压裂设计及施工工艺分析（毕业论文doc）

延安职业技术学院 毕业论文 题 目 压裂设计及施工工艺分析 学 生 指导教师 评 阅 人 专 业 油气开采技术 完成日期 年 12 月 7 日 精品 摘要： 压裂技术是低渗透油田增加单井产量确保油田稳产提 高经济效益的重要措施。论文详细分析和研究了压裂的造缝机理；提出了压裂的选井选层原则、压裂的工艺技术特点和相应措施；介绍了压裂在国内外的应用现状，结合国内外压裂的现场应用情况分析了压裂效果及存在的难题，从中明确了低渗透油田压裂技术的发展趋势。 关键字： 压裂；分析；应用 精品 目录 第一章 绪论 - 3 - 利压裂技术发展现状 - 3 - 力压裂新工艺和新技术 - 5 - 第二章 油气井压前分析诊断 - 6 - 气井压前分析诊断意义 - 6 - 气井压前分析诊断的主要内容 - 6 - 第三章 压裂设计技术 - 7 - 裂酸化技术概况 - 7 - 裂酸化设计优化的考虑 - 7 - 裂酸化材料选择的考虑 - 8 - 理想的压裂酸化作业 - 9 - 理想的压裂酸化工作液 - 9 - 裂酸化施工中的参数优化 - 9 - 第四章 结论 - 11 - 参考文献 - 12 - 精品 第一章 绪论 水力压裂技术经过了近半个世纪的发展，特别是自 80年代末以来，在压裂设计、压裂液和添加剂支撑剂 、压裂设备和监测仪器以及裂缝检测等方面都获得了迅速的发展，使水力压裂技术在缝高控制技术、高渗层防砂压裂、重复压裂、深穿透压裂以及大砂量多级压裂等方面都出现了新的突破。现在水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中，通过水力压裂改善了井底附近的渗流条件，提高了油井产能，在美国有 30%的原油产量是通过压裂获得的国内低渗油田的产量和通过水力压裂改造获得的产量也在逐渐增加，水力压裂技术的最优实施和关键性技术的突破，将给石油工业带来不可估量的前景。 水力压裂技术自发展半个多世纪以来，为 增加油气井产量、提高油气田开发水平作出了不可磨灭的贡献。但不是所有的压裂措施都能达到预期的增产效果，许多油气井压裂以后增产效果不理想甚至没有增产效果，其中一个重要原因就是压裂过程中压裂本身对油气层造成了损害。因此有必要对压裂过程中的裂缝损害进行研究并找出相应的解决措施。 水力压裂过程中存在的损害主要包括粘土膨胀与颗粒运移损害、机械杂质引起堵塞损害、支撑裂缝导流能力的损害等。所以，要提高压裂效果，可以从改进压后裂缝导流能力和提高裂缝壁面附近地层的渗透率两个方面入手，这就是要进行水力压裂复合酸化技术研究的依据。 酸液体系是否合理是能否消除压裂液对裂缝壁面及支撑剂层损害的关键因素，因此也是水力压裂复合酸化技术能否取得成功的关键。本文对己有的几种酸液配方分别进行压裂液伤害的解堵效果实验，筛选出最合理有效的酸液配方，并进行了对地层的酸化效果评价和对支撑剂层的解堵效果评价。经分析对比表明，通过实验筛选出的合理的酸液配方能较好的改善裂缝壁面附近地层的渗透率和支撑裂缝的导流能力。通过酸液处理后，如果返排彻底，其导流能力可以恢复到裂缝初始导流能力。 利压裂技术发展现状 水力压裂就是利用地面大功率高压机泵组，以大大超 过地层吸收能力的排量将高粘液体注入井中，随即在井底憋起高压而劈开地层形成裂缝；继续注入液体，促使裂缝延伸扩张，而后将带有支撑剂的液体注入地层。这样停泵卸压后即可在地层中形成具有一定长度、一定宽度和高度的填砂裂缝。由于压裂形成的裂缝有很高的导流能力，有效地改善了油气层的渗流条件，为流体提供了很好的渗流通道，降低了流体渗流阻力，从而大幅度提高油、气、水井的产液、产气量或吸水能力。随着油田开发水平的提高，水力压裂技术越来越受到人们的重视。 水力压裂自 1947年在美国堪萨斯州胡果顿气田试验成功以来经过 50多年的发展 ，不仅已成为油气井增产、水井增注的重要技术措施，而且是油藏整体开发的重要组成部分和评价认识储层的重要方法。近年来，水力压裂己广泛用于调整油气层开采中的三大矛盾、提高注水效果和加快油气田的开发速度等领域。此外，它可用于极低渗透率气田的开发，使本来没有工业价值的气田成为具有相当工业储量和开发规模的大气田。如今，水力压裂技术在裂缝模型、压裂井动态预测、压裂液、支撑剂、压裂施工设备、应用领域等方面均取得了惊人的发展。 压裂液方面： 目前，国内压裂液已形成系列，品种达 30多种，常见的水基压裂液，占 90%，泡沫压裂液占约 10%，油基压裂液使用很少。 90年代，研制出了延迟交联技术和新型胶囊破胶剂精品 技术，从而研制出低伤害压裂液，但如前所述，硼酸盐交联压裂液溶具有 10% 20%的伤害率，这对于低渗透油层乃是十分有害的，于是国外一些公司有相继研制出新型无伤害压裂液。这类压裂液的最大特点是不含聚合物绸化剂，或绸化剂浓度极低。如液态 00%的纯液态具有返排彻底、无残渣、对地层无伤害等特点。再如粘弹性表面活性剂基压裂液不含聚合物而是含有一种从长链脂肪酸得来的基胺盐，这种压裂液也具有不需要破胶剂，压后返徘彻底、无 伤害等特点。 自进行大规模水力压裂以来，压裂液无论从单项添加剂研制、整体压裂液配方体系的形成、室内研究仪器设备和方法以及现场应用工艺技术等均发生了重大变化，特别是 20世纪90年代以来，压裂液体系研究趋于完善，在压裂液化学和应用工艺技术方面又取得了许多新的突破，并在现场应用中发挥了重要作用。 支撑剂方面：近年来，中等强度和高强度支撑剂发展较快，与石英砂形成了支撑剂系列，可满足不同目的的压裂要求。中等强度的支撑剂有树脂包层石英砂。树脂包层支撑剂是 70 年代末研究出来的， 80 年代发展完善，目前己代替烧结铝钡土支撑剂。 它有两种：固化和预固化。固化砂在地层温度下固结，这对于防止压后裂缝吐砂和防止地层出砂有一定效果；预固化砂则是在地面上已形成完好的树脂薄膜包囊，它的优点是：树脂薄膜包囊起来的砂子，增加了粒间的接触面积，提高了抵抗闭合应力的能力；树脂薄膜可将压碎的砂粒小块、粉砂包囊起来，减少了微粒的运移与堵塞孔道的机会；树脂包层砂总的体积密度比高强度人造支撑剂要低，便于悬浮，降低了对携砂液的要求。支撑剂回流一直是困扰油气采输的难题之一，也是支撑剂发展急需解决的问题。近年来，国外包胶支撑剂及支撑剂回流控制技术得到了不断完 善和发展。近期支撑剂的技术进展是： a双涂层技术； b部分固化支撑剂： c吠喃树脂包层支撑剂； d e支撑剂返排控制技术； f支撑剂的优化设计。 压裂监测技术的发展：近几年来，各种压裂监测设备和监测技术都得到了较大的发展。裂缝高度检测方法包括井温测量法和放射性同位素示踪法。裂缝方位和几何尺寸的主要检测方法是在裸眼井中下井下电视测量、微地震测量、无线电脉冲测量等方法对裂缝进行探测，通过传送系统在地面进行实时显示，根据图像观察和分析裂缝的方位和几何形态。 裂缝模型的发展：压裂设计模型是 综合岩石断裂力学和固液两相流体力学、传热学等模拟水力裂缝几何形状和参数，由压裂设计模型编制的压裂设计软件己普遍应用于所有油田的压裂施工。目前国内外己提出许多种复杂程度不同的模型来预测裂缝的几何形状，大致可分为二维模型、拟三维模型、真三维模型。从二维模型到真三维模型，假设条件依次变宽，而求解的复杂度却呈几何级递增，当然模拟实际压裂的准确性也越来越高。在国外， 80年代以前，压裂设计使用的主要是二维软件，进入 90年代后，拟三维压裂设计软件的使用率达到了 80，全三维软件和二维软件各为 10%左右，世界各主要石油服务公 司已广泛应用拟三维压裂设计软件，而且己拥有比较成熟的全三维软件。目前，全三维软件由于所需的很多参数无法准确确定和需要较高档的计算工具 (工作站 )及较长的计算时间，所以在矿场上还没有普遍使用，而主要用于评价拟三维设计软件的精确程度和一些复杂井层的施工设计。论文下节将对主要的压裂模型作简单介绍。 缝高控制技术的发展：压裂过程中，当油层为薄油层或上下遮挡层为弱应力层时，压裂裂缝可能会穿透生产层进入遮挡层，达不到压裂效果，严重时甚至连通含水层造成水窜，从而导致压裂失败。因此近几年来，国内外对缝高控制技术进行了广泛的研 究。目前的主要方法有：建立人工隔层控制缝高；非支撑剂液体段塞控制缝高；调整压裂液密度控制缝高；冷水水力压精品 裂控制缝高。 高砂比与端部脱砂压裂技术：由于压裂液和支撑剂的性能得到改善和提高使高砂比压裂和端部脱砂压裂成为 80年代末期发展起来的两项新的压裂工艺技术。高砂比压裂技术是指提高地面砂液比，使支撑裂缝的支撑剂铺置浓度增加，以提高裂缝导流能力，增加水力裂缝的流通面积，降低流体在水力裂缝中的流动阻力。一般把裂缝内单位面积的砂浓度大于 1070年代后期，由于新型聚合物的发展以及储存、传 输、混合、泵送及计量装备的发展，使以提高缝内支撑剂浓度为目的的高砂比压裂迅速发展起来，第一次高砂比压裂作业的设计及施工是 1976年在墨西哥州 524前，实验及研究己证明高砂浓度支撑裂缝在提高裂缝导流能力方面具有很大的潜力。而端部脱砂压裂技术是1987年由 是一种非常规的压裂技术，当裂缝达到预定的缝长时，前置液全部滤失完，这时在裂缝端部将发生脱砂 (即砂堵 )，裂缝净压力急剧升高，迫使裂缝在宽度方向上发展，以获得比常规压裂宽几倍至几十倍 的支撑裂缝，从而大幅度提高裂缝导流能力。该技术在疏松地层的压裂防砂、中高渗透地层压裂和老井重复压裂中得到了广泛的应用。目前，国内外高砂比与端部脱砂压裂技术还没有系统化、成熟化。 力压裂新工艺和新技术 1）高压水旋转射流技术： 高压水旋转射流技术是利用井下可控转速的自振空化发生器产生低频水力波、高频振荡冲击波和空化超声波三种物理作用，对近井地层进行直接深穿透处理，彻底清除储层堵塞，疏通油流孔道，从而提高处理深度和处理效果，使油水井恢复生产。该技术具有效率高、成本低、无污染等优点，是适用于低渗油田油 水井增产增注的新型工艺技术。 （ 1）基本原理 高压水旋转射流解堵工具主要由井下过滤器、扶正器、旋转控制器和自振空化喷射器组成。 整套工具用油管下至待处理目的层 ， 处理液通过水泥车打压经单向阀、过滤器后进入旋转发生器 ， 产生多股径向高压水射流。喷头上沿四周分布四个风琴管喷嘴 ， 其中两个倾斜动力喷嘴喷出侧向射流产生旋转力矩 ， 驱动喷头旋转 ， 两个径向喷嘴产生径向高频自振空化射流 ， 直接冲击管壁和地层。工具在井下边旋转边上下移动 ， 旋转速度由旋转控制器控制 ， 每转一周有四个水力脉冲 ， 同时产生低频旋转水力波、高频振荡冲击波、空化噪 声超声波三种物理作用综合作用地层 ，达到对整个射孔井段的完全处理。 （ 2）作用机理 低频旋转水力波。射流喷射器旋转时 ， 在井筒内产生旋转水力扰动波 ， 旋转速度为 100400r/ 这种低频旋转水力波作用在地层 ， 使沉积在地层孔隙内的机械杂质和堵塞物逐渐松动脱落 ， 分散在液体中被水射流冲刷带出 ， 达到疏通孔道、解除堵塞的目的。同时 ， 地层岩石在低频旋转水力波的反复作用下 ， 产生疲劳微裂缝网 ， 并随水力波的深入 ， 裂缝不断扩大和延伸。 自激振荡冲击波。自激振荡射流具有强烈的压力振荡和冲蚀岩石效果。试验证明 ， 射流振动频率为 几千至上万赫兹 ， 压力脉动幅度达 24 % 37 % ， 在相同泵压条件下 ， 冲蚀岩石效果为普通射流的 2 4倍。喷射器在井下旋转一周产生 4次水力脉冲 ， 每次水力脉冲本身又是自激振荡射流 ， 这种自激振荡射流直接冲入近井地带深穿透冲击解堵 ， 同时使地层岩石冲击破碎 ， 产生新的微裂缝 ， 从而提高地层渗透率。 精品 空化噪声超声波。喷射器产生高频振荡射流的同时，产生高频、强辐射、深穿透空化噪声，频率高达 10种高频超声波一方面有助于疏通油水通道，增加地层压力梯度，另一方面改变原油分子结构，降低原油粘度，减小岩石和油水界面上的表面张 力，从而改善原油流动性，提高原油采出程度。 （ 3）适用范围和选井条件 地层渗透性较高 ， 具有一定产能 ， 近井地带污染堵塞引起产量下降或停产停注的油水井。 地层污染堵塞又具有酸敏、水敏特性 ， 不易酸化等措施的油水井。 地层能量低 ， 酸化后无法排酸的井。 油层薄、层段小 ， 层间干扰严重的多层分注井。 需调整油井产液剖面及水井吸水剖面的井。 可作为油水井酸化、压裂、注蒸汽、注聚等措施前的预处理。 2) 端部脱砂压裂技术（ 随着油气田开采技术的发展和多种工艺技术的交叉综合运用，压裂技术应用范围已不再局限于低 渗透地层，中高渗透地层也开始用该技术提高开发效果。当压裂技术应用于中高渗透性地层时，希望形成短而宽的裂缝，并尽可能地将裂缝控制在油气层范围内。为了适应这一特殊的要求，国外于 20世纪 80年代中期研制开发了端部脱砂压裂技术，并很快应用于现场，目前国内也开展了这方面的研究，并取得了很大的进展。 第二章 油气井压前分析诊断 气井压前分析诊断意义 （ 1） 油气井低产原因有多种多样，油气井自然产能也差异很大。没有哪一种改造工艺能解决各种油气井的问题。因此必须彻底了解井层情况，根据井层情况采取针对性的改造措施才能用最小的成本达到最佳的储层改造效果。 （ 2） 压裂酸化改造是把双刃剑。对储层的改造和对储层的伤害并存。当改造作用大于伤害作用时油气井增产，当改造作用小于伤害作用时油气井减产。因此必须弄清储层的敏感特性和影响伤害的主要因素才能在改造中采取针对性的油气层保护措施，降低改造过程中油气井的伤害。 （ 3） 油气井的许多特性参数是油气井改造优化施工所必须的关键的参数，必须通过压前分析获得。如地层的孔、渗、饱，地层压力、温度、地层有效厚度以及这些参数的纵横向变化情况等。 （ 4） 地层的可改造特性决定了油气井的可改造程度，也决定着改造的规模和资金的投入。这 也是压裂酸化经济性评价的依据。 （ 5） 油气井井筒、井口、井场的工程条件局限在一定程度上决定着压裂酸化改造的极限作业参数。必须在压前进行评价。 气井压前分析诊断的主要内容 （ 1） 根据地震勘探资料和已开发井资料获取构造特征，了解储层纵、横向变化规律。 （ 2） 根据测井资料、钻录井资料、取芯分析资料获取储层的物性资料、岩化资料和岩石力学资料。 精品 （ 3） 根据试井资料、邻井动态资料获取储层动态资料。 （ 4） 根据室内工程模拟实验、岩心伤害流动模拟实验进行压裂酸化改造适应性评价。 （ 5） 综合利用测井、岩心分析，井筒成像技术、微压裂测试技术确定压裂改造 的关键性力学资料地层最小就地应力。 （ 6） 利用阶梯升排量测试、阶梯降排量测试、压力降落曲线分析获取压裂液在井筒、孔眼、地层中的流动特性，探索射孔的完善性、近井筒裂缝的扭曲及各部分的工作液流动阻力。 第三章 压裂设计技术 裂酸化技术概况 压裂酸化改造是油气田开发的主导工艺技术，为我国老油气田的挖潜和新油气田的开发做出了卓越贡献。甚至成为了油气井开采的必要作业工序。 (1) 压裂酸化改造的目的： 解除或弱化在钻井、完井过程对地层造成的伤害 ,恢复油气井的自然产能 . 通过压裂或酸化作业改善井筒附近地 层的渗流特性，降低井筒附近油气流动阻力，达到提高油气井产量的目的。 (2) 压裂酸化改造必须解决的问题： 压裂酸化改造不能对地层造成大的伤害，改造作用必须远大于伤害作用。 压裂酸化改造不能对环境造成大的伤害，达到清洁化施工作业。 压裂酸化改造的投入必须远小于产出。做到高效经济施工。 (3) 压裂酸化改造的一般流程： 油气层诊断分析和评价，包括井、层和构造。找到油气井低产原因。分析油气井自然产能。找到影响油气井高效开发的关键因数。确定压裂酸化改造目的和目标。 井筒、井口、地面试油开发设施、环境、现有压裂酸 化施工装备、材料等对压裂酸化改造的限制性评估，确定压裂酸化改造的限制性参数。 施工设计优化、经济性评估。 压裂酸化施工，包括施工质量控制、施工监测、施工中的参数优化和方案调整、施工中的环境保护等。 施工后油气井的管理 压后评估。 裂酸化设计优化的考虑 （ 1） 储层参数可信度、局限性和参数选择的思考：测井参数、钻录井资料取芯分析资料只能代表井筒点或井筒附近的情况，试井资料、生产资料以及邻井动态资料在一定范围内能反映纵、横向的综合资料。测井、岩心分析、试井等各自获得的资料精品 由于其各自的假设条件和局限性结果会有较 大差异，这些资料必须综合予以评价和选择。 （ 2） 油气井完井方式、完善程度、储层的纵横向变化对设计影响的思考：大斜度井、水平井与垂直井相比更加复杂，裂缝的开启方式，压裂液及支撑剂的入缝条件，人工裂缝的扭曲等都存在很大差异。射孔完井和裸眼完井对压裂酸化改造有很大影响。储层特性参数的纵横向变化及其变化规律可信度对当今压裂酸化设计模型提出了严峻挑战。所以在选择设计模型以及确定修正参数时必须充分考虑。 （ 3） 井筒工程条件、井口条件以及地面工程条件在一定程度上制约压裂酸化改造方式和极限作业参数。 （ 4） 现有井下工具、压裂液、酸液、支撑剂 、施工装备发展水平决定着施工的成败和施工的效果。必须予以综合分析。在现有设备、材料及工艺等条件下对设计进行最优化设计。 （ 5） 压裂酸化改造的经济型分析是设计的重要环节。压裂经济型分析实际上是油气井开发过程中的维护成本与压裂成本的对比分析。在一口井的寿命中，可采储量基本不变，当产量很低、开采时间很长时其维护成本是很高的。如果通过压裂酸化改造，产量提高了可缩短开采时间，从而减低开采中的维护成本，但会增减施工作业成本。两项成本的优化取舍则是压裂酸化经济性分析的关键。 （ 6） 压裂酸化设计的核心则是工艺的选择、工艺的组合、井下工 具的选择、压裂液、酸液和支撑剂的选择，施工规模的优化和施工参数的确定。 裂酸化材料选择的考虑 （ 1） 压裂液选择的思考：压裂液的主要功能是压开地层、造缝、延伸裂缝和输送支撑剂。因此，压裂液的粘度和悬砂能力是衡量压裂液的重要参数。同时、压裂液的使用也带来一些负面影响压裂液在造缝和输送支撑剂时会有一部分滤失到地层中造成地层的伤害；由于压裂液的滤失，组成压裂液的稠化剂等会在裂缝中浓缩，引起支撑裂缝导流能力的下降；施工结束后由于压裂液在地层中的滞留会引起地层伤害；压裂液在施工过程中会有沿程摩阻，会消耗施工动力， 导致施工压力升高，因此压裂液的降阻效果也是压裂液好坏的衡量指标；压裂液都是有成本的，使用量过大会大幅度增加施工成本。因此压裂液的选择必须充分考虑各种因数进行综合分析选取。 （ 2） 支撑剂选择的思考：支撑剂的主要功能是支撑张开的人工裂缝，使得在施工结束后由于压力的减低和液体的滤失裂缝不会闭合，从而为日后油气的开采提供一条高导流的流通通道。衡量支撑剂好坏的依据包括：不会被岩石压碎、不会嵌入到岩石中、能够提供足够高的裂缝导流能力、便于输送、成本较低且易于获取。裂缝的导流能力取决与三个方面：一是所要压裂的地层岩石特性，而 支撑剂本身的质量，三是输送所使用的液体。选择支撑剂时需综合考虑。一般还需要室内工程评价试验支撑。 （ 3） 酸液选择的思考：在压裂酸化改造中，酸液的作用是刻蚀裂缝壁面，使裂缝壁面形成凹凸不平的形状。在裂缝闭合后仍能在两裂缝壁面间留出高导流的油气流动通道。酸液的选择应重点考虑以下几个方面：一是酸液的类型、单位体积酸液的溶精品 蚀能力；二是酸岩反应速度和与地层接触的方式；三是酸液及其酸岩反应产物对地层的影响及反应产物的清除。四是酸液的滤失特性；五是施工的实施和酸液的成本。 理想的压裂酸化作业 （ 1） 根据油气层开采需要，确定 最经济高效的改造规模及有效人工裂缝长度和导流能力。 （ 2） 使用最少的液体造出最理想的裂缝。 （ 3） 随后注入的酸液能沿裂缝形成最长的有效高导裂缝。 （ 4） 能使用最低的井口施工压力完成施工作业。 （ 5） 施工结束后，所有施工液体干净、彻底的从地层中返排出来，并且不引起地层渗透率的损害。 理想的压裂酸化工作液 （ 1） 使用最少的液体造出最理想的裂缝。 （ 2） 随后注入的酸液能沿裂缝形成最长的有效高导裂缝。 （ 3） 能使用最低的井口施工压力完成施工作业。 （ 4） 施工结束后，所有施工液体干净、彻底的从地层中返排出来，并且不引起地层渗透率的损害。 裂酸化 施工中的参数优化 （ 1） 压裂酸化设计是一个不断优化的过程，由于资料的限制，设计所选用的资料并不完全代表地层的真实情况，如地层破裂压力、延伸压力、近井裂缝的扭曲、射孔的完善程度、地层压裂液滤失系数等 （ 2） 油气井完井方式、完善程度、储层的纵横向变化对设计影响较大，对于大斜度井、水平井的施工，裂缝的开启方式，压裂液及支撑剂的入缝条件，人工裂缝的扭曲等都影响施工的进行和施工的优化。这些参数在施工中都或多或少能够反映到排量和施工压力上。施工中实时跟踪分析这些施工参数可获取到更准确的井层资料，从而进一步修正施工作业参数。 （ 3） 在施工 初期，还可花费很少的成本进行一些以获取参数为目的的测试压裂，如通过多级降排量测试可探测近井筒液体摩阻和裂缝扭曲特征，从而可在后续施工中采取相应的对策。通过泵注压降分析可探测液体滤失、地层闭合压力、地层延伸压力、液体效率等。 （ 4） 在施工中跟踪分析井底压力和排量的变化规律能预测后续施工可能会出现的问题（如砂堵、缝高延伸失控、地层横向变化等），通过这些情况的变化，可进一步调整施工方案，使施工更加优化。 （ 5） 在施工中跟踪分析井底压力和排量的变化规律能预测后续施工可能会出现的问题（如砂堵、缝高延伸失控、地层横向变化等），通过 这些情况的变化，可进一步调整施工方案，使施工更加优化。 精品 区块整体改造的施工方案优化流程 钻井 录井 测井 岩心分析 构造、单井评价 地层测试 储层低产原因分析 预测天然产能 储层改造潜力 单 井数模 完井方式 井身结构 预测增产效果 施工规模优化 液体性能参数 岩石力学参数 施工方案 现场实施 施工工艺评估 施工参数对比分析 对比测试分析 压降曲线