压裂近井摩阻分析

压裂近井摩阻分析摘要：压裂施工近井摩阻值的准确性直接影响到压裂工艺的设计，是确定井底压力的必要数据，也是决定压裂施工难易程度的主要因素。该文从压裂近井摩阻的成因、分类、计算方法等方面对国内外压裂近井摩阻进行了整理和归纳，并在此基础上得到了降低近井摩阻的两个工艺：○1支撑剂段塞冲刷工艺作为一种可靠而实用的降摩阻工艺它的作用主要在优化近井筒附近裂缝壁面。在前置液中支撑剂的加入使裂缝的壁面更趋于光滑,可减小裂缝的凹凸面,增大近井裂缝的宽度,减小支撑剂在近井筒砂堵的可能性，也减少了裂缝摩阻。○2定向压裂的实施，沟通了主体裂缝与井筒的连通，这样就大大减少了由于裂缝转向而造成的压裂液流失和压裂液流程，这样就起到了一般压裂不能达到的降低裂缝摩阻的效果。关键词：近井摩阻；水力压裂；支撑剂段塞；裂缝扭曲；多裂缝从80年代以来，人们对近井筒摩阻问题的认识随着实践的发展不断得到深化，对近井筒摩阻的产生机理、影响因素、降低措施等都进行了广泛的研究。众多的学者从室内实验、定性认识、定量计算、检测手段及压裂施工工具等方面，着眼于裂缝起裂位置、裂缝转向扭曲、多裂缝、非平面裂缝、孔眼位置、施工排量等方面，对近井筒摩阻的产生原因、计算方法、影响因素等进行了广泛的研究。1近井摩阻的成因分析所谓水力压裂的近井筒效应是指由射孔孔眼特性及井筒周围(射孔壁)应力集中作用在近井筒区域所产生的孔眼摩阻、复杂裂缝形态(多裂缝、裂缝面的扭曲、窄高缝、非平面裂缝)以及由此引起的压力损失和早期脱砂现象。水力压裂的近井压力降(损失)主要归因于井筒连通(孔眼)、裂缝面弯曲(裂缝转向和扭曲)、多裂缝等近井筒裂缝的几何形态，这些形态导致有效压力损失和意外脱砂[1]，是影响压裂成功的不利因素。因此，它是分析近井带摩阻产生原因的结构基础和现实依据。根据近井筒问题得出压裂近井摩阻产生的主要原因如下：（1）射孔孔眼相位不一致。因为水力裂缝往往不是沿着射孔方向生成的，压裂液从孔眼到裂缝通常要经过一条或几条曲折的通道。主要是因为孔眼的相位、间距差异比较大，导致射孔与预期裂缝方向并不一致；（2）孔眼连通性差。射孔的质量会直接影响到破裂压力及施工功耗，如果射孔不当，射孔孔眼与裂缝主体连通不好会导致携砂压裂液过早脱砂；（3）近井筒裂缝扭曲。因为随着地层岩石应力分布状况而发生扭曲和转向等问题，裂缝延伸过程中会发生不规则延伸现象。在90年代初，裂缝扭曲问题就已经被许多专家所关注；（4）多重裂缝。大量的细微裂缝会消耗泵注压力，而且多裂缝问题的产生与储层地应力分布和压裂施工情况密切相关。2裂缝弯曲对近井筒摩阻的影响国外一些实验室采用大尺寸的真三轴实验设备，模拟现场地应力条件下射孔对压裂的影响。通过实验发现，裂缝从射孔孔眼或是从与最小水平主应力垂直的方向起裂，裂缝起裂取决于射孔方向与最大水平主应力面的夹角。另外，所有裂缝开始转向最大水平主应力方向的位置在距井相当于井筒直径的范围内。而且，尽管裂缝延伸的初始阶段有多条裂缝，却只有一级单缝延伸超过井筒直径的范围。Abass[2]研究得出了射孔方向与最大水平主应力方向成不同角度对缝宽的影响。当射孔方向大于45°时缝宽急剧减小，裂缝弯曲现象明显，而角度在0°～30°时裂缝与孔眼连通良好。所以，射孔方向应在最大水平应力方向或与其夹角小于30°。由于射孔对水力裂缝有影响，定向射孔技术已成功应用于实际生产。在美国阿拉斯加的Kuparuk油田，通过对200口沿主应力方向射孔的、斜度为0°～40°斜井压裂的结果进行统计，得出了该方法使近井筒压力损失降低，裂缝中支撑剂量增加的结论。沿主地应力方向射孔技术有助于非垂向井的增产，是一种经济有效的方法[3]。图1裂缝弯曲示意图国外对于斜井中水力裂缝从射孔孔眼起裂的数值模拟也做了大量的研究工作。文[4]通过分析井筒切面的裂缝性质，研究了斜井射孔孔眼微裂缝的起裂和连通，结果表明：对于小的孔眼间距，孔眼的微裂缝相互连通，沿井筒形成一条大的裂缝。对于下套管井，裂缝张开面不光滑而且裂缝连接的中间圈闭有大量的岩石，这可能是造成斜井套管中高摩阻损失的原因。3多裂缝对近井筒摩阻的影响国外科技工作者K.D.Mahrer[5]总结了多裂缝产生的许多证据,Wright[6]用等效多裂缝理论分析了多个水平裂缝的裂缝半径、裂缝宽度、净压力、累积宽度与裂缝条数的关系。L.Weijers[7]提出,用多裂缝理论能够拟合高的施工净压力。目前,国内的科技工作者已经认识到水力压裂多裂缝的存在及其与施工困难的关系主要在于多裂缝的存在造成了缝内压降增大，也即是缝内摩阻升高。因此，降低近井筒的多裂缝也即是降低缝内摩阻。为此，国内外学者进行了大量的室内试验和现场施工找出了一些通过预防多裂缝而减少缝内摩阻的方法并在实际应用中取得了良好的施工效果。(1)对于水平地应力相等或者接近相等、天然裂缝发育的地层,最好在压裂前采用定向射孔,减小井的斜度(控制在30°以内)，控制射孔井段长度在合理的范围内,选择合理的射孔方式和射孔枪避免微环面影响,增加射孔密度以利于裂缝的连接等。(2)对于已经在压裂过程中产生多裂缝的储层,可以采用段塞技术来创造主裂缝，段塞技术主要包括粘性段塞技术与支撑剂段塞技术。如日本的MN-A井采用的主要作法是减小射孔井段跨度,采用支撑剂段塞技术，增大泵注排量、提高注入液体的粘度等，在裂缝性火成岩油藏中压裂获得了成功。国内众多油田的压裂实践表明，从防止多裂缝的起裂机理出发，合理优化射孔方式、压裂参数、射孔厚度可以降低近井摩阻从而提高加砂施工的成功率。下面的例子可以充分说明目前对于该方面研究的成果：中石化西北分公司于2005年9月13日对TK241井进行了加砂压裂现场试验。该井设计采取的主要思路是：①前置液阶段采用段塞粉陶加砂工艺，降低缝内摩阻，堵塞地层裂缝，降低地层滤失，利于主导缝的生成并降低加砂难度；②支撑剂选择13～14mm小粒径陶粒段塞。在加砂过程中，砂比(支撑剂体积与砂液体积的之比)以低起点、小台阶为原则，尽可能实现线性加砂。对TK241井奥陶系-5468～-5550m井段进行了加砂压裂施工，挤入地层砂液总量为507m3，陶粒82.17t，加砂压裂获得了成功。图2不同排量对裂缝轨迹的影响图3不同粘度对裂缝轨迹的影响4近井摩阻的计算射孔孔眼摩阻计算公式[9]为：24222369.0cdnQPpf(1)式中Ppf为射孔孔眼摩阻(psi)；为压裂液注入流量(gal/min)；ρ为压裂液混合密度(lbm/in3)；n为孔眼数，无因次；为孔眼直径(in)；C为孔眼流量系数，无因次。把式(1)中所有的量都转换为国际单位为:24224102326.2cdnQPpf(2)式中：Ppf为射孔孔眼摩阻(Pa)；Q为压裂液注入流量(m3/min)；ρ为压裂液混合密度(kg/m3)；d为孔眼直径(m)式(2)中压裂液混合密度计算公式[10]为：stticc1(3)式中：ρi,ρt和ρs分别为压裂液基液密度、支撑剂体密度和支撑剂视密度（kg/m3）；C为支撑剂体积浓度（加沙比），无因次。当泵入携砂液并以高压通过孔眼时，支撑剂冲蚀射孔孔眼，使孔眼变得光滑，孔眼流量系数C和孔眼直径d增加，引起孔眼摩阻下降。试验数据表明[8]，孔眼流量系数C从0.56变化到0.89，能够造成孔眼摩阻降低2.5倍。通过对试验数据的分析和拟合得出孔眼流量系数C和流过孔眼的支撑剂总质量之间有如下线性关系：)89.0(1065.156.04CMC(4)式中：M为流过孔眼的支撑剂总质量(lbs)（如下图4在压裂过程中的近井筒效应分析）。图4流量系数C随孔眼冲蚀的演化把式(4)转换为国际单位并把流过孔眼的支剂总质量写成注入流量对时间的积分。)89.0()()(106376.356.01065.156.0044CdcqMCtt(5)式中：M为流过孔眼的支撑剂总质量(kg)；q为流过孔眼的携砂液流量(m3/min)；t为携砂液冲蚀孔眼的时间(min)。D.Cramer[9]通过试验发现水力孔眼直径和流过孔眼支撑剂总质量之间有如下线性关系：Mhdchi61029.4(6)式中：h和hi分别为当时水力孔眼直径和初始水力孔眼直径(in)；d为孔眼直径(in)。郭建春、杨立君、赵金洲、任勇[10]把式(6)中的支撑剂总质量写成对时间的积分形式，并转换为国际单位，得到如下表达式：tidvqhh0610458.9(7)式中：h′和hi′分别为当时水力孔眼直径和初始水力孔眼直径(cm)；v为流过孔眼的携砂液流速(m/min)；τ为时间积分变量(min)。式(6)中的系数4.29×10-6的量纲为(长度/质量)，吴衡安通过数值验算得出式(7)中的系数9.458×10-6是只对式(6)的质量进行单位变换得到的，没有对长度单位进行变换。并求出了对二者都进行变换后，式(6)的变换形式：tidvqhdch07104.2(8)式中：h和hi分别为当时水力孔眼直径和初始水力孔眼直径(m)；式(8)积分项中的速度v的表达式为：222732.14dqdqAq(9)式中：A为孔眼的横截面积(m2)。把式(9)代入式(8)，采用分离变量法可以得到孔眼直径的计算公式为:31032104027)()(106376.356.0)(10167.9ddcqdqdttt(10)式中：d0为初始孔眼直径(m)。5降摩阻工艺5.1支撑剂段塞冲刷沈建国,陆灯云,刘同斌[11]提出的支撑剂段塞冲刷对于降低摩阻有很好的效果，其基本情况如下：支撑剂段塞冲刷就是在主压裂的前置液阶段，间断地泵注低浓度的支撑剂，以消除或降低近井裂缝扭曲摩阻。其目的是近井缝宽最大化，流体流向改变最小化，近井能耗最小化，施工砂浓度最优化，施工效果最大化。通过10多井次的现场应用来看，支撑剂段塞冲刷不仅是实践性很强的工艺，而且是消除或降低近井裂缝扭曲摩阻的理想方法。支撑剂段塞冲刷工艺作为一种可靠而实用的降摩阻工艺其基本原理是：①优化近井筒附近裂缝壁面。水力压裂壁面通常不光滑,有粗糙度和凹凸面,这些地方容易发生支撑剂堵塞也增加了流体的流动难度和摩阻。在前置液中支撑剂的加入使裂缝的壁面更趋于光滑,可减小裂缝的凹凸面,增大近井裂缝的宽度,减小支撑剂在近井筒砂堵的可能性，也减少了裂缝摩阻。②减小近井裂缝弯曲效应,有效降低裂缝弯曲摩阻。在前置液中加入粒径为0.42～0.84mm的支撑剂,借助水力切割作用对弯曲裂缝进行冲刷、打磨、切割,使裂缝表面变平滑从而降低或消除近井地带裂缝弯曲摩阻,减小近井脱砂的可能性。5.2增大流体粘度增大流体粘度，在裂缝条数较少时增加了流动压力，在裂缝条数较多时能够起到减少裂缝条数，增加裂缝宽度，减少弯曲摩擦阻力的重要作用[12]。具体来说，增加流体粘度，可以帮助携砂，由于近井裂缝壁面的粗糙可能使流体发生剪切稀释，失去部分粘度，而高的粘度可以弥补这部分损失；在裂缝条数较少时，比如只有一条转向裂缝存在时，高的粘度使近井压力适当增加，使裂缝转向半径增大，过渡平缓，减小摩擦阻力；更重要的是，当存在多裂缝时，W.W.Aud认为，粘性流体不易在各个裂缝之间分流，只容易流进阻力小，闭合应力小，裂缝宽度较宽的裂缝。M.P.Cleary的研究，也认为高的粘度可以增加裂缝缝宽，减小多裂缝起裂的倾向，最终的结果是减小了裂缝条数，减小了近井摩擦阻力、增加了裂缝宽度、增加了加砂量、减缓了施工压力的增加。Roberts报道粘性段塞能将近井阻力降低一半。B.W.McDaniel认为粘性段塞既是一个多裂缝的预防措施，也是补救措施。在起裂初期就泵入井内，当粘性段塞到达井底以后，关井10到15分钟，可以使粘性段塞加浓，重新开泵后泵速不要超过管柱的承压能力。下图5和图6是使用粘性段塞降低施工压力的效果图。图5使用段赛前井口压力与泵速的关系图6使用段赛后井口压力与泵速的关系6结论与建议（1）压裂近井摩阻研究是一项非常复杂的系