（油气田开发工程专业论文）井筒爆燃压裂油井产能模型研究与实验.pdf

r e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t a t i o no nw e l lp r o d u c t i v i t y m o d e lo fe x p l o d i n gf r a c t u r ei nt h ew e l l b o r e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e 伊e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：p a nz h i h u a s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nd e - c h u n c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) m 。 哮 影， 关于学位论文的独创性声明 i i ii ii iii i i ii iii l llli y 18 7 6 5 8 2 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期： 厶1 1 年 ：月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：易7 年多月7 日 日期；凸f 年 乡月7 日 ；i 矿 f l 、 摘要 在石油资源越来越匮乏的形势下，低渗透油藏的开发已成为今后我国乃至世界油田 开发的主题。压裂技术对改善已开发低渗透油田的开发效果，尽快有效地开发未动用的 低渗透储量十分重要。作为压裂技术之一的井简爆燃压裂技术的应用，对增产增注、提 高原油产量产生了良好效果。但目前对井筒爆燃压裂油井产能的研究尚缺乏，这对该技 术的进一步发展产生了不利影响。基于油层爆燃压裂技术的原理和油藏渗流理论，分别 利用节点系统分析方法和保角变换方法，建立了两种爆燃压裂油井产能预测模型，利用 v b 程序语言编制了爆燃压裂油井产能预测软件，以f 3 1 1 0 油井的基本数据为例进行计 算与分析，获得了不同的油藏参数和爆燃裂缝参数时油井的增产倍数、采液指数和i p r 曲线，并进行了分析。根据电流场和渗流压力场的相似性，建立电模拟实验装置，研究 爆燃裂缝对油藏渗流场和油井产能的影响，并与油井产能预测数学模型的计算结果进行 了对比分析。根据温度场和电流场的相似性确定了温度场分析中各参数的数值，利用 a n s y s 热稳态分析模块对产能预测数学模型进行了仿真分析。研究结果表明，爆燃压 裂产生的裂缝有利于增加油井的产能。油井产能随着裂缝长度、裂缝条数和裂缝导流能 力的增加而增加，爆燃裂缝长度的增加可大大增加油井的产能，爆燃裂缝条数的增加可 以增加油井的产能，爆燃裂缝导流能力对产能的影响不明显，但随着裂缝长度增加，裂 缝的导流能力对油井产能增加的影响增大。因此，对低渗油藏中的f 3 1 1 0 井，增加爆 燃裂缝长度、裂缝条数比增加裂缝导流能力对增产更有利。电模拟实验结果表明，井筒 爆燃压裂技术产生爆燃裂缝后，远离爆燃裂缝处流体径向流动；越靠近爆燃裂缝，等压 线的形状受裂缝的影响越大；到爆燃裂缝附近处，等压线发生了明显弯曲，有与爆燃裂 缝方向平行的趋势，这说明越接近爆燃缝线性流越明显。通过产能数学模型计算结果与 电模拟实验结果的对比分析，节点系统分析方法求得的平均误差为1 2 0 2 ，保角变换 方法求得的平均误差为4 ，9 5 。a n s y s 热稳态模块求得的等温线分布规律表明，爆燃 压裂技术可以改善流体在地层中的流动状况，求得的结果与节点系统分析预测模型比 较，平均相对误差为7 6 ，与保角变换数学预测模型比较，平均相对误差为6 1 3 。研 究结果对于爆燃压裂技术在油田的应用具有指导作用。 关键词：爆燃压裂；油井产能；保角变换；节点系统分析；电模拟 1 人 翟 i 誓 r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a t i o no nw e l lp r o d u c t i v i t y m o d e lo fe x p l o d i n gf r a c t u r ei nt h ew e l l b o r e p a nz h i - h u a ( o i l & 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 ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e nd e c h u n 、 a b s t r a c t u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tp e t r o l e u mr e s o u r c eh a sb e e nm o r ea n dm o r es h o r t e n ，l o w p e r m e a b i l i t y r e s e r v o i rh a sb e e nt h e e x p l o i t i n gt h e m ei n c h i n ae v e nt h ew h o l ew o r l d f r a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v ee x p l o i t i n gl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r s e f f e c ta n de x p l o i tu n u s e dl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i ra sv a l i da sp o s s i b l e a so n eo ff r a c t u r i n g t e c h n o l o g y , e x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r et e c h n o l o g yp r o d u c e sf a v o r a b l ee f f e c tt oi n c r e a s e p r o d u c t i o na n di n j e c t i o na n dr a i s eo i ly i e l d b u ti tc a u s e su n f a v o r a b l ee f f e c tt oi t s e l ff u r t h e r d e v e l o p m e n tt h a tl a c k i n go fs t u d yt oe x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r ef r a c t u r i n gw e l lp r o d u c t i v i t y n o w b a s e do nt h el a wo fe x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r et e c h n o l o g ya n dt h et h e o r yo ff l u i df l o wi n p o r o u sm e d i a , t w of o r e c a s tm o d e l so fe x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r et e c h n o l o g yc a p a c i t ya r e e s t a b l i s h e ds e p a r a t e l yu s i n gt h en o d a ls y s t e ma n a l y s i sm e t h o da n dc o n f o r m a lt r a n s f o r m a t i o n m e t h o d c a l c u l a t i o na n da n a l y s i si sc o n d u c t e da tt h ee x a m p l eo ff 31 - 10o i lw e l lb a s i cd a t a u s i n ge x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r ec a p a c i t y f o r e c a s ts o f t w a r ee s t a b l i s h e db yv bp r o g r a m l a n g u a g e s t i m u l a t i o nr a t i o ，f l u i dp r o d u c t i v i t ya n di p rc u r v ew h e nr e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c s a n de x p l o d i n gf r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa r ed i f f e r e n ta r eo b t a i n e da n da n a l y s i si sc o n d u c t e d b a s e do nt h es i m i l a rp r i n c i p l eo fc u r r e n t 衄e da n df l u i df l o wi np o r o u sm e d i ap r e s s u r ef i e l d ， e l e c t r i ca n a l o ge x p e r i m e n t a la p p a r a t u si se s t a b l i s h e dt os t u d yt h ee f f e c tt ot h er e s e r v o i rf l u i d f l o wi np o r o u sm e d i aa n do i lw e l lp r o d u c t i v i t yb ye x p l o d i n gf r a c t u r e c o m p a r a t i v ea n a l y s i si s c o n d u c t e dw i t hc o m p u t a t i o n a ls o l u t i o no fo i lw e l lp r o d u c t i v i t yf o r e c a s t i n gm a t h e m a t i c s m o d e l b a s e do nt h es i m i l a rp r i n c i p l eo ft e m p e r a t u r ef i e l da n dc u r r e n tf i l e d ，t h ev a l u eo fe a c h c h a r a c t e r i s t i ci nt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i si se s t a b l i s h e d r e a l i s t i ca n a l y s i sa b o u tp r o d u c t i v i t y f o r e c a s t i n gm a t h e m a t i c sm o d e li sc o n d u c t e du s i n ga n s y st h e r m a ls t a b l ea n a l y s i sm o d e l f i n d i n g sd e m o n s t r a t ef r a c t u r e sp r o d u c e db ye x p l o d i n gf r a c t u r i n ga r ef a v o ro fi n c r e a s i n go i l w e l lp r o d u c t i v i t y w e l lp r o d u c t i v i t yi n c r e a s ea sf r a c t u r el e n g t h , f r a c t u r en u m b e ra n df r a c t u r e f l o wc o n d u c t i v i t yi n c r e a s i n g f r a c t u r el e n g t h sr a i s ec a ni n c r e a s eo i lw e l lp r o d u c t i v i t yl a r g e l y f r a c t u r en u m b e r sr a i s ec a ni n c r e a s eo i lw e l lp r o d u c t i v i t y f r a c t u r ef l o wc o n d u c t i v i t y sr a i s e c a l li n c r e a s eo i lw e l lp r o d u c t i v i t ya l i t t l e , b u tf r a c t u r ef l o wc o n d u c t i v i t y sa d dc a ni n c r e a s eo i l w e l lp r o d u c t i v i t yl a r g e rw h e nf r a c t u r el e n g t hi n c r e a s i n g h e n c e ，t h ei n c r e a s eo ff r a c t u r e 卜 l e n g t ha n df r a c t u r en u m b e ri sm o r eb e n e f i c i a lt h a nf r a c t u r e sf o rf 31 10w e l li nt h el o w p e n e t r a t i v er e s e r v o i r e l e c t r i ca n a l o ge x p e r i m e n t a t i o nr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tf l u i dm e d i u m i sr a d i a lf l o wf a ra w a yf r o me x p l o d i n gf r a c t u r e i s o b a r i cl i n e sa r ei n f l u e n c e db yf r a c t u r em o r e h e a v i l yw h e nc l o s et oe x p l o d i n gf r a c t u r ea n db e n tt ot r e n dt op a r a l l e lw i t he x p l o d i n gf r a c t u r e a r o u n de x p l o d i n gf r a c t u r ea f t e re x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r et e c h n o l o g yc r e a t i n g e x p l o d i n g f r a c t u r e a 1 lo ft h o s ei n d i c a t et h a tl i n e a rf l o wb e c o m em o r eo b v i o u s l ya sc l o s ea st ot h e e x p l o d i n gf r a c t u r e t h en o d a ls y s t e ma n a l y s i sm e t h o d sa v e r a g ee r r o ri s 12 0 2 a n d c o n f o r m a lt r a n s f o r m a t i o nm e t h o d s a v e r a g ee r r o ri s 4 9 5 b yt h em e a no fc o m p a r a t i v e a n a l y s i sb e t w e e np r o d u c t i v i t ym a t h e m a t i c a lm o d e lc a l c u l a t i o nr e s u l ta n de l e c t r i ca n a l o g e x p e r i m e n t a lr e s u l t i s o t h e r m a ll i n ed i s t r i b u t i o no b t a i n e db ya n s y st h e r m a ls t a b l ea n a l y s i s m o d e ld e m o n s t r a t et h a te x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r et e c h n o l o g yc a ni m p r o v ef l u i dm e d i u m s f l o wc o n d i t i o n t h en o d a ls y s t e m a n a l y s i sm e t h o d sa v e r a g ee r r o ri s7 6 a n dc o n f o r m a l t r a n s f o r m a t i o nm e t h o d s a v e r a g ee r r o ri s 6 13 c o m p a r e dw i t ht h e r m a ls t a b l e a n a l y s i s f i n d i n g sh a v eag u i d i n gr o l ef o rt h eu o fe x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r et e c h n o l o g yi no i l f i e l d k e yw o r d s ：e x p l o d i n gi nt h ew e l l b o r e ；o i lw e l lp r o d u c t i v i t y ；c o n f o r m a l t r a n s f o r m a t i o n ；n o d a ls y s t e ma n a l y s i s ；e l e c t r i ca n a l o g 1 1 1 鼍， 矿。 目录 第一章前言一1 心 1 1 研究目的及意义1 令 1 2 国内外研究现状一2 1 2 1 油井产能模型的国内外研究现状2 1 2 2 渗流电模拟实验的国内外应用现状3 1 2 3 渗流a n s y s 热稳态模型的国内外应用现状一5 1 3 研究目标与主要研究内容6 1 3 1 研究目标6 1 3 2 主要研究内容6 1 3 3 技术路线一7 第二章井筒爆燃压裂油井产能计算模型研究一8 2 1 井筒爆燃压裂油井产能计算模型8 2 1 1 数学模型的假设条件8 2 1 2 节点系统分析计算模型8 2 1 3 保角变换计算模型1o 2 2 模型求解软件的编制1 5 2 2 1 软件设计思路和功能15 2 2 2 软件的环境与语言1 7 2 2 3 软件的运行界面1 8 2 3 计算与分析1 9 2 3 1f 3 1 1 0 油井基础数据。1 9 2 3 2 增产倍数曲线与分析1 9 2 3 - 3 爆燃裂缝参数对油井增产倍数的影响一2 3 _ 卜 2 4 小结3 6 第三章井筒爆燃压裂油井产能电模拟实验研究3 7 3 1 电模拟实验装置3 7 3 2 电流场和压力场的相似准则3 8 3 2 1 压力场和电流场的关系3 8 3 2 2 相似常数的确定3 9 3 3 电模拟实验内容4 0 3 4 爆燃裂缝对渗流场和油井产能的影响4 1 3 4 1 不同裂缝长度和裂缝条数等压线的分布4 1 3 4 2 爆燃裂缝参数对油井产能的影响一4 7 3 5 电模拟实验结果与产能计算模型结果的对比分析4 9 3 6 j 、结4 9 第四章爆燃压裂裂缝a n s y s 热稳态数模分析51 4 1 温度场与电流场相似准则5l 4 2a n s y s 热稳态模块分析5 2 4 2 1 热稳态分析基本理论：5 2 4 2 2a n s y s 热稳态建模5 3 4 2 3 热稳态模型网格划分5 3 4 2 4 求解结果5 7 4 2 5a n s y s 热稳态产能分析6 0 4 3a n s y s 热稳态模型结果与电模拟实验结果的对比分析6 4 4 4 小结6 5 结论6 7 参考文献一6 8 攻读硕士学位期间取得的学术成果。7 1 致谢7 2 莎 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究目的及意义 截至2 0 0 8 年底【l 】，全国累计探明低渗透地质储量1 4 1 x 1 0 8 吨；低渗透天然气储量 4 1 x 1 0 1 2 m 3 ，分别占全国油气储量的4 9 2 和6 3 6 。2 0 0 8 年，全国低渗透原油产量为 o 7 1 x 1 0 8 吨，占总产量的3 7 6 ；低渗透天然气产量达3 2 0 x 1 0 8 m 3 ，占总产量的4 2 1 。 另外，根据我国2 0 0 4 年开展的第三次油气资源评价结果，低渗透油气资源广泛分布在各 大盆地，低渗透远景资源量分别为5 1 7 x 1 0 8 吨和2 4 x 1 0 1 2 m 3 ，分别占全国油气远景资源总 蕈的4 9 和4 2 8 。 表1 1 中国低渗透油藏的分布 类型 砂岩油气藏火山岩油气藏海相碳酸盐岩油气藏 地趴 东部松辽、渤海湾、二连、海松辽、渤海湾盆地 拉尔、东北、江汉盆地 中部鄂尔多斯、四川盆地鄂尔多斯、四川盆地 西部准噶尔、柴达木、塔里木、准噶尔、柴达木、塔准噶尔、柴达木、塔里 三塘湖盆地 单未、= 塘湖龠士l h太、= 塘湖岔地 受国内石油资源的制约，供需矛盾日益显现，石油安全面临诸多问题，已成为我国 经济发展的“瓶颈”。在石油资源越来越匮乏的形势下，低渗透油藏储量的开发己成为 今后我国乃至全球油田开发的主题，开发动用低渗油藏成为我国石油工业增储上产的必 经之路。低渗油藏在开发过程中有其特殊性，采出程度低、注水困难、见效差、产量预 测不准、采取的工艺技术措施效果不明显等。目前已经应用压裂、小井眼、水平井钻井、 注水调剖、酸化改造等技术来解决这些问题。其中，压裂技术对改善已开发低渗透油田 的开发效果，尽快有效地开发未动用的低渗透油藏十分重要。在各项压裂技术措施中， 以爆燃药、冲击波等产生强动载作用于油层，期望在地层中形成裂缝，从而达到油水井 增产增注目的的技术我们称之为油层爆燃压裂造缝技术【撕】。该技术包括高能气体压裂 技术、水力裂缝层内爆燃压裂技术、电脉冲处理油层技术、“压胀松动”油层处理技术 等。实践证明，爆燃压裂技术的应用，对增产增注、提高原油产量产生了良好效果。 通过文献调研，对目前压裂油井产能模型研究的结论和应用状况有了一定的了解， 对电模拟实验和a n s y s 热稳态模型的应用效果、适用条件以及在研究和应用中存在的问 题或局限性进行了总结。但调研发现，目前对井筒爆燃压裂油井产能的研究尚缺乏，这 对该技术的进一步发展产生不利影响。因此，有必要对井筒爆燃压裂技术作用后油井的 第一章前言 产能进行究，从而为这类技术工艺参数设计和控制提供依据，对这类技术的发展完善和 应用具有重要的指导意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 油井产能模型的国内外研究现状 1 9 9 3 年，杨卫字等【7 】通过数值模拟的方法对火药燃烧，岩石变形及裂缝扩展和气体 流动三部分进行了探讨，采用了边界元理论中的位移不连续法。研究认为所探讨的数值 模拟计算模式稳定可靠、可以较好地模拟径向多裂缝的延伸特征。1 9 9 5 年，程林松，李 春兰等【8 】综合运用数学分析方法( 保角变换、镜像反映、叠加原理、等值渗流阻力) 和物 理模拟方法( 电解模型) 对分支水平井稳定渗流进行了较系统的研究。推得了分支水平井 的流场分布和产能计算公式，并对影响分支水平井产能的因素进行了分析和研究。利用 实验测试结果对分支水平井产能计算公式进行了检验。1 9 9 8 年，李望，王卫红等【9 】利用 保角变换方法和等值渗流阻力原理推导出了分支水平井产能计算公式，并与j o s h i 等提 出的公式进行了比较，指出他们的公式没有注意到均匀藏量和导流能力无限大的区别， 分析讨论了井筒数和水平井筒长度对分支水平井产能的影响。2 0 0 1 年，蒋廷学等【1 0 捌 应用保角变换原理和局部渗流阻力的概念，将多分支水平井渗流问题转变为平面径向渗 流问题，从而简化了求解过程。2 0 0 2 年，蒋廷学，郎兆新，单文文等】根据等参有限 元方法的理论原理，改进了前人在任意方位裂缝油井的产能预测、模拟裂缝三维支撑形 态、启动压力对产能的影响、相对渗透率曲线的因裂缝影响、规划不规则油藏边界、非 水平非等厚油藏模型的模型精确计算和非恒定裂缝导流能力的影响的研究等方面存在 的一些不足。研究最终建立了统一的油藏一裂缝系统渗流模型，根据有限元法在空间上 进行离散，利用预处理共扼梯度法和i m p i s 方法求解了离散后的压力方程和含水饱和度 方程。2 0 0 2 年，r j s m i t h ，k r p e r e p e l e c t a 1 2 】提出了一个简单的分析模型可以更好地描 述多裂缝压裂水平井的产能。该模型可以模拟储层裂缝性区域中任意形状储层截面流体 的拟稳定流动状态。2 0 0 3 年，汪永利掣1 3 】根据保角变换的理论，把求解压裂产生垂直 裂缝的气井产量转化成为了在平面上简单的单向渗流的流量。2 0 0 5 年，王晓冬，刘慈群 总结得到描述垂直裂缝的模型数学模型有矩形裂缝( m c g u i r e & s i k o r a t l5 1 ，1 9 6 7 ； c i n c o ，1 9 7 6 ，1 9 7 7 ；g d n g a r t e n & r a m e y ，1 9 7 8 ；r a g h a v a n ，1 9 9 3 ) 、椭圆形裂缝( p r a t s ， 1 9 6 0 ，1 9 6 1 ；刘慈群，1 9 8 7 ；r i l e y ，1 9 9 1 ) 和三角形裂缝( r a y m o n d & b i n d e r ，1 9 6 7 ) ，其 中矩形裂缝最为常用。2 0 0 5 年，孟红霞，陈德春掣1 6 】针对目前压裂油井产能计算一般 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 采用油藏数值模拟技术和简化解析式，前者是一项比较复杂、烦琐的计算工作，后者一 般基于裂缝为无限导流能力等条件推导的问题，应用油藏渗流理论，基于裂缝为有限导 流能力，建立了水力压裂油井产能计算模型，以分析和优化裂缝参数，为水力压裂技术 的设计提供简易可行的油井产能计算方法。2 0 0 5 年，陈德春等【l7 】根据油藏渗流理论， 建立水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型并进行求解，进而研究水力裂缝和爆燃裂缝参 数对油井产能的影响。2 0 0 6 年，马华丽，蒋凯军等【1 8 】以间歇试采井为研究对象，对以 往试采井资料进行整理，利用间歇生产过程中录取到的原始生产资料，对自然产能和压 裂改造的生产井在试油、间歇试采两阶段得到的地层参数进行对比和分析，研究出间歇 方式的采油井、试采井的产能预测方法。2 0 0 8 年，张伟东，杨铁军，蒋廷学等【1 9 】根据 保角变换的理论，将求解带有垂直裂缝油井产量的问题转化为一个简单的单向渗流问 题，并且划分微元体进行流动分析，导出了裂缝内流体流动所满足的压力二阶微分方程， 确定了具有不同缝长和导流能力压裂井的产能公式。2 0 0 8 年，丁一萍，王晓冬，邢静【2 0 】 由基础理论出发，正确认识地层和裂缝的产量分布特征，利用当量井径概念，确定了带 有多条横向裂缝的水平井压裂产能公式，并分析确定了油藏模型和水平井裂缝的几何参 数和物性参数，动态分析了裂缝条数、裂缝间距等因素对水平井井底压力和裂缝流量分 布的影响。2 0 0 9 年，陈家晓等【2 l 】基于油藏渗流机理的分析和研究，同时考虑启动压力 梯度的影响，推导出了适合低渗透油藏的油井产能预测公式新方法。2 0 1 0 年，穆振江【2 2 】 等运用分段数值计算的方法，建立微元段的油藏渗流模型和井筒内流动压力损失模型， 并对模型进行耦合计算。选取不同的射孔，对其进行产能预测，计算出水平井射孔段长 度与压力和流量的关系曲线。 1 2 2 渗流电模拟实验的国内外应用现状 电模理论已经相当成熟，它在油气层渗流中的应用已具有5 0 余年历史【1 7 】。它的优点 很多，如：装置简单，利用电学仪器测量比较方便、迅速准确，试验技术易掌握，可以 制造适于我们观测、操作的大小适中的模型，而不致损害模拟相似性。在模拟井底渗流， 优点更为突出，它可以模拟钻井污染、射孔污染等，能得到许多相关参数。正因为如此， 国内外采用电模拟渗流研究己得出了许多成果，为合理开发油田提供了一定的依据。 电流与渗流尽管流动规律相似，但毕竟它们的流动介质的物理化学特性不同，因此 在模拟一些特定流动方式时。在模拟平面径向流时，在选择相似比上，就不能仅从相似 原理上去考虑，必须考虑到流动介质的物理化学特性，否则得出的结果将与实际相差甚 3 第一章前言 远。早在1 9 9 0 年，冯跃平，潘迎德，唐愉拉等 2 3 1 就探讨了利用水电相似原理，电模拟平 面径向流理论在实际运用中存在的问题，揭示了存在问题的原因，提出了电模拟和平面 径向流中各参数( 供给半径，导电液浓度，电源频率) 的合理选择原则，以保证理论在实 际运用中更加切合实际情况。 利用电的某些物理现象来重演所要研究的对象，即利用相同的数学微分方程所表示 的物理现象来互相模拟就是电模拟实验脚】。在电模拟实验中，用相关导电介质模拟油藏， 在介质之间施加一定恒定电势差，产生的电场用来模拟地层中的稳定渗流场。理论是根 据不可压缩的地下流体通过多孔介质的稳定渗流符合达西定律和拉普拉斯方程： 矿= - - - k g r a d p ( 1 - ，) 1 l i 。l j iv 2 p = 0 电流在电导体中的电势分布及流动也是满足欧姆定律及拉普拉斯方程的： 宝一胛棚( 1 - 2 ) l v 2 u ：0 依据水电相似的理论，渗流场与电场的形状和分布相似，两者在相似的边界条件下 可得到相似的解。因此，用导电介质模拟油藏，在介质上施加一定的电势差，利用产生 的稳恒电场来模拟地层中的稳定渗流场是研究油井稳态产能问题的一种简便而有效地 方法。根据欧姆定律，电场中任一流动单元内电流为： ( 篇) 。一 m 3 ， 地层中沿压力梯度方向单元块中的流体流量根据达西定律可表示为： 摆) ，一 m 4 ， 因为电模拟实验中电流可以在瞬间达到稳定，因而电模拟的过程实际上是油藏中的 单相稳定流动过程，通过测得电场中的电流和电势，利用相似比例关系即可换算成渗流 场中的产量和压力。 2 0 0 3 年，周德华，焦方正，葛家理等【4 5 1 借助于经典的物理模拟方法一电模拟实验方 法，来研究裂缝网络与水平井一直井井网之间的关系，分析、评价裂缝网络的连通性、 离散性、密度、方位等不同性质对水平井产能的影响，从而为合理优化水平井布井和水 平井压裂提供依据。在一系列的实验研究中考虑了下列因素对水平井产能的影响：a ) 裂 缝的离散和连通性；b ) 裂缝网络密度、裂缝方位和裂缝网络存在模式；c ) 穿过水平井的 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 裂缝及其间距。2 0 0 6 年，曲占庆，张琪，吴志民等【4 4 】通过电模拟实验对水平井压裂前产 能进行预测，测量了水平井压裂模型的电压和电流密度，将实验数据转换为了模拟油藏 数据计算水平井压裂产能。实验结果表明，所采用的水平井压裂产能预测公式计算精度 较高，实验和实际油藏条件下产能比值基本吻合。2 0 0 7 年，曲占庆，许霞，刘建敏等【2 4 】 基于电模拟是研究地层油气渗流的一种广泛应用的实验模拟技术，对于辐射状分支井而 言，其压力分布是非常复杂的，根据水电相似原理设计了电模拟模型。在此基础上，测 定了不同水平井段长度以及分支数时的水平井的压力分布，研究了产能的各种影响因 素，为水平井产能预测提供了依据。2 0 0 8 年，庚勐，何顺利，李林地【2 5 】利用电模拟实验 装置，对影响压裂水平井产能的部分因素进行了实验研究，并用电流密度比的概念表征 压裂水平井的产能比。实验结果表明：增大裂缝与水平井筒的夹角可以增加产能；对具 体油藏，存在着最优的无因次长度和裂缝条数；电流比值能够反映压裂水平井的产能大 小。因此，利用电模拟实验可直观快捷的实现压裂水平井产能预测。2 0 0 9 年4 月，胡博 等 2 6 】对鱼骨刺井进行了电模拟实验研究，发现最佳分支数的确定与其分支长度有关，分 支数增加，分支间干扰度增加，分支与井筒间干扰度减小。2 0 0 9 年9 月，吴晓东等2 刀设 计了新的实验方案，利用电模拟方法对裂缝条数、长度等进行了重新论证并研究了井网 、 条件下裂缝的形态优化问题。2 0 0 9 年9 月，郭迎春，黄世军【2 8 利用电模拟实验分析了分 支井分支数和分支长度对产能的影响，得出分支井等势线距离井筒越近越密集，井的支 端比分支井之间密集，长度不相等时，支间干扰严重。 1 2 3 渗流a n s y s 热稳态模型的国内外应用现状 a n s y s 是美国a n s y s 软件公司开发的大型通用有限元计算软件，具有强大的求解 器和前、后处理功能，为我们提供了一个优良的工作环境，使我们从繁琐、单调的常规 有限元编程中解脱出来。该软件可以进行热、电、磁、流体和结构等有限元分析，并可 以进行多物理场耦合分析。由于渗流场和温度场可以相互比拟，在分析堤坝的稳定性及 选择防渗、排渗设计方案时，经常利用a n s y s 软件进行堤坝的渗流计算，渗流场与温度 场的计算。a n s y s 软件已应用于注水井的套损预测。国内已采用a n s y s 的温度场分析 功能进行裸眼完井和射孔完井的渗流场计算，均取得了令人满意的结果。a n s y s 的参数 化设计语言( a p d l ) 为设计渗流参数和反分析渗流参数提供了有力的工具。2 0 1 0 年，吕志 凯等【3 0 】介绍了a n s y s 模拟压裂水平井三维模型的建立及网格划分方法，研究了压裂水 平井渗流场特征。 5 l k 厂 第一章前言 1 3 研究目标与主要研究内容 1 3 1 研究目标 国内外缺少对爆燃压裂油井产能的研究，利用油藏渗流理论和节点系统分析方法， 建立爆燃压裂油井产能模型。利用a n s y s 热稳态模型、渗流电模拟实验装置的研究结 果修正产能模型，编制产能模型求解软件。通过产能模型求解软件研究裂缝参数、油层 岩石参数和油藏流体性质参数对油井产能的影响，从而为爆燃压裂产能模型提供理论指 导，为爆燃压裂技术的工艺参数设计提供理论和方法。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 爆燃压裂油井产能模型的研究与应用状况调研 调研油井产能模型的研究与应用状况、渗流电模拟实验的国内外研究现状和渗流 a n s y s 热稳态模型的国内外研究现状。 ( 2 ) 爆燃压裂油井产能模型的建立 基于油层爆燃压裂原理，利用油藏渗流理论、保角变换方法和节点系统分析方法， 建立爆燃压裂油井产能模型。 ( 3 ) 爆燃压裂油井产能模型求解软件的编制 基于上述模型，利用v i s u a lb a s i c6 0 语言编制了计算软件，对建立的爆燃压裂油井 产能模型进行求解。 ( 4 ) 爆燃压裂渗流电模拟实验的研究 根据电压场与渗流压力场的相似性，利用渗流电模拟实验装置，研究裂缝参数对油 藏渗流场和油井产能的影响，并与爆燃压裂油井产能数学模型的计算结果进行对比。 ( 5 ) 爆燃压裂裂缝a n s y s 热稳态数模研究 根据温度场与渗流压力场的相似性，利用a n s y s 热稳态模型，研究裂缝参数对油 藏渗流场和油井产能的影响，并与爆燃压裂油井产能数学模型的计算结果进行对比。 ( 6 ) 爆燃压裂油井产能的敏感性研究 a n s y s 热稳态模型和渗流电模拟实验的研究结果与爆燃压裂油井产能数学模型的 计算结果进行对比分析，修正爆燃压裂油井产能模型，用求解软件进行求解。利用修正 后的动载造缝油井产能模型研究裂缝参数( 裂缝条数、裂缝方位、裂缝导流能力等) 、油 层岩石参数( 渗透率、孔隙度、各种流体饱和度分布等) 和油藏流体性质参数( 各种流体的 粘度、密度、体积系数、压缩系数以及气液比、含水率等) 对油井流入动态的影响规律。 6 l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 3 技术路线 建立爆燃压裂油井产能计算模型及其求解方法，编制软件，研究裂缝参数、油层岩 石参数和流体参数对油井流入动态的影响规律，论证油井增产机理和增产规律。根据相 似原理，利用a n s y s 热稳态模型和渗流电模拟实验，研究裂缝参数对油藏渗流场和油 井产能的影响，与数学模型结果进行对比，进一步研究油层冲击开裂裂缝对油层渗流状 况的改善，并验证数学模型的精度。通过理论研究与试验，证明爆燃裂缝改善渗流状况 和提高油井产能的作用，为油层爆燃压裂技术的裂缝参数设计提供理论与方法。 图1 i 论文技术路线 f i g l - 1t h et e e l m i q u ec o u r s eo ft h ep a p e r 7 第二章井筒爆燃压裂油井产能计算模型研究 第二章井筒爆燃压裂油井产能计算模型研究 井筒爆燃压裂技术通过爆燃药爆燃迅速产生大量的高温高压燃气，对井壁及地层形 成脉冲加载，压裂油气层形成自井筒呈放射状的多条径向裂缝，提高油井的产f l 邑t 2 8 1 。爆 燃压裂技术工艺日趋完善，但爆燃裂缝对油井产能影响规律的研究欠缺3 4 , 3 6 。本章基 于井筒爆燃压裂技术原理和油藏渗流理论，分别利用节点系统分析和保角变换的方法， 建立了两种井筒爆燃压裂油井产能计算模型，并利用v b 程序语言编制了爆燃压裂油井 产能模型的计算软件，分析不同裂缝参数( 裂缝长度、裂缝条数