6油水井增产增注措施

1第十三章油水井增产增注措施本章要求掌握的内容(12学时)·掌握油水井增产增注措施的基本原理及提高措施效果的途径；·压裂造缝机理及裂缝几何尺寸预测。·压裂液性质、支撑剂性质及分布对压裂效果影响。·水力压裂优化设计方法及压裂工艺选择。·碳酸盐岩地层酸化增产原理及工艺，影响酸化效果的因素及提高酸化效果的途径。·常用酸波及添加剂性能。·砂岩土酸处理原理、影响因素及处理工艺。·高能气体压裂的增产机理及压裂工艺。·物理法增产增注技术的原理、工艺及适应性。第一节水力压裂2水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术措施。当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小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，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝具有很高的导流能力，使油气能够畅流入井，从而起到了增产增注的作用。大型水力压裂可以在低渗透油藏内形成深穿透、高导流能力的裂缝，使原来没有工业价值的油气田成为具有一定产能的油气田，其意义已远远超过一口井的增产增注作用。本节主要介绍水力压裂的造缝机理、压裂设计及压裂工艺。一、造缝机理在地层中造缝，井底附近的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及注入方式是控制裂缝几何形态的主要因素。图6-5是压裂施工过程中，井口压力随时间变化的典型曲线。压裂过程中，当井口压力达到值后,地层发生破裂，然后在较低的延伸压力下，裂缝向地层深处延伸。在地层渗透率较高或存在微裂缝的情况下，地层破裂时井底压力并不比延伸压力有明显的升高。这些现象反映了井底附近地层中地应力分布的不同以及岩石在力学性质上的差异。1.地应力及其分布一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态。作用在地下某单元体上的力有垂向主应力及水平主应力(其中又分为互相垂直的和)。(1)应力作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量，其数值约为(13-1)式中——总垂向应力，Pa;——岩石骨架密度,,一般为2000～3400;------流体密度，；3D——地层深度，m；φ——孔隙度。由于油气层中均有一定的孔隙压力(即地层压力或流体压力)，部分上覆岩层的压力被多孔介质中的流体压力支持，故有效垂向应力可表示为=(13-2)如果岩石处于弹性状态，根据广义虎克定律假设水平应变为零且，则可求出岩石的有效水平应力与有效垂向应力的关系为=(13-3)式中——岩石的波松比。(2)地质构造对应力的影响上述应力之间的关系，受地质构造影响发生很大的变化，不仅是垂向应力与水平应力受构造力的控制，并且水平应力中的两个应力和也彼此不等.如果岩石单元体是各向同性材料，岩石破裂时的裂缝方向总是垂直于最小主应力轴。当已知地层中各应力的大小时，裂缝的形态或裂缝方向即可被确定，如图13-1所示。4图13-1裂缝面垂直于最小主应力方向(3)井壁上的应力井壁上的应力主要从下述几方面考虑。1)井筒对地应力及其分布的影响在地层中钻井以后，破坏了原始应力的平衡状态，使得井壁上及其周围地层中的应力分布发生变化。为了简化，将地层中的三维应力问题用二维方法来处理，并近似地直接采用弹性力学中双向受力的无限大平板中钻有一个圆孔时的应力计算公式来分析井壁应力，如图13-2所示。根据弹性力学中周向应力的计算式得圆孔周向的应力分布(13-4)当r=a，且==时，=2=2=2说明圆孔壁上各点的周向应力相等，与值无关。当r=a，且＞时，5式中()，()——最大、最小周向应力。随着r的增加，周向应力迅速降低，如图13-2(b)所示。大约在几个圆孔直径之外，即降为原地应力值，孔壁上的应力比远处的大得多，这就是在压裂中地层破裂压力大于延伸压力的一个重要原因。2)井眼内压所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。若把井筒周围的岩石看作是一个具有无限壁厚的厚壁圆筒，假设材料是弹性的，根据弹性力学中的拉梅公式(拉应力取负号),当厚壁筒外边界半径→∞，厚壁筒外边界压力=0时，井壁上r=a处的周向应力(13-5)式中——注入时的井底压力。3)压裂液径向渗入地层所引起的井壁应力由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了一个附加应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为(13-6)其中α=1-式中,——分别为岩石骨架压缩系数和岩石体积压缩系数。4)井壁上的总应力显然在地层破裂前，井壁上(=0°和=180°处)的总水平周向应力为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和，即6(13-7)总垂向应力(13-8)2.造缝条件为使地层破裂，必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度。(1)形成垂直裂缝如果地层的破裂属于纯张力破坏，那么随井内注入压力的不断增加，井壁上存在的总水平周向应力达到或超过井壁岩石水平方向的抗张强度时，在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝，即-≥(13-9)存在滤失时，井壁上的有效水平周向应力等于总水平周向应力减去注入压力，即=将有效应力代入上式中，整理后得到破裂压力(地层破裂时)(13-10)无液体渗滤时，井壁上岩石的孔隙压力仍然为，故=将各有效应力代入式中，整理后得到(13-11)垂直裂缝产生于井筒相对应的两点上(=0°和=180°)，这就是为什么在理7论上假定垂直裂缝以井轴为对称的两条缝的原因。实际上多数情况是不对称的。(2)形成水平裂缝形成水平裂缝的条件为-≥(13-12)式中——岩石的垂向抗张强度。存在液体滤失时，总垂向有效应力=将有效应力及代入式(13-12)中，且注意到地层破裂时,，则得(13-13)无液体滤失时(13-14)二、压裂液压裂液是为造缝与携砂使用的液体，是水力压裂的关键组成部分。压裂液是一个总称，根据其在压裂过程中的任务不同可分为前置液、携砂液和顶替液。前置液的作用是破裂地层并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，它还起到一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加细砂(粒径0.105～0.147mm，即140～100目；砂与液体的体积比，即砂比10%左右)，以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失。携砂液的作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去。在压裂液的总量中，这部分占的比重较大。携砂液和其它压裂液一样，都有造缝及冷却地层的作用。顶替液的作用是打完携砂液后，用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中。中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用。对于占总液量绝大多数的前置液及携砂液，必须具备如下的性能要求：1)滤失少压裂液的滤失性主要取决于它的粘度与造壁性，粘度高则滤失少。在压裂液中添加防滤失剂，能改善造壁性并大大减少滤失量。2)悬砂能力强压裂液的悬砂能力主要取决于粘度，压裂液只要有足够高的粘度，8砂子即可完全悬浮，这对砂子在缝中分布是非常有利的。3)摩阻低压裂液在管道中的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下，利用造缝的有效功率愈大。摩阻过高不仅降低了有效功率的利用，而且由于井口压力过高，排量降低。4)稳定性压裂液应具有热稳定性，不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低；液体还应有抗机械剪切的稳定性，不因流速的增加而发生大幅度的降解。5)配伍性压裂液进入地层后与各种岩石矿物及流体相接触，不应产生不利于油气渗滤的物理—化学反应。6)低残渣要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率。7)易反排施工结束后大部分注入液体反排出井外，排液愈完全，效果愈好。8)货源广便于配制，价钱便宜。1.压裂液的类型随着水力压裂技术的发展，压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基、油基、酸基压裂液及泡沫压裂液等。(1)水基压裂液水基压裂液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂，制成能悬浮支撑剂的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点，但热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这一缺点，又发展了交链压裂液和延迟交链压裂液。(2)油基压裂液矿场原油或炼厂粘性成品油均可用作油基压裂液，但其性能不能满足要求。目前多用稠化油，基液为原油、汽油、柴油、煤油、凝析油，稠化剂为脂肪酸铝皂、磷酸酯铝盐等。(3)多相压裂液1)泡沫压裂液以水、水基溶胶或水基冻胶为外相、气体等为内相形成的泡沫流体。具有对地层伤害小、携砂能力和造缝能力强、易于反排、摩阻低等特点，但所需注入压力高。2)乳化压裂液乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系，具有携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损害小、排液快等特点，其缺点是摩阻大、9成本高。(4)酸基压裂液用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中，以甲醛交链而得到酸冻胶。酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压。2.压裂液的滤失性压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中的滤失，主要受三种因素的控制，即压裂液的粘度、地层岩石及流体的压缩性及压裂液的造壁性。(1)受压裂液粘度控制的滤失系数当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，压裂液在多孔介质中的实际渗流速度为=(13-15)式中——实际平均速度，m／s；K——地层垂直于裂缝壁面的渗透率，；Δp——裂缝内外的压差，Pa；——压裂液在缝内流动条件下的视粘度，Pa·s；L——由缝壁面向地层内的滤失距离，m。因为=，结合式(13-15),积分并解出L后，将L值代入达西方程中，整理后得到令(13-16)则(13-17)式中v——达西渗流速度，m／s;10——由压裂液粘度控制的滤失系数，；t——滤失时间，s。(2)受地层流体压缩性控制的滤失系数当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时，控制压裂液滤失的是地层流体的压缩性。这是因为流体受到压缩，让出一部分空间，压裂液才得以滤失进来。假设液体通过横截面积为A的地层，在x处的流量为q，压力为Δp+p，液体到x+dx处时，压力为p，流量增加了Δq，此值可看作是因压力降低Δp所引起的液体的膨胀dV。如果忽略岩石的体积膨胀，则单元地层体积内液体的体积V为V=Adx(13-18)dV=-Vdp(13-19)将式(13-18)代入式(13-19)并对t求导，然后写成的形式=-a(13-20)根据达西方程,并对x求导=-(13-21)结合式(13-20)与式(13-21)，令η=得到其无限地层，边界压力为常数的解为(13-22)式中p(x,t)——在点x及时间t的压力值；——外边界压力；——液体的压缩系数。11式(13-22)对x求导得缝壁面上的压力梯度值利用压裂液在缝壁面上的渗滤速度令则(13-23)应当说明，式(13-23)是在假设滤失外缘为无限远的条件下得出的，这比较符合垂直裂缝的流动情况，但不太符合水平裂缝的条件，除非油层极厚。(3)具有造壁性压裂液的滤失系数有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防滤失剂(硅粉或沥青粉等)，能在壁面上形成滤饼，有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确定。实际上压裂液滤失同时受上述三种机理的控制，根据水电相似原理，可用下式求出综合滤失系数(13-24)3.压裂液对地层渗透性的伤害及防止措施如果对地层情况了解不够、对压裂液选择不当或用于改善压裂液性能的添加剂针对性不强等，就会使压裂效果不理想或失败。造成压裂液对地层渗透性的伤害主要有下述原因。(1)压裂液与地层及其中液体的配伍性差压裂液配伍性是指压裂液与岩层和流体接触时，无不利于油、气渗流的物理化学反应。压裂液对岩石、胶结物等固体物质的溶解、粘土膨胀、小颗粒脱落堵塞孔隙以及与地层流体相遇后产生沉淀均可对地层产生伤害。对粘土地层，应添加防粘土膨胀剂；用12水基压裂液压裂油层时，应防止产生乳状液，一般使用活性剂来防止乳状液的形成。(2)压裂液在孔隙中的滞溜若高粘油基压裂液进入地层后，反排不完全或水基压裂液破胶不好，均发生对地层孔隙的滞溜损害。为了便于排液及减少乳状液，要保持地层岩石、小颗粒及压裂砂的亲水性，降低液体的界面张力或注入氮或二