壓裂實時監(jiān)測及解釋技術課件

目的及意義

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新研究成果

壓裂實時分析模型

壓裂實時解釋方法

軟件與應用1內(nèi)

容

目的及意義

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新研究成果

壓裂實時分析模型

壓裂實時解釋方法

軟件與應用內(nèi)

容2水力壓裂是改造油氣層的有效方法，是油氣水井增產(chǎn)增注的重要措施，而水力壓裂的效果

取決于壓裂工藝技術的完善程度，即對裂縫和地層情況的認識和了解、合理的施工工藝、優(yōu)良的壓裂液和支撐劑等壓裂施工材料、優(yōu)化的施工設計、施工作業(yè)手段及其質(zhì)量。目前，水力壓裂在理論、設備、工藝等各方面都有了很大發(fā)展，但仍存在不少重大技術難題。31

目的及意義四個制約水力壓裂技術應用及取得理想效果的關鍵性因素：

現(xiàn)場缺乏經(jīng)濟地測量和評估水力裂縫的有效手段

對儲層特性尤其是巖石力學參數(shù)和地應力分布缺乏深入的研究和認識

壓裂設計及其局限性

落后的壓裂監(jiān)測與施工質(zhì)量控制41

目的及意義水力壓裂實時監(jiān)測及解釋技術是確保壓裂施工取得理想效果的關鍵性手段，也是水力壓裂技術的最新進展和發(fā)展趨勢。應用該技術，可認識和了解裂縫和地層情況，分析和評估壓裂液性能和現(xiàn)場施工質(zhì)量，減小施工風險，保證施工按設計要求順利進行，并根據(jù)實際情況進行現(xiàn)場調(diào)整。針對該技術及其亟待解決的重大問題進行深入研究，勢在必行，意義重大。51

目的及意義

目的及意義

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新研究成果

壓裂實時分析模型

壓裂實時解釋方法

軟件與應用內(nèi)

容62

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀7壓裂壓力與裂縫幾何形狀及其動態(tài)延伸密切相關，壓裂分析與模擬的關鍵問題之一就是確定裂縫的幾何形狀及其動態(tài)延伸規(guī)律。二維裂縫模型PKN模型、KGD模型和Radil模型擬三維裂縫模型由Van

Eekelen、Advani、Cleary、Palmer提出的四種模型全三維裂縫模型由Clifton、Cleary提出的兩種模型基于二維裂縫模型的壓裂壓力分析技術是由Nolte和Smith提出的，后經(jīng)發(fā)展和完善已成為壓裂泵注過程中的經(jīng)典分析技術。這種分析技術采用凈壓力進行分析，利用雙對數(shù)坐標系下凈壓力曲線的斜率推斷裂縫延伸類型，進而確定裂縫長度和裂縫寬度，并定性地認識和了解裂縫高度延伸情況。但這種分析存在的問題十分突出。82

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二維壓裂壓力分析：采用凈壓力(井底壓力與裂縫

閉合壓力之差)，利用雙對數(shù)坐標系下凈壓力曲線的斜率推斷裂縫延伸方式和類型。2

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9二維壓裂壓力分析：在推斷出裂縫延伸方式和類型，并定性地認識和了解裂縫高度延伸情況基礎上，可進

而確定裂縫長度和裂縫寬度。2

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10二維壓裂壓力分析存在的問題：假設裂縫高度為定值；采用凈壓力進行分析，需預先輸入裂縫閉合壓力，

但該參數(shù)往往難以獲得，同時隨著裂縫擴展延伸，裂縫閉合壓力事實上是變化的；只能刻畫和分析施工過程中壓力變化的某一階段，

不能完整準確地解釋整個施工過程中壓力的變化；解釋的參數(shù)少，只能定性地認識和了解裂縫高度延伸情況，定量地解釋裂縫長度和裂縫寬度；分析解釋的前提條件苛刻，要求施工排量恒定，壓裂液流變參數(shù)和濾失系數(shù)已知而且保持恒定。112

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基于三維裂縫模型的壓裂壓力分析的開拓性工作是由Crockett等完成的，隨后大量相關的研究和現(xiàn)場試驗相繼展開，其中最具代表性的

是天然氣研究院的現(xiàn)場試驗、Meyer等發(fā)展和完善的模型及其算法、Gulrajani等對壓力歷史反演唯一性的討論和現(xiàn)場應用實例、Piggott等利用壓力歷史反演獲得地層特征的應用。正是以這些研究成果為基礎，一些國際性的研究機構(gòu)和著名石油公司相繼推出了壓裂施工過程中實時分析和圖形顯示的軟件系統(tǒng)。122

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三維壓裂壓力分析：Crockett等提出了集總綜合裂縫模型：模型的最大特點是將復雜的數(shù)值分析問題通過模型中大量的伽馬系數(shù)或積分參數(shù)，簡化為確定函數(shù)或數(shù)據(jù)庫的積分參數(shù)。應用該模型，基于流體流變性主宰壓力變化的基本思想，初步研究了壓裂施工過程中的壓力歷史擬合，以確定液體的流變性和濾失程度。2

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13國內(nèi)對壓裂施工過程中實時監(jiān)測與分析技術

的研究較為落后。二十世紀九十年代，西南石油學院和石油大學研制了二維壓裂壓力分析軟件，但沒有創(chuàng)新。至于對三維壓裂壓力分析技術的研究，國內(nèi)還是空白。近年來，國內(nèi)各油田相繼引進了三維壓裂壓力分析的軟件系統(tǒng)，但軟件的運行情況及解釋結(jié)果不理想。142

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總之，水力壓裂實時監(jiān)測及解釋技術經(jīng)發(fā)展

和應用至今，仍面臨一些亟待解決的重大技術問題，主要體現(xiàn)在：

三維裂縫模型相對簡單和粗糙，同時模型及其計算結(jié)果不易理解，應用困難

解釋參數(shù)少，而且壓力歷史反演方法具有重大缺陷

采用凈壓力進行分析，具有明顯的局限性

數(shù)據(jù)采集與處理不能滿足實時要求152

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目的及意義

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新研究成果

壓裂實時分析模型

壓裂實時解釋方法

軟件與應用內(nèi)

容16我們針對壓裂實時監(jiān)測及解釋技術目前亟待

解決的重大技術問題，通過多年來卓有成效和

系統(tǒng)深入的研究工作，現(xiàn)已取得重大技術突破，研究成果不僅填補了國內(nèi)空白，而且開拓和發(fā)

展了壓裂分析評估技術的現(xiàn)有內(nèi)涵，代表了該

技術的最先進水平和最新研究成果，部分成果屬國內(nèi)外首創(chuàng)，整體居國際領先水平。173

最新研究成果

全面系統(tǒng)地研究了水力壓裂實時監(jiān)測及解釋

技術。建立了新的壓裂實時監(jiān)測與分析的完整模型，提出了切實可行的壓力歷史反演新方法，研究了施工數(shù)據(jù)的采集和通信技術，研制了壓裂實時監(jiān)測及解釋軟件。

建立了新的實時裂縫延伸擬三維模型。該模型主要包括流體體積平衡方程、裂縫長度方

程、裂縫寬度方程、裂縫高度方程等，利用方程求根的方法進行數(shù)值求解。183

最新研究成果

采用和完善了三維裂縫中支撐劑運移分布模

型。該模型主要包括支撐劑沉降狀態(tài)的β準則、裂縫壁面的拉拽效應、支撐劑的干擾沉降、支撐劑在三維裂縫中的運移分布，并采用了精細的數(shù)值計算方法。

建立了井筒不穩(wěn)定流動模型，提出了支撐劑影響下的混砂液摩阻計算方法。井筒不穩(wěn)定流動模型主要包括連續(xù)性方程、流體壓降方程、狀態(tài)方程，并考慮了支撐劑的影響。193

最新研究成果

提出了切實可行的壓裂施工過程中實時監(jiān)測

與分析的壓力歷史反演方法。該方法綜合應

用了逐步線性最小二乘法與約束變尺度法的

最優(yōu)化方法和地層特性參數(shù)與液體特性參數(shù)

的數(shù)據(jù)庫，直接擬合井口壓力，可以解釋一

些關鍵性的地層特性參數(shù)，如巖石斷裂韌性、

地應力分布、地層破裂壓力等參數(shù)，也可以實時解釋壓裂液流變性和濾失程度及其動態(tài)變化，還可以實時解釋水力裂縫的三維擴展延伸和支撐劑的運移分布。203

最新研究成果

研制了地層特性參數(shù)和液體特性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。該

數(shù)據(jù)庫綜合利用了國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，并對一些地層和液體特性參數(shù)進行了深入的研究，獲得了巖石斷裂韌性與圍壓的關系等新成果。

研究了壓裂施工數(shù)據(jù)的采集和通信技術。不僅研制

了專門的便攜式壓裂酸化監(jiān)測儀，而且研究了簡單經(jīng)濟的數(shù)據(jù)采集與通信技術(僅僅幾元錢的一根連接電纜)，兼容各種壓裂監(jiān)測儀表(如Halliburton、雙S、長城等)的施工現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的傳輸和壓后數(shù)據(jù)的保存格式，能滿足實時監(jiān)測及分析的要求。213

最新研究成果

研制了壓裂實時監(jiān)測及解釋軟件，并對壓裂

施工過程中實時監(jiān)測與分析進行了大量實例

計算和應用。應用情況表明，軟件系統(tǒng)能滿

足壓裂改造的需要，并具有功能強、算法穩(wěn)

定可靠、結(jié)果合理、商品化程度高等特點，可認識和了解裂縫和地層情況，分析和評估壓裂液性能和現(xiàn)場施工質(zhì)量，減小施工風險，指導壓裂設計，提高壓裂水平和施工效果。223

最新研究成果

目的及意義

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新研究成果

壓裂實時分析模型

壓裂實時解釋方法

軟件與應用內(nèi)

容234

壓裂實時分析模型

根據(jù)實時確定的參數(shù)，對當前的狀態(tài)進行診斷和評估，對未來進行預測實時分析模型必需描述下列過程

水力裂縫的形成與延伸

支撐劑在裂縫中的運移和分布

壓裂液及支撐劑在井筒中的流動

液體在井筒和裂縫中的溫度變化及濾失規(guī)律實時分析模型必需滿足下

列實條時件裂縫三維延伸模型24

運行時間大大快于施工時

間支撐劑運移分布模型

將實際的施工數(shù)據(jù)作為輸

入井，筒能流重動復模運型行進行擬

合，以確定一些關鍵性的

壓溫裂度特場征與和液有體關濾參失數(shù)模型4

壓裂實時分析模型254.1

實時裂縫三維延伸模型體積平衡方程施工注入過程期間裂縫內(nèi)的流體體積平衡原理為流體注入體積等于流體濾失體積與裂縫體積之和，即由于裂縫實時延伸采用時間步進式數(shù)值計算方法，因此將體積平衡方程離散為：4

壓裂實時分析模型264.1

實時裂縫三維延伸模型流體壓降方程三維裂縫中的壓降方程為：根據(jù)壓力分布，縫中壓降方程轉(zhuǎn)化為裂縫長度方程為：4

壓裂實時分析模型274.1

實時裂縫三維延伸模型裂縫寬度方程根據(jù)England和Green公式計算裂縫寬度，當裂縫上下都不穿層時，井底裂縫最大寬度為：當裂縫上下都穿層時，井底裂縫最大寬度為：4

壓裂實時分析模型284.1

實時裂縫三維延伸模型裂縫高度方程由線彈性斷裂力學理論，當裂縫上下都不穿層時，裂縫高度方程為：當裂縫上下都穿層時，裂縫高度方程為：4

壓裂實時分析模型294.1

實時裂縫三維延伸模型數(shù)值計算方法施工過程中裂縫三維延伸動態(tài)由上述體積平

衡方程、裂縫長度方程、裂縫寬度方程和裂縫高度方程控制。其數(shù)值計算方法是采用時間步進式數(shù)值計算方法，將裂縫長度方程、裂縫寬度方程和裂縫高度方程代入體積平衡方程，利用方程求根的方法進行數(shù)值求解。

支撐劑沉降狀態(tài)的β準則

裂縫壁面的拉拽效應

支撐劑的干擾沉降

支撐劑的運移分布4

壓裂實時分析模型4.2

支撐劑運移分布模型支撐劑運移分布模型包括：用拉拽效應系數(shù)修正用干擾沉降系數(shù)修正活塞式流動，分段計算30當混砂液含有支撐劑時，混砂液摩阻系數(shù)的計算公式為4

壓裂實時分析模型314.3

井筒流動模型由連續(xù)性方程、流體壓降方程和狀態(tài)方程，

聯(lián)立得到井筒流動模型為4

壓裂實時分析模型324.4

溫度場與液體濾失模型對于井筒溫度計算，采用柱坐標系，取變步長網(wǎng)格系統(tǒng)，根據(jù)熱平衡式，可得到井筒溫度

場數(shù)值計算模型，由追趕法求解。對于裂縫溫度計算，裂縫按單元進行劃分，根據(jù)Carter濾失模型和熱能平衡原理，可建立裂縫溫度場分布的微分方程，求解。對于液體濾失計算，根據(jù)Nolte引入的冪律定律和Carter濾失模型，沿整個裂縫面積分即得液體濾失表達式。

目的及意義

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新研究成果

壓裂實時分析模型

壓裂實時解釋方法

應用內(nèi)

容335

壓裂實時解釋方法34壓裂壓力分析與參數(shù)解釋的實質(zhì)是壓力歷史反演，其輸入是液體泵入，響應是施工過程中記錄的壓力，通過對記錄壓力的分析，提取地層和液體特征，并確定裂縫的動態(tài)延伸規(guī)律。壓裂實時解釋方法包括：

最優(yōu)化模型（以實測的井口壓力為擬合目標）

最優(yōu)化方法（綜合應用逐步線性最小二乘法和約束變尺度法）

數(shù)據(jù)庫技術（為解決反演算法的多解性）5

壓裂實時解釋方法355.1

參數(shù)解釋的最優(yōu)化模型以壓裂施工過程中實測的井口壓力為擬合目標，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，使目標函數(shù)達到最小，進

而求出參數(shù)。因此，取目標函數(shù)為：為使尋優(yōu)過程和解釋結(jié)果符合實際背景，并

克服解釋結(jié)果的多解性，將待求參數(shù)進行約束，使參數(shù)滿足：5

壓裂實時解釋方法365.2

參數(shù)解釋的最優(yōu)化方法引入逐步線性最小二乘法和約束變尺度法進行參數(shù)識別，并綜合應用這兩種方法，即先由逐步線性最小二乘法提供較為理想的初值，再

由約束變尺度法快速準確地尋優(yōu)，同時針對所有優(yōu)化方法都容易將局部極值誤認為全局最優(yōu)的通病，引入兩個完全獨立的尋優(yōu)搜索，如果它們都收斂于同一結(jié)果，才將該結(jié)果作為最終結(jié)果。5

壓裂實時解釋方法375.3

參數(shù)解釋的數(shù)據(jù)庫技術壓裂壓力分析與解釋的實質(zhì)是壓力反演。解決反演算法的多解性最有效的方法是充分利用各種信息和國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果。事實上，施

工過程中記錄的壓力數(shù)據(jù)不是確定參數(shù)唯一可用的資料，其它資料如國內(nèi)外現(xiàn)有理論研究成果與室內(nèi)實驗結(jié)果可用來縮小參數(shù)的取值范圍或規(guī)定這些參數(shù)間的相互關系。基于這一思想，本文通過大量的文獻調(diào)研，綜合利用大量國內(nèi)外現(xiàn)有理論研究成果與室內(nèi)實驗結(jié)果，研制了相應的數(shù)據(jù)庫，以確定參數(shù)的上下界。

目的及意義

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

最新研究成果

壓裂實時分析模型

壓裂實時解釋方法

軟件與應用內(nèi)

容386

軟件與應用396.1

軟件的功能、特點及使用軟件的研制：基于前述模型和方法，遵循以數(shù)據(jù)為中心、可視化操作為主體的原則，參照國際流行軟件的設計風格和操作規(guī)范，模塊化設計，數(shù)據(jù)共

享，壓裂實時監(jiān)測及解釋軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)裁減和管理方便，界面友好，可視化操作面向用戶目標，功能載卸靈活，達到了現(xiàn)代化商業(yè)軟件的要求。6

軟件與應用406.1

軟件的功能、特點及使用軟件的主要功能：診斷和分析裂縫的動態(tài)延伸和支撐劑的運移分布，認識和研究儲層特性，分析和評估現(xiàn)場壓裂液性能和實際施工質(zhì)量，減小施工風險，保證施工按設計要求順利進行，指導并及時修正壓裂設計，提高壓裂水平和施工效果。6

軟件與應用416.1

軟件的功能、特點及使用軟件的主要特點：

獨創(chuàng)的模型居國際領先水平，形式簡明，精度高，計算速度快，算法穩(wěn)定可靠。

解釋參數(shù)全面準確，直接擬合井口壓力，解釋結(jié)

果自動完成，可解釋一些關鍵性的地層特性參數(shù)，如巖石斷裂韌性、地應力分布、地層破裂壓力等，也可實時解釋壓裂液流變性和濾失程度及其動態(tài)變化，還可實時解釋水力裂縫的三維擴展延伸和支撐

劑的運移分布。6

軟件與應用426.1

軟件的功能、特點及使用

通過解釋的地層特性參數(shù)，如(壓裂層、蓋層、底

層的)

地應力分布、巖石斷裂韌性、地層破裂壓力等參數(shù)，可深入認識和客觀分析地層情況，進而指導其它井的壓裂設計和施工，對地層附加壓力的解釋結(jié)合支撐劑在三維裂縫中的運移分布，可實時判斷壓裂井近井地帶的狀況和砂堵的可能性。

通過解釋的壓裂液流變性和濾失程度及其動態(tài)變化情況，可客觀真實地了解現(xiàn)場配制和泵入凍膠的性

質(zhì)，進而在施工現(xiàn)場進行必要的調(diào)整，也能指導壓裂液配方設計。6

軟件與應用436.1

軟件的功能、特點及使用

既可對壓裂過程進行實時監(jiān)測及解釋，又可在壓裂

施工過程的任何時刻根據(jù)實時收集的信息進行處理，及時作出施工未來狀態(tài)的預測。

既適用于壓裂施工過程中進行實時監(jiān)測與分析，又適用于壓裂后隨時進行施工數(shù)據(jù)回放及其分析和解釋，還適用于壓裂后快速分析和解釋。

兼容各種壓裂監(jiān)測儀表(如Halliburton、雙S、長城

等)的施工現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的傳輸和壓后數(shù)據(jù)的保存格式。6

軟件與應用446.1

軟件的功能、特點及使用

軟件掛接于壓裂工程技術軟件系統(tǒng)下，既實

現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理，又便于數(shù)據(jù)裁減，

進行各種統(tǒng)計分析；將公用數(shù)據(jù)和專用數(shù)據(jù)分類管理，可任意組合多種模型和各種因素進行數(shù)據(jù)處理，能綜合應用各種軟件進行相互映證或綜合映證；模塊化設計，算法穩(wěn)定可靠，界面友好易于操作，可視化操作面向用戶目標，達到了現(xiàn)代化商業(yè)軟件的要求。6

軟件與應用456.1

軟件的功能、特點及使用軟件的使用：運行軟件以演示軟件的簡單操作、針對軟件特點的說明。6

軟件與應用6.2

典型應用實例軟件在新疆油田已成功應用60余井次，下面以新疆

彩003井的油管壓力和火北1井的套管壓力數(shù)據(jù)所進行的解釋為例，加以分析和說明。466

軟件與應用擬合情況：理想。47突出特點：自動擬合，6.2

典型應用實例(彩003擬井合井)口壓力。監(jiān)測數(shù)據(jù)與壓力擬合情況裂縫三維延伸情況48軟件與應用國外同類軟件也可解釋，只是精確度不同、軟件使用的難易程度不同、66.2 典型應用實需輸例入的(彩參數(shù)0有0很3大井差異)。壓裂液

性能動態(tài)變化情況國外同類軟件解釋的重點，據(jù)此可以了解現(xiàn)場壓裂49軟件液的與性能應，差用別在于國外同類軟件需手動完成，而這在施工現(xiàn)場幾乎是不可能完成的，換句話說，就66.2

典是型不能應實時用解實釋。例(彩003井)6

軟件與應用6

軟件與應用6.2 典型應用實例)(彩003井)附加壓力動態(tài)變

化情況50附加壓力、巖石特性參數(shù)等是國外同類軟件不能解釋的，而這些參數(shù)對于本井施工的安全性和指導后續(xù)井施工具有十分重要的意義。6

軟件與應用國外同類軟件不能解釋，對51實時了解支撐劑運移分布及6.2 典型應用實例(是(彩否砂0堵0有3重井大意)義。砂

堤砂

濃度縫寬6 軟件與應用6.2

典型應用實例(彩003井)主要解釋結(jié)果統(tǒng)計與對比可對比的解釋結(jié)果基本吻合，另外與52井溫測試的縫高(24.6m)也一致。6

軟件與應用擬合情況：理想。53突出特點：自動擬合，6.2

典型應用實例(火北1擬井合井)口壓力。監(jiān)測數(shù)據(jù)與壓力擬合情況66.2裂縫

三維延伸情況軟件與應用國外同類軟件也可解釋，只是精確54度不同、軟件使用的難易程度不同、典型應用實需輸例入的(火參數(shù)北有很1大井差異)。壓

裂液性能動態(tài)變化情況國外同類軟件解釋的重點，據(jù)此可以了解現(xiàn)場壓裂55軟件液的與性能應，差用別在于國外同類軟件需手動完成，而這在施工現(xiàn)場幾乎是不可能完成的，換句話說，就66.2

典是型不能應實時用解實釋。例(火北1井)6

軟件與應用6

軟件與應用6.2 典型應用實例)(火北1井)附加

壓力動態(tài)變化情況附加壓力、巖石特性參數(shù)