水力压裂影响因素研究

i中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）水力压裂影响因素研究水力压裂影响因素研究摘要水力压裂一直以来就是低渗透率油气藏增产的主要措施之一。为了提高压裂措施的增产效果，以尽可能小的投资获得最大的回报，本文在调研了国内外大量水力压裂资料，总结了水力压裂的基本理论知识与基础原理，在此基础上，对影响水力压裂效果的因素进行了分析与优化。分析认为影响水力压裂的因素主要可分为四大类：一是改造油层选择不当;二是压裂参数设计不合理;三是压裂液体系选择不合理;四是压后油层处理方法不正确。最后，针对因素分析结果提出了水力压裂优化措施，实践表明，这些措施使得水力压裂效果得到了很好的改善与提高。关键词：水力压裂；影响；因素；研究中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）ii目录第一章引言.............................................11.1问题的提出.............................................11.2研究概况...............................................1第二章水力压裂基本原理........................................................................32.1地应力及其分布.........................................32.2井壁应力...............................................42.3造缝条件...............................................62.4裂缝形态判别...........................................62.5水力压裂二维几何模型...................................7第三章水力压裂影响因素分析及优化.....................................................103.1油层选择不当..........................................103.2压裂参数设计不合理....................................123.3压裂液体系选择不合理..................................133.4压后油层处理方法不当..................................143.5水力压裂优化..........................................14第四章总结..............................................................................................17参考文献........................................................................................................181第一章引言1.1问题的提出近年来，低渗透油气田的开发已经越来越引起人们的关注。低渗透油气资源在我国相当丰富。低渗透油气田的开发在我国有很长的历史，也有特别重要的意义。统计数据表明，目前我国已发现的渗透率小于50毫达西的低渗透油田的地质储量约占全国石油总储量的25%，而低渗透气田的天然气储量所占比例还远高于这一比例。这说明低渗透油气资源在我国油气资源中占有重要的地位。开发好低渗透油气田对我国油气工业今后的持续发展具有十分重要的意义。低渗透油气藏的主要特点是岩性致密、渗透率低、渗流阻力大、自然产量低、沉积环境复杂、开采难度大。因此，对于低渗透油气藏，一般需要采取改造措施才能获得较高产能，若不经过储层改造就很难具有工业产能。水力压裂是对渗油层改造的一种有效的方法。它是利用大于地层破裂压力的高压液流,对油层压开一条或多条具有一定方向和几何形状的裂缝并注入支撑颗粒,形成具有高导流能力的填砂裂缝,极大的改善油气层液体向井筒的渗流能力,从而提高油气产能的一种油层改造方法。利用水力压裂方法改造低渗油藏,在提高油气产能、增产增效方面见到了显著效果。但在许多井次的水力压裂措施中,仍存在许多无效或低效措施,造成一定的资金浪费甚至负面影响。因此,系统的分析压裂影响的各个因素,从而找出解决办法,对水力压裂措施的设计和实施具有重要指导意义。1.2研究概况水力压裂自1947年在美国试验成功至今，已经由简单的低液量、低排量压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术。由60年代的以解堵和增产为目的的水力压裂发展到90年代的“压裂开采”，即在部署开发井网前就考虑水力裂缝的方位、长度和导流能力等对油藏生产动态可能造成的影响，通过研究开发井网系统和水力裂缝系统的优化组合，获得较高的经济效益和最终采收率。在此发展过程中，由于压裂液和支撑剂、压裂设计等方面的迅速发展，水力压裂技术在缝高控制技术、端部脱砂压裂和重复压裂等方面都取得了较大的突破。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）2目前，国内外为提高油藏开发效果及其采收率，为了提高压裂措施的增产效果，以尽可能小的投资获得最大的回报，对影响水力压裂效果的因素进行了大量分析。劳斌斌等人以理论油藏模型和某油田实际油藏模型为基础，引进了敏感系数，通过比较敏感系数绝对值的大小，对压裂井增产效果的影响因素进行了敏感性分析。李金洪等人将影响压力效果的因素分为了四个方面：一是改造油层选择不当；二是压裂参数设计不合理；三是压裂液体系选择不合理；四是压后油层处理方法不正确。马新仿等人指出为了保证好的压裂施工效果，提高压裂施工经济效益，要从压裂液、支撑剂和压裂设计方面深入研究，采用高性能压裂液与支撑剂，同时需要设计合理的压裂施工步骤，采用恰当的压裂施工参数等，在整体上形成统一的协调的压裂施工作业流程。杜伊芳等人提出压裂检测技术、压裂逢高技术的应用同样会对水力压裂施工效果造成影响，逢高控制是保证水力压裂获得成功的关键因素之一。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）3第二章水力压裂基本原理水力压裂是油气井增产，水井增注的一项重要技术措施。当地面高压泵组将高粘液体已大大超过地层吸收能力的排量注入到井中，在井底憋起超过井壁附近地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随着带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸。这样在地层中形成了足够长度、一定宽度和高度的填砂裂缝。由于它具有很高的渗滤能力，使油气能够畅流入井，起到增产增注的作用。压裂作业的第一阶段是形成裂缝。为此，把液体住入井内直到压力超过岩层阻力在该处产生水力破裂。过程的第二阶段是把形成裂缝的进行扩展。即把液体注入已形成的裂缝，迫使其扩展。裂缝扩展的范围，取决于注入到岩层液体的量和性质。2.1地应力及其分布地应力是客观存在的一种自然力，它影响着油气勘探和开发的过程，在水力压裂施工中，影响着油气储集区域的构造应力的大小和方位，对最终人工裂缝方位与大小起着不可忽视的作用。地应力有三个主方向的主应力构成，分别为垂向主应力v，最大水平地应力maxh以及最小水平地应力minh。通常，地下地层承受上覆岩层的自重，垂向主应力的表达式如下：0Hvsgdz(2-1)式中v——垂向主应力，Pa；H——地层垂深，m；g——重力加速度，2m/s；s——上覆层岩石密度，3kg/m。由于地层具有一定的孔隙压力sp，部分上覆岩层的压力由孔隙中流体承担，因此有效垂向应力为：vvsp(2-2)倘若岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）4最小水平主应力为：12max2()1[]2111vshspEEp(2-3)12min2()1[]2111vshspEEp(2-4)式中1、2——水平应力构造系数，无因次；——泊松比，无因次；E——岩石弹性模量，Pa；——毕奥特(Biot)常数，无因次。2.2井壁应力井壁上的应力是由地应力、井筒内压、以及液体渗滤所引起的应力之和。(1)地应力在井壁上产生应力图2-2地应力对井壁应力影响示意图取井筒附近一块单元作为分析模型（如图2-2所示），其在两个相互垂直的方向受到x与y作用。仿照弹性力学无限大平板中间钻一圆孔时孔边应力分布情况，给出井壁应力计算公式：2242244311cos222xyxyraaarrr(2-5)xθry中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）524243(1)(1)cos222xyxyaarr(2-6)2424231sin22xyraarr(2-7)式中——圆孔周向应力，Pa；r——圆孔径向应力，Pa；r——圆孔切向应力，Pa；a——圆孔半径，m；r——距圆孔中心的距离，m；——任意径向与x方向的夹角。(2)井眼内压引起的井壁应力压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升高。井筒内压必然产生井壁上的周向应力。将地层看做是无限厚壁的厚壁圆筒，内压为井筒液柱压力，外压为0，厚壁筒外边界半径为无限大，井壁上的周向应力（拉应力为负）为：ip(2-8)(3)压裂液渗入地层引起的井壁应力压裂液渗入井筒周围地层中，会形成一个附加应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力，其值为：12()1ispp(2-9)其中1rbCC式中rC——岩石骨架压缩系数，1MPa；bC——岩石体积压缩系数，1MPa。因此，井壁上的周向总应力为以上三者之和，即中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）612(3)()1yxiisppp(2-10)2.3造缝条件当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度ht时，将产生垂直缝；当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的竖直方向的抗拉强度vt时，将产生水平缝。由于地层为多孔介质，存在孔隙压力，计算中各应力应为有效应力。当地层刚好产生裂缝时，井筒内注入流体的压力ip即为地层的破裂压力Fp。竖直缝破裂压力为：31221hyxtFspp(2-11)式中Fp——地层破裂压力，Pa；y——y方向有效应力，yysp，Pa；x——x方向有效应力，xxsp，Pa；ht——水平方向岩石破裂压力，Pa；——比奥特常数，无因次；——岩石泊松比，无因次；sp——孔隙压力，Pa。水平缝破裂压力为：1211vztFspp(2-12)式中z——地层垂向有效应力，zvsp，Pa；vt——岩石垂向抗拉强度，Pa。2.4裂缝形态判别在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态（垂直缝或水平缝）取决于其三向应力状态。根据最小主应力原理，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）7yxz最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力轴方向。具体如图2-3所示。当zxy，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于y方向；当zyx，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于x方向；当z最小时，形成水平裂缝。zxyzyxzyx或图2-3人工裂缝形态图示2.5水力压裂二维几何模型人们利用各种假设，相继开发出了多种设计模型，二维几何模型主要是PKN模型、KGD模型以及卡特模型。它们都假设裂缝高度是常数，即流体沿缝长方向流动。2.5.1PKN模型图2-4PKN二维裂缝延伸模型yxzyxz中国石油大学（北京）现代远