使用压力诊断的压裂评估.ppt

使用压力诊断的压裂评估,2003年8月,主讲：李勇明（博士）西南石油学院,主要内容,1、引言2、水力压裂基本理论3、泵注期间的压力分析4、裂缝闭合期的分析5、裂缝闭合后的压力解释6、压力的数值模拟7、复杂的测试试验次序,1引言,压裂递减分析的意义压裂施工中井底压力变化一般曲线主要内容概要二维裂缝模型简介裂缝闭合压力,1引言,压裂递减分析的意义压裂设计需要真实的储层和压裂液资料，压裂设计的有效性也决定于所需数据的质量压裂图示技术，如放射性示踪剂、地面和井底斜仪和各种电磁测量等用于推断裂缝几何尺寸；提供资料有限(裂缝方位、高度)，整个压裂施工结束后才可用复杂的微地震测量已被发展应用于推断裂缝的几何尺寸，观察范围有限、仪器昂贵压裂施工或压裂后的压力分析，记录的井筒压力为裂缝诊断提供了一种便宜的方法，定量描述了裂缝的延伸，也为主压裂参数的估算提供依据,压裂施工中井底压力变化曲线,3h,18h,测试压裂或小型压裂是在正式压裂前不加支撑剂的条件下，模拟正式压裂来实现的，图中显示了压力动态的测量顺序,压裂过程的增长、闭合和闭合后期的压裂压力为压裂设计提供了相关的补充资料,主要内容概要,水力压裂的基本理论：控制水力压裂的三个基本方程物质平衡、压裂液流动、岩石弹性应变泵注期间的压力分析：净压力与时间的双对数曲线确定裂缝的几何特征；双对数导数图用于判断复杂的裂缝和支撑剂的影响裂缝闭合期的分析：与时间的特殊函数的压降曲线(G曲线)估算液体效率和滤失系数，G函数分析的原理及应用、非理想压力动态分析的校正裂缝闭合后：由于液体滤失引起的油藏内动态压力反应，且表现为线性流或一长时间的径向流特征复杂的测试程序:每一阶段所得压力资料的综合处理,二维裂缝模型简介,Cater模型,(1)在裂缝长度和高度方向上，裂缝宽度相等且不随时间变化(2)压裂液从裂缝壁面线性地渗入地层(3)地层中某点的滤失速度取决于此点暴露于液体的时间：(4)裂缝中各点压力相同且等于井底延伸压力Cater模型的某些假设条件与实际情况差距较大，用它作出的压裂设计精度较差，现已很少单独使用。但Cater提出的滤失速度的表达式至今仍在广泛采用,Cater模型假设,KGD模型,KGD二维裂缝延伸模型,(1)岩石为均质各向同性(2)岩石变形服从线弹性应力应变关系(3)裂缝高度和施工排量恒定，裂缝垂直剖面为矩形(4)流体在缝内作一维层流流动，缝长方向压降由摩阻产生，不考虑动能和势能的影响。,KGD模型假设,PKN模型,(1)裂缝高度恒定，与缝长无关(2)与裂缝扩展方向垂直的横截面中液体压力为常数(3)裂缝垂直剖面为椭圆形，最大缝宽满足Sneddon方程：(4)缝内流体压降服从Lamb椭圆管中流动的压降方程；(5)裂缝尖端液体压力等于地层最小水平主应力,PKN模型假设,KGD与PKN模型的比较,(1)平面应变：KGD:平面应变发生在水平剖面上，压裂层与上、下遮挡层之间要产生滑移PKN:平面应变发生在垂直剖面上，压裂层与盖、底层之间没有滑动效应;(2)裂缝形状：KGD:垂直剖面为矩形;PKN:垂直剖面为椭圆形(3)净压力变化：KGD:随时间降低;PKN:随时间是增加的(4)适用范围：KGD:浅层或块状厚油气层;PKN:目的层较薄且上下有致密页岩、泥岩等作为遮挡层或油层较深、层间的摩擦力较大不易产生滑动的情况实际观察表明：KGD:长高比较小PKN:长高比较大;,径向模型,2i,hp,Rf,闭合压力（Pc）,定义：已有裂缝闭合时的液体压力理想的情况下（地层均质），pc等于储层中最小就地主应力min;即：在整个裂缝高度上出储层的最小应力在大小和方向都没任何改变时，pc=min由于储层岩性的变化、天然裂缝等使得min变为就地的方向性的量；此时，pc取决于裂缝几何形状和方向pc由整个裂缝高度上min平均值确定进行小型压裂测试，可间接估算裂缝的闭合压力,闭合压力（Pc）的评估,min:在整个产层段内的大小及方向通常变化较大Pc:在整个层段中较为平均评估局部应力需要形成较小的裂缝（液体的泵速和排量相对较低）；确定Pc则要求在整个产层厚度上形成水力裂缝，则液体的泵速和排量相对较高形成的裂缝较小，则净压力亦较小，关井压力通常作为一阶应力近似值；确定Pc的净压力较高时，此时的关井压力(ISIP)的差异较大，必须采用一定方法进行评估,Pc的评估阶梯注入测试,阶梯注入测试：各阶段持续时间相等(12min，排量改变、维持恒定且进行压力记录)，注液增量大致相同如还继续进行回流测试，则注入的最后一个阶段的持续时间应较长(510min)以确保形成足够尺寸的裂缝注入速率要求：具有低于基质破裂的排量数据和高于裂缝延伸压力的数据，一般：110bbl/min(0.1591.59m3/min),阶梯注入测试的压力与注入速率分析,基质注入压力：斜率较大,裂缝延伸压力：较平缓,一般地，裂缝延伸压力比Pc约高50200psi,C,点C：基质注入压力直线外推到注入速率为0的点测试前的井底压力；如此前无大量液体注入，则为储层压力,室内测试验证了方法的可靠性(Rutqvist，1996),即使没有出现倾斜度较大的表示基质注入压力的直线，在交绘图上较平缓的裂缝延伸压力直线在Y轴上的截距，也近似代表了Pc,Pc的评估关井递减曲线测试（校正Pc）,关井递减曲线：（时间平方根图）G曲线：,导数,斜率变化点,两条曲线的斜率发生变化点：闭合压力值导数曲线：放大斜度的变化并增强对斜率变化点的识别说明：平方根曲线或G曲线，可能没有明显的斜率变化，或显示多重斜度变化,Pc的评估关井递减曲线测试,可能出现斜率变化的情况：裂缝高度从边界收缩裂缝延伸与收缩之间的过度裂缝闭合闭合后，聚合物滤饼固结而且裂缝呈不规则形状储层流体呈线性流动储层流体呈径向流动结论：关井测试通常不能真实反应Pc，不应作为测定Pc的主要方法经验表明：造壁性不足以控制滤失的液体，平方根曲线可以提供较好的闭合显示造壁性液体，G曲线可给出较好的显示,Pc的评估回流测试,在阶梯注入测试（最后注入阶段延长时间）后，以最后注入速率的1/61/4的恒定速率回流一段时间关键：压力下降期间，保持稳定的回流速度,裂缝闭合,闭合后,两直线交点,测定Pc的首选方法：阶梯注入测试与回流测试的结合,Pc分析方法的建议(Talley,1999),除非使用关井阀，否则储层压力应等于或大于井筒静水柱压力；以确保闭合后分析满足无流动假设对于气井，宜开采前进行测试；以可能减少压降期间井筒中气体膨胀的影响；闭合后分析是具有非唯一性的反演问题，闭合后分析可由估算的储层压力、闭合时间、初滤失量得以改进。储层压力的估算方法：a.液体注入前的测得的稳定井底压力b.液体注入超压储层前测得的稳定地面压力c.欠压储层，由地面压力和静水柱估算，静水柱压力可由精确测量完全注入井筒内的液体得出d.依据油田建立的精确储层压力梯度,Pc分析方法的建议(Talley,1999),在深井或高温储层中，由于在关井静水压力下降期间，随着压力下降和温度升高，井筒内液体会膨胀,需安装井下仪表对于空井筒而言，应安装井下关井设备，以尽量减少由于液体膨胀而破坏无流动的假设条件用储层参数的估算值和液体滤失特性设计小型压降测试；就必须满足一定的泵速标准，以在适当时间内形成径向流考虑到压力数据受裂缝表面和滤饼持续固化（挤压）的影响，固化持续时间约是注液时间和闭合时间之和；小型压降测试的关井时间至少为总闭合时间的45倍,2水力压裂的基本理论,2.1裂缝中流体流动2.2物质平衡或质量守恒2.3岩石弹性应变,2.1裂缝中流体流动,裂缝：一条宽度沿长度和高度而变化的通道缝内压力梯度取决于压裂液的流变性、液体流速、缝宽,沿缝长的压力梯度：,隐含的假设：未考虑沿缝高方向上缝宽的变化,2.2物质平衡或质量守恒,水基或油基压裂液，液体体积变化相对裂缝弹性应变很小忽略液体的压缩性，使用体积平衡代替质量守恒（例外：泡沫压裂液、酸压中CO2产生）,2.2物质平衡或质量守恒,压裂液效率：,Vprop泵入的支撑剂砂堆体积tc裂缝闭合时间,2.3岩石弹性应变,平面应变模量,2.3.1液体压力的校正,在应变方程中，假设缝中压力为常数，实际缝中存在压力梯度,缝中平均净压力pf与井筒净压力pf之比：,取决于液体粘度、裂缝端部区域的压降,注入期间的净压力系数,a从井筒到裂缝端由于热效应和剪切梯度造成的流体粘度的减少程度定常粘度剖面：a=0线性变化的剖面：a=1(即相对于裂缝顶端的0粘度),径向模型:流体从有限的射孔段进入，由于泵入流速高由此产生高的压力梯度，p10o,Elbel,1991)，裂缝不会从孔眼起裂，而是通过贯通套管外窄小的环空与裂缝沟通由于裂缝净压力使井筒变形(泊松效应)，流体要通过该变形的尖点流入裂缝，小环空中的压力必须高于缝中压力，引起施工压力升高,降排量测试方法诊断裂缝进入摩阻(ChrisWright),降排量测试目的：区分和量化近井筒内的裂缝扭曲、量化射孔有效性、估算吸液孔眼数测试方法：测量地面压力和砂浆速率的取样间隔为13S在压裂注入或测试施工之后,以每步按1/51/3的全速率逐渐降低泵注速率直至降为0;每一步要保持速率大约1520S到压力稳定确定每次泵注速率变化时井底压力的变化，采用两曲线拟合方法确定与孔眼摩阻和近井筒摩阻或扭曲的两个系数,严重的近井筒裂缝扭曲实例,第二次注入KCI后的降排量测试表明，近井筒扭曲极高(1900psi)当支撑剂到达井底后，裂缝扭曲较少，从而增加排量,解决办法：天然裂缝储层中，近井扭曲严重时，在注前置液的阶段的支撑剂段被设计尽可能早,孔眼的有效性差、前置液量过多,第一次泵入KCl后进行降排量测试表明近井筒损失占优在泵注速率为18bbl/min时，孔眼摩阻4500psi，等价于60个孔中仅有4个孔是张开的,4裂缝闭合期的分析,4.1基本的压降分析,假设条件,液体滤失系数建立在Carter暴露时间的平方根公式基础上，且具有与压力无关的定常滤失系数特征；裂缝面积随时间的变化由泵注中幂律面积方程所描述在裂缝闭合过程中，裂缝面积和柔度是常数压裂液不可压缩地层闭合压力为常数,4.1基本的压降分析,4.1基本的压降分析,Castilo（1987）：裂缝闭合后压差变化依赖于G函数，并具有负斜率,关井时的净压力,4.1基本的压降分析,PKN的CL可单独求解，而KGD和径向模型要先确定L、R,4.2非理想条件的压降分析,4.2.1在停泵期间裂缝几何模型的变化,在停泵期间由于液体压力的降低、裂缝长度和高度都会变化，改变直线G图的特征,PKN模型下的裂缝几何尺寸变化,4.2.1停泵期间裂缝几何模型变化-裂缝穿透的改变,停泵初期裂缝延伸，面积增加，滤失加大，G图斜率变陡；随后裂缝收缩，滤失降低，斜率减小，曲线变平缓净压力降为关井时净压的3/4时，裂缝约收缩至停泵时的状态，取3/4关井净压力(Pnet,si)点斜率进行分析，消除停泵期间裂缝穿透的变化,4.2.1停泵期间裂缝几何模型变化-裂缝高度的收缩,泵注期间，高度增长，初始停泵期间，高度收缩，裂缝柔度下降，斜率增加，曲线变陡（点比斜率大）当井筒净压力约等于0.4倍应力差时，整个裂缝高度从遮挡层发生收缩,4.2.1停泵期间裂缝几何模型变化-裂缝高度的收缩,研究表明：当缝高延伸发生时，3/4点处的斜率会低估液体滤失值,Nolte(1991)由数值模拟和停泵中的物质平衡方程获得了斜率的校正方程：,4.2.2变化的液体滤失效率储层控制的滤失,由储层控制的滤失G图斜率的校正系数Kc,压裂高粘油层或低渗、高含水饱和度的储层,4.2.2变化的液体滤失效率压裂液滤饼控制的滤失,滤饼控制的滤失更能代表高渗透储层中压裂液侵入储层(如粘弹性表面活性剂或交联聚合物)的特征。这种液体滤失的机理决定于裂缝和油藏降压力差的平方根。校正3/4斜率的分析方程：,4.3一般的压降分析方法,校正裂缝闭合后的收缩或压力有关的滤失补偿3/4点的斜率后，进行压降分析的步骤：对所有的几何模型，找出pnet/pnet,si=3/4(m3/4)的斜率确定裂缝闭合时G曲线斜率mGc,并进行修正获得正确的斜率mG根据裂缝几何模型，选择p*,4.3一般的压降分析方法,Gc被校正为包括G图上非理想条件下，由闭合时G的校正值所定义的作用：计算液体效率由p*计算CL,4.4G函数导数分析(R.D.Barree,1996),裂缝高度收缩,压力与G函数的曲线在缝高收缩中表现的不同的下降弯曲；这种特性在导致dp/dG曲线和叠加Gdp/dG曲线呈量级增加,dp/dG和Gdp/dG值的连续增加表明：在闭合过程中，缝高收缩是连续的，在停泵期间裂缝未完全闭合,4.4G函数导数分析(R.D.Barree,1996),裂隙控制的滤失,导数变为常数指出与压力有关的滤失的结束导数为常数，叠加曲线线性(斜率为常数)：滤失系数为常数,裂隙控制的滤失系数,G函数值约为0.75主裂缝闭合发生在G函数值约为2.3,裂隙闭合,主裂缝闭合,4.5压降分析实例,4.5.1PKN型裂缝压降分析实例,液体流变指数n=0.44，粘度剖面参数a=0(定常粘度）基本参数计算由于整个初始裂缝高度上均有滤失，则滤失高度与初始缝高的比值rp为1。裂缝闭合压力pc由降排量测试和导数分析，确定为pc=8910psi无量纲闭合时间,4.5.1PKN型裂缝压降分析实例,瞬时关井压力,4.5.2径向裂缝压降分析实例,3/4点,4.5.2径向裂缝压降分析实例,由于是径向裂缝，建议不对3/4斜率进行缝高增长的修正,最后确定,5裂缝闭合后的压力解释,裂缝闭合后的压力反应了油藏压裂动态，与控制裂缝延伸的力学性质无关，其特征完全由液体滤失对储层干扰的反应来确定；裂缝闭合期间，地层开始表现为地层线性流(简称线性流)，其后是传导特性，最后是长时间的拟径向流(简称径向流)在裂缝长度方向的，各个位置的滤失速度不相等，实际的滤失流动特征可由在比实际物理缝长（L）小的长度范围（xfa）的均匀滤失流动来反应。xfa:视裂缝半长L：裂缝的实际半长或物理半长,5.1裂缝闭合后的流体流动,在时刻ta，当裂缝延伸至a点时，液体滤失动态可解释为一强度与液体滤失速度相等的注入点源对储层的干扰；在当裂缝保持开启的时间段，液体继续滤失；在tr时刻裂缝闭合后，滤失就结束,5.1裂缝闭合后的流体流动,闭合后的油藏动态反应了注入源沿缝长的分布和一时间间隔的液体滤失的叠加由干扰产生的压力取决于储层的扩散系数（K/Ct）和裂缝的延伸速率(L2/t），定义无量纲时间T,油藏模拟结果:（低的无量纲时间T）压力干扰在近井筒传播小距离后进入储层，它们一般以垂直于先前裂缝面传播，表现为一维或线性流,5.1裂缝闭合后的流体流动,由储层动态反应定性描述的结论：在大部分的测试施工中，液体注入测试计算裂缝扩展效率时获得一低的无量纲时间，因此显示为闭合后所定义的线性流或径向流线性流期间的压力分布反应了泵注的裂缝几何尺寸已到达，可分析评估裂缝的长度相关的初滤失也会影响线性流，可由这已时期的压力导数加以区分低效率的液体注入不具线性流特征径向流与滤失特性无关，可用于估算储层传导率,5.2线性、过渡和径向流压力动态,裂缝闭合的无量纲时间T=0.001线性流:T5双对数斜率为1,斜率:0.5,求裂缝长度,5.2线性、过渡和径向流压力动态,径向流较晚出现的问题:在低渗储层中,如果有效裂缝延伸较大时,TP很小，需较长闭合时期到达径向流在前面图中：理论上，在获得径向流之前需要的关井时间长达5000倍的泵注时间（5/0.001）。从工程角度(井筒误差10%),过渡期可能会由于线性流和径向流期的延长会缩短。在能够接受的精度范围内在通常的油田条件下获得线性流或径向流分析的可能性。,5.3闭合前后的综合分析,闭合前后压力分析的补充作用为经济优化压裂设计提供了大量合适的裂缝参数,5.4闭合后的物理和数学描述,裂缝与储层总压分为三部分,滤饼区域的压力变化和裂缝闭合后短时间内滤失消失；随后的井底压力p(t)反应了储层对有关延伸和闭合期间压力变化和液体滤失分布动态：,5.4闭合后的物理和数学描述,5.4.1视裂缝长度,5.4闭合后的物理和数学描述,5.4.2线性流,t自裂缝起裂开始的时间,5.4闭合后的物理和数学描述,5.4.3径向流,5.4闭合后的物理和数学描述,5.4.4初滤失的影响,5.4.4初滤失的影响,初滤失的作用(1)在闭合前后期储层压力的增加(2)视长度的增加和拐点时间的延迟(3)从线性流期间预期的压力动态，可持续约3tc的停泵期,无初滤失,有初滤失,有初滤失拐点,FL(t/tc)时间函数,5.5闭合后诊断的理论框架,（综前所述）,5.5.1线性流,改写含初滤失的线性流方程,5.5闭合后诊断的理论框架,5.5.2径向流,此图是建立在基础之上的，与压力分析图一样，也分别为线性流和径向流提供了1/2斜率和单位斜率,5.5闭合后诊断的理论框架,5.5.3初滤失,5.5闭合后诊断的理论框架,5.5.4裂缝长度,裂缝长度由线性流与径向流期间渐近线双对数斜率的交点（形成的拐点）的无量纲时间获得,5.5闭合后诊断的理论框架,5.5.4裂缝长度,5.5.5闭合前后分析的验证,对比由压降分析所得的裂缝长度和由储层观察所得的缝长,5.6闭合后分析步骤,背景资料：储层压力、油藏流体压缩系数、粘度流动阶段的区分线性流：压差曲线与导数曲线,斜率均为1/2，两曲线平行径向流：两曲线近似，双对数上斜率为1线性流分析与压降分析对比确认,5.7闭合后分析实例,背景资料：由测量的稳定井底压力估算储层压力为3726psiCt=810-5psi-1uo=4mPa.s径向流的区分,闭合后径向流的区分,闭合后径向流分析,直线段斜率mrf=660psi,储层压力,5.7闭合后分析实例,闭合后线性流的确定,斜率均为1/2，两曲线平行,线性流斜率mlf可由相应的Cartes图中得出为815psi,5.7闭合后分析实例,初滤失的估算,由阶梯排量确定闭合压力4375psi，闭合时间5.6min,求缝长及对比,与关井分析所得的37ft符合很好,6压力的数值模拟：泵注和闭合的分析结合,前述所有方法建立在分析导数基础上的，为工程上裂缝参数的近似特征提供了简便的分析方法对于复杂的压裂设计，应采用适合重现压裂重要过程的数值模拟方法,6.1压力拟合,通过反复输入变化的参数运行裂缝模拟器：比较现场测量的压力与模拟压力；大量不清楚的参数也会影响历史拟合过程的客观性,压力拟合是一个反问题，其输入（如