油水井增产增注技术第七章解读

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1、第七章 压裂设计及压后分析,压裂设计的基本任务 压裂设计参数 压裂模型与裂缝几何参数 压后分析,一、压裂设计的基本任务,一个优化的压裂设计必须完成如下基本任务： 在给定的储层和注采井网条件下，根据不同裂缝长度和裂缝导流能力预测井在压后的生产动态； 根据储层条件选择压裂液、支撑剂等压裂材料的类型；并确定达到不同裂缝长度和导流能力所需要的压裂液与支撑剂的用量； 根据井下管柱与井口装置的压力极限，确定泵注方式、泵注排量、所需设备的功率与地面泵压； 确定压裂施工时压裂液与支撑剂的泵注程序； 对上述各项结果进行经济评价，并使之最优化； 对这一优化进行检验。,二、压裂设计参数,设计参数的分类 有效渗透率

2、有效厚度 地层温度 地层压力 地层流体密度，粘度和压缩系数 岩石力学性质、泊松比和弹性模量 地应力及其垂向分布,地层破裂压力和破裂压力梯度 裂缝延伸压力 裂缝闭合压力 盖、底层性质 油管 套管 井口装置 封隔器 射孔状况,（一）设计参数的分类,1.油气井参数 2.油气层参数 3.压裂参数 4.经济参数,定义： 有效渗透率：在多孔介质中如有两种以上的流体流动，则该介质对某一相的渗透率称之为有效渗透率（或相渗透率)。 作用： 有效渗透率是检验井在压前生产状况，预测压后产量及评价压裂效果的重要参数。 有效渗透率是储层定性评价标准之一，也是划分增产措施类别的主要依据。 判断近井地带渗透率的变化，确定压

3、裂作业的性质（解堵或改造)。 有效渗透率与压裂液综合滤失系数的二次方成正比。 有效渗透率是选择压裂支撑剂类型、尺寸与铺置浓度 (确定施工砂液比）的主要依据。,（二）有效渗透率,定义 有效厚度是指油气层在目前经济技术条件下具有产出工业性油气的实际厚度。 作用 油气层有效厚度是检验压前生产状况，预测压后产量，评价压裂效果的重要参数。 有效厚度及其在平面上的分布是压裂选井选层的主要依据。 有效厚度是影响设计最优化的关键参数之一。 采集方法 有效厚度的划分，应以岩心资料分析为基础，单层试油资料为依据，利用测井解释资料加以确定。 使用油气田的有效厚度等值图估算压裂井层的有效厚度。,（三）有效厚度,定 义

4、 地层温度是指在静态无干扰条件下所具有的温度。 作 用 地层温度是选择压裂液的主要依据。 地层温度是控制压裂液在缝中粘度、 流态指数与稠度系数等设计参数的重要因素 。,（四）地层温度,定义 原始地层压力：原始地层压力是指油气层在未开采前从探井中测得的油气层中部的压力。 目前地层力：油气藏投人开发后，在某一时期内测得的油气层中部压力称之为该时期的目前地层力 。 静止压力：指油气井在关井后，待压力恢复到稳定状态时所测得时油气层中部压力，简称为静压 。 作用 1) 衡量油井自喷能力的强弱。 2) 它也是选择压裂液类型的依据之一。 3) 地层压力是检验压前生产状况， 预测压后产量与评价压裂效果的重要参

5、数。 4) 地层压力与地层破裂压力有关。,（五）地层压力,定义 地层流体密度：单位原油 （ 气） 体积的质量。 地层流体粘度又称为粘滞系数：是指在地层条件下油气内部摩擦引起的阻力。 原油压缩系数：在地层条件下每变化 1MPa 压力，单位体积原油的体积变化率。 作用 1) 地层流体粘度是确定压力恢复试验取得的流动系数和流动度必不可少的参数。 该值估算的大小影响到有效渗透率的准确与否。 2) 地层流体粘度和压缩系数与压裂液滤央系数有关，因此，影响到裂缝的几何尺寸。 3) 这些地层流体性质是预测压后产量，进行经济评价，确定设计的最优化以及评价压裂效果的重要参数。,（六）地层流体密度、 粘度和压缩系数

6、,定义 岩石的泊松比：当岩石受抗压应力时在弹性范围内，岩石的侧向应变与轴向应变的比值。 岩石的弹性模量：岩石受拉应力或压应力时，当负荷增加到一定程度后，应力与应变曲线变成线性关系。 比例常数称为岩石的弹性模量。 作用 1) 泊松比是使用测井方法确定地层水平主应力值及其垂向分布的重要参数。 由于地应力值与地层破裂压力、 裂缝延伸压力 、 裂缝闭合压力以及裂缝高度有关， 所以， 泊松比在压裂设计中起着重要作用。 2) 弹性模量在设计中的重要性与泊松比相同。 在应用线弹性压力一应变理论推导的压寧模型的设计计算中， 该值关系到裂缝的儿何尺寸。,（七）岩石力学性质、 泊松比和弹性模置,定义 地应力的概念

7、：地下埋藏的岩层， 由于受上覆岩层的重力作用和构造运动的影响， 岩层处于压应力状态。 作用在地下某岩石单元体上的垂向主应力和 水 平 主 应 力就称之为地应力。 垂向主应力：作用在岩石单元体上的垂向主应力来自上覆岩层重力。 作用 1) 垂向与水平主应力的相对大小，决定了水力裂缝的形态和方位。 2) 进行储层物性、岩石力学参数以及裂缝方位等岩心试验中，地应力值是必不可少的试验依据。 3) 储层与其上下岩层的就地应力值以及地应力的垂向剖面，是拟三维或全三维压裂设计计算时最基本的设计输人参数。 4) 上下岩层与地层的地应力差如大于 13.8MPa，则上下岩层可以起到控制裂缝高度扩展的遮挡作用 。 5

8、) 储层与其上下岩层的地应力差，也是确定分压层段，选择分压方法的主要依据。,（八）地应力及其垂向分布,定 义 地层破裂压力：使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底流体压力。 破裂压力梯度：地层破裂压力与深度的比值。 作 用 1) 地层破裂压力是确定井下管柱 、 井下工具、 井口装置力极限的主要依据。 2 ) 根据破裂历力 d以确定压裂施工时的最高地面泵压 、 泵注排量以及需用设备功率。 3）根据破裂压力梯度可以大致推断水力裂缝的形态。,（九） 地层破裂压力和破裂压力梯度,定 义 裂缝延伸压力：水力裂缝在长 、 宽 、 高三个方向扩展所需要的缝内流体压力。 一般， 它比闭合压力大， 且与裂缝大

9、小及压裂施工有关。 单位以 MPa 表示。 作 用 1) 裂缝延伸压力是拟三维或全三维压裂设计必须输人的关键参数。 2) 裂缝延伸压力的变化反映了水力裂缝在延伸过程中可能发生的变化， 因此， 可用来指导现场的施工作业。,(十）裂缝延伸压力,定 义 裂缝闭合压力可用以下不同方式定义： 1) 开始张开一条已存在的裂缝所必须的流体压力； 2) 使裂缝恰好保持不致于闭合所需要的流体质力。 作 用 1) 裂缝闭合压力是所有压裂压力分析的参考或基准的压力，该压力相当于油藏渗流分析中的原始地层压力。因此， 它是压裂设计与压裂效果评价的重要参数。 2) 裂缝闭合压力是选择支撑剂类型、 粒径、 铺置浓度和确定导

10、流能力的主要依据。,( 十 一）裂 缝 闭 合 压 力,定义 盖 、 底层：储层上下的岩层。 盖、 底层的性质：包括盖、底层的岩性及其力学参数、 厚度及其在平面上的分布与地应力等。 作用 1）盖、 底层的作用在于能否控制裂缝的垂向扩展， 保证裂缝在压裂目的层内延伸。 2）裂缝穿透的盖、 底层如具有一定的渗滤作用， 将会增加压裂液的滤失 ， 如穿透到高含气层或产水层， 将导致压裂失败。,(十二） 盖、 底层性质,大多数压裂施工是通过油管进行的。 油管泵注的优点 有利于保护套管， 相对于油套环形空间泵注或套管泵注而言， 在相同的排量下 ， 能保持较高的流速 ， 减少或避免在井筒内脱砂 ， 以及便于

11、压后的井下作业。 油管泵注的缺点 产生的高沿程摩阻将增加地面泵压， 使泵注排量受到限制且要消耗大部分设备功率， 以致降低压裂的净收益。 因此， 油管的尺寸、 规范、 钢级及抗拉、 抗内压、抗外挤等性能是确定泵注排量、 地面泵压、 井口装置、 需用功率以及安全作业必须考虑的重要因素。,( 十 三）油 管,如果选用油套管环形空间或油套管合注的方式压裂， 那么，套管的每一部分都需要承受最髙的施工压力； 如果井内下有封隔器， 封隔器以下的套管也必须能够承受最髙的施工压力。 因此，泵注排量的极限与地面泵压的极限取决于套管允许的抗内压强度。 与油管泵注比较， 使用套管压裂的优点是沿程摩阻小、 地面泵压低、

12、 泵注排量大， 在相同的地层条件下， 同一排量可节约设备功率， 降低施工成本。,（十四） 套管,作用 井口装置的作用在于联接地面压裂车组与井筒内的油套管柱，使压裂车泵出的流体通过井口沿井下管柱泵人地层。因此，井口装置的承压能力影响泵注排量与地面压力极限的选择与确定。 选择 1) 对于浅井或破裂压力较低的井， 可直接使用常规采油树作为压裂井口。 一般 ， 这种丼口可承压 24.5MPa。 2) 如果预期的地面压力大于井口的额定压力， 则应根据地面压力选用如下压裂井口,( 十五） 井口装置,作用 在压裂施工中， 封隔器可以隔绝油管与油套环形空间之间的流体流动和质力传递， 起到保护套管 、 封隔非压

13、裂层段的作用。 选择 (1) J 型压裂封隔器 (2) EA 型压裂封隔器 (3) N-1 型压裂永久式桥塞 (4) 电缆坐封， 油管打捞， 可回收式m裂桥塞 (5) G 型可回收压裂桥塞 (6) BOBCAT 型可回收压裂桥塞,( 十六） 封隔器,射孔孔眼是沟通井筒与地层的通道。压裂施工时，压裂流体需经孔眼进人地层， 压后，油气流也要经过孔眼进入井筒。因此，掌握压裂井层射孔方法与射孔弹的选择、孔眼的分布、尺寸、相位角以及穿透深度等射孔状况，对压裂设计来说是非常重要的。,( 十七） 射孔状况,一、压裂模型的基本内容和基本方程 二、PKN模型 三、KGD模型 四、PKN模型和KGD模型的比较 五

14、、选择二维压裂模型的一般原则,三、压裂模型与裂缝几何参数,压裂模型的基本内容： 1) 裂缝张开模型； 2) 流体流动模型； 3) 裂缝延伸准则； 4) 当进行数值解时的裂缝延伸计算法。 压裂模型即是对上述问題的组合求解，以便在给定的地质与工程条件下，计算裂缝的几何尺寸。 裂缝的几何尺寸是指裂缝的长、 宽和髙。,3.1压裂模型的基本内容和基本方程,压裂模型的基本方程: 裂缝扩展宽度方程岩石变形的平衡方程 流体降压方程 流体连续方程 裂缝延伸准则方程,3.1压裂模型的基本内容和基本方程,由Perkins和Kern提出后经Norgren和Nolte加以发展的二维假设， 在用模型求解裂缝几何尺寸时称为

15、PKN模型。,3.2 PKN模型,W(x,z,t),L(t),H,基本假设条件 1) 地层均厚， 且各向同性； 2) 地层岩石变形为线弹性应变，平面应变发生在垂直剖面上，压裂层与上下岩层之间无滑移，裂缝剖面是椭圆形； 3) 流体在裂缝中作:x方 向 的 一 维 流 动； - 4) 地层为非渗透性地层， 不考虑流体的滤失； 5) 在方向上的压力降完全由流体的流动阻力所引起 6) 在裂缝延伸前缘， 流体压力等于地应力； 7)幂律型流体以恒定的排量泵注； 8) 裂缝高度是给定的常数， 并受储层上下遮挡层的控制。,3.2 PKN模型,裂缝几何尺寸的计算 (1) 裂缝宽度的计算式 1) 对于牛顿型流体：

16、 线性流 湍流 2) 对于非牛顿型流体,3.2 PKN模型,3.2 PKN模型,由Khristianovic与Zheltov提出，后经Geertsma与Dekerk,Daneshy, Settari 等人发展的二维假设，用模型求解裂缝儿何尺寸时称为KGD模型KGD 模型假设在边界层面上产生滑移，因此，裂缝剖面的形状是矩形：,3.3 KGD模型,基本假设条件 1) 地层为均质，且各向同性； 2) 地层岩石变形为线弹性应变，平面应变发生在水平面上 ,储层与上下岩层之间产生相互滑移，裂缝剖面是矩形； 3) 流体在缝中作一维的层流流动； 4) 地层为非渗透性地层， 不考虑流体的滤失； 5) 垂直剖面上， 流体压力为常数，