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1、中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）中国石油大学（北京）现代远程教育毕 业 设 计（论文）压裂井返排优化设计研究 姓 名：12212 学 号：2121232 性 别：212 专 业: 石油工程 批 次：2121212 学习中心：2121212 指导教师：121212 2017年3月30日ii压裂井返排优化设计研究摘要加砂压裂是低渗油气藏开发评价和增储上产必不可少的技术措施，然而经过大量的现场施工发现，如果压裂后油井排液控制不当或生产过程中配产不合理，将导致支撑剂回流或出砂，引起气井产能严重下降，从而影响最终的压裂效果。本文分析了支撑剂回流机理，建立了压裂液返排过程中临界返排流量、支
2、撑剂返排速度和沉降速度计算模型，提出了控制支撑剂回流的放喷油嘴选择原则。在考虑气井生产过程中既要返排注入地层中的压裂液，同时又不将地层砂(包括支撑剂)带入井筒的前提下，推导出了压裂油井的临界产量计算公式。结合实际的压裂施工资料进行了实例计算分析，为指导压裂液返排和确定气井合理产能提供依据。关键词：油井压裂；支撑剂回流；压裂液返排；出砂；临界产量ABSTRACTSand fracturing is the necessary technical measures to the development evaluation and the reserves-increasing and outpu
3、t-increasing of low-permeability oil reservoirs。But a lot of field constructions show that，the improper flowing-back control and the irrational allocation of fractured oil wells will lead to the back flow of porppant and the sanding of reservoir，and then cause the reduction of the productivity of fr
4、actured oil wells。Based on the analysis of the mechanism of the proppant backflow，the models for calculating critical flowing back flow rate，proppant backflow speed and proppant settling rate are established，and the principles for selecting boosting beans to control the proppant backflow are present
5、ed 。The critical output calculating formula of the fractured oil wells is derived under the presupposition of formation sand and proppant being not carried to wellbore in fracturing fluid flowing-back process。A case is presented，which can guide the flowing-back of fracturing fluid and the determinat
6、ion of the reasonable productivity of fractured oil wells。Key words:oil well；fracturing；backflow of proppant；flowing back of fracturing fluid；sanding；critical output目录摘要I第一章 前言11.1 研究的目的与意义11.2 研究现状11.2.1 支撑剂及支撑剂防砂现状11.2.2 压裂液返排研究现状51.3 支撑剂回流研究现状6第二章 压裂油井支撑剂回流及出砂控制模型的建立92.1 临界流量的建立92.2 支撑剂的回流速度92.3
7、放喷油嘴选择102.4 控制压裂油井出砂的合理产量10第三章 计算机程序编制及模型的应用143.1 计算机程序的编制143.2 压裂液返排过程中支撑剂回流模型应用183.3 压裂油井生产过程中出砂控制模型应用23第四章 总结26参考文献27第一章 前言1.1 研究的目的与意义加砂压裂是低渗油气藏开发评价和增储上产必不可少的技术措施，而油井压后的压裂液返排是水力压裂作业的重要环节。因为即使水力压裂的设计和施工做得再好，如果在压后返排方式上做得不够理想，也很难充分发挥油井的潜在产能。由于返排这一过程是在裂缝闭合期间进行的，因而适当的返排程序和返排速度是保持裂缝导流能力的关键，油井压后的产能在很大程
8、度上取决于该导流能力。压裂施工后合适的返排，就是使最少的支撑剂流出，保持裂缝较高的导流能力，同时又流出最大量的注入液体，提高压裂液的返排效率。但是，由于对压后关井期间或返排过程中的裂缝闭合情况、支撑剂运移情况、压裂液的滤失变化情况不能很好地把握，所以对返排流量的控制显得无据可依。当开始返排时，返排速度十分关键。如果排液速度过快，高速流动的压裂液冲刷近井筒地带的砂拱，引起支撑剂充填失效，导致支撑剂回流，从而导致人工裂缝的支撑状况变差，导流能力下降，影响油井产量，或导致井底沉砂堆积掩埋油层，或出砂侵蚀地面油嘴和阀门，影响采油工作的正常进行；如果排液速度过慢，压裂液携带支撑剂滤失进生产层中，压裂液残
9、渣造成地层有效渗透率的降低，对储层造成二次伤害，并且压裂液不及时返排的话，产层中的气体进入到裂缝中，引起气液两相流，地层压降递减，地层能力损耗，从而影响压裂液的最终返排效率。存在这些问题的重要原因是在压裂液的返排控制过程中大多采用经验方法，缺少可靠的理论依据。因此，对返排过程进行合理优化，使之有据可依，合理控制压裂液的返排速度，合理控制压裂液的返排过程，就显得尤为必要。1.2 研究现状1.2.1 支撑剂及支撑剂防砂现状水力压裂从20世纪40年代末开始以来，其支撑剂经历了六十年的发展，所用的支撑剂大致可分为天然的和人造的两大类，前者以石英砂为代表，后者主要为电解、烧结陶粒。50-60年代曾经使用
10、的金属铝球、塑料球、核桃壳和玻璃球等支撑剂由于自身存在的缺点已被淘汰。石英砂在60年代后开始在现场应用，90年代以后仍在浅井、中深井中广泛应用。但随着深层致密油气层的开发，油气层闭合压力增加到一定值，石英砂已不能适应这种地层水力压裂的要求，而研制了高强度的人造陶粒支撑剂1。首先介绍一下天然石英砂。石英砂是一种分布广、硬度大的天然的稳定性矿物，其主要化学成分为二氧化硅，主要产于沙漠、河滩和沿海地带，矿物组分以石英为主，石英含量一般在80%左右，国外优质石英砂中石英含量可达98%以上。石英颗粒相对密度约在2.65左右，体积密度约在1.75g/cm3。对于低闭合压力的储层，使用石英砂作为压裂用支撑剂
11、取得了一定在增产效果。石英砂的相对密度较，便于施工泵送，且价格便宜，因而在浅井中至今仍被大量使用。但是石英砂具有以下缺点：(1)石英砂强度较低，开始破碎的压力约为20MPa，不适合在于中高闭合压力的压裂层中使用。(2)石英砂圆球度较差，表面光洁度较低，对支撑裂缝渗透率有不利影响。(3)石英砂的抗压强度低，破碎后将大大降低裂缝的导流能力；圆球度、表面光洁度较低，加之受嵌入、微粒运移、堵塞、压裂液伤害（滤饼和残渣）及非达西流动、时间等因素的影响，其导流能力可降低到1/10或更低一些。因此石英砂仅适用于浅井、低闭合压力油气层的水力压裂。我们通过对石英砂改造就形成了树脂包层砂。预固化树脂包层砂是近10
12、余年来发展起来的，针对天然石英砂抗压强度低、导流能力差而研制的支撑剂，采用特殊工艺将改性苯酚甲醛树脂包裹到石英砂的表面上，并经热固处理制成，一般它的颗粒密度为2.55，比石英砂略轻。由于在砂子表面包裹了一层高强度树脂，使闭合压力分布在较大的树脂层的面积上，减少了点负荷，这样即使压碎了包层内的砂子，外边的树脂层仍可以将碎块、微粒包裹在一起，防止它们运移或堵塞支撑剂带的孔隙，使裂缝保持有较高的导流能力。适用于深层低渗透油气藏的支撑剂应该是人造陶粒支撑剂。对于深层低渗透油气藏，油气层埋藏较深，地层闭合压力高，温度也较高，石英砂不能适应该条件下水力压裂的需要。目前深层低渗透油气藏主要使用的支撑剂是人造
13、陶粒支撑剂，陶粒从生产工艺上分为电解和烧结两种，其主要物料是铝矶土。陶粒具有很高的强度，尤其是在高闭合压力下仍具有非常高的导流能力。随闭合压力的增加或承压时间的延长，陶粒的破碎率要比石英砂低的多，导流能力的递减率也要慢得多。盐水中陈化240 h后抗压强度不变。因此对于任一深度任一储层来说，使用陶粒支撑水力裂缝都会获得较高的初产量、稳产量与更长的有效期。水力压裂后的支撑剂回流一直是困扰油气采输的难题之一，有的施工井支撑剂回流量高达注入总量的20% 。70年代末，树脂涂层(包胶)支撑剂投入应用并获成功后，这种支撑剂控制回流技术受到广泛重视，发展迅速。80年代相继开发出可固化、预固化和双涂层支撑剂及
14、现场包胶注入技术。进入90年代后，包胶支撑剂已能在保持102um3渗透率的同时，抗压强度达62MPa。同时，现场上也应用了一些新支撑剂回流控制方法，收到了良好效果。下面介绍一下控制支撑剂回流的新技术2。树脂涂层防砂技术：树脂涂层支撑剂(RCP)是在普通的石英砂表面均匀地涂覆一层树脂而制成的防砂材料。这种材料呈松散状，在常温常压下稳定，不发生粘连。树脂涂层支撑剂用于油气田井下作业始于20世纪 70年代中期。这种防砂技术就是利用砂粒表面包复的树脂在地层温度、压力下发生固化反应，使涂层砂固结而形成具有中等强度的可渗滤的人工井壁，成为可阻挡地层砂进入井筒的防砂屏障。由于树脂涂层支撑剂具有以下优点： (
15、1)抗破碎能力比较好；(2)可防止支撑剂吐出及嵌入地层；(3)防止细粉运移，因而能保持裂缝有较好的渗透率。但树脂涂层支撑剂能与压裂液的部分添加剂(如pH值调节剂、交联剂和破胶剂等)发生化学反应，从而影响支撑剂在裂缝中的堆积，并且 RCP的固化需要较长的关井时间，增加了施工时间及费用。另外，树脂涂层支撑剂不能在温度大于200 时使用，并且在温度低于50 时需要催化剂以促使包胶树脂固化。所以树脂涂层支撑剂的应用受到了一定的限制，要使用RCP必须进行合理的选井选层。纤维防砂技术：利用纤维形成的网络结构可以允许流体自由通过而不影响土壤微粒性质的特点，所以纤维早期用于固定土壤以防止因洪水、塌方和土壤侵蚀引起的自然灾害。根据纤维的这一原理 ，我们可以把纤维用来防止支撑剂的回流。纤维材料通过在裂缝中构成一种类似网状的互绕结构，固定住支撑剂、增加支撑剂充填层的稳定性 ，但不影响液体的自由流动。由于它采用的是物理稳固机理、而非复杂的化学固化反应，与压裂液及交联剂、破胶剂等添加剂的配伍性好 ，它受地层温度、裂缝闭合压力和关井时间的影响较小，应用范围广。作业者有较强的灵活性来选择排液程序，最大限度增加油井产能、降低排液费用。热塑性薄膜防砂技术：热塑性薄膜(TFS)与支撑剂一起泵入井底进入裂缝后，这种薄片和支撑剂在裂缝中相互粘结，形成无数固结团，限制了支
