压裂基础培训

压裂基础培训准东采油厂2007年07月刘进军第一节压裂设计参数及裂缝几何形状第二节压裂工艺压裂基础培训一、压裂设计参数及裂缝几何形状概述最小地应力岩石抗张强度断裂韧性水力压裂示意图准东油田开发井的压裂设计模式资料搜集1、井的开发曲线2、井的测井曲线3、出液剖面资料4、沉积相带图5、压力保持程度图6、剩余可采储量图7、历年压裂施工参数压裂设计思路形成压裂优化设计达到压裂设计要求压裂配套工艺技术监督裂缝半长裂缝导导流能力前置液加砂强度平均砂比核心:油藏研究与工艺研究结合关键:工艺技术与规模优化结合结合概述一、压裂设计参数及裂缝几何形状油气井参数如：井筒套管、井下工具、射孔位置、射孔数、固井质量等。油气层参数如：储层岩石力学性质，如泊松比、杨氏模量、抗压强度；储层地应力的垂向分布及最小水平主应力的方位;遮挡层的岩性、厚度与地应力值等。压裂参数裂缝延伸压力和裂缝闭合压力;压裂液视粘度、流态指数和稠度系数;压裂液初滤失和综合滤失系数;压裂液流经井下管柱与射孔孔眼的摩阻损失等。一、压裂设计参数及裂缝几何形状一、压裂设计参数及裂缝几何形状(1)岩石的泊松比当岩石受抗压应力时，在弹性范围内，岩石的侧向应变与轴向应变的比值，称为岩石的泊松比。即力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状岩石类型杨氏模量，104MPa泊松比岩石类型杨氏模量，104MPa泊松比硬砂岩4.40.15砾岩7.40.21中硬砂岩2.10.17白云岩4.0~8.40.25软砂岩0.30.20花岗岩2.0~6.00.25硬灰岩7.40.25泥岩2.0~5.00.35中硬灰岩-0.27页岩1.0~3.50.30软灰岩0.80.30煤1.0~2.00.30一般，泊松比是一个0v0.5的值，大多数情况下约等于o.25(只有在最疏松的岩石中才有可能达到0.5)。泊松比是确定地层水平主应力值及其垂向分布的重要参数。由于地应力值与地层破裂压力、裂缝延伸压力、裂缝闭合压力以及裂缝高度有关，所以，泊松比在压裂设计中起着重要作用。一、压裂设计参数及裂缝几何形状(2)岩石的弹性模量岩石受拉应力或压应力时，当负荷增加到一定程度后，应力与应变曲线变成线性关系(从A至B)。比例常数E称为岩石的弹性模量。即弹性模量主要影响裂缝的宽度和高度一、压裂设计参数及裂缝几何形状砂岩的静态弹性性质(取自Howard和Fast著，油层水力压裂，石油工业出版社，1984)结论：弹性模量值越大，泊松比越小，说明储层岩石越致密坚硬，造缝宽度变窄，而施工的净压力将有所提高。一、压裂设计参数及裂缝几何形状力学参数目前国内外对碳酸岩层压裂尚未有成功典范，准东采油厂先后对火南6、北32、B402等碳酸岩层进行压裂，均造成砂堵，在火南6还在加砂前，采用了段塞加砂技术，两次压裂均造成砂堵，其主要原因是裂缝的宽度W和弹性模量E成反比，而碳酸岩弹性模量是砂岩弹性模量的好几倍，所以造成碳酸岩储层裂缝的宽度非常小，所以加砂必然会造成砂堵。因此碳酸岩储层应进行酸压。一、压裂设计参数及裂缝几何形状分层ABCDE上界层344833448334483344833448.3储层344832069013793689734483下界层344833448334483344833448.3杨氏弹性模量与裂缝高度关系曲线力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状力学参数（3）地应力存在于地壳内部的应力，是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态。x（x）y(y)z(z)主应力:x，y，z;应变:x，y，z一、压裂设计参数及裂缝几何形状人工裂缝方位原理：裂缝面垂直于最小主应力方向当xYz形成水平裂缝；zxY形成垂直裂缝。yxzxyz力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状xyz垂向主应力：作用在岩石单元体上的垂向主应力来自上覆岩层重力。一般，该值可估计为:力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状25002510252025302540255025602570258025902600261026202630264026502660267026802690应力MPa杨氏模量s104MPa泊松比RT4039384344394442453839394344353539393736443544404535463636422.882.432.724.635.162.264.372.434.262.972.12.952.244.964.82.122.281.475.954.794.843.974.214.72.955.55.252.08力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状微型水力压裂压力记录prpipfst力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状(4)地层破裂压力和破裂压力梯度定义:为使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底流体压力。地层破裂压力与深度的比值称之为破裂压力梯度。FHWfpppp现场施工参数计算当αF0.015～0.018MPa/m,形成垂直裂缝当αF0.022～0.025MPa/m,形成水平裂缝HPF力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状(5)裂缝延伸压力定义:水力裂缝在长、宽、高三个方向扩展所需要的缝内流体压力。一般，它比闭合压力大，且与裂缝大小及压裂施工有关。一、压裂设计参数及裂缝几何形状1、缝高控制，长度延伸。2、垂向增长慢，长度继续延伸，可能预示着注人量等于滤失量。3、反映了缝内发生堵塞，裂缝在长度上已停止延伸，注入的液体只能增加裂缝的宽度，容易脱砂造成砂堵。4、说明裂缝在高度上已失去控制，延伸到非压裂目的层段，或又压开了新的裂缝，或裂缝在延伸过程中遇到了规模较大的天然微裂隙体系。力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状(6)裂缝闭合压力1)开始张开一条已存在的裂缝所必须的流体压力;2)使裂缝恰好保持不致于闭合所需要的流体压力。作用：裂缝闭合压力是选择支撑剂类型、粒径、铺置浓度和确定导流能力的主要依据。力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状scpropppp作用在支撑剂上的力以0.45－0.90mm的兰州砂进行的长期（支撑剂至少承压30d为一检验周期或至120d）导流能力试验结果说明：1）支撑剂产生的导流能力是支撑剂承压时间的函数，且呈双对数的直线关系下降；2）承压后的第1d与短期试验比较导流能力递减最快，可达20％左右，第7和第15d各再有快速递减拐点，至承压30d导流能力已递到62％；3）此后递减急于平缓；力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状导流能力/渗透率（μm2·cm/μm2）缝内支撑剂承压MPa石英砂低密度陶粒中密度陶粒高密度陶粒1097/303153/462134/393141/4632047/153111/347111/335117/3943017/5985/27291/28196/329406/2260/19867/21080/2775039/13148/15266/2316026/9032/10355/193力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状储层岩石弹性模量、闭合压力和储层有效渗透率这些反映储层特征的参数是优选支撑剂的地质依据。1）储层岩石弹性模量如大于28000MPa，裂中支撑剂以破碎为主。反之则为嵌入；2）由于我国石英砂的使用上限仅为20MPa。当储层埋藏埋深且闭合压力大时，显然应以陶粒支撑剂予以替代。力学参数一、压裂设计参数及裂缝几何形状力学参数区块闭合压力平均流压支撑剂承受压力火烧山23.76.3217.38北三台3311.6521.35沙丘539.61326.6台3462224二、压裂工艺高砂比技术二次加砂技术线性加砂技术端部脱砂技术高导流能力的短而宽裂缝压裂优化设计压裂施工工艺变组份施工工艺快速排液工艺达到保护油层的目的压裂工艺技术多层压裂技术转向压裂技术控高压裂技术控水压裂技术实现封堵出水层,达到有针对性压裂高含水井二、压裂工艺1、二次加砂压裂技术二次加砂压裂是在压裂中利用多段塞、中途停泵等措施，分二次或者二次以上的加砂程序，提高单井加砂量，可大幅度提高缝内铺砂浓度和裂缝导流能力。与常规压裂相比，二次加砂压裂具有以下优点：1、对于距离注水前缘较近的储层压裂，在有效控制裂缝长度的条件下，可大幅度提高缝内铺砂浓度和裂缝导流能力。2、对于薄层和隔层较差的层压裂，可在有效控制裂缝高度增长的前提下，提高有效铺砂浓度，提高施工成功率和延长了有效期。3、对于合层压裂，特别对于层间地应力有一定差异的油水井合层压裂时，利用二次加砂压裂技术，可使每个小层均得到有效改造，改善小层流动条件,克服一次加砂压裂小层改造不均的问题。4、二次加砂避免了一次加砂中过高追求高砂比而带来的施工危险。二、压裂工艺工作压力MPa12ＱＨB1067H02212.0--2253.02425202011.51.002SQ2496P3wt132571.0--2618.53334262411.71.001.3平均日增油（t）井号层位射孔井段破裂压力MpaPr(MPa)加砂强度m3/m二次加砂施工液量油量液量油量含水B1067H0181.009.11.56.92.883.0100.651.02.0SQ2496P3wt13181.004.82.314.63.973.071.054.01.3累计增油累计生产天数平均日增油井号层位总砂量m3加砂强度措施前目前二、压裂工艺在水力压裂的过程中有意识地使支撑剂在裂缝的端部脱砂，形成砂堵，阻止裂缝进一步向前延伸。继续注入高浓度的砂浆后使裂缝内的净压力增加，迫使裂缝膨胀变宽，裂缝内填砂浓度变大，从而造出一条具有较宽和较高导流能力的裂缝。端部脱砂压裂成功的关键是裂缝的周边脱砂，裂缝的前端及上下边的任何部分不脱砂都不能完全达到预期的目的。2、端部脱砂技术二、压裂工艺二、压裂工艺台28井裂缝形态剖面二、压裂工艺二、压裂工艺二、压裂工艺通常压裂采用的是梯型加砂技术，砂比均匀递增，砂比呈台阶式逐步提高，这种加砂技术优点是裂缝延伸状况容易判断，施工平稳，但加砂速度慢，铺砂浓度较低，不能实现高导流能力宽短裂缝要求。线性加砂工艺技术是指加砂过程中，提高了加砂速度，砂比呈斜线上升，使支撑剖面更趋合理。3、线性加砂工艺技术二、压裂工艺二、压裂工艺这种加砂技术优点是：1、压裂缝填充更多的支撑剂，能够实现高导流能力宽短裂缝要求；2、支撑剂压碎率小，对由细粒造成导流能力下降的抵抗力强，裂缝初期及稳态导流能力更高；3、可形成桥塞而抑制裂缝向上、向下延伸，达到控制缝高的目；加砂技术难点是：1、由于低渗特征、井斜及射孔孔眼与裂缝方位不一致，近井裂缝可能发生弯曲，增加摩阻，易造成早期砂堵，施工风险大。设计时应采用低砂比段塞技术，以消除近井裂缝弯曲摩阻。2、要满足高砂比能进入地层，必须提高施工排量或提高压裂液粘度造宽缝，由于砂比提升速度快，施工压力变化快，裂缝延伸状况判断难度大，易发生砂堵,施工难度大。3、压裂液携砂性能应满足高砂比施工要求，提高压裂液粘度，可能造成压后快速破胶困难。3、线性加砂工艺技术二、压裂工艺现场应用二、压裂工艺4、分层压裂工艺技术油田开发进入中后期以后，层间矛盾加剧，水窜严重，有针对性的分层压裂技术是挖潜的重要手段。二、压裂工艺A、树脂防砂机理覆膜砂是在筛选好的石英砂表面，涂敷一层能够耐高温的树脂粘合剂，制成常温下呈分散粒状的树脂覆膜砂，施工时在泵入石英砂后期将树脂覆膜砂尾追泵入油层，在油层温度和压力下，树脂粘合剂交联固化，在井底附近形成一个渗透率较好且具有一定强度的挡砂屏障以达到防止地层出砂的目的。5、压裂防砂技术二、压裂工艺压前图片压后图片压前图片压后图片树脂砂提高导流能力的机理主要体现在两方面：1、树脂砂外层的树脂薄膜可以防止破碎砂粒的运动。2、树脂砂达到一定温度后，将会胶结，使裂缝内的支撑剂固结，这样可以进一步防止碎屑运移。压前图片压后图片二、压裂工艺不同温度下树脂砂固结情况(实验介质：水)