的關(guān)系見下圖第102頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂裂縫間距

說(shuō)明

上圖中，模擬是在0.01mD的氣藏中進(jìn)行的，裂縫間的產(chǎn)量干擾是裂縫條數(shù)的限制性因素。相同裂縫條數(shù)間的距離隨水平延伸的增加而增大。

結(jié)論（1）2000ft的水平井，橫向裂縫超過3條，產(chǎn)量沒有明顯提高。（2）對(duì)于橫向延伸3000ft和4000ft的水平井，形成三條或四條以上的多重裂縫必須考慮附加的費(fèi)用以及相應(yīng)的施工風(fēng)險(xiǎn)。（3）2000ft的水平井形成3條裂縫與3000ft的水平井形成4條裂縫，裂縫間距可為1000ft。第103頁(yè)，共114頁(yè)，2023年，2月20日，星期四斜井壓裂裂縫間距

多重橫向裂縫的水平井經(jīng)過一段時(shí)間之后，較外端的