（油气田开发工程专业论文）二氧化碳泡沫压裂的摩阻研究.pdf

英文接要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a s t u d y o nc 0 2f o a mf r a c t u r i n go ff r i c t i o nr e s i s t a n c e o i la n d g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g w e n z h a n g x z h a o a b s i r a c i b e c a u s ef r a c t u r i n gf l u i dh a st h ed i f f i c u l tf l o wb a c ka n dg r e a td a m a g et or e s e r v o i r , an e w 锣p eo fc a r b o nd i o x i d ef o a mf r a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sp r o p o s e di n o i la n dg a sf i e l d sw i t hl o w p e r m e a b i l i t y , l o wp r e s s u r ea n dw a t e rs e n s i t i v i t y , l e a d i n gt om o r ep r o d u c t i o nt h a nc o n v e n t i o n a l f r a c t u r i n g 。b a s e do n i t sv a r i o u sp h a s ed u r i n gf r a c t u r i n g ，c a r b o nd i o x i d ef o a mf r a c t u r i n gl i q u i d i sg r e a t l yd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cf r a c t u r i n ga n dt h em e t h o dt oc a l c u l a t ei t s f r i c t i o ni sc o n t i n u ei n v e s t i g a t i n g a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fc a r b o nd i o x i d ef o a mf r a c t u r i n ga n dt h ep h a s eb e t w e e n c a r b o nd i o x i d ea n do t h e rg a s ，t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gf r i c t i o nr e s i s t a n c eo fa les t u d i e di n t h i sp a p e r b a s e do nf o r m e rr e s e a r c h e s ，t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t ya n dm o d e lo ff o a mf r a c t u r i n g l i q u i d i sd e t e r m i n e d ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s a p p l i e dt od i s t i n g u i s h f l o w p a r e m ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ff r i c t i o nr e s i s t a n c eo ff o a mf r a c t u r i n gl i q u i di se s t a b l i s h e dc o m b i n e d 诚t hn u m e r i c a lc m c u l a t i o na n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da n di ti sc a l c u l a t e d f r o mc o m p u t e r 硒er e s u l t so b t a i n e dd e m o n s t r a t et h a tf r i c t i o nr e s i s t a n c eo fc a r b o nd i o x i d ef o a m f r a c t u r i n gi sl o w e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cf r a c t u r i n g ，f o a mq u a l i t yb e c o m e sl a r g e r a sf r i c t i o nr e s i s t a n c eo fw e l l b o r eb e c o m e sh i g h e ra n dp e r f o r a t i o nf r i c t i o na n df r a c t u r ef r i c t i o n a r et h em a i nf o r m so fn e a rw e l l b o r ef r i c t i o n i th a sas i g n i f i c a n tg u i d i n gv a l u ef o re x a c t l y e v a l u a t i n gt h ef r a c t u r i n ge f f e c t ，s e l e c t i n go p t i m u mf r a c t u r i n gp a r a m e t e r s a n di m p r o v i n g p r o d u 瞧i o no fc a r b o nd i o x i d ef o a mf r a c t u r i n g 。 k e y w o r d s ：c 0 2f o a mf r a c t u r i n g ，f o a mf r a c t u r i n gf l u i d ，f r i c t i o nr e s i s t a n c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 丝岛凿 陬脚陋 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：叁 整日期：塑蒸：s ! 塑 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：埘s 、瑙 日期：抄8 r 略 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 籀一章绪论 第一章绪论 薹1 研究目的和意义 世界上低渗透油蠢分布广泛，资源相当丰富，各产油国基本上都有该类油田。在美 囡中部、南部、北部和东部，前苏联的克拉斯诺达尔、乌拉尔伏尔加、话西伯利亚油区 和加拿大西部的阿尔伯达省，低渗透油田都有广泛的分布。我国低渗透油田分布也在全 囡各个油区。截至2 0 0 5 年底，我国石油探明可采储量6 7 9 l 亿吨，其中低渗透占2 8 ， 动雳程度仅5 0 左右，预计今蜃每年薪增探明储量低渗透占5 0 以上n3 。髫前，压裂已成 为油气井增产的一项重要技术措施，不仅仅用于低渗透油气嗣的改造，在中、高渗地层 以及环境条件恶劣的地区也得到了广泛的应用。 现在的压裂方法有水力惩裂、酸化援裂、高麓气体压裂、水力喷射嚣裂、分层压裂、 复合压裂等，对各种方法的特点简要介绍如下。 水力压裂增产增注的原理主要是通过降低井底附近地层中流体的渗流阻力和改变流 体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与裂缝的近似单向流动和裂缝与井筒闻的 单向流动，消除了径恕节流损失，太大降低了能量消耗，因两油气共产量或注水井注入 量就会大幅度提高。经过5 0 多年的发展，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，不但成为油气藏的增产增注 手段，也成为评价认识储层的重要方法。对于渗透率大于l 塾稃一3 塾毋的储层，要求其 裂缝长度不超过3 0 0 m ，渗透率小予lum 2 - 7nm 2 的储层，要求其裂缝长度为 1 0 5 0 m - 1 3 5 0 m 馥3 。近期水力雁裂在总体优化压裂、重复压裂、大型压裂、高砂比压裂、 端部脱砂压裂及特殊弗( 斜弗、水平并、深并、超深井、小井眼井等) 压裂技术方面有了 进一步的完善和发展，压裂的单项技术也有了很大进展，但在压裂材料，滤失伤害，返 排机理，斜井、水平井压裂技术等研究方面还存在弊端。 酸化压裂是圜内外油田灰岩油藏广泛采用的一项增产增注措施。现已开始成为重要 的完共手段。通常是将盐酸在高予破裂压力下泵入地层，造成裂缝或将原油的天然裂缝 撑开。当酸沿着裂缝流动时就溶解了裂缝的表面，这时，酸液将同时发挥其化学溶蚀和 水力作用来扩大、延伸、压开和沟通裂缝、形成延伸流通能力高的油、气渗流通道。因 隽酸的腐蚀是不规则的，所以当裂缝闭合时就留下了液流通道，依靠裂缝表面的不均匀 性保持良好的流通性，裂缝的有效长度取决于用酸量、酸的反应速度和酸从裂缝向地层 的漏失量。酸压工艺的效果在很大程度上主要取决于酸蚀裂缝及其流通性。在酸化过程 中，裂缝表面不断的溶蚀，要控制酸液的漏失量，这就是一个难题。 赢能气体压裂是利用火药或火箭推进剂快速燃烧产生的大量高温高压气体，对井壁 产生脉冲加载，在机械作用、热作用、化学作用和振动脉冲综合作用下，使井壁附近产 生不受地应力约束的多条径向垂直裂缝，改善地层导流能力和增加沟通天然裂缝的机会， 鞭安石油大学硕： ：学位论文 以达到增产增注的目的。自1 9 8 5 年在国内开展研究与推广以来，己发展为项基本成熟 的、正在向综合性压裂发展的掰技术。其地面设备无承受离压部分，投入少，施工篱单， 不必加砂支撑，不受场地限制，作业时间短、费用低，经济效益高，适用范围广，压裂 后不需排液等。不过，固井质量差；裂缝延伸长度比水力愿裂裂缝短得多；不能加支撑 剂；试验并深虽曾达到4 0 0 0 m ，但一般仪适用于2 0 0 0 m 以内的储层；并斜角度一般控制 在4 0 度以内。 水力喷射涯裂是巍水力喷射、水力压裂( 通过油管) 以及环空挤歪( 通过另外的一 个泵) 三个工艺联合完成。借助于水力喷射( 压裂) 工具，通过水击作用，使地层近井 地带产生徽裂缝，形成一个( 或多个) 喷射孔道。与此同时，增加油套蓼空的压力傻产 生的微裂缝得以延伸，实现水力喷射压裂。可以在同一油井中不使用密封元件而维持较 低的井筒压力，迅速、准确地压开多条裂缝。近2 0 年来发展较快，其应用日益广泛，多 适用于水平并。 分层压裂是对已射开的多个油气层通过一次管柱及井下工具组合入井，压裂施工时 通过封隔器豹封隔及井下转层工具的开扇来实现条下往上逐层压裂，最终实现一并双鼷 或多层合采。分层压裂技术的关键是实现封隔和转层。适用于井深3 5 0 0 m 以内，工作压 差为5 0 m p a ，工作温度为1 5 0 ，作业介质为清水、泥浆、酸液h 1 。其所用工具简单， 通用性好，减少了压裂设备出场次数，缩短了试油周期，节约了成本，目前存在的最大 问题就是转层器不能很好地实现转层。 复合压裂始于2 0 世纪s o 年代末，它是将高能气体压裂和水力压裂相结合，在一个施 工周期内，先对目的层进行高能气体压裂，在近井地带形成不受地威力控制的多条径向 裂缝，然螽通过承力压裂将裂缝延伸，褥到足够长的有支撑剂支撑的裂缝。该技术孛高 能气体压裂和水力压裂两种技术优势互补，能更加有效地增产增注。适用于低孔低渗、 高温高压、多层系、埋藏深的复杂断块油气田嘲。但在进行的高能气体压裂中压力峰值 不好控制，在保证油气并不受破坏的前提下，需优选药量，不适用于小排量高砂比。 为了解决上述压裂中存在的问题，探索压裂增产的新途径，我国引进了国外的泡沫 压裂。象美国的哈里讴顿( h a l l i b u r t o n ) 、道威尔( d o w e l i ) 等压裂技术服务公司，每年度 都有数千井次的压裂施工，己相当普遍，而且成功率很高。据有关文献介绍，泡沫压裂 井次占1 0 以上，大有占丰导地彼之趋势，两且各服务公司都富自己的计算程序和裰应的 计算图表，以供设计和现场施工调节参数之用。泡沫压裂的主要工作是对泡沫压裂液进 “行室连研究、支撑剂的选择、压裂设计及施工技术、返排技术和压裂效果的现场评价等。 泡沫压裂液是氮气或二氧化碳以气泡形式分散于液相中而形成的一种两相混合体系。由 于泡沫压裂液液相含量较低，在处理水敏性地层时对地层造成的伤害就比一般水力压裂 要小得多；泡沫压裂液的高气相含量使得施工结束后毒于气相的膨胀而返排迅速；还迸 。一步阻止了液相的滤失从而降低了整个滤失量。除了泡沫压裂液的低伤害、返排迅速和 低滤失等优点外，它还有高粘度和低摩阻以及较好的携砂能力等优点。相对于氮气泡沫 2 第7 一章绪论 压裂液来说，二氧化碳泡沫压裂液更具有优势，但当进入地层达到蜍界温度后气化，液 柱压力降低，对施工压力的准确预测，保证施工的顺利完成带来了困难，所以有必要研 究二氧化碳压裂的摩阻。 1 2 泡沫压裂的发展概况 1 2 1 国内外c 0 2 泡沫压裂的发展概况 1 9 6 8 年，国外首次泡沫压裂施工是在美国的西弗吉尼亚州林肯( l i n c o l n ) 县，压裂 液泡沫渍量为8 0 - - 8 5 ，处理对象为褐色页岩地层，支撑剂为1 2 - 2 0 露玻璃球，大约 2 0 4 0 公斤。 1 9 7 3 年，泡沫压裂技术开始进入开发、应用的阶段，并在全美得到快速的发展。 1 9 7 3 年1 9 7 5 年，多数的泡沫压裂丰要以小规模的作鲎为主，直到1 9 7 6 年才进行 了第一次大型泡沫压裂施工，表明泡沫雕裂进入了一个比较成熟的时期。 。 1 9 7 7 年1 9 7 8 年，泡沫压裂技术开始考虑减少潜在的地层伤害，并开始使用甲醇 水溶液作为泡沫压裘液的基液以减少地层伤害，在诧期间，提出了增加泡沫液中支撑剂 浓度的方法，即“支撑粼浓缩器”，同时发展了混合泡沫压裂工艺和适用于碳酸盐岩油 气层的泡沫酸压技术。 1 9 7 9 年1 9 8 3 年，泡沫压裂技术进入成熟阶段蹲。 1 9 8 6 年，在联邦德国的费思道尔夫的石炭系士蒂凡组气藏的压裂改造中成功地镬用 了6 0 c 0 2 泡沫压裂液，气藏埋深在3 4 0 0 3 6 5 0 m ，压后天然气产量增加近1 2 倍。与此 同时，在美国犹他州东部的犹他盆地的瓦塞兹( w a s a t c h ) 地层的压裂改造中，应用了多种 压裂液体系，包括油水乳化箍裂液体系、水綦交联冻胶体系以及泡沫流体，尽管均取褥 了较好的效果，但采用泡沫压裂液具有更为明显的增产效果，采用泡沫压裂液施工井的 产量平均比使用常规水基交联压裂液改造井的产量高2 3 口1 。此时，国内c 0 2 泡沫压裂 才阿0 刚起步，西南石油学院的熊友明等开始对泡沫箍裂和泡沫酸酸压设计技术进行理论 研究，此后在国内的许多油圈开始了泡沫压裂技术的研究。 1 9 8 8 年5 月，辽河油田与加拿大合作进行了全国第一口氮气泡沫压裂井的设计、施 工，并获得成功嘲。后来，大庆油田也进行了氮气泡沫压裂。由于试验设备、装备和工 艺技术还有待进一步完善，函阿泡沫压裂技术进展缓慢。 1 9 8 9 年，压裂酸化技术服务中心与美国c e r 公司合作，成功地研制开发了多功能泡 沫流动回路实验装置，该实验装置可以模拟现场施工，随后开始了氮气和二氧化碳泡沫 压裂液室内实验研究，并与油暖合作取得了很大的进展。 1 9 9 7 年，吉林油圈予弓| 进了美国s s 公司的c 0 2 泡沫压裂设备，荠针对其油田主要 进行了油层吞吐和c 0 2 助排增能压裂工艺技术的实施哺1 。 1 9 9 8 年，吉林油田共压裂油井6 9 口，气并5 口( 合隆气田) ；吉林合隆气藏并深1 3 0 0 - - 3 西安石油大学硕士学位论文 1 4 2 0 m ，采用线性胶泡沫压裂盯1 。此后，引进国外二氧化碳泡沫压裂技术和设备并加上自 主开发，对二氧化碳泡沫压裂进行了室内研究和现场应用。 2 0 0 0 年起，长庆油田公司开展了c 0 2 压裂工艺的系统研究和工程试验，先后在榆林、 苏里格、靖边等气田的天然气井上共实施2 l 口井2 3 层，气层深度3 0 0 0 一- - 3 5 0 0 m ，最大 单井加砂量4 7 8 m 3 ，平均砂比达2 9 5 ，c 0 2 泡沫质量为2 5 - - - 6 4 ，并取得了明显的 增产效果田1 。其与中油集团勘探开发研究院廊坊分院合作进行了1 0 口井的c 0 2 泡沫压裂 施工，经过1 0 口c 0 2 泡沫压裂与2 2 口井常规水力压裂的效果对比，c 0 2 压裂效果良好， 其中i 类和i i 储层效果最好。大庆油田二氧化碳泡沫压裂施工大大提高了砂比和规模， 最深油层深度为2 4 0 0 m ，最大加砂砂比3 2 5 9 。中原油田在引进国外设备的基础上，自 主开发了国产化的h v 一1 0 0 羧甲基羟丙基胍尔胶，使二氧化碳泡沫压裂实验现场施工的 最大加砂规模达到3 2 m 3 ，地面最高砂比达7 5 ，地层最高砂比达3 5 ，压裂液的抗温能 力达到了1 4 0 ，也取得了很好的增产效果h 。 尽管如此，国内c 0 2 泡沫压裂与国外相比还存在较大的差距，主要原因有起步比国 外晚二十到三十年；设备少，有些装置不配套，且价格比较高；机理研究比较薄弱，特 别是对泡沫压裂液流变性及摩阻等有待进一步认识；泡沫压裂技术发展比较缓慢等。 1 2 2c 0 2 泡沫压裂摩阻计算的发展概况 1 9 4 8 年，t o m a s n 们发现向某些溶剂中加入少量的高分子聚合物所得到的流体( 非牛顿 流体) 在紊流流态下的摩擦阻力比纯溶剂要显著降低，这就是著名的t o m a s 效应，即非牛 顿流体的紊流减阻现象。 1 9 6 4 年，m e t z n e r 和p a r k 1 细致研究了非牛顿流体的阻力特性，并指出纯粘性非牛顿 流体的紊流流动特性通常与牛顿流体相似，可以用分析牛顿流体摩阻压降特性的方法来 直接概括纯粘性非牛顿流体的特性，而在相同雷诺数下，粘弹性流体的特性却不同于牛 顿流体，表现出明显的紊流减阻特性。 1 9 7 2 年，b e y e r n 羽通过实验数据和现场数据用迭代求解的方法得出了摩阻计算关系 式，但所假定泡沫流体是宾汉塑性流体，流态为层流，并没有考虑流态的变化。 一t 9 7 4 年，b l a u e r n 到引入了非牛顿流体的一个重要参数视粘度，运用了真实气体 定律，提出了摩阻计算的近似方法，他发现存在临界剪切应力，当低于临界剪切应力时， 泡沫流动为宾汉塑性层流流动，当高于临界剪切应力时，泡沫流动为紊流，但是他没用 运用状态方程考虑泡沫流体的压缩性，忽略了气相的密度。 1 9 8 1 年，l o r d n 4 1 应用真实气体定律和质量平衡原理导出泡沫状态方程，运用该方程， 假定了整个体系有一个平均的恒定摩擦系数值，通过机械能守恒方程获得泡沫在动、静 态条件下的解，其结果与现场测试比较吻合。但是值得注意的是，应用该方法计算很复 一杂且需对摩擦系数的值作出很好的估计。 1 9 9 1 年，h c t a n 和s s h a h n 旬对二氧化碳泡沫压裂液的紊流摩阻损失关系式进行了一 4 第一章绻论 次很好的改进，根据实验室和现场数据，他们对二氧化碳含量为1 0 - - - 8 0 的增能压裂液 及其带支撑剂豹砂浆提出了个薪豹关系式，并且在褥怨的交联和未交联压裂液摩阻关 系式的基础上考虑了支撑剂和二氧化碳的作用。 1 9 9 9 年，e k u m 和s 。m i s k a n 钔提出了泡沫与岩屑流动产生的摩擦压降半经验预测公 式，他们把产生的泡沫当作幂律流体处理，在计算压力分布时，通过迭代法对井段进行 分段，考虑每一段的状态变化，从而得出整个井段上的压力分布。 2 0 0 0 年，h a r r i s 等人鞋强在试验压力为6 。9 m p a 下，利溺小规模的管式粘度仪对氮气泡 沫压裂液的摩擦阻力进行了试验研究，然后用现场井底仪表的实测值对管流摩擦压降的 试验室数据进行修正，并对泡沫压裂液的具体流变参数( 如流态指数彝稠度系数) 的僮 进行试验研究。之后，m a c k 等人n 踟讨论了延迟交联二氧化碳泡沫压裂液和氮气、二氧化 碳混合气泡沫压裂液的发展，并分别研究了这两种压裂液的特点和摩擦阻力特性，但他 们都未考虑对流传热特性。 压裂液在流动中的摩阻是压裂研究中的主要课题，直接影响到压裂工艺设计，也是 驻裂施工成功与否的主要因素。现有的各种压裂液已找出了流经管道的摩阻关联式，成 为了先进的彩色图形及数据采集系统的一个组成部分，用此系统实时地采集压裂过程中 的井口压力、排量及流体密度，最后分段便可求出井篱中不同深度的摩阻。现场上取褥 的数据越准确，摩阻计算就越可靠。照然近年来在压裂测试方法和步骤上有些改进，但 总的来说，对摩阻的研究工作进展还不够，仍需准确的掌握方法。随着模拟实验的发展 和新型泡沫压裂液的出现，近年来在预测泡沫压裂液摩阻方面有定的进展，其中有的 方法是新的，有的则是老方法的改进。但泡沫压裂液在压裂过程中是一个不稳定的流动， 各个参数都在随时闻变化，这就需要我们更进步的去研究，解决难题。 1 3 本文研究的内容 综上所述，c 0 2 泡沫压裂适用于低渗、低压、水敏性油气藏，具有返排迅速、对储 层伤害小等优点。它主要包括c 0 2 泡沫压裂液、支撑剂、c 0 2 泡沫压裂优化设计、返排 技术、现场旄工等方瑟研究，其中压裂工艺参数的计算关系到压裂熬成败，因扰，c 0 2 泡沫压裂摩阻的计算是非常重要的。本文根据国内外二氧化碳泡沫压裂的研究现状和油 羽生产的实际需要，主要研究了以下几个方霹： ( 1 ) 研究二氧化碳泡沫压裂的机理； ( 2 ) 分析二氧化碳和其它气体的楣态特征，研究不阋比例的二氧化碳在不同温度、 压力下的流变特性，探讨影响c 0 2 泡沫压裂摩阻的主要因素； ( 3 ) 建立温度场数学模型，并进行温度场数值计算； ( 4 ) 运用摩阻系数判断漉态，并结合温度场霹压力分布，建立泡沫悉裂液摩阻熬数 学模型，进行实例计算。 西安石油大学硕士学位论文 1 4 2 0 m ，采用线性胶泡沫压裂盯1 。此后，引进国外二氧化碳泡沫压裂技术和设备并加上自 主开发，对二氧化碳泡沫压裂进行了室内研究和现场应用。 2 0 0 0 年起，长庆油田公司开展了c 0 2 压裂工艺的系统研究和工程试验，先后在榆林、 苏里格、靖边等气田的天然气井上共实施2 l 口井2 3 层，气层深度3 0 0 0 一- - 3 5 0 0 m ，最大 单井加砂量4 7 8 m 3 ，平均砂比达2 9 5 ，c 0 2 泡沫质量为2 5 - - - 6 4 ，并取得了明显的 增产效果田1 。其与中油集团勘探开发研究院廊坊分院合作进行了1 0 口井的c 0 2 泡沫压裂 施工，经过1 0 口c 0 2 泡沫压裂与2 2 口井常规水力压裂的效果对比，c 0 2 压裂效果良好， 其中i 类和i i 储层效果最好。大庆油田二氧化碳泡沫压裂施工大大提高了砂比和规模， 最深油层深度为2 4 0 0 m ，最大加砂砂比3 2 5 9 。中原油田在引进国外设备的基础上，自 主开发了国产化的h v 一1 0 0 羧甲基羟丙基胍尔胶，使二氧化碳泡沫压裂实验现场施工的 最大加砂规模达到3 2 m 3 ，地面最高砂比达7 5 ，地层最高砂比达3 5 ，压裂液的抗温能 力达到了1 4 0 ，也取得了很好的增产效果h 。 尽管如此，国内c 0 2 泡沫压裂与国外相比还存在较大的差距，主要原因有起步比国 外晚二十到三十年；设备少，有些装置不配套，且价格比较高；机理研究比较薄弱，特 别是对泡沫压裂液流变性及摩阻等有待进一步认识；泡沫压裂技术发展比较缓慢等。 1 2 2c 0 2 泡沫压裂摩阻计算的发展概况 1 9 4 8 年，t o m a s n 们发现向某些溶剂中加入少量的高分子聚合物所得到的流体( 非牛顿 流体) 在紊流流态下的摩擦阻力比纯溶剂要显著降低，这就是著名的t o m a s 效应，即非牛 顿流体的紊流减阻现象。 1 9 6 4 年，m e t z n e r 和p a r k 1 细致研究了非牛顿流体的阻力特性，并指出纯粘性非牛顿 流体的紊流流动特性通常与牛顿流体相似，可以用分析牛顿流体摩阻压降特性的方法来 直接概括纯粘性非牛顿流体的特性，而在相同雷诺数下，粘弹性流体的特性却不同于牛 顿流体，表现出明显的紊流减阻特性。 1 9 7 2 年，b e y e r n 羽通过实验数据和现场数据用迭代求解的方法得出了摩阻计算关系 式，但所假定泡沫流体是宾汉塑性流体，流态为层流，并没有考虑流态的变化。 一t 9 7 4 年，b l a u e r n 到引入了非牛顿流体的一个重要参数视粘度，运用了真实气体 定律，提出了摩阻计算的近似方法，他发现存在临界剪切应力，当低于临界剪切应力时， 泡沫流动为宾汉塑性层流流动，当高于临界剪切应力时，泡沫流动为紊流，但是他没用 运用状态方程考虑泡沫流体的压缩性，忽略了气相的密度。 1 9 8 1 年，l o r d n 4 1 应用真实气体定律和质量平衡原理导出泡沫状态方程，运用该方程， 假定了整个体系有一个平均的恒定摩擦系数值，通过机械能守恒方程获得泡沫在动、静 态条件下的解，其结果与现场测试比较吻合。但是值得注意的是，应用该方法计算很复 一杂且需对摩擦系数的值作出很好的估计。 1 9 9 1 年，h c t a n 和s s h a h n 旬对二氧化碳泡沫压裂液的紊流摩阻损失关系式进行了一 4 第一章绻论 次很好的改进，根据实验室和现场数据，他们对二氧化碳含量为1 0 - - - 8 0 的增能压裂液 及其带支撑剂豹砂浆提出了个薪豹关系式，并且在褥怨的交联和未交联压裂液摩阻关 系式的基础上考虑了支撑剂和二氧化碳的作用。 1 9 9 9 年，e k u m 和s 。m i s k a n 钔提出了泡沫与岩屑流动产生的摩擦压降半经验预测公 式，他们把产生的泡沫当作幂律流体处理，在计算压力分布时，通过迭代法对井段进行 分段，考虑每一段的状态变化，从而得出整个井段上的压力分布。 2 0 0 0 年，h a r r i s 等人鞋强在试验压力为6 。9 m p a 下，利溺小规模的管式粘度仪对氮气泡 沫压裂液的摩擦阻力进行了试验研究，然后用现场井底仪表的实测值对管流摩擦压降的 试验室数据进行修正，并对泡沫压裂液的具体流变参数( 如流态指数彝稠度系数) 的僮 进行试验研究。之后，m a c k 等人n 踟讨论了延迟交联二氧化碳泡沫压裂液和氮气、二氧化 碳混合气泡沫压裂液的发展，并分别研究了这两种压裂液的特点和摩擦阻力特性，但他 们都未考虑对流传热特性。 压裂液在流动中的摩阻是压裂研究中的主要课题，直接影响到压裂工艺设计，也是 驻裂施工成功与否的主要因素。现有的各种压裂液已找出了流经管道的摩阻关联式，成 为了先进的彩色图形及数据采集系统的一个组成部分，用此系统实时地采集压裂过程中 的井口压力、排量及流体密度，最后分段便可求出井篱中不同深度的摩阻。现场上取褥 的数据越准确，摩阻计算就越可靠。照然近年来在压裂测试方法和步骤上有些改进，但 总的来说，对摩阻的研究工作进展还不够，仍需准确的掌握方法。随着模拟实验的发展 和新型泡沫压裂液的出现，近年来在预测泡沫压裂液摩阻方面有定的进展，其中有的 方法是新的，有的则是老方法的改进。但泡沫压裂液在压裂过程中是一个不稳定的流动， 各个参数都在随时闻变化，这就需要我们更进步的去研究，解决难题。 1 3 本文研究的内容 综上所述，c 0 2 泡沫压裂适用于低渗、低压、水敏性油气藏，具有返排迅速、对储 层伤害小等优点。它主要包括c 0 2 泡沫压裂液、支撑剂、c 0 2 泡沫压裂优化设计、返排 技术、现场旄工等方瑟研究，其中压裂工艺参数的计算关系到压裂熬成败，因扰，c 0 2 泡沫压裂摩阻的计算是非常重要的。本文根据国内外二氧化碳泡沫压裂的研究现状和油 羽生产的实际需要，主要研究了以下几个方霹： ( 1 ) 研究二氧化碳泡沫压裂的机理； ( 2 ) 分析二氧化碳和其它气体的楣态特征，研究不阋比例的二氧化碳在不同温度、 压力下的流变特性，探讨影响c 0 2 泡沫压裂摩阻的主要因素； ( 3 ) 建立温度场数学模型，并进行温度场数值计算； ( 4 ) 运用摩阻系数判断漉态，并结合温度场霹压力分布，建立泡沫悉裂液摩阻熬数 学模型，进行实例计算。 西安石油火学硕士学位论文 第二章二氧化碳泡沫压裂的机理 c 0 2 泡沫压裂液主要是由液态c 0 2 、原胶液和若干种化学添加剂组成的混合液。在压 裂施工注入过程中，随地层深度的增加，温度逐渐升高，当达到临界温度时，c 0 2 开始 汽化、膨胀，形成以c 0 2 为内相、含高分子聚合物的水基压裂液为外相的两相泡沫液。 由于泡沫液具有气泡稠密的密封结构，气泡间的相互作用而影响其流动性，从而使泡沫 具有粘度，因而具有良好的携砂性能，在压裂施工中起到代替常规水基压裂液的作用， 完成造缝、携砂、顶替等，形成一条具有一定几何尺寸和高导流能力的支撑裂缝，达到 油气井增产增注的目的。 在泡沫压裂中，了解裂缝的形成、压裂液的特点、支撑剂的选择、返排效果等，对 施工的成败有着重要的作用。地层中造缝，形成裂缝与其井底附近的地应力及其分布、 岩石的力学性质、压裂液的渗透性质及注入方式等有密切关系。在压裂施工过程中，井 底压力随时间变化的曲线如图2 - 1 u 引。 弋 鹾 篷 采 p p p 时间 图2 - 1 压裂过程中井底压力变化曲线 从图2 = - 1 可知，在致密岩石的地层中，从地面向井内注入压裂液，当井底压力达到只 后，地层发生破裂，然后在较低的裂缝延伸压力只下，裂缝向地层伸出延伸。在地层渗 透率较高或微裂缝的情况下，地层的破裂压力与延伸压力差异不大，表现不明显。停止 注入压裂液后，井底压力迅速下降，最后达到地层压力，与之平衡。 局部地应力和相邻层之间地应力差通常认为是裂缝延伸的控制因素。裂缝主要向垂 直于最小主应力方向延伸，常假设裂缝形状为扁椭球形。 压裂液的特性直接影响裂缝的延伸。如果选用的压裂液粘度、耐温耐剪切能力、滤 失性能等达不到压裂效果，地层就不会起裂并延伸。c 0 2 泡沫压裂液比常规压裂液具有 更好的特点，保证压裂施工的顺利进行。 ( 1 ) c 0 2 泡沫压裂液粘度高 泡沫的粘度均高于两相中任何相的粘度。由于二氧化碳泡沫压裂液为气液两相结 v 构7n 故比常规压裂液枯度明显高。气泡越密集，气泡干扰越强烈，相互作用力越大，粘 6 第二章二氧化碳泡沫压裂的机理 度就越高。稠化剂具有增粘和稳定作用，适当地加入，可进一步提高二氧化碳泡沫压裂 液的粘度，使其稳定性加强。 ( 2 ) c 0 2 泡沫压裂液具有低滤失性 泡沫流体具有很好的防滤失性，在相同条件下，其滤失情况比清水和交联冻胶小， 主要是由于它本身独特的结构决定了具有良好的抗滤失能力。泡沫流体气相和液相之间 有界面张力，当经过微小孔隙时，需要有较大的能量以克服表面张力和气泡变形，同时 毛细管力的叠加效应，进一步阻止液体滤失。从泡沫的动态滤失试验数据中可以看到， 当岩心的渗透率低于1 毫达西时，泡沫通过岩心后完全破坏，变成气相和液相。当渗透率 高于1 毫达西时，少量泡沫存在于气液之中，随着岩心的渗透率增加，泡沫组分进一步增 加。当渗透率达到7 0 毫达西时，测量到的流体只有泡沫，这意味着在高渗透介质中，气 泡变形很小，或根本不发牛变形，以致对滤失控制较少。此外，在压裂过程中由于压差 得作用，泡沫压裂液还有降滤失作用。 。 由于c 0 2 泡沫压裂过程中产生泡沫，而泡沫的独特结构决定了它的滤失量小，减少 了与地层接触的液量，因此，能够抑制水基压裂液对地层粘土产生的膨胀作用，同时水 基压裂液用量大幅度减少，与增稠剂作用可以在裂缝壁面形成阻挡层，从而有利于降低 压裂液向地层内滤失的速度，减少滤失量，降低压裂液对地层的污染。 ( 3 ) c 0 2 泡沫压裂液摩阻小 在压裂过程中，压裂液的摩阻直接关系到施工的成败，对确定合理的施工压力、选 取适当的压裂管柱等有着重要的意义。二氧化碳泡沫压裂液摩阻损失小，有利于提高施 工排量，使之产生的裂缝面积较大。二氧化碳泡沫压裂液的摩阻小，通常压裂液冻胶的 摩阻相当于清水的4 0 - 6 0 左右，纯二氧化碳泡沫压裂液也仅为清水的4 5 - 7 0 左 右，不同排量下摩阻比较如表2 1 晗引。 表2 - 1 泡沫液与清水的摩阻 液体名称 清水泡沫质量5 0 注入排量( m 3 m i n ) 3 03 54 o3 o3 54 o 巾8 8 9 m m 油管 1 4 02 0 02 3 07 09 o1 0 2 摩阻系数环空 ( m p a l o o o m ) ( 由1 3 9 7 m m 套管与 6 29 01 0 84 15 46 0 由6 0 3 m m 油管) ( 4 ) c 0 2 泡沫压裂液具有良好的携砂能力 携砂能力是指流体在循环过程把固体颗粒从井底或任何井段带到地面或从地面带到 井内任何位置的能力，主要受流体动切力和粘度的影响。其携砂机理为常规水基压裂液 粘弹性作用和防止支撑剂固相颗粒无目的的运移。据有关研究人员测量，砂粒在泡沫中 的沉降速度极小，泡沫的悬浮能力比水或冻胶液的悬浮能力大1 0 6 - , 1 0 0 倍。 两安石油大学硕：l ：学位论文 ( 5 ) c 0 2 泡沫压裂液具有良好的助排能力 二氧化碳泡沫压裂液具有良好的返排能力，不必抽吸或气举排液，仅借助泡沫的举 升动能，就可以迅速、彻底地排液。主要的原圜有： 泡沫压裂液携静水柱压力低，仅檩当子常规水基压裂液的3 0 5 0 ，返排时大 大减少了能量的消耗； 由于二氧化碳具有可压缩性，在压裂过程中高压压缩并存储能量，施工结束排液 时，裂缝或孑l 隙中的泡沫因压力下降，气体迅速膨胀，提供了足够的能量，举升麓力增 强，使得压裂液返排； 返排期间，泡沫中的气泡充分膨胀，泡沫质量迅速提高，井筒静液柱压力大幅度 降低，增大了地层与并筒之间的压差，可携带出固体颗粒及残渣，使裂缝壁面的地层孔 隙得到净化与疏通，大大提高了地层豹导流能力； 二氧化碳泡沫压裂液的界面张力低，仅相当于清水的2 0 3 0 ，降低了压裂液流 体在返排过程中的毛细管力，而毛细管力是液体滞留的关键，因此提高了返排能力。 ( s ) 具有解堵和对储集层伤害小的性麓。 c 0 2 进入地层后既能溶于水又能溶于油，可以改变原油的物理性质和降低油水赛甄 张力。当c 0 2 溶于水时，形成p h 值较小的酸液，造成地层液态环境呈酸性，使地层粘 土颗粒收缩，减少粘土颗粒的运移，具有解堵和抑制粘土膨胀的作焉，减轻了对地层的 水敏伤害，同时，由于压裂液在酸性环境下，可以较快地破胶；当c 0 2 溶于油层中，可 使原油的粘度大幅度降低，减小渗流阻力，提高单井产量，与油层中的水生成碳酸，饱 和二氧化碳的水的p h 值为3 3 3 7 ，相对来说是无腐蚀的，当p h 值升至4 5 - - 5 时， 就会减少粘矿物膨胀，保持地层的渗透。眭，还可解除裂缝面的堵塞，减少对储集层的 伤害。 在压裂过程中，压裂液将支撑剂携入人工裂缝并填充其中，使之不再重新闭合，形 成高导流能力裂缝，建立新的漓气渗流通道。常厣静支撑剂势石英砂藉羯粒。支撑荆颗 粒是被包裹、承托且气泡之间的相互作用夹持，只有当支撑支撑剂的气泡发生严重变形 或泡沫稳定性极差时，泡沫之间被挤出一条通道，支撑剂才会发生下沉。当支撑剂的重 。量不足以使泡沫交形，但有足够的泡沫存在，支撑剂也不会沉降。 支撑剂的沉降速度直接关系到裂缝的长度和压后裂缝的导流能力。2 0 - - 4 0 曙的支撑 剂在泡沫质量为7 0 - - 8 0 的泡沫中，自然沉降速度仅为0 3 - - - , 0 6 1 0 一m s ，因此，为 保挣良好的携砂能力，井底也应保持较高的泡沫质量。而室内和现场试验证明，1 0 - - - - 2 0 e l 砂在二氧囊二碳泡沫压裂液中的沉降速度几乎等于零，砂比最高可达6 4 - 7 4 。 泡沫是由气体和液体鼹相组成，当把固体支撑剂加到两相泡沫中，其颗粒不会成为 连续相的一部分，而分散地存在于气泡旁边。为了保持压裂施工中泡沫压裂液的稳定性， 。，我们采用了恒定内相的方法，邵把水基液部分看作外相，液态二氧化碳和支撑剂看作内 相，施工过程中总排量和水基压裂液的排量恒定，随着加入支撑荆浓度的提高，液态二 3 第二章二氧化碳泡沫压裂的机理 氧化碳的排量相应减小，使支撑剂和液态二氧化碳的体积量始终保持一个恒定值，从而 增加泡沫摄裂液的粘度，提高携砂能力，减少赢砂比段发生堵砂的凡率，这样有利予降 低施工压力，提高施工一次成功率。常规方法与恒定内相方法对比如下图2 2 瞳卜2 引。 常规方法恒定内糨方法 abcde 图2 - 2 秀常筑方法与恒定内褶方法封毙圈 在c 0 2 泡沫压裂施工过程中，支撑剂是由混砂车加入到压裂液体系。混砂液经高压 泵泵送到井口，在进入井篱前经高压三通与高压c 0 2 混合在一起，进入井筒混合液的含 砂浓度大幅度降低。若在压裂液中混入相同体积的c 0 2 ，此时的混合液的砂液比就降低 了5 0 。为了提高砂液比、避免井口压力过高，在增加支撑剂浓度时，应保持压裂液的 排量稳定，可适当稳定或增加冻胶的排量，相殿降低c 0 2 排量，其c 0 2 的降低值等于支 撑剂增加的绝对排量。在长庆油田上古生界气藏的压裂改造中，广泛采用了内相恒定技 术，在压裂施工老翼砂过程中，采取了降低c 。2 比例的恒定内相技术，施工混合滚平均含 砂比为2 5 犯3 1 。 压裂结束蜃，需关并一段时闻，关并时间的长短取决于最后泵入胶液的破胶时闻和 裂缝闭合时间。在进行返排以前，需满足这两个时间，对于胶液应在近似于并下温度剖 蕊的情况下进行破胶试验，确定压裂液在地层温度下破胶时间，当压裂液破胶时，进行 返排才安全。过早地对没有破胶的胶液进行返排，可畿会将井筒附近裂缝中的支撑荆携 带出来，从而造成井筒附近裂缝的导流能力降低，而在井筒附近最需高导流能力，在给 定地层、并深和嚣块内，有关胶液系统帮压裂施工后返摊工作的现场经验甭提供有意义 的帮助。 返排工作应按设计所确定的排量对井进行返排，防止从裂缝中排出油气。另夕 要注 意破胶不充分的胶液从并筒中带出支撑剂，将会造成严重的磨损。在返排期间，要使并 职上的油管套管环空阀门稍微打开，这样，巍返排液体加热环空中的液体时，阀门可 以泄压。如果环空阀门关闭，由于温度上升，会造成环空压力上升，从而可能会造成油 管挤扁或套管破裂。 泡沫压裂液中因含有二氧诧碳，丽二氧化碳具有储熊性质，在关井扩散压力屠，开 井放喷，e 1 1 于井口压力释放，泡沫压裂液中的气体膨胀放出很大的能量，因而控制压后 返排过程是很重要的，一般地应注意以下几点： 9 两安石油大学硕士学位论文 根据裂缝压力确定关井时间和返排方法； 油管装油嘴控制放喷； 返排时间应在裂缝闭合、压裂液破胶后立即进行； 注意鼹察返篓 液体的含砂量。 二氧化碳溶于水生成的碳酸能降低地层流体的粘度，增加原油的流动性，提高岩石 的渗透率，另方面还增加了溶解气驱的能量，使得返排时迅速且彻底，对储集层伤害 小。般中等规模的压裂，返摊时闻只需半天左右便可投产，因此泡沫压裂停产的时闻 最短。在圈外，泡沫压裂施工己相当普遍，而且成功率很高，增产效果也十分显著， 般增产6 1 0 倍，甚至高达数百倍。据有关文献介绍，泡沫压裂井次占1 0 以上，大有 占r 睾导地位之趋势，而且各服务公司都有自己的计算程序和相应的计算图表，以供设计 和现场施工调节参数之用。 l o 第兰章影响c 0 2 泡沫压裂摩阻的主要因素 第三章影响c 0 2 泡沫压裂摩阻的主要因素 3 1 二氧化碳的特性 在不同条件下，二氧化碳以三种状态存在，蠢p 气态、固态和液态。在常温常压下， c 铙为无色、无味的气体，其相对密度约为空气的1 5 3 倍。当压力为l a t m 、温度为o ， c 0 2 的密度为1 9 8 k g m 3 ，导热系数为0 0 1 7 4 5 c l ( m s ) ，动力粘度为0 0 1 3 8 m p a s 。 c 0 2 分子是直线型的，属于非极性分予，但可溶于极性较强的溶剂，也可溶于原油 和凝析油中。在压力较低时，二氧化碳在原油中的溶解度随压力的增加而增加，健是， 当压力达到一定值时，溶解度的大小仅与温度有关，丽且温度越高溶解度越大。 c 0 2 偶极距为零，分子中碳原子以s p 杂化轨道与氧原子形成d 键，碳原子与剩下的 氧原予以2 p y 和2 p z 轨道以及其上的电子再形成