（油气田开发工程专业论文）水力裂缝层内爆燃油井产能评价研究.pdf

p r o d u c t i v i t ye v a l u a t i o no ft h eh y d r a u l i cf r a c t u r e w e l l s w i t he x p l o d i n gi nf r a c t u r ef r o n t h u a n g x i n - c h u n ( o i la n dg 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 yv i c e - p r o f e s s o rc h e nd e - c h u u a b s 订a c t b a s e do nt h eb a s i ci d e ao ft h es f i m u l a t i o n w i t he x p l o d i n gi nt h e h y d r a u l i cf r a c t u r e f r o n ti nl o wp e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r s ，ap r o d u c t i v i t y c a l c u l a t i n gm o d e li sd e r i v e du s i n gt h et h e o r yo ff l u i df l o wi np o r o u sm e d i a a n dt h em e t h o do f n o d a ls y s t e m sa n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h es i m i l a rp r i n c i p l e ， t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h ep e r m e a b i l i t yf i e l d 。 t h ei s o l i n eo fv o i t s g ea n dt h er a t i oo fe l e c t r i cc u r r e n th a v eb e e nm e a s u r e d u n d e rt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so fh y d r a u l i ca n de x p l o d i n gf r a c t u r e s n e e f f e c to fh y d r a u l i cf r a c t u r ep a r a m e t e r sa n de x p l o d i n gf r a c t u r ep a r a m e t e r so l l w e l lp r o d u c t i v i t yi sa n a l y z e du s i n gs o f t w a r ep a c k a g ea n s y s 1 1 1 es t u d y r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p l o d i n gf r a c t u r et u ne n h a n c et h ep r o d u c t i v i t yo f h y d r a u l i cf r a c t u r ew e l l sw i t ht h ep r o d u c t i o ni n c r e a s er a t i oa b o u t1 5 5a n d i m p r o v ef l u i d f l o wi n p o r o u sm e d i a , w h i c hp r o v et h a t 也es t i m u l a t i o n t e c h n i q u eo fe x p l o d i n gi nf r a c t u r ef r o n ti sf e a s i b l e t h er e l a t i v ed e v i a t i o no f t h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n gr e s u l t st ot h ep r e d i c t i o nr e s u l t so ft h ec a l c u l a t e d m o d e li sb e t w e e n0 2 1p e r c e n ta n d7 7 2p e r c e n t ，a n dt h ea v e r a g ei s4 0 6 p e r c e n t , w h i c hp r o v et h ep r e c i s i o no ft h ep r o d u c t i v i t yc a l c u l a t i n gm o d e l a i s o t l l er e l a t i v ed e v i a t i o no ft h ea n s y sr e s u l t st ot h ee x p e r i m e n t a lt e s t i n g r e s u l t si sb e t w e e n0 2 7p e r c e n ta n d8 7 1p e r c e n t 。a n dt h ea v e r a g ei s4 3 2 p e r c e n t ，w h i c hi n d i c a t et h ef e a s i b i l i t y t ou s es o f t w a r ep a c k a g ea n s y s i n s t e a do fe l e c t r i c i t ys i m i l a r i t ye x p e r i m e n t a ne f 纯c t i v ec a l c u l a f i o nm o d e l a n dt h e e x p e r i m e n ta n a l y s i s m e t h o d sf o rp r o d u c t i v i t ye v a l u a t i o no ft h e h y d r a u l i ef r a c t u r ew e l lw i t he x p l o d i n gi nf r a c t u r ef r o n ta r ep r o v i d e df o rt h e d e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h eh y d r a u l i cf r a c t u r ew i t he x p l o d i n gi nf r a c t u r e f r o m k e yw o r d s ：o i lw e l lp r o d u c t i v i t y ，e x p l o d i n gf r a c t u r e ，h y d r a u l i cf r a c t u r e ， e l e c t r i c i t ys i m i l a r i t ye x p e r i m e n t ，a n s y sa n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的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的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 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作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 2 。o s 年譬只l1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： z 一f 年j 7 月心日 2 一。7 年r 月侈日 中国右油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 在目前国际油价持续走高的形势下，作为稠油、低渗透油及复杂断 块油藏等低品位石油资源比例较大的中国，应重视和加强低品位石油储 量的开发利用，从而增加国内原油产量，以保障国家石油安全。 中国陆上大部分主力油田目前都已迸入中后期开发阶段，明显表现 出采出程度高、综合含水高、剩余可采储量开采速度高、递减率高的突 出特点。近年来，在中国探明的原油地质储量中，低渗透储量所占的比 例明显增大。至2 0 0 3 年底，中国累计探明低渗透油和稠油等低品位石油 地质储量约1 2 0 亿吨，占总探明石油地质储量的5 0 9 ，其中低渗透储 量7 2 3 亿吨，重稠油储量4 6 7 亿吨，主要分布于松辽、渤海湾、鄂尔多 斯和准噶尔等盆地。但是，低渗透油藏的动用程度很低，只有5 0 左右， 已动用的油藏采收率也较低。 低渗透油田开发中的两个主要任务：一是如何采用先进适用的技术 提高已开发低渗透油田的经济效益和降低生产成本：二是如何依靠技术 进步和先进的管理体制将未投入开发的低渗透油田投入开发。因此，在 目前石油后备储量紧张、价格昂贵，同时在探明未动用的石油地质储量 中大部分为低渗透油田储量的形势下，如何动用好和开发好低渗透油田 的储量，对中国石油工业的持续稳定发展和国家的石油安全具有十分重 要的意义 国内外低渗透油田开发实践和研究结果表明水力压裂技术是提高低 渗透油田开发效果的关键技术之一由于在低渗透油气田勘探、开发中 广泛地应用，并获得极大的经济效益，从而使水力压裂技术在理论方法、 工艺、设备及工具等方面均得到了迅速的发展。油藏整体压裂改造技术 于2 0 世纪8 0 年代中后期在中国一批低渗透油田难以经济有效开发的背 景下发展起来，为提高低渗透油田的开发效益、增加低渗透储量的动用 程度作出了重要贡献；同时也将水力压裂技术推到了新的高度。 然而，在低渗透油田的“压裂开发”过程中，只有在水力压裂形成 的主裂缝邻域的油气可以通过岩石中原有微小孔隙流入主裂缝产出，而 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 离主裂缝较远的油气仍难采出。 水力裂缝层内爆燃提高采收率技术是利用现代水力压裂技术将爆燃 药压入水力裂缝中，采取不损坏井筒的技术措施点燃该爆燃药，在水力 压裂主裂缝前缘和，或周围产生自支撑裂隙，预期增产效益和提高采收率 的效果明显优于水力压裂技术，对提高难开采低渗透油气田的采收率和 开发效益具有重要意义。“层内爆燃”增产技术从原理上可行，但能否 实现，存在三方面技术问题：药品能否压入含油气岩层的裂缝中? 压入裂缝后能否发生爆燃? 爆燃裂缝如何影响油井的产能? 本课题 就是针对问题，假设水力裂缝端部存在均匀对称的多条爆燃缝，进行 水力裂缝层内爆燃油井产能评价研究。 国内外学者对油井产能研究的的方法归纳起来主要有两种：物理模 拟方法和数值模拟方法。 物理模拟方法是利用物理现象的相似性，通过物理模型直观的模拟 油井渗流场，为数学模型的研究提供依据。由于渗流场与电流场以及温 度场有很好的相似性，通过电模拟实验，测绘出模型井周围渗流场等压 线分布，研究压力动态和产能的关系数值模拟方法从数学模型出发， 基于初始、边界条件，对数学模型进行求解。 本文利用油藏渗流理论和节点系统分析方法，建立了水力裂缝层内 爆燃油井产能计算模型及其求解方法。根据相似原理，建立了水力裂缝 层内爆燃油井渗流场分析的电模拟实验装置，实验测定和分析了不同水 力裂缝参数和爆燃裂缝参数条件下的等压线和电流比，并与水力裂缝层 内爆燃压裂油井产能模型的计算结果进行了对比。运用a n s y s 数值仿 真软件分析水力裂缝和爆燃缝参数对油井产能的影响，以论证水力裂缝 层内爆燃压裂技术增产的可行性，同时为水力裂缝层内爆燃油井产能规 律研究提供有效的计算与实验分析方法，对水力裂缝层内爆燃技术的裂 缝参数设计具有指导作用。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 2 1 压裂技术的发展状况 2 1 1 水力压裂技术的发展动态 水力压裂【l 】是油气井增产、注水井增注的一项重要措施，是目前使 用最为普遍的一种压裂工艺技术，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在 中高渗透油气藏的增产改造中也取得了较好的效果。它是利用地面高压 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，在井底憋 起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石的抗张强度时，便 在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延 伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，在井底附近地层内形成 具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝，从而达到改善地层渗流条 件的目的。 由于水力压裂的施工时间比较长，加载速率比较低，一般仅能形成 一条垂直最小主应力的裂缝。 油气层压裂形成裂缝以后，改变了井底附近流体的渗流方式，即由 压裂前井底附近消耗能量较大的径向渗流方式转变为压裂后井底附近消 耗能量较小的线性渗流方式；扩大了油流流入井筒的截面积；改善了井 底的渗流条件，提高了地层渗透率，或是由于裂缝穿越井底附近的污染 区而改善了井底渗流结构，大大节约了能量的消耗，所以地层内的液体 更容易流入井筒。如果水力裂缝能连通油气井深处的产层和天然裂缝， 则增产的效果会更明显。另外，水力压裂对井底附近受损害的油气层有 解除堵塞的作用。 该方法施工操作比较复杂，对设备的要求也比较高。 水力压裂技术经过了近半个世纪的发展 2 1 ，特别是自2 0 世纪8 0 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 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 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3 0 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，对水力压裂技术的广泛应用和深入认真的研究有望给石油工业 注入新的活力和生机，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1 9 4 7 年在美国堪萨斯州试验成功至今，作为油井的 主要增产措施正曰益受到世界各国石油工作者的重视和关注，其发展过 程大致可分以下几个阶段 2 1 ： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代中期以前，以研究适应浅层的水平裂缝为主， 这一时期中国主要以油井解堵为目的开展了小型压裂试验。2 0 世纪6 0 年代中期以后，随着产层加深，以研究垂直裂缝为主。这一时期的压裂 目的是解堵和增产，通常称之为常规压裂。同期，中国进入工业性生产 实用阶段，发展了滑套式分层压裂配套技术。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代，进入改造致密气层的大型水力压裂时期。中 国在分层压裂技术的基础上，发展了适应高含水量所需的蜡球选择性压 裂工艺，以及化学堵水与压裂配套的综合改造技术。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代，进入对低渗油藏改造时期。压裂规模从加液 量只有1 9 n l 精确控制短小裂缝的小型压裂到加液量5 8 3 0 m 、用砂量 2 8 5 7 t ，裂缝长一公里多，耗资1 1 0 万美元以上的大型水力压裂。在进行 大型压裂之前进行小型试验压裂，确定被压裂层及周围地层的应力梯度。 同期中国发展了适用于低渗透、薄油层多层改造的限流法完井压裂和投 球法多层压裂技术。 ( 4 ) 2 0 世纪8 0 年代发展的优化水力压裂设计，包括预测裂缝长度 和裂缝导流能力，压裂参数设计、压裂数学模型设计和压裂数学模型应 用研究等。 ( 5 ) 2 0 世纪9 0 年代水力压裂技术的新材料、新技术发展。从各种 不同的方向研究了与水力压裂技术有关的新材料、新技术、新方法和新 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 工艺，其主要包括新型支撑剂系列研究、新型压裂液和添加剂研究、压 裂液流体力学和流变学研究、高砂比压裂技术发展与优化、重复压裂技 术发展、压裂监测技术发展、压裂中缝高控制技术发展和压力设计方法 的改进等。 2 0 世纪9 0 年代以来，世界各主要石油服务公司在研究拟三维和全 三维压裂模型基础上，编制了进一步适合于生产设计的压裂软件系统， 将裂缝几何参数设计、支撑裂缝设计和压裂液体系设计、裂缝闭合期间 和生产过程中填砂裂缝的动态变化进行了综合考虑和优化设计。同时， 从单井压裂设计发展到以获得最大产能、采收率和经济效益为目标的油 藏或区域整体设计。 开展了特低渗透性油气藏的平衡限流完井压裂技术和低损害新型压 裂液体系的研究，设计了一整套油层保护措施，开发了适合于中低温的 交联压裂液( 聚合物压裂液) ，有效的防止了压裂过程中压裂液对油层的 损害。 在低渗透油田压裂开发方面的攻关方向是1 3 1 ：加强支撑剂质量管 理，提高优化支撑技术；提高压裂液的效率，解决好压裂液的返排问 题；采用大型水力压裂技术；在总体优化压裂的基础上，采用水平 井与水力压裂相结合的方法，继续进行水平井与水力压裂配套技术的攻 关研究。 2 1 2 井内爆炸法 井内爆炸1 4 1 包括固态、液态和气态炸药在井简内的爆轰和爆燃，目的 是使井筒周围地层产生多条裂缝，既消除在钻井过程中造成的表皮损害， 又使天然裂缝体系与井筒连通。1 8 6 0 年，美i 雾d e n n i shh 首先在油井中 使用黑火药爆炸方法激励了油井；1 8 6 4 年美国r o b e r t seal 申请了以枪 用火药使油井增产的专利，1 8 6 7 年使用效果更好的液态硝化甘油取代了 黑火药；后来，杜邦公司研制了低敏感度的硝化甘油炸药、固态硝化甘 油炸药、凝胶炸药和油井特种炸药等。在1 9 世纪6 0 年代蛩j 2 0 世纪5 0 年代， 井内爆炸法被广泛应用，曾经带来增产效益。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 2 0 世纪4 0 5 0 年代【5 i ，水力压裂兴起，逐渐取代了古老的爆炸法。其 主要原因是井内爆炸造成的压缩应力波，使井筒周围岩石发生不可恢复 的塑性变形，爆炸初期形成的大量裂缝或因残余应力场( 称为应力笼， s t r e s s c a g e ) 的作用而重新闭合，或被爆炸残余物堵塞，有时反而使岩层 渗透率下降，只有在某些情况下才可能提高产量。另外，井内爆炸易损 毁井筒，硝化甘油类药剂过于敏感，这也是古老的爆炸法失败的原因。 中国在2 0 世纪7 0 年代多次试验井内爆炸法，未获成功由于人身及井身安 全等原因停止试验。要将井内爆炸法应用于油气田开采，就必须解决爆 炸增产效果不稳定和井简损害、施工安全等问题。 2 1 3 核爆采油 美国和前苏联在2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代进行过用核装置激励油气层的地 下试验啊，未获商业化应用；中国在2 0 世纪8 0 - 9 0 年代也曾进行核爆炸采 油的规划和现场试验设计，由于多方面原因未付诸实施。井筒核爆炸会 造成并沟通各种空洞，从而增加井简周围岩石渗透率。美国和前苏联的 试验结果显示用核爆炸来提高采收率是可行的。美国在1 9 6 7 年1 2 月施爆 的g a s b u g g y 项目的核装置n 盯当量为3 1 0 4 t ，产生的爆穴半径约2 7 m ， 由岩石崩落而形成的筒状通道( 本身就是导流能力极好的区域) 高约 1 0 0 m ，极大高温和极大高压以及极强大的压缩激波，使通道周围大范围 岩石产生复杂的裂缝网络。一般认为油层渗透率低于0 1 x 1 0 4 i x m 2 超低渗 透油田不再有商业价值，但g a s b u g g y 项目储集层地下渗透率小于 o 0 1 x 1 0 。p m 2 仍获得一定天然气流。所以，用核爆促产的优势使可开发 油气田的范围大大加宽。 2 1 4 高能气体压裂 高能气体压裂g l ( h i g he n e r g yf r a c t u r i n g ) 又称可控脉冲压裂( c o n t r o l l e d p u l s ef r a c t u r i n g ) ，是2 0 世纪6 0 7 0 年代在爆炸法压裂基础上发展起来的。 中国自2 0 世纪8 0 年代开始试验高能气体压裂，由于施工简单、所需经费 少和结果可控，已在国内一些油田得到应用，取得较好增产效果。高能 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 气体压裂在井筒内使用火药、推进剂或推进剂与炸药混合物，利用它们 爆燃产生的大量高温、高压气体在井筒周围产生多条成辐射状裂缝，其 造成裂缝机制的主要原因是高温、高压气体的楔入高能气体压裂的基 本概念是药剂爆燃而不是爆轰( 但总能量与药剂爆轰相当) ，可以控制 压力峰值和压力上升速度。是否能产生多条裂缝，与井筒内压力上升速 度直接相关高能气体压裂是脉冲加载，一般来说脆性岩石的效果比较好； 工艺关键是选择与储集层地质状况匹配的推进剂( 对有些储集层温度较 高的井，也许根本找不到适用的推进剂) ，既达到推进剂燃烧产生多条 裂缝的目的，又不造成其它不利影响。而且高能气体压裂一般用于近并 地带压裂，与其他的技术结合才能在低渗油田增产中发挥作用。 高能气体压裂是一种新型油井压裂工艺，原理是利用密闭在弹体内 的定向聚能炸药产生的强定向冲击波对井壁造成起裂裂缝。再由固体推 进剂推进燃料，燃烧产生的高能量气体向地层延伸和扩展裂缝达到压裂 增产的目的。 。 高能气体压裂存在的问题是：0 对高能气体压裂方法起裂裂缝和延 伸裂缝的机理尚不十分清楚，特别是在有套管的井中作业时，对一定药 量燃烧后套管是否变形以及变形有多大还没有一种定量的计算或测试方 法。能量损失较大，具体表现在弹体上下无封隔结构，使本来数量很 有限的高能气体不能有效的制造裂缝和延长裂缝，而是消耗在推动井内 液柱冲出井口的这个过程，点火后液柱冲出井口的高度与药量有直接关 系，药量越多喷出液柱越高，说明能量损失越大。弹壳装药有限，且 回收困难，造成清井时间长，一次施工相对成本高。 根据其特点和优缺点高能气体压裂可采纳的建议：应加快高能气 体压裂机理的研究，建立数学模型从理论上对高能气体压裂的动态过程 进行综合描述，为现场施工提供理论依据。在数理模型尚未建立前， 应从工艺结构改进出发，尽可能减少或消除对套管的损坏，同时提高作 业的增产效果。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 2 1 5 小结 目前常用的压裂方法主要有三种，即高能气体压裂、水力压裂和爆 炸压裂。这三种压裂方法无论是从工艺上还是从本质上都存在很大的不 同，它们施工过程中的压力随时间变化的曲线如图2 1 所示9 1 。 r 出 时间 图2 1 高能气体压裂、水力压裂和爆炸压裂施工压力曲线 水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要措施，是目前使用 最为普遍的一种压裂工艺技术，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中 高渗透油气藏的增产改造中也取得了较好的效果。水力压裂与高能气体 压裂、爆炸压裂相比安全性高，但压裂时仅有两条对称的裂缝，压裂过 程中需要支撑剂防止裂缝的闭合。水力压裂形成的主裂缝邻域的油气可 以通过岩石中原有微小孔隙流入主裂缝产出，离主裂缝较远的油气仍难 采出。 高能气体压裂是利用特定的火药或推进剂在目的层进行可控燃烧， 产生高温高压气体压裂地层，形成自井眼呈放射状的多条径向裂缝，穿 透在钻井、完井过程中形成的污染带，消除油气层堵塞物，有效地降低 表皮系数，达到增产的目的。但与水力压裂相比，不确定的影响因素更 多，优化设计和控制更复杂。 爆炸压裂与高能气体压裂虽然都是用高温高压气体作介质，但性质 和原理有本质的不同。爆炸压裂用的是炸药，由于爆炸冲击波的增压速 度极快，常常在井筒附近形成大量的短缝。但由于产生的气量比较少， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消耗在井壁岩石的破碎上，在 井底附近造成破碎带，并可能破坏井筒；爆炸的高压也可能超过岩石的 屈服应力，所以它会对井眼产生严重的伤害。此外，即使在压裂过程中 不加入支撑剂，压裂裂缝在高的闭合应力下仍保持张开。该方法存在的 问题是裂缝区域半径小，一般只有井筒半径的1 0 倍左右；另外，压力过 高，会造成永久性压实。 液态火药高能压裂技术1 8 】是独特的油气井增产新工艺，它既不同于爆 炸压裂，又区别于水力压裂。其基本原理是利用脉冲加载并控制压力的 上升速度，迅速释放的高温、高压气体在井筒附近压开多方位径向裂缝， 使储层中的天然裂缝能够与井筒连通，达到增产的目的。液态火药高能 压裂技术是利用高能量液态药剂在井底预处理井段迅速爆燃，产生压力 近i o o m p a 、温度为2 5 0 0 的高能气体，使井壁、地层产生多条径向裂缝， 其中长裂缝的长度为井径的5 0 1 5 0 倍。裂缝中的一条或几条可能和垂直 于最小主应力的地层天然裂缝相沟通，这就大大改善了油层渗流能力， 因而增产作用是明显的 2 2 压裂井产能研究现状 目前，研究压裂井产能的方法主要有四种：物理模拟法、数值模拟 法、统计分析法和保角变换法。 2 2 i 物理模拟法 物理模型是根据相似原理把实际油藏的原型按比例予以缩小，并使 原型中所发生的物理过程按照一定的相似关系在模型中再现。除了模型 的几何形态与所要模拟的油藏或区块相似以外，还必须从流体力学的理 论出发，根据相似原理，提出相似准数，实现流体力学相似通过短时 间的小型试验，迅速直观地观察到油藏中裂缝的渗流过程，测定裂缝参 数对油井产能的影响。 物理模拟方法能够保持和模拟原型的物理本质，特别是对那些物理 机理还不够清楚的问题，首先要靠物理模型来进行研究，才能正确地从 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 中抽象和提炼出反映其物理性质的数学关系，建立数学模型。同时该方 法能够对已建立的数学模型及求出的数值解来进行检验、改进和完善。 韩国庆等【1 0 】以水电相似原理为基础，针对对称式多分支井、任意夹 角的双分支井和鱼骨状井进行了一系列电模拟实验，利用相似系数将实 验结果转换为相对应的多分支井的实际产能；评价了对称分支井的产能 公式，重点研究了分支角度对分支井产能的影响，发现在分支长度都相 等的情况下对称分支井在分支数超过4 个( 分支角度小于4 5 0 ) 后，产量 增加幅度明显变缓；对于双分支并和四分支的鱼骨状井而言，也存在同 样的规律。实验结果对优化分支井的结构和建立分支井的半解析产能模 型提供了依据。 由于天然裂缝网络的复杂性，难以在复杂网络上进行流体流动的数 值计算和开发井网的优化设计。周德华等i l l 】以相似理论为基础，对裂缝 网络和水平井一直井井网进行了一系列的电模拟实验，研究了裂缝网络 与水平井井网的关系，重点考虑了裂缝网络的不同性质即离散与连通性、 密度、方位等的影响因素，对优化水平井设计和压裂提供了有益的参数。 2 2 2 数值模拟法 数值模拟法是通过场的相互关系建立微分方程，根据边界条件和初 始条件建立求解技术，开发软件研究物理量与裂缝参数的关系 由于实际油田的渗流问题十分复杂，如考虑各种非均质因素的多维、 多井等问题，要用物理模型进行完全严格的模拟是不可能的，而且物理 模拟往往要花费大量的人力、物力，试验周期比较长，测量技术方面存 在不少困难。所以，现在很少用大型的物理模型来模拟复杂的地质条件。 而数学模拟恰恰在这方面有很多长处，它代价低，速度快，对于地质条 件十分复杂的渗流问题，也可以在短时间内进行多种方案的运算和对比。 地下渗流的数学模型自1 9 世纪后期就已开始应用。数学模型是由一 组控制地下渗流流动的微分方程组成。地下渗流的模型预言的可靠性依 赖于模型对真实流动情况的近似程度。近年来随着计算机的飞速发展油 藏数值模拟技术有了惊人的发展，数值模拟软件已经模块化和集成化， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 形成多功能软件系列。 作者杨能宇等t 1 2 】针对低渗透油田五点法注水开发井网，采用数值模 拟方法，研究了整体压裂改造中水力裂缝方位及参数对采收率的影响。 研究中，采用了一种新的建立数学模型的方法，即把油藏和裂缝按一个 流动系统处理，从而只用一套偏微分方程就能概括地描述油藏和裂缝系 统。作者认为压裂人工裂缝在地层中的作用，就相当于均质地层中夹带 着的一条高渗透条带。因此，建立数学模型时把它们按一个系统处理， 并提出下列的基本假设： 油层均质、水平等厚和各向同性； 两翼对称垂直裂缝，裂缝和井眼完全穿透油层； 多井压裂时裂缝几何相似，各对应参数相同并不随时间变化； 裂缝与地层为同一系统，流体在其中的流动特性相同： 岩石和流体均微可压缩，压缩系数不变。 在上述假设条件下，建立油藏一裂缝系统中油水两相两维渗流的数 学模型。求解中把裂缝看作是地层中的一个高渗透条带进行网格划分， 对数学模型按块中心五点格式建立i m p e s 方法求解的差分方程，对裂缝 网格按等效渗流阻力原理进行数学处理。处理后，实际计算中就能消除 对地层网格划分和时间步长的限制，而把这种带裂缝原本比较复杂的问 题，变成解相当于常规的两维两相渗流的问题，却并不额外增加多少工 作量。 研究认为，在低渗透油田注水开发整体改造中，裂缝方位对增产效 果及采收率的影响最大，各种情况都存在一个最佳缝长比。当裂缝长度 为最佳缝长比时，既能提高油井的产能又不会降低或基本不影响注水开 发的采收率，而且裂缝导流能力越高，对提高采油速度越有利，对最终 采收率基本不产生不利影响。 郭大立等【l 习认为地层流体的流动过程，由地层内的微可压缩流体向 垂直裂缝渗流的平面流动和裂缝内的微可压缩流体向井筒渗流的线性流 动所构成。对于上述流动过程，假设为水平、均质油藏，压裂后形成以 井轴对称的双翼垂直裂缝，裂缝高度等于油层厚度，不考虑毛细管力和 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 重力作用、裂缝宽度远小于裂缝单翼长度，得到渗流数学模型。以变步 长网格，对地层系统渗流数学模型采用交替方向隐式格式，对裂缝系统 渗流数学模型采用预测一校正格式，进行迭代求解。由于地层和裂缝关 于井轴对称，且裂缝缝口和裂缝壁面附近的压力变化较大，因此以地层 的四分之一为研究单元，采用变步长网格，在裂缝缝口和裂缝壁面附近 加密网格。 蒋廷学等【1 4 l 针对以往动态预测研究在任意方位裂缝井的产能预测、 裂缝三维支撑形态的模拟、启动压力的影响、裂缝内相对渗透率曲线的 影响、不规则油藏边界的刻画、非水平非等厚油藏模型的精确模型计算 以及非恒定裂缝导流能力的影响等方面存在一些不足，利用等参有限元 方法加以研究和改进，建立了统一的油藏一裂缝系统渗流模型。在空间 上用有限元法进行离散，在时间上用稳定性好的向后差分格式进行离散 用i m p i s 方法和预处理共扼梯度法求解离散后的压力方程和含水饱和度 方程。在此基础上，用v i s u a lb a s i cf o rw i n d o w s 编程语言进行了数值计算， 并与“黑油模型”进行了对比验证。实例研究结果表明，文中的研究方 法可行，计算结果稳定可靠，可用于指导实际工作 根据气井压后流体渗流流动规律的变化 5 - r r l ，利用气藏的渗流理论， 推导出气井压后稳态产能公式；并利用油藏数值模拟的方法，系统地分 析了压裂缝长、导流能力、有效渗透率、有效厚度等对塔巴庙区块压裂 初期产量大小和压后产量变化的影响，得到塔巴庙区块低渗气藏压裂井 筛选原则和压裂设计参数。研究中简化了渗流条件，认为气井在未压裂 时，气体在井点的流动为径向流；当气井压裂后，一部分气体的流动为 径向流，另一部分气体的流动变为线性流( 图2 2 ) 。 ，。i 一t 、 ( 斗杀) 上一- 【一， 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 为了研究问题的方便，假设：压裂的裂缝为垂直裂缝，且对称分 布在气井的两边；裂缝剖面为矩形，高度等于油层厚度；气藏及裂 缝内为单相流动，且气体的流动都符合达西线性定律；稳态渗流，且 不考虑地层的垂向流动和地层的污染。 在压裂裂缝两端气体的渗流遵循径向流的规律： 艮= 警龋 ( 2 1 ) 而在裂缝两端的产气还需要在压裂裂缝中流动到井底，它的流动遵 循线性流规律，由于井筒半径与压裂缝长相比很小，即等一* - 。t ，则 可以得到：如= 警掣 亿2 ， 由式c 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 整理得： 既= 剃 ( 2 3 ) 其中：彳= 2 t 。z = 式中，三，为压裂裂缝长度，m ；w ，为裂缝宽度，m ；k ，为裂缝渗透 率，p m 2 ；k 为储层有效渗透率，p i n 2 ；厅为气藏有效厚度，m ；t 为地 下气层温度，k ；r 为泄气半径，m ；0 为井筒半径，m ；n 为原始气藏 压力，m p a ；p 。为井底压力，a ；为气体粘度为，m p a - s ；z 为气 体误差系数：p 。为压裂裂缝两端的压力，m p a ；p 。：为压裂裂缝两边的 压力，m p a ，q ，为裂缝两端径向流的气井产量，m 3 ，d ；q 0 为裂缝两边 线性流的气井产量，m 3 d ；q 为气井的总产气量，m 3 d 。 在压裂裂缝两边气体的流动遵循线性流规律并且由于裂缝宽度与泄 气半径相比很小，即尺。一w ，2 “见，得到： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预狈9 现状 如= 爿掣 协4 ， 由于裂缝两边的气体，不断的往裂缝中渗流，然后通过裂缝，流到 井底，它流向井底的产气量为： q 。- - 2 a 掣 沼s ， 由式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 得到： 掣冱1 s ， 2 彭，w ，足 则总的流量公式为： q = q 。+ 色 ( 2 7 ) j o s h i l l 8 】用三维三相全组份对低渗透油田水力压裂垂直缝井的自然能 量衰竭式开采过程进行了预测，并与不压裂的自然能量衰竭式开采过程 进行了比较。采用不均匀网格划分x 方向平行于裂缝，y 方向垂直于裂缝， 在y 方向将裂缝划分为一个网格，x 方向划分为多个网格，y 方向网格划分 时，网格大小在裂缝附近选小些，离裂缝越远，网格尺寸变大 假设油藏为均质等厚各向同性的油藏，有效厚度为hm ，渗透率为 k 岬2 ；水力压裂后形成穿透地层厚度的两翼对称的矩形填砂裂缝，缝 高为以m ，缝宽为w ，m ，裂缝渗透率为巧岫1 2 ；液体在封闭地层中流动， 其粘度为p m p a 假定地层中的流动为双线性流动，即由地层向裂缝的 线性流，和由裂缝向井底的线性流。选择包含井的网格来研究其产能。 沿裂缝方向网格长度为a x l l l ，井底流压p 。m p a ，网格边界压力为 尼m p a ，网格平均压力为p m p a 。根据渗流力学理论，可推出井产量为 1 9 - 2 0 ： q = 8 巧k b p 吖_ ) ，岸缸 ( 2 - 8 ) 假定压裂前封闭弹性地层内流体向井内的流动近似为径向流，其产 量公式为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预测现状 q = 2 施0 一如) ii n t ，- 一i 1 ( 2 9 ) ， 二 式( 2 ，8 ) 与式( 2 9 ) 之比为增产倍数n ： 甩= 4 芷，w ，恤i t 一1 2 ) 万i ；：x ( 2 - l o ) 若以大于l ，则压后增产，若n 不大于1 ，则压后不增产，或称为无效。 结果表明，考察水力压裂垂直缝增产效果应从考察井的瞬时产量的 变化和考察动态生产过程两个方面进行，水力压裂垂直缝在前期提高了 井的产量，随着时间的推移其效果逐渐减弱至消失，这不仅是传统上认 为的裂缝闭合造成的结果，而且是因为改变了渗流场造成的。水力压裂 垂直缝提高了开采速度，但对采收率的影响微乎其微，文中利用物质平 衡方法对其进行了详细分析。 2 2 3 统计分析法 统计的方法是通过一系列压裂井的测试资料，建立裂缝参数与油井 产能的关系。 水力压裂效果，即水力压裂增产倍数受到很多因素的影响，如地质 条件、地应力、压裂前完井制度、压裂后的工作制度等等。在施工过程 中，人为因素也有不确定因素有些用经典的渗流方程建立的数学模型 不能很好地反映实际情况，所以对水力压裂井效果预测以及采取的工作 措施，一般是依据经验来确定，其成功率往往不高。且根据数理统计的 方法在数据高度离散的条件下，难以归纳为数理性的模型，不易用于压 裂决策。所以，基于现场大量数据资料的信息发现和规律分析，形成指 导生产实践的方法。如：依据灰色理论【2 1 2 2 1 ，将严重离散化的数据进行 灰色处理，建立了灰色模型作为水力压裂效果预测以指导水力压裂施工。 结果表明灰色模型对实际井生产参数拟合的精度高，精确反映了实际井 的灰色性质具有很强的非线性描述能力。为了增加客观的量化依据，借 用了该理论中有关灰色关联度的概念进行量化表征。显然，两因素间的 灰色关联度越大，则某一因素对另一因素的权重影响也越大换言之， 求出了因素间的灰色关联度，就等于求出了因素问的权重分配。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外压裂技术的发展及产能预羽0 现状 2 2 4 保角变换法 保角变换的方法是将复杂的渗流问题通过保角变换变为简单的渗流 问题，可以通过解析解直接求得产能公式。 应用保角变换方法研究压裂井产能，其原理及特点是：能将z 平面 上特别复杂的渗流问题转化为w 平面上一相对简单和易于求解的渗流问 题；可准确地描述井筒附近较为复杂的流动型态( 裂缝内流动和非裂 缝区域拟径向流动) 对压裂后产能的贡献，而且能对不同导流能力造成 的复杂流线型态统一转化，因而具有广泛的适应性；经过保角变换后 假设的缝端封闭边界条件更符合实际，因保角变换后，裂缝端部位于主 流线上。由保角变换原理可知，保角变换后产量不变，边界上的势不变， 变化的仅是线段的长短和流动形式。以此为基础，应用质量守衡定律和 达西运动方程，推导出了裂缝内原油流动所满足的压力二阶微分方程， 并进行了产量的求解。 在数值模拟结果分析的基础上，将压裂直井近似为一条垂直裂缝( 如 图2 3 ) 2 4 1 。采用拟三维的思想及保角变换方法，将三维空间分解为两个 两维平面问题求解。推导出垂直裂缝的产能公式，计算分析认为，满足 压裂直井产能估算的要求。 探南 生接 t l 。一；以。 b 一 “)z早珥(”w平嗣 图2 - 3 保角变换示意图 为了确定具有不同缝长和导流能力压裂井的产能公式，应用保角变 换原理，将求解具有垂直裂缝油井产量的问题，转化为一简单的单向渗 流问题【2 5 。2 6 1 。根据微元体流动分析，推导出裂缝内原油流动所满足的压 力二阶微分方程，所计算产量与一些经典的方法相比，吻合程度较好， 且简单易行。此模型还可用于现场压裂设计的快速评价分析 】6 巾国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力裂缝艨内爆燃油井产能计算模型 第3 章水力裂缝层内爆燃油井产能计箕模型 水力压裂作为油井增产、注水井增淀的有效措施在低渗透油田的开 采孛褥劐广泛赘应焉，铤在低渗透率溜气藏孛，廷舂在承力篷裂形成懿 主裂缝邻域的油气可以通过岩石中原有微小孔隙流入主裂缝而被产出， 远离主裂缝熬潼气仍鼹袋篷。承力裂缝瑟态瀑懋技零是穰瑶瑗裁承力嚣 裂技术将爆燃药压入水力裂缝中，通过爆燃药的作用，襁水力压裂主裂 缝蔻缘产垒叁支撵裂骤，达到漆劳避一步瑶产麓蠢熬。慕子这一基零设 想，利用油藏渗流理论和节点系统分析方法，建立了水力裂缝层内爆燃 潼并产簸诗算模壁及其求舞方法，并编露获终分辑了承宠裂缝耧瀑燃裂 缝参数对油井产能的影响，对该技术的实践具有指导作用。 3 。l 水力裂缝油并产能数攀模型 3 。l 。l 假设条件 ( 1 ) 圆形油藏等压边界中心一口井，油层镩厚，备向同性； ( 2 ) 酒势来垂裂时，漉钵农建层懿滚动必经惫滚；浊势压裂后，认 为压裂裂缝两端部外流体的流动为径向流，压裂裂缝两边地层流体和裂 缝孛渡体豹滚动隽擎自浚( 魏瑟3 1 ) ； 翻3 一l 油势压裂后的简化渗流模型 中冒石油大学( 华东) 硕士论义第3 章水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型 阁3 - 2 裂缝前端外平面径向流网格 霹格】 ( 3 ) 水力裂缝关于并筒对称，为双翼垂直裂缝，具有有限导流能力； ( 4 ) 裂缝测瑟失矩形，裹发等手涟藏厚发； ( 5 ) 不考虑裂缝随时间延长的失效性； ( 6 ) 洼承嚣楣漉魂均潢是达嚣定律； ( 7 ) 忽略嘏管力和麓力作用； ( 8 ) 洼、农糖发秘体积系数隽定氇。 3 1 2 裂缝前端外流体的径向流计算模型 假设裂缝前端部为小井眼，折算井h 髓半径为= 辜。在压裂裂缝前 万 鞴岁 流体豹渗流遵循径潮流秘瓣律，辩麓按角度秽进 亍玛訇弼格翔务， 出于对称性可取油藏区域的四分之一进行研究，设有个网格，则 a 口：9 _ 0 ，在每个单元体内可近似看作怒平面径向流，如图3 - 2 所示。 以i 第i 两格其渗流半径为毒= l ，2 , 3 嚣，) ： 。 i = 一ts i n ( f a 8 ) + 顾面面萨面2 吨2 ) ( 3 ，1 ) 式中，w ，为裂缝宽度，m ；t 为水力裂缝前端折算井眼半饺，i l l ； 三，为裂缝半长，m ；是隽洼著戆渣涟半径，i l l ；失第i 网揍款渗流拳 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章水力裂缝层内爆燃油井产能计算模型 径，n l 。 取坞个压差网格，压力间隔为卸，