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1、低渗储层压裂优化设计技术,中国石油大学（北京） 石油工程学院 2009.06,主要内容,水力压裂技术原理及发展水力压裂优化设计技术水力压裂工艺技术4 水力压裂实例,第一部分,水力压裂技术原理及发展,1 水力压裂技术原理及发展,1.1 水力压裂概念及发展 1.1.1 水力压裂的概念:利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝。继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工
2、艺措施。,增产原理：,（1）人工裂缝 kf k，kf3060dc。,（2）改变了流动形态，由径向流双线性流（地层线性流道裂缝，裂缝内流体线性流入井筒）。,降低井底附近地层渗流阻力,1 水力压裂技术原理及发展,1.1.2 水力压裂现场,1 水力压裂技术原理及发展,1.1.3 水力压裂过程,条件：井底压力大于岩石的抗张强度（断裂韧性）,压裂过程：,注入高压前置液,起裂,扩展,注入携砂液 （石英砂，陶粒）,压裂液返排,裂缝闭合,高导流的人工裂缝,1 水力压裂技术原理及发展, 解除钻井或修井过程中由于压井液造成的油层污染和堵塞。 改善厚油层上下渗透性不均匀的层内矛盾。 提高低渗透油层的渗透能力，调整油
3、井的层间和平面矛盾，改善开发效果； 扩展和沟通油层原有的裂缝和通道，提高油井的产油能力和注水井的吸水能力。,1 水力压裂技术原理及发展,1.1.4 水力压裂的作用,对油层进行水力压裂有以下作用：,1.1.5 国内外整体压裂发展历史,1968年D. A.T. Donohue, 等使用电解模型实验和数值模拟相结合的方法，研究了五点井网中所有井都压裂时，水力裂缝长度和方位对面积驱油效率的影响。 1988年，Bargas等通过数值模拟方法研究水力裂缝在不同的方位、长度、与导流能力时对油藏面积扫油效率的影响。提出若裂缝方位有利，注入井与生产井两者都应进行压裂，面积扫油效率将随着缝长的增加而增加。,国外：
4、,1 水力压裂技术原理及发展,1995年，D.N.Meehan研究了非均质油藏中裂缝长度和井距的优化。得出了油藏非均质性、渗透率的各向异性对非均质气藏开发具有重要影响的结论，并通过经济模型对井距和缝长进行了优化。,1 水力压裂技术原理及发展,国内：,1993年，石油大学硕士论文注水开发油田整体压裂改造水力裂缝参数对采收率的影响研究。文中利用电解模型和数值模拟的方法研究了五点井网整体压裂改造后的水力裂缝参数和裂缝方位对产量和采收率的影响，体现了在五点井网整体压裂改造中对水力裂缝参数进行优化的思想。这是国内第一篇体现“整体压裂优化设计”的论文。,方法：采用把裂缝宽度放大，渗透率减小的等效阻力法处理
5、裂缝系统，把油藏和裂缝作为同一体系，建立两维两相油藏数值模型进行编程计算，并结合五点井网的电解模型实验对数值模拟结果进行验证。,1 水力压裂技术原理及发展,1997年，石油大学硕士论文低渗油田压注采水力裂缝参数优化研究。文中建立三维两相非均质油藏数值模型和两维两相水力裂缝模型，利用边界条件实现两个模型之间的连接，计算时分别求解。编制带有多条人工裂缝的油藏数值模拟生产预测程序，并利用此程序研究五点井网和反九点井网单元，在不同的压裂方式下，水力裂缝参数对油井产量、水井注入量、无水采收率和最终采收率等的影响。,1 水力压裂技术原理及发展,2000年，中国石油大学（北京）将压、注、采三个分系统综合在一
6、个整体系统中进行研究，在整体压裂改造方案设计应用了多目标优化方法。利用经济评价和经济优化对整体压裂方案进行了优化设计。 2003年，中国石油大学（北京）建立了均质和各向异性低渗透油藏整体压裂改造时形成水平或垂直裂缝油藏数值模型，研究了井网类型、井距、裂缝方位、裂缝参数以及注采压差对开发指标的影响。,1 水力压裂技术原理及发展,2004年，中国石油大学（北京）对水平缝四点井网整体压裂进行了优化设计研究，建立了水平缝整体压裂改造后油水井生产动态预测模型，以整体压裂改造后的增产量、采出程度和经济效益等为目标进行了裂缝参数（裂缝半径、导流能力）优化研究，研究成果在萨南油田实际应用取得了较好的增产效果和
7、经济效益。,1 水力压裂技术原理及发展,2005年，中国石油大学（北京）对裂缝导流能力的计算进行了改进，考虑了裂缝的失效性，应用FCES-100型裂缝导流仪对支撑裂缝导流能力进行了评价，回归出导流能力与闭合压力和压裂时间的关系式，并把回归关系式应用到数值模拟中。结果表明，改进后的数值模拟结果与实际生产动态具有更好的一致性。解决了如何处理裂缝导流能力的问题。,1 水力压裂技术原理及发展, 随着水力压裂施工的要求越来越高，压裂液和支撑剂的性能也需越来越高，因此必须加强高性能压裂液和支撑剂的研究与开发。 发展和研究裂缝的检测技术。目前压裂后裂缝的检测技术仍然是水力压裂技术的一个薄弱环节，国内外采用的
8、检测方法虽然取得了一定的成效，但还有很大的局限性，还需要进一步的研究。 在中高渗透地层中应用端部脱砂压裂技术，扩大水力压裂技术的应用范围。 发展矿场实时监测和分析技术，提高施工的成功率和有效率。,1 水力压裂技术原理及发展,1.1.5 水力压裂的发展方向,1.2 压裂材料功能和作用,1 水力压裂技术原理及发展,压裂的实质是利用高压泵组，将具有一定粘度的液体高速注入地层。当泵的注入速度大于地层的吸收速度时，地层就会产生破裂或使原来的微小缝隙张开，形成较大的裂缝。随着液体的不断注入，已形成的裂缝向内延伸。为了防止停泵以后，裂缝在上部岩层的饿重力下重新闭和，要在注入的液体中加入支撑剂，使支撑剂充填在
9、压开的饿裂缝中，以支撑缝面。 根据压裂液在压裂过程中不同阶段的作用，可分为前置液，携砂液和顶替液。,1 水力压裂技术原理及发展,前置液的作用是破裂地层，造成一定几何尺寸的裂缝，以备后面的 携砂液进入。在温度较高的地层里，还可以起到一定的降温作用。,携砂液的作用是用来将地面的支撑剂带入裂缝，并携至裂缝中的预 定位置，同时还有延伸裂缝、冷却地层的作用。,顶替液的作用是将携砂液送到预定位置，将井筒中的全部携砂液替 入裂缝中。,1）前置液,2）携砂液,3）顶替液,1.2.1 压裂液的种类和作用,压裂液要直到传压、劈开裂缝，携带支撑剂进入油层的作用。因此它要具有如下五个方面的基本性质： 滤失量小，不易漏
10、入油层，有利于造缝； 摩擦阻力小，以减少设备的动力损失； 悬浮能力好，能够大比例地携带支撑剂进入油层； 与油层不发生化学反应，压裂后易于返排，不污染和堵塞油层； 材料来源方便，配制简单，成本低。,1 水力压裂技术原理及发展,1.2.2 压裂液的性质,1 水力压裂技术原理及发展,1.2.3 支撑剂的种类和作用,支撑剂是在压裂过程中用于支撑和充填油层裂缝的固体颗粒，支撑剂在用压裂液带入裂缝后，在压力释放后用以支撑裂缝的物质。 常用的支撑剂有：石英砂、陶粒、玻璃球等多种类型。, 前期压裂油藏评估 压裂优化设计模型发展 小型压裂测试分析 加砂压裂程序的优化,1 水力压裂技术原理及发展,1.3 压裂优化
11、设计内容及重要性,1.3.1 压裂优化设计的内容,1 水力压裂技术原理及发展,1.2.2 压裂优化设计的重要性,水力压裂是改造油气层的有效方法，是油气水井增产增注的重要措施，而压裂设计是影响水力压裂施工成效的关键因素之一。,目前国内外在水力压裂裂缝延伸模拟及施工设计等各方面都做了大量的研究工作，裂缝延伸模型已从二维发展到三维，基于裂缝三维延伸模型的支撑剂运移分布模型已初步建立，压裂设计方法主要包括根据施工规模预测压裂效果和根据增产要求设计施工规模的两种设计思想体系，但应用裂缝三维延伸模拟技术进行压裂施工设计尚待进一步研究。,第二部分,水力压裂优化设计技术,优化压裂设计在水力压裂技术中占有主要位
12、置。这项设计要求首先用油藏动态模拟预测不同的裂缝长度和导流能力可能达到的油气产量，然后用所测得的数据建立裂缝长度和经济效益之间的关系，确定达到不同的裂缝长度和导流能力所需要的费用，最大限度地提高经济效益。近年来，优化压裂设计水平的提高主要表现在压裂设计模型和压裂液体系设计的发展和应用上。,2 水力压裂优化设计技术,主要三个设计步骤:首先，是水力压裂前期评估，讲述开展压裂设计前油藏参数的录取、测井资料的分析、室内岩心试验、垂向应力剖面计算、区块压裂或邻井压裂资料分析、小型压裂测试资料分析等；其次是压裂设计过程中压裂模拟模型的选取、影响压裂参数选取及产能的关键因素、压裂优化设计及实例；最后介绍压后
13、效果评价对压裂优化设计的影响。,2 水力压裂优化设计技术,压裂设计的任务：,优选出经济可行的增产方案,压裂设计的原则：,最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用,使压裂后油气井和注入井达到最佳状态,压裂井的有效期和稳产期长,压裂设计的方法：,根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂方案。,2 水力压裂优化设计技术,压裂设计方案的内容：,裂缝几何参数优选及设计；压裂液类型、配方选择及注液程序；支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效果预测和经济分析等。区块整体压裂设计还应包括采收率和开采动态分析等。,2 水力压裂优化设计技术,主要内容： 1）压裂油藏参数录
14、取及测井资料分析 2）室内岩心试验及垂向应力剖面计算 3）前期压裂资料分析 4）小型压裂测试资料分析及应用,2 水力压裂优化设计技术,2.1 水力压裂前期评估,2 水力压裂优化设计技术,优化设计的几个关键参数为无因次采液指数、无因次支撑剂数、无因次裂缝导流能力。油井通常有着限定的泄油面积，并且在整个生产过程的大部分时间内，以拟稳态的方式生产。拟稳态情况下,油井采液指数定义为：,2.1.1 决定压裂效果的关键参数,2 水力压裂优化设计技术,无因次采液指数表示为：,对于未采取压裂措施增产的油井，在圆形油藏中，无因次采液指数可以表示为：,2 水力压裂优化设计技术,对于采取压裂增产措施的油井,无因次采
15、液指数由支撑在油层部分的支撑剂体积、支撑剂质量(或者渗透比)、生成裂缝的几何形状所决定。无因次支撑剂数代表了压裂的规模,其定义为：,无因次导流能力定义为：,各符号的意义： PI采液指数 ,m3/(d MPa) ;q日产液量, m3/d ;p平均油藏压力 ,MPa ; Pwf井底流压 ,MPa ; JD 无因次采液指数; 1系数; B 体积系数; 粘度 ,mPa s ; K 地层原始渗透率 , m2; h 油层厚度 ,m。,2 水力压裂优化设计技术,re泄油半径 ,m; rw井筒半径 ,m; S 表皮系数。 Nprop无因次支撑剂数; Kf裂缝渗透率 , m2 Vp裂缝中支撑剂体积,m3 Vr油
16、藏体积 ,m3 CfD无因次导流能力; wp裂缝宽度 ,m; Xf裂缝半长 ,m。,2 水力压裂优化设计技术,2.1.2 参数关系分析,决定压裂设计效果的以上几个参数间存在着如图1、 图2所示的关系。,图1 无因次采油指数与无因次裂缝导流能力和支撑剂数关系曲线 （Nprop0.1）,从图1、 图2 可以看出 ,无因次支撑剂数是裂缝优化设计中一个重要参数。而对于每个给定支撑剂数的条件下 ,存在一个最优的无因次导流能力值来对应最大的无因次采液指数。,2 水力压裂优化设计技术,一个支撑剂数对应一条曲线 ,意味者每条曲线上进入目的油层的支撑剂数量是固定的。而不同的缝宽、缝长组合得到不同的无因次导流能力,从而得到不同的无因次采液指数。对于给定的支撑剂数，最佳的缝宽、缝长组合得到无因次导流能力值对应着每条曲线的峰值。,
