采油新技术与新理论

采油新技术与新理论(NewTechnology&TheoriesforOil-production)水力压裂技术(HydraulicFracturing)主讲：西南石油学院采油教研室胡永全(028)89277012,13880551895主要内容•低渗透储层特征•地应力与应用•压裂材料（压裂液与支撑剂）•压裂设计方法•压裂测量与评估技术•压裂工艺技术（重复压裂技术、整体压裂）•水平裂缝压裂理论与设计方法第一讲：低渗透储层特征1.低渗透油田界限2.低渗透油田分类3.低渗透油田储量分布4.低渗透油藏成因5.低渗透油藏物性特征6.低渗透油藏裂缝特征7.低渗透油藏开发特点1.1低渗透储层界限前苏联：美国：唐曾熊：罗蛰潭、王允诚严衡文阎庆来1.1.1低渗透油藏渗透率上限低渗储层与中高渗储层的渗流特点(1)低渗透储层具有启动压力梯度不同流态的渗流曲线低渗透岩心中液体渗流曲线高速非线性渗流线性渗流低速非线性渗流(2)低渗透储层渗透率对原油采收率具有明显影响1.3低渗透油田分分布第一类一般低渗透油田，(10～50)mD第二类特低渗透油田，油层平均渗透率为（l一10）mD。第三类超低渗透油田，其油层平均渗透率为（0.1～1）mD。1.2低渗透油田分类1.4低渗透储层成因分类1.沉积成因（1）近源沉积（2）远源沉积2成岩作用（1）压实作用（2）胶结作用（3）溶蚀作用1.5低渗透油田储层裂缝特征砂岩裂缝与碳酸盐岩裂缝区别（1）砂岩裂缝多为构造成因的张性和剪性缝；而碳酸盐岩裂缝既有构造成因的张、剪缝，又有成岩作用或两者结合形成的溶洞、溶孔、缝合线、微裂缝等。（2）砂岩裂缝一般缝面清楚，产状稳定，长度大，具有明显的方向性；而碳酸盐岩裂缝在地下常有一定开度，长度不大，宽度大。（3）原始状态下多数低渗透砂岩裂缝是闭合的，属微裂缝或潜裂缝，裂缝宽度在孔隙直径的数量级内，因此裂缝不是主要的储油空间和运移的通道。而碳酸盐岩裂缝则相反。（4）砂岩裂缝由于在地下闭合（5）裂缝具有可变性。1.5.1发育特征1．层厚2．岩性3．构造部位1.5.2天然裂缝系统识别岩心裂缝观测描述露头裂缝观测描述测井识别裂缝方法—声波测井—井壁成像技术井下声波电视地层微电阻率扫描全井眼地层微成像仪裂缝的动态识别方法：—钻井显示—井壁崩落法（注意与地应力影响区别）—试井显示—压裂曲线显示—注水显示—油田生产显示第二讲：地应力及应用1.地应力概述2.静应力场及分布规律3.应力场测量与计算4.地应力对油田开发的影响2.1地应力概述原地应力与扰动应力重力应力、构造应力与残余应力古地应力与现今地应力分层地应力与地应力分层地应力场性质与地应力场状态2.2静应力场及分布规律•2.2.1原地应力Hvgdhh0)(PsHvhhvhHHEE11zhzH11•[例2-1]已知油藏深度H=2000m，地层岩石密度ρr=2300kg/m3，泊松比ν=0.20，地层流体密度ρL=1050kg/m3，孔隙弹性常数=0.72。试计算有效垂向应力和地层最小水平主应力σh。若油藏压力衰减7MPa后，地层最小水平主应力的绝对增量为多大？•[解]上覆岩石压力为σv=10-6ρrgH=10-6×2300×9.8×2000=45.08MPa•油藏压力近似为pS=10-6ρLgH=10-6×1050×9.8×2000=20.58MPa•有效垂向应力=σv-pS=45.08-0.72×20.58=30.26MPa•地层最小水平应力(Mpa)和最小水平主应力的绝对增量(Mpa)分别为38.2258.2072.026.302.012.01SVhp78.3772.02.012.021.121Shp应力很大而未发生塑性变形。据Dirk&Teeuw资料qbddEzqzyqyxqxxdddbd1xqxzqzyqyyddzdbd1yqyxqxzqzzdddbd1qzh111构造应力：是指构造运动引起的地应力增量构造应力只有两个水平主应力，属于水平的平面应力状。挤压构造力引起挤压构造应力，张性构造力引起拉张构造应力。弹性模量高的地层有较高的构造应力。构造应力在传播过程中逐渐衰减。热应力1TEhH2.2静应力场分布规律2.2.1地应力分布一般规律构造应力对地应力的影响断层类型与地应力的关系不同岩性中地应力分布特点岩浆岩中水平应力一般都较高，且水平应力差较大，在统计深度（22~2000米）内，水平应力差随深度增加而增大沉积岩中，水平应力与深度之间有良好的线性关系，其水平应力差是三大类岩石中最小的变质岩中，最大最小水平主应力总体上随深度增加而增大，但较分散。构造应力松弛地区水平应力随岩石泊松比增加而增大；水平地应力随孔隙压力减小而减少地层剥蚀可使垂向应力成为最小主应力硬地层中构造应力分量大地质构造形态对地应力的影响表2-1弹性模量与构造应力弹性模量（104Mpa）岩性H（Mpa）h(Mpa)5.0~11.0硬岩辉长石、闪长岩、杂白云石英、花岗闪长岩、石英斑岩4.5+4.510-3H5.0+0.030H2.0~5.0中硬岩大理石、石灰岩、角砾岩、粉砂岩3.0+0.030H2.0+0.028H1.0~2.0软岩高岭土、页岩、灰质泥页岩、蛇纹岩、砂岩等10-6gH10-6gH地质构造形态对地应力的影响地质构造的起伏变化往往引起局部地应力集中。背斜轴部水平地应力较低，但变化快；向翼部逐渐升高，但变化平缓。构造陡翼、倾俯端、鞍部或鼻状构造，往往产生应力异常。单条逆断层上盘诱发张应力场，主应力方位多与断层线呈高角度斜交。逆断层末端应力场变化复杂，应力性质、强度和方位的规律性差断层的交叉、分枝及拐点部位多产生应力集中，应力强度明显高于邻区。在峡谷地区谷底经常出现地应力集中，河流切割越深，应力集中越严重。我国地应力分布区域特征强烈构造应力区：包括台湾、西藏、新疆、甘肃、青海、云南、宁夏及四川中部。中等构造应力区：河北、山西、陕西关中、山东、辽宁南部、吉林延吉地区、安徽中部、福建-广东沿海及广西较弱构造应力区：江苏、浙江、湖北、湖南、河南、贵州、重庆、黑龙江、吉林及内蒙古大部地区。2.3静应力场测量与计算直接法:地应力可以通过测量岩石的破裂压力直接测量.常用矿场测量方法，它可以较准确地给出地应力测量结果，定量描述地应力场。如水力压裂测量、长源距声波应力测量、井壁崩落应力方向测量、地面电位应力方向测量、井下微地震测应力方向等。间接法:通过测量岩石的变形和物性变化来反演地应力.水力压裂法压力时间排量不变，提高砂比，压力升高反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静）净裂缝延伸压力管内摩阻地层压力（静）破裂前置液携砂液裂缝闭合加砂停泵baa—致密岩石b—微缝高渗岩石FECS井壁崩落法（井眼椭园法）2cos)43)(3(32)1(vEruxyxyr实验室分析方法典型的ASR曲线典型的DSCA曲线有限元模拟2.4地应力对油田开发的影响天然裂缝原则。沿最大水平主应力方向矩形井网原则；最大水平主应力方向上的油水井不相间（混）原则；井网与最大水平主应力方向有利原则；射孔方案与最小水平应力剖面相结合原则；采油新技术与新理论(NewTechnology&TheoriesforOil-production)第三部分：压裂液与支撑剂(FracturingFluid&Proppant)3.1压裂液体系80年代前:硼酸盐交联为代表的中低温水基压裂液;80年代:钛锆有机金属交联液满足了高温地层改造要求,但伤害高达80%目前主要发展低伤害压裂液体系3.1.1中低温硼酸盐延迟交联水基压裂液机理:固体颗粒缓慢溶解特点:易破胶,瞬时交联,抗剪切差控制PH值实现延迟交联典型配方:成胶剂浓度4.79Kg/m^3;交联剂浓度0.44%;延迟释放破胶剂浓度0,012-.06Kg/m^3;PH=11-13;交联时间2?7技术水平3.1.2高温地层有机复合硼酸盐交联水基压裂液机理:复合配位体覆盖碱性控制结合力---控制交联时间氧化降解技术水平:有机复合硼酸盐交联剂耐温150C有机复合硼酸盐交联液在250度不破胶时伤害15%3.1.3交联的甲醛压裂液表面张力低粘度性能好防滤失性好砂比可达0.43.1.4延迟释放破胶剂微胶囊包裹破胶剂酶破胶剂:70-125C;高温氧化破胶剂:130-200F;有机酸缩合破胶剂起破胶作用防滤失3.1.5压裂液性能压裂液摩阻计算聚合物溶液（溶胶）计算混砂液摩阻计算冻胶压裂液摩阻计算压裂液紊流摩阻放大方法Bowen法，阻力系数—雷诺数法，阻力速度法压裂液性能测量旋转粘度计管式粘度计小直径管道盘管粘度计摆动式流变仪3.1.6压裂液滤失数值模拟幂律液体在侵入区的渗流地层流体在多孔介质中的渗流滤饼区的渗流定解条件：初始条件，边界条件数值计算参数分析3.1.7模糊逻辑器选择压裂液压裂液的选择标准压裂液选择的逻辑系统原则压裂液选择的逻辑系统模糊逻辑标准3.1.8清洁压裂液体系2支撑剂典型支撑剂性能兰州砂唐山陶粒成都陶粒宜兴陶粒2.1树脂包层支撑剂优点:增加了粒间接触面积;减少了颗粒破碎后微粒运移与堵塞;总体积密度略低.形式:固化砂--在地层温度下胶结预固化砂--地面形成树脂薄膜包裹支撑剂2.2树脂包层支撑剂工艺双涂层技术:内层为预固化树脂薄膜,满足强度;外层在一定条件下固化的树脂薄膜,颗粒粘结;部分固化技术:减小固化剂用量控制固化程度阻止顾化砂在井筒胶结.呋喃树脂包层支撑剂:提高了高温稳定性2.3影响导流能力的因素（一）承压时间增加,导流能力降低20/40目陶粒20/40目兰州砂20/40目混合砂非达西流动影响影响导流能力的因素（一）环境与流动的影响颗粒越小,温度影响越小低温测定Pc-K曲线与一般测定无区别同一闭合应力下盐水K低氧化铝支撑剂(121C):玻璃珠支撑剂(121C):宝破碎压力明显降低采油新技术与新理论(NewTechnology&TheoriesforOil-production)第三部分：水力压裂设计(HydraulicFracturingDesign)1水力压裂裂缝延伸数值模拟年代二维拟三维全三维80年代80%20%研究中90年代初10%80%10%1.1连续性方程注入压裂液量=裂缝体积+滤失液量1.2流体流动压降方程平行板流流动压降方程圆管中流动压降方程裂缝中流动压降方程1.3裂缝宽度方程England&Green公式应力分解积分求和1.4裂缝高度方程断裂力学静态延伸准则裂缝高度控制方程1.5裂缝延伸算法1.6影响裂缝延伸的因素分析地层最小水平主应力差弹性模量与泊松比压裂液滤失系数压裂液稠度系数压裂液流动指数施工排量施工规模2。温度场计算温度分析在压裂的意义2.1井筒温度场分析油管注液套管注液混合注液2.2裂缝温度场分析3。裂缝延伸与支撑剂运移相互求解裂缝延伸过程支撑剂的影响相互求解4。压裂优化设计一般概念经济模型数学模型建立与求解—最小施工费用目标函数与约束条件构造—最大压裂收益目标函数与约束条件构造线形规划求解采油新技术与新理论(NewTechnology&TheoriesforOil-production)第四部分：水力裂缝测量与评估(Measure&EvaluationforHydraulicFracture)1压裂裂缝高度测量1.1直接测量方法•井下电视:在裸眼井中下入井下电视直接观察裂缝高度延伸•地层微扫描器:在裸眼井中下入井下电视直接观察裂缝高度延伸•噪声测井:当井筒中的流体进入吸液点产生声信号，它不同未吸液处的声信号，从而可以估算裂缝高度。无法测出缝高在不产液层的增长1.