水力壓裂油藏工程

專題評述-水力壓裂油藏工程水力壓裂自20世紀40年代誕生伊始并未受到重視，50年代迅速發(fā)展，60年代人們開始有目的的使用壓裂技術(shù)，改進支撐劑及開發(fā)化學(xué)添加劑，70年代發(fā)展量化和優(yōu)化壓裂施工程序，研制大流量的泵入設(shè)備，80年代重點發(fā)展壓裂監(jiān)測技術(shù)以提高壓裂效果，90年代努力開拓新領(lǐng)域，如天然裂縫性地層酸壓技術(shù)、水平井壓裂技術(shù)等

水力壓裂——一項永遠的技術(shù)HydraulicFracturing——AUnendingTechnique《油藏增產(chǎn)措施》第三版前言AlumedS.Abou-Sayed水力壓裂起源1932年02月11日在美國密執(zhí)安州米德蘭郡的?？怂?6井的由普爾石油公司和道化學(xué)公司合作，采用15%的鹽酸+砷防腐劑首次對油井進行酸化作業(yè)；1934年，對于灰?guī)r產(chǎn)層普遍采用酸化增產(chǎn)；地層壓開現(xiàn)象在酸化施工中早有發(fā)現(xiàn)：在注入壓裂低于上覆壓力前不能注入，而一旦超過上覆壓力，注入量顯著增加……1907年，Bradford油田開始環(huán)狀注水，之后Ontario（1913）、California（1917）、1921年賓州政府承認注水合法、Oklahoma（1931）、Texas（1936）等油田相繼開始注水采油，到20世紀400年代注水采油開始蓬勃發(fā)展。在注水中人們意識到注入壓力能夠壓開地層。1947年07月，在堪薩斯州大縣Hugoton氣田Kelpper-1井專門設(shè)計了第一次水力壓裂增產(chǎn)作業(yè)，層段2340-2580ft（715-790m），地層壓力420psi（2.9MPa）美國：到1981年壓裂作業(yè)次數(shù)80萬井次，1988年〉100萬次，占石油儲量的25~30%是通過壓裂增產(chǎn)達到經(jīng)濟開采條件的世界范圍：到1997年壓裂作業(yè)次數(shù)150萬井次水力壓裂過程

水力壓裂過程是通過對目的儲層泵注高粘度前置液，以高壓形成裂縫并延展，而后泵注混有支撐劑的攜砂液，攜砂液可繼續(xù)延展裂縫，同時攜帶支撐劑深入裂縫，再后使壓裂液破膠降解為低粘度流體流向井底反排而出，在地層中留下一條高導(dǎo)流能力的通道，以利于油氣從遠井地層流向井底。

裂縫一般沿最小應(yīng)力方向開啟，沿最大主應(yīng)力方向延展水力壓裂——一項永遠的技術(shù)HydraulicFracturing——AUnendingTechnique《油藏增產(chǎn)措施》第三版前言AlumedS.Abou-Sayed水力裂縫示意圖wf2xfh2Vfp水力壓裂作用機理：滲流流場改造近井地帶地層滲透性壓開長裂縫，增加泄油面積提高地層能量利用率，以助采油提高注入能力，增加掃油面積LinearFractureFlowBilinearFlowLinearFormationFlowEllipticalorTransitionFlowPseudoradialFlow導(dǎo)流能力概念2xfwffractureconductivitynoname重要參數(shù)：穿透比導(dǎo)流能力穿透比（xf/Re）裂縫導(dǎo)流能力用裂縫寬度和裂縫滲透率的乘積（Prats1961）來表示。有限導(dǎo)流、均勻流量和無限導(dǎo)流無量綱導(dǎo)流系數(shù)（kfw/kxf）。無限導(dǎo)流裂縫—認為裂縫的滲透能力較大（無量綱導(dǎo)流能力大于300），流體在裂縫中流動時壓降損失可以忽略。有限導(dǎo)流裂縫流體在裂縫中流動時有壓降損失，結(jié)果沿裂縫壁面有流量分布。垂直裂縫常用數(shù)學(xué)模型橢圓裂縫Prats(1961、1961),Kucuk(1980)Liaoyizhu(1996)矩形裂縫

Cinco(1978、1980、1986)，…三角裂縫Raymond(1966)

縱向部分穿透矩形裂縫模型rerwrf-xf復(fù)合橢圓滲流物理模型圖rexf污染區(qū)W(r)rwreLf

污染地層中均勻垂直裂縫井rs增產(chǎn)機理—測試資料特征

單裂縫井產(chǎn)能預(yù)測國外Mcguire-Sikora（1960）方法Tinsley-Williams-Tiner-Malone（1969）方法Prats-Hazebroke-Strickler（1961）方法Raymond-Binder（1966）方法國內(nèi)除數(shù)值模擬器外，沒有簡潔扼要的油藏工程研究結(jié)果等效井徑計算對比圖壁面污染表皮影響產(chǎn)能如果壁面無污染，則與直井相比其等效井徑為有效裂縫半長的1/2，若如果壁面污染，若表皮因子為1，計算等效井徑小于有效裂縫半長的1/5油藏工程優(yōu)化設(shè)計水力壓裂是一項應(yīng)用前景廣泛的技術(shù)。從經(jīng)濟效益的觀點出發(fā)，為提高水力壓裂增產(chǎn)效果，已經(jīng)投入了大量的工作研究如何設(shè)計裂縫幾何形狀以及選擇方案參數(shù)、確定裂縫井的流動狀態(tài)、分析壓力測試資料等，但是并不完善。一般的水力壓裂工程設(shè)計比較注重追求裂縫的幾何特征（縫長和縫寬）、砂比等，能夠給出壓裂施工中各種用液數(shù)量及參考施工壓力，并不涉及地層的油藏工程特性。事實上，地層的油藏工程特性如有效厚度、目前平均壓力、供液能力、滲透率、表皮因子等，直接影響了油井產(chǎn)能。具體到一口生產(chǎn)井，如果目前地層能量嚴重不足，或滲透率太低，即便水力裂縫很長、導(dǎo)流能力極高，油井一樣不能獲得理想的產(chǎn)能。顯然，水力裂縫和投產(chǎn)儲層之間存在一個最佳匹配的問題，這一問題直接關(guān)系到水力壓裂的效果。在壓裂過程中各種外來注入液可以透過裂縫壁面進入地層，造成裂縫壁面污染，這種污染有時是致命的，完全可以導(dǎo)致油井不產(chǎn)液。這一問題涉及到地層的敏感特性評價和對壓裂用液的優(yōu)選。優(yōu)化設(shè)計：Prats（1960）方法優(yōu)化設(shè)計新方法：最佳導(dǎo)流能力優(yōu)化設(shè)計新方法：最佳導(dǎo)流能力優(yōu)化組合：地質(zhì)模型地質(zhì)模型：依據(jù)前述對儲層的認識，建立如下的地質(zhì)模型：地層條件地層滲透率各向異性Kx=0.9×10-3μm2，Ky=0.3×10-3μm2裂縫設(shè)置一高滲帶。井排方位及水力裂縫方位井排方位按NE70°設(shè)置，水力裂縫方位平行井排方位。水力裂縫系統(tǒng)裂縫穿透率0.5、0,6、0.7、0.8裂縫導(dǎo)流能力22.5m2.cm優(yōu)化組合：井網(wǎng)模型井網(wǎng)型式低滲油田開發(fā)常用井網(wǎng)----反九點井網(wǎng)是矩形井網(wǎng)----試驗區(qū)地層較平坦、儲層分布穩(wěn)定，無斷層發(fā)育，最大地應(yīng)力方位認識相對清楚。矩形井網(wǎng)根據(jù)地應(yīng)力的方位布井，壓裂后油井裂縫處于相對有利位置，可使開發(fā)效果得到改善變形反九點井網(wǎng)----根據(jù)反九點井網(wǎng)角井與邊井同時見水來確定合理井排距三種井網(wǎng)示意圖優(yōu)化組合：井網(wǎng)模型反九點法井網(wǎng)變形反九點法井網(wǎng)五點井網(wǎng)油藏模擬----3維3相黑油模型對于井區(qū)地層連續(xù)穩(wěn)定分布，無斷層發(fā)育情形可在井網(wǎng)中取井組對稱單元采用局部網(wǎng)格加密和等效導(dǎo)流能力方法處理水力裂縫模擬方案和優(yōu)化目標試驗區(qū)內(nèi)不同井網(wǎng)型式的井數(shù)比較井網(wǎng)型式井距(m)×排距(m)單井控制面積（m2）總井數(shù)(口)生產(chǎn)井數(shù)(口)注水井數(shù)(口)正方形反九點330×330108900554114矩形960×360115200523517變形反九點960×360120000503812水力裂縫改變油層內(nèi)部滲流方式和泄油面積對低滲油藏開發(fā)過程中的壓力場、流場與飽和度分布將產(chǎn)生較大影響利用油藏數(shù)值模擬器研究水力裂縫系統(tǒng)--井網(wǎng)系統(tǒng)在規(guī)定的期限內(nèi)，單井產(chǎn)量、采出程度、含水率及經(jīng)濟指標的變化，并分析比較這些數(shù)據(jù)的變化，最終推斷出合理優(yōu)化的井網(wǎng)與裂縫系統(tǒng)。模擬分析水力裂縫將改變泄油區(qū)域和掃油效率，最終影響產(chǎn)量和采收率，如果合理地部署低滲油藏的開發(fā)井網(wǎng)系統(tǒng)，使其與水力裂縫相匹配，則可充分發(fā)揮水力裂縫的增產(chǎn)作用。低滲透油藏的開發(fā)井網(wǎng)與壓裂工藝方案孤立制定和實施，將導(dǎo)致開發(fā)后期暴露出一些難以調(diào)整的開發(fā)矛盾，制約油田的壓裂開采或壓裂開發(fā)水平。油層不同的滲透率各向異性、井網(wǎng)形式、油水井位置（邊井和角井）相匹配著不同的裂縫穿透比、不同裂縫導(dǎo)流能力的等參數(shù)。開發(fā)的不同時期，壓裂規(guī)模也不同：油井在不含水和含水的不同時期，井組及不同位置的油井（邊井和角井）和水井也相匹配著不同的裂縫穿透比、不同裂縫導(dǎo)流能力的等參數(shù)。對于低滲透油田，壓裂是改造油層的有利措施；依靠天然能量開發(fā)不足以長時間的穩(wěn)產(chǎn)，自然產(chǎn)能低，注水能減緩區(qū)塊的的壓力的遞減，對于低滲透油田產(chǎn)量一旦下降很難恢復(fù)，必須人工補充能量，應(yīng)采用早期注水開發(fā)方式注水。模擬分析在300*300米正方形反九點面積井網(wǎng)基礎(chǔ)上井距加大，排距縮小，減緩了井距向井的水淹，井排向井的盡快見效，并使注水井注入壓力高的矛盾的有所緩解。同時480*160米菱形反九點法井網(wǎng)水驅(qū)控制程度很高。建議在已有的井網(wǎng)基礎(chǔ)上開展降壓增注工作，脈沖注水工作，以利于加大注水量。通過本項目的整體壓裂研究,建議低滲透油藏的壓裂必須注重整體壓裂改造的做法，能為低滲透油藏的經(jīng)濟高效開發(fā)，提供新途徑和方法。如果區(qū)塊層間非均質(zhì)性強，必然造成各層吸水能力的差異，建議在壓裂優(yōu)化設(shè)計時，注重壓裂前的測試工作，在充分掌握油藏參數(shù)及認識油藏地質(zhì)的基礎(chǔ)上，進行壓裂優(yōu)化設(shè)計，在設(shè)計中充分考慮壓裂施工工藝情況及經(jīng)濟效益目標。水力壓裂技術(shù)進步單井增產(chǎn)增注—區(qū)塊整體壓裂缺乏對油藏非均質(zhì)性、水驅(qū)波及面積、開采效益等的總體考慮壓裂開采—壓裂開發(fā)壓裂開采：井網(wǎng)已定，優(yōu)化裂縫長度、導(dǎo)流能力壓裂開發(fā)