地?zé)峋畨毫阉峄に噧?yōu)化新方法

1、地?zé)峋畨毫阉峄霎a(chǎn)工藝優(yōu)化新方法勝利油田石油工程技術(shù)研究院 蘇權(quán)生（山東東營(yíng)）關(guān)鍵詞：地?zé)?、壓裂、酸化、增產(chǎn)目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源消耗越來越多，隨著煤炭、石油、天然氣等化石燃料消耗的加劇，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，探索清潔環(huán)保型能源是未來發(fā)展的方向。地?zé)崮茏鳛橐环N清潔、可再生能源，越來越受到各國政府的重視，國外已經(jīng)開始對(duì)地?zé)崮苓M(jìn)行深入研究，并取得了一定的成果，目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括：發(fā)電、供暖、工業(yè)利用、醫(yī)療、洗浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)溫室、礦泉水生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉等。目前地?zé)峋芯恐饕性趦蓚€(gè)方面：一是淺源低溫地?zé)峋?，完井方式包括裸眼完井和套管射孔完井，其?chǔ)層性質(zhì)與油氣儲(chǔ)層相似，由于

2、地層發(fā)育不理想或沉積物堵塞導(dǎo)致完井產(chǎn)能低下，在常規(guī)洗井措施增產(chǎn)受限的情況下，可借鑒采用油氣井酸化壓裂增產(chǎn)工藝，溝通裂縫通道提高儲(chǔ)層導(dǎo)流能力，以達(dá)到預(yù)期的水溫、水量要求；二是深源高溫地?zé)嵯到y(tǒng)，稱為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)EGS（Enhanced Geothermal Systems），是一種通過介質(zhì)循環(huán)（水或C02)來提取深部干熱巖體中的地?zé)豳Y源，并將其用來發(fā)電及供暖的工程技術(shù)集成。 本文主要針對(duì)目前應(yīng)用較為廣泛的淺源低溫地?zé)峋?，如何將目前油氣領(lǐng)域成熟的壓裂酸化技術(shù)應(yīng)用在地?zé)峋霎a(chǎn)方面，并對(duì)遇到的問題進(jìn)行討論。1地?zé)峋畨毫言霎a(chǎn)優(yōu)化技術(shù)壓裂工藝就是通過大排量將一定粘度的流體注入地層，當(dāng)注入能力超過地層吸收能

3、力的時(shí)候，地層巖石就會(huì)破裂，隨著流體的不斷注入，地層巖石裂縫會(huì)逐漸向遠(yuǎn)離井筒方向延伸，通過加入支撐陶粒，就在地層中形成了人工高導(dǎo)流能力裂縫，為流體流向井筒提供通道。數(shù)值模擬技術(shù)是壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心，通過在計(jì)算機(jī)上建立地質(zhì)模型，可以方便、快捷的進(jìn)行不同壓裂方案模擬、對(duì)比、評(píng)價(jià)，從中優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)合理的施工方案。目前比較成熟的數(shù)值模擬軟件GOHFER、FracPro-PT、StimPlan均可實(shí)現(xiàn)壓裂施工參數(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)優(yōu)化過程如下：一、地質(zhì)建模壓裂數(shù)值模擬是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到巖石力學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)值分析等不同的學(xué)科，在進(jìn)行地質(zhì)建模時(shí)，需要對(duì)物理模型和數(shù)學(xué)模型做出適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化及假設(shè)，建立符合

4、油藏特點(diǎn)的三維網(wǎng)格，然后對(duì)網(wǎng)格賦值來描述儲(chǔ)層物性和力學(xué)參數(shù)，通過網(wǎng)格迭代求解進(jìn)行壓裂數(shù)值模擬。在單井壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況建立地質(zhì)模型，輸入相應(yīng)的井筒和儲(chǔ)層物性參數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)、地層流體參數(shù)、射孔參數(shù)等，完善地質(zhì)模型。在所輸入的參數(shù)中，巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響較大，直接影響著人工水力裂縫尺寸、壓裂材料用量、預(yù)測(cè)產(chǎn)能、經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)等，是決定壓裂設(shè)計(jì)水平的主導(dǎo)因素。巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算要充分利用測(cè)、錄井資料、取芯資料、區(qū)塊地震資料等進(jìn)行綜合計(jì)算。巖石的楊氏模量和泊松比直接影響著地應(yīng)力剖面計(jì)算，進(jìn)而影響壓裂數(shù)值模擬優(yōu)化的結(jié)果。地質(zhì)建模是數(shù)值模擬中最重要的一環(huán)，只有在建立準(zhǔn)確的地質(zhì)模型的基

5、礎(chǔ)上，模擬優(yōu)化的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施狀況才會(huì)有高度的一致性，才能在數(shù)值模擬優(yōu)化的指導(dǎo)下，更有效的對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造。二、壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化原則、目標(biāo)壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，包括裂縫延伸模型(求解不同施工參數(shù)下的裂縫幾何尺寸和導(dǎo)流能力)、油藏模型（把水力裂縫與油藏開發(fā)結(jié)合起來，預(yù)測(cè)不同方案下的壓后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)）和經(jīng)濟(jì)模型（優(yōu)選經(jīng)濟(jì)上收益最大的施工方案）。這是一個(gè)帶有離散變量的多目標(biāo)線性規(guī)劃模型，將壓裂施工方案與影響壓裂井開采效益的裂縫參數(shù)之間的互相影響的非線性關(guān)系離散成多個(gè)互不影響的線性關(guān)系，運(yùn)用線性規(guī)劃方法，求得目標(biāo)的最優(yōu)解，同時(shí)得到相應(yīng)的最佳壓裂改造施工方案。 壓裂設(shè)計(jì)要求在滿足油藏地

6、質(zhì)、工程、地面及現(xiàn)有設(shè)備條件下，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)合理的施工方案，目前有兩種設(shè)計(jì)原則：一是從滿足給定的配產(chǎn)方案要求的增產(chǎn)倍數(shù)出發(fā)，優(yōu)選壓裂液、支撐劑及加砂方式，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的施工規(guī)模（排量、液量和砂量），確定相應(yīng)的裂縫幾何尺寸；二是從地層條件出發(fā)，滿足設(shè)備能力的約束條件，優(yōu)選壓裂液，支撐劑和加砂方式，預(yù)測(cè)多種不同方案下的增產(chǎn)能力，再根據(jù)實(shí)際需要選擇施工方案。壓裂施工造出具有一定導(dǎo)流能力的人工裂縫，地層流體通過人工裂縫流向井筒，因此，壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化就包括了裂縫尺寸優(yōu)化和滿足目標(biāo)裂縫參數(shù)需要的施工參數(shù)優(yōu)化，然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行壓裂材料和施工車組優(yōu)選，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)后，選擇投入產(chǎn)出比最優(yōu)的施工方案。壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化步驟

7、：（1）首先根據(jù)單井及區(qū)塊資料，建立三維地質(zhì)模型。（2）根據(jù)地層滲透率，設(shè)置不同的裂縫半長(zhǎng)和導(dǎo)流能力方案。（3）分別模擬不同裂縫半長(zhǎng)和導(dǎo)流能力方案下的增產(chǎn)效果。（4）針對(duì)不同的半長(zhǎng)和導(dǎo)流能力方案，分別模擬達(dá)到目標(biāo)裂縫參數(shù)所需要的施工泵注程序，包括壓裂液用量、支撐劑用量、砂比、支撐劑類型和粒徑、施工排量等參數(shù)。（5）分別計(jì)算不同壓裂方案的施工成本和預(yù)期收益，計(jì)算投入產(chǎn)出比，優(yōu)選既能滿足油井增產(chǎn)要求，又能降低施工成本的施工方案。圖1 壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化示意圖壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化要求完成以下任務(wù)：（1）在給定的儲(chǔ)層與井網(wǎng)條件下，根據(jù)不同縫長(zhǎng)和導(dǎo)流能力預(yù)測(cè)壓后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)；（2）根據(jù)儲(chǔ)層條件選擇壓裂液、支撐劑和加砂濃度

8、，并確定合理用量；（3）根據(jù)井下管柱與井口裝置的壓力極限選擇合理的泵注排量與泵注方式、地面泵壓和壓裂車數(shù)；（4）確定壓裂泵注程序；（5）進(jìn)行壓裂經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，使壓裂作業(yè)最優(yōu)化。在壓裂成本預(yù)測(cè)過程中，需要對(duì)壓裂材料（壓裂液和支撐劑）進(jìn)行優(yōu)選，選擇時(shí)要考慮多種因素，比如儲(chǔ)層類型、儲(chǔ)層溫度壓力參數(shù)、天然裂縫、粘土礦物含量、巖石敏感性、地層水形及礦化度等；壓裂施工車組的選擇要依據(jù)優(yōu)化的施工排量和預(yù)測(cè)的施工壓力進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)選合適的車組類型和數(shù)量。壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)以經(jīng)濟(jì)效益最大化為原則，將裂縫三維模擬技術(shù)和油藏地質(zhì)情況結(jié)合起來，從地層條件出發(fā)，結(jié)合裂縫參數(shù)、施工參數(shù)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等，提出了在目前低油價(jià)環(huán)境下的壓裂設(shè)計(jì)

9、優(yōu)化方法。三、壓后跟蹤及評(píng)價(jià)水力壓裂評(píng)價(jià)包括水力裂縫評(píng)估、工藝效果評(píng)價(jià)、開發(fā)效果評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益分析，工藝效果分析用于評(píng)價(jià)所實(shí)施壓裂工藝技術(shù)的適應(yīng)性和有效性。 （1）水力裂縫評(píng)估為檢驗(yàn)壓裂設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)壓裂施工的有效性和壓后效果，需要評(píng)估水力裂縫。目前發(fā)展了許多檢測(cè)和確定壓裂裂縫高度的方法，如適于裸眼井的井下電視法、地層微掃描儀和噪聲測(cè)井等，還有適用于裸眼井和套管井的間接測(cè)試方法，如微地震法、井溫測(cè)井、伽瑪測(cè)井和聲波測(cè)井等。根據(jù)施工壓力曲線可以定性分析壓裂裂縫延伸情況，結(jié)合壓裂后壓力降落數(shù)據(jù)可以成功地解釋裂縫幾何尺寸、裂縫導(dǎo)流能力、壓裂液濾失系數(shù)、壓裂液效率和裂縫閉合時(shí)間、水平最小主應(yīng)力等參數(shù)（2）

10、工藝效果分析單井工藝效果分析主要指標(biāo)是增產(chǎn)有效期和增產(chǎn)倍比，增產(chǎn)有效期是指壓裂井從壓裂施工后增產(chǎn)見效開始至壓裂前后產(chǎn)量遞減到相同的日產(chǎn)水平所經(jīng)歷的時(shí)間。增產(chǎn)倍比是指相同生產(chǎn)條件下壓裂后與壓裂前的日產(chǎn)水平或采油指數(shù)之比，可以采用典型曲線法、近似解析法和數(shù)值模擬法得到。（3）水力壓裂經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)水力壓裂具有高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，除了要分析工藝和開發(fā)效果外，還必須進(jìn)行投入和產(chǎn)出分析。投入產(chǎn)出比不僅與客觀條件如地層構(gòu)造、埋藏深度、儲(chǔ)層巖性、儲(chǔ)層物性、自然產(chǎn)能、地理位置與環(huán)境條件等密切相關(guān)，而且與工藝技術(shù)利用程度和水平有關(guān)。壓裂后形成的人工裂縫形態(tài)、有效長(zhǎng)度、導(dǎo)流能力對(duì)壓后產(chǎn)量有著重要的影響，因此，進(jìn)行壓后

11、跟蹤及評(píng)估，掌握裂縫在地層中的延伸狀況，不僅可以幫助我們對(duì)壓后效果進(jìn)行分析，也可以幫助我們認(rèn)識(shí)壓裂井的地質(zhì)狀況，指導(dǎo)同區(qū)塊其它井的壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化。2地?zé)峋峄⑺釅涸霎a(chǎn)優(yōu)化技術(shù)油氣井酸化工藝發(fā)展到目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，形成了不同的類型酸化工藝，酸化工藝按照巖性主要可分為碳酸鹽巖和砂巖儲(chǔ)層酸化技術(shù)；在地?zé)峋峄?、酸壓增產(chǎn)中，其設(shè)計(jì)優(yōu)化思路和油氣井增產(chǎn)思路類似。   （1）碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化工藝在碳酸鹽巖儲(chǔ)層酸化改造中，主要形成和發(fā)展了基質(zhì)酸化技術(shù)和壓裂酸化技術(shù)，習(xí)慣上用酸化表示基質(zhì)酸化，用酸壓表示壓裂酸化。    1) 基質(zhì)酸化工藝  

12、;  基質(zhì)酸化也稱為常規(guī)酸化或解堵酸化，如前所述，其基本特征是在施工壓力小于儲(chǔ)層巖石破裂壓力的條件下，將酸液注入儲(chǔ)層。碳酸鹽巖基質(zhì)酸化的重要特征是酸蝕蚓孔的形成和微裂縫的擴(kuò)大，其增產(chǎn)機(jī)理與蚓孔密切相關(guān)。2) 酸壓工藝控制酸壓效果的主要參數(shù)是酸蝕裂縫導(dǎo)流能力和酸蝕縫長(zhǎng)。影響酸蝕縫長(zhǎng)的最大障礙有：一是酸蝕縫長(zhǎng)因酸液快速反應(yīng)而受到限制，其次是酸壓流體的濾失影響酸壓效果。另外，為產(chǎn)生適足的導(dǎo)流能力，酸必須與裂縫面反應(yīng)并溶解足夠的儲(chǔ)層礦物量。因此，為了獲得好的酸壓效果，提高裂縫導(dǎo)流能力和酸蝕縫長(zhǎng)從降低酸壓過程中酸液濾失、降低酸巖反應(yīng)速度、提高酸蝕裂縫導(dǎo)流能力等幾個(gè)方面入手。酸壓過程中酸液的濾失

13、問題通?？紤]從濾失添加劑和工藝兩方面著手；降低酸巖反應(yīng)速率也可以緩速劑的使用及工藝上來進(jìn)行；加入緩速劑，使用膠凝酸、乳化酸、泡沫酸和有機(jī)酸并結(jié)合有效的酸化工藝可起到較好的緩速效果；提高裂縫導(dǎo)流能力可從選擇酸液類型和酸化工藝著手，其原則是有效溶蝕和非均勻刻蝕。    壓裂酸化工藝以能否實(shí)現(xiàn)濾失控制，延緩酸巖反應(yīng)速度形成長(zhǎng)的酸蝕裂縫和非均勻刻蝕劃分為普通酸壓和深度酸壓及特殊酸壓工藝。    普通酸壓工藝 普通酸壓工藝指以常規(guī)酸液直接壓開儲(chǔ)層的酸化工藝。酸液既是壓開儲(chǔ)層裂縫的流體，又是與儲(chǔ)層反應(yīng)的流體，由于酸液濾失控制差，反應(yīng)速度較快，有效

14、作用距離短，只能對(duì)近井地帶裂縫系統(tǒng)的改造。一般選用于儲(chǔ)層污染比較嚴(yán)重、堵塞范圍較大，而基質(zhì)酸化工藝不能實(shí)現(xiàn)解堵目標(biāo)時(shí)選用該工藝。    深度酸壓工藝 以獲得較長(zhǎng)的酸蝕裂縫為目的而采用的不同于普通酸壓工藝的酸壓工藝稱為深度酸壓工藝。   特殊酸壓工藝針對(duì)某些特殊類型儲(chǔ)層或?yàn)閷?shí)現(xiàn)特定要求，提出了一些不同于上述酸壓工藝、具有獨(dú)特理論及工藝特點(diǎn)的一些特殊酸壓工藝，如閉合酸壓、平衡酸壓、變粘酸酸壓及不同酸化技術(shù)的復(fù)合工藝。限于篇幅，在此簡(jiǎn)要介紹目前應(yīng)用較多的閉合酸壓工藝。    （2）砂巖儲(chǔ)層酸化工藝砂巖酸化主要是進(jìn)行基質(zhì)酸

15、化。為了滿足不同的儲(chǔ)層特性、污染類型及增產(chǎn)的實(shí)際需要，目前發(fā)展了多種砂巖酸化工藝，不同的工藝其不同之處主要體現(xiàn)在處理液和工序上。按其注入處理液的類型及能否實(shí)現(xiàn)深穿透可分為常規(guī)酸化和深部酸化技術(shù)，不同的工藝其注液順序也不同。常規(guī)土酸酸化    常規(guī)土酸酸化用常規(guī)土酸作為處理液的酸化工藝，是使用時(shí)間最早，也是最為典型的砂巖酸化工藝。該酸化工藝用液包括：前置液（preflush fluid）、處理液（treating fluid）、后置液（overflush fluid）和頂替液（displacement fluid），一般注液順序?yàn)椋鹤⑶爸靡?#174;注處理液(土酸

16、)®注后置液®注頂替液。    前置液：一般用315HCl作為前置液，具有以下作用：     a. 前置液中鹽酸把大部分碳酸鹽溶解掉，減少CaF2沉淀，充分發(fā)揮土酸對(duì)粘土、石英、長(zhǎng)石的溶蝕作用；     b. 鹽酸將儲(chǔ)層水頂替走，隔離氫氟酸與儲(chǔ)層水，防止儲(chǔ)層水中的Na+、K+與H2SiF6作用形成氟硅酸鈉、鉀沉淀，減少由氟硅酸鹽引起的儲(chǔ)層污染；     c. 維持低pH值，以防CaF2等反應(yīng)產(chǎn)物的沉淀；  

17、   d. 清洗近井帶油垢(添加高級(jí)溶劑清洗重?zé)N及污物)。處理液：處理液(土酸)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層基質(zhì)及堵塞物質(zhì)的溶解，溝通并擴(kuò)大孔道，提高滲透性。后置液：后置液的作用在于將處理液驅(qū)離井眼附近，否則，殘酸中的反應(yīng)產(chǎn)物沉淀會(huì)降低油氣井產(chǎn)能。     頂替液：頂替液一般是由鹽水或淡水加表面活性劑組成的活性水，其作用是將井筒中的酸液頂入儲(chǔ)層。3地?zé)峋畨毫阉峄嬖诘膯栴}（1）井口問題地?zé)峋谝话悴捎煤附舆B接，抗壓能力低，限制了壓裂酸化技術(shù)的應(yīng)用；同時(shí)，若采用采油樹，采油樹怎么與套管連接，怎么提高抗壓能力，是壓裂酸化工藝應(yīng)用需要考慮的問題。 （2）井身結(jié)構(gòu)問題地?zé)峋渤２捎枚_結(jié)構(gòu)，但技術(shù)套