（石油与天然气工程专业论文）低渗透油田压裂改造工艺技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 低渗透油田压裂改造工艺技术研究 石油与天然气工程 郭宏( 签名) 胥元刚( 签名) 黄远( 签名) 摘要 压裂改造是安塞油田主体工艺技术之一。多年的探索实践表明，重复压裂还存在增 产机理认识不清、选井选层标准模糊、配套工艺还不完善；油井堵塞机理与酸化解堵工 艺适应性还需进一步研究，中高含水和低压油井的增产技术还需研究试验等问题。突出 表现为：随着注水开发时间的延长，老井逐渐表现出低产低效、采油指数下降等趋势， 并且区块综合含水上升，产量递减率增大，裂缝主向油井与侧向油井开发矛盾突出，不利 于油田稳产。 结合安塞油田的地质特征，分析认为初期改造规模偏小，导流能力逐渐降低时限制 油井产能的重要因素。在对暂堵压裂机理研究的基础上，提出了对暂堵剂、转向剂、裂 缝长度、施工排量、加砂量和级数优化的原理和方法，并分别优选了杏河、王窑、候市、 坪桥区块压裂工艺参数。现场检测表明，暂堵压裂可以实现堵老缝压新缝的要求，统计 了3 9 7 口施工井的生产数据，有效井平均单井增油7 2 1 吨，平均天数6 6 9 天。 关键词：低渗透油田压裂解堵技术研究 论文类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho i lf r a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fl o w p e r m e a b i l i t yo i l f i e l d s p e c i a l i t y ：o i l & g a se n g i n e e r i n g n a m e ： i n s t r u c t o r ： g u o h o n g x uy u a n g a n g h u a n gy u a n a b s l 。量王a c l h y d r a u l i cf r a c t u r i n gi so n eo fm a i nt e c h n o l o g i e si na n s a io i l f i e l d f i e l de x p e r i e n c e i n d i c a t e st h a tr e - f r a c t u r i n gt e c h n o l o g yf a c e ss o m ec h a l l e n g e s t h es t i m u l a t i n gm e c h 砌s mi s n o tv e r yc l e a r t h ec h o i c ec r i t e r i ao fw e l l sa n dl a y e r sa r es t i l lo b s c u r e s u p p o r t i n gm e a s u r e s a r ea l s o i n c o m p l e t e t h e s ep r o b l e m sn e e df u r t h e rs t u d y i n g ，o l dw e l l sa r eg r a d u a l l v c h a r a c t e r i z e db yl o wp r o d u c t i o n ，l o wp r o d u c t i v i t y i n d e xa n dl o we f f i c i e n c yw i t ht h e c o n t i n u a t i o no fw a t e rf l o o d i n g r e g i o n a lc o m p r e h e n s i v ew a t e r - c u tr i s e da n dp r o d u c t i o nr a t e d e c r e a s e dr a p i d l y t h ep r i n c i p a lc o n t r a d i c t i o no fo i lw e l l sb e t w e e nm a i nf r a c t u r ed i r e c t i o na n d s i d ef r a c t u r ed i r e c t i o ni sg e t t i n gm o r es e r i o u s ，w h i c hi sh a r m f u l t ot h ef i e l ds t a b l ep r o d u c t i o n t h eg e o l o g i c a lf e a t u r e sa n dp r o d u c t i o np e r f o r m a n c e a n a l y s i si na n s a io i l f i e l ds h o wt h a t f r a c t u r i n gs c a l ei ss m a l li nt h ee a r l ys t a g e s t h em a i nf a c t o r sw l i c hr e s t r i c to i l w e i i s ， p r o d u c t i v i t ya r e t h ef r a c t u r ec o n d u c t i v i t yw h i c hg r a d u a l l yd e c l i n e s b a s e do nt h er e s e a r c ho f t e m p o r a r ) rp l u g g i n gf r a c t u r i n gm e c h a n i s m ，t h eo p t i m i z a t i o np r i n c i p l ea n dm e t h o d o l o g ya b o u t t e m p o r a r yp l u g g i n ga g e n t ，c r o s s l i n ka g e n t ，f r a c t u r el e n g t h ，p u m p i n gr a t e ，s a n dv o l u m ea n d p r o g r e s s i o n sa r ep r e s e n t e d t h ef r a c t u r i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r si nx i n h e ，w a n g y a o ，h o u s h i ， p i n g q i a ob l o c k sa r eo p t i m i z e dr e s p e c t i v e l y f i e l ds u r v e i l l a n c ei n d i c a t e st h a tt h et e m p o r a n ， p l u g g i n gf r a c t u r i n gt e c h n o l o g yc a l lb l o c ku po l df i s s u r e sa n dg e n e r a t en e wf i s s u r e s t h e p r o d u c t i o nd a t ao f3 9 7a p p l i c a t i o nw e l l ss h o wt h a ta c c u m u l a t i o nr a t ei n c r e a s e s7 2 1t o n sa n d t h ee f f e c t i v ep r o d u c t i o nd u r a t i o ni s6 6 9 d a y sp e rw e l l k e y w o r d s ：l o w p e r m e a b i l i t yo i i f i e l d f r a c t u r i n g t e c h n o l o g y r e s e a r c h t h e s i s ：a p p l i c a t i o ms t u d y 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：童2 幺日期：口，胗，洳 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：童壁亟 导师签名： 日期：0 o 。汐 日期： 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) 第一章绪论 第一章绪论 水力压裂技术目前已成为低渗一特低渗透油气田开发不可或缺的主体技术之一。自 1 9 4 7 年开始，经过6 0 多年的研究和应用，水力压裂技术也在不断发展和完善【i 5 】。例如， 2 0 世纪7 0 年代针对低渗特低渗气层的大型压裂技术，8 0 年代为满足大( 巨) 型压裂要 。求的裂缝三维延伸模拟技术，为解决压裂评估的压裂压力降落解释技术；9 0 年代针对降 低压裂液对储层伤害的清洁压裂液技术、提高整体开发效果的开发压裂技术等。因水力 裂缝导流能力不断降低而逐渐失去作用必须进行重复压裂。 早在5 0 年前，国内外就开展了重复压裂实践，但由于开展重复压裂技术的研究工作 比较滞后1 4 1 ，使重复压裂技术缺乏必要的、科学的、系统的理论指导，导致许多重复压 裂作业并没有取得预期的效果，施工成功率低、增产效果差、增产有效期短，部分井甚 至无效，浪费了大量的人力和物力，严重制约了低渗透油气田的高效开发。 上世纪8 0 年代中期，随着油气价格变化和现代水力压裂技术发展，国外又将重复压 裂作为一项重要的技术研究课题，从重复压裂评估、重复压裂造缝机理和造新缝的可能 性、重复压裂选井选层、重复压裂设计与施工等方面进行了理论研究和现场试验，使重 复压裂技术取得了一系列重大进展 6 q o 】，并为低渗透油气田提高单井产量和采收率提供 了新的思路和方法。 经过多年的探索实践，虽然重复压裂技术在安塞油田取得了较好的增产效果，但对重 复压裂增产机理认识还不是很清楚、选井选层标准也比较模糊、配套工艺技术还有待迸 一步完善。特别是随着注水开发时间的延长，老井逐渐表现出低产低效、采油指数下降 等趋势，区块综合含水上升，产量递减率增大，裂缝主向油井与侧向油井开发矛盾突出， 不利于油田稳产。因此，深入开展重复压裂技术的应用研究，完善其工艺技术体系，对 提高安塞油田开发的整体效益具有实际意义。 1 1 国内外现状 1 1 1 重复压裂技术现状 重复压裂是指对那些己经采取过一次或一次以上压裂措施的井层再实施压裂改造。 重复压裂技术是改造失效井和产量己处于经济生产线以下压裂井的有效措施。 2 0 世纪5 0 年代就开始了重复压裂作业，由于受当时技术与认识水平的限制，早期 重复压裂只是简单的增加施工规模，并没从机理方面进行深入的研究，而且开展的并不 多。 2 0 世纪8 0 年代中期后，通过理论研究和现场试验，逐步认识到：重复压裂的水 力裂缝方位可能与第一次形成的裂缝方位不同，即重复压裂可能产生新的水力裂缝； 重复压裂应重新优选压裂材料；对于致密油气藏，重复压裂设计的原则是增加裂缝长 度：对于高渗透性油气藏，则应提高裂缝的导流能力。 两安石油人学颂十学位论文 2 0 世纪9 0 年代，c h e v r o n 石油技术公司在美国l o s th i l l 油田进行试验，认识到重复 压裂形成的裂缝方位可能不同于初次压裂形成的裂缝方位；而且重复压裂裂缝转向的机 理也得到了进一步发展，人们逐渐认识到随着储层中液体的产出降低了储层的孔隙压力， 最终会改变储层的应力状态。由于储层压力衰减不均衡，在低渗透率储层中，纵向人工 裂缝形成的一个椭圆形衰减区，其纵向裂缝轴比垂向裂缝轴要长得多，因此，平行于人 工裂缝的水平总应力的下降就比垂直( 最小) 应力分量要大，这是应力重新定向的关键。 到2 0 世纪9 0 年代后期，因为认识到转向重复压裂会接触到储层的剩余油区或未衰 竭区而极大地提高产量和可采储量，这就更加激发了各国学者对转向重复压裂的研究。 因为重复压裂裂缝延伸方式依然取决于储层应力状态，不以人们的主观意志为转移而受 客观应力条件控制，因此最先发展起来的是重复压裂前储层就地应力场变化的预测技术 h 3 1 ，在这时期国外研制出可预测在多井( 包括油井和水井) 和变产量条件下就地应力 场的变化模型。研究结果表明，就地应力场的变化主要取决于距油水井的距离、整个油 气田投入开发的时间、注采井别、原始水平主应力差、渗透率的各向异性和产注量等。 进入2 l 世纪，转向重复压裂技术迸一步发展，有人提出了一种迫使裂缝转向的新技 术，即堵老裂缝压新裂缝重复压裂技术。经过一段时间的开采，油田的低渗透层已处于 高含水期，原有裂缝控制的原油产量已接近全部采出，裂缝成了水的主要通道，但某些 井在现有采出条件下，尚控制有一定的剩余可采储量，这时如果采取延伸原有裂缝的常 规重复压裂肯定不会有好的效果。最好的办法是将原有裂缝堵死，重新压裂，在与原有 裂缝呈一定角度方向上造新缝，这样既可堵水，又可增加采油量，即研究一种高强度的 裂缝堵剂封堵原有裂缝，当堵剂泵入井内后有选择性地进入并封堵原有裂缝，但不能渗 入地层孔隙而堵塞岩石孔隙，同时在井筒周围能够有效地封堵射孔孔眼：然后采用定向 射孔技术重新射孔以保证在不同于原有裂缝的方位重新定向射孔，以保证重复压裂时使 裂缝转向，也即形成新的裂缝，从而采出最小主应力方向或接近最小主应力方向泄油面 积的油气，实现控水增油。近年来国内大庆、胜利、玉门、长庆、大港、吉林等油田也 进行了大量的重复压裂作业，并从理论和实践上作了一定的探索，取得了一些经验与认 识。 重复压裂选井选层是重复压裂研究领域的一个重点和热点。1 9 9 6 年，美国气体研究 院( g r i ) 【1 4 “5 1 ，开始研究采用重复压裂技术挖掘天然气产量潜力的工作。在研究项目 中大量的工作一直集中于选井选层方法的研究。一般认为，这方面的技术进步会获得最 大的工业利益。g r i 在选井问题上的一个重要发现是8 5 1 5 法则，此法则说明气田8 5 的重复压裂潜力存在于占总井数1 5 的井中。因此，重复压裂成功的关键是找出潜能最 大的占总井数1 5 的重复压裂候选井。重复压裂方案的经济效益对恰当的选择候选井是 十分敏感的，在这方面任何失误，将会使效益很高的重复压裂方案变得毫无意义。不恰 当的选井选层方法可能是许多重复压裂方案达不到预期效果的原因。上述结论构成选井 选层方法的基础。并采用构成认定法来进行选井选层，这种方法将地质或油藏参数( 不 第章绪论 可控) 的影响与钻井、完井、增产措施参数( 可控) 分别开来，这样就可分别考虑油藏 与完井的影响。然后再去了解在可控因素中，哪些对产量影响最大，推论出最佳的实施 方案。对于那些采用措施不当的井，可能是潜在的重复压裂井，也可以看出油井低产原 因以及如何处理。然后使用遗传算法对油井的输人数据进行优化，将那些真实动态与优 化动态之间存在巨大差异的井视为重复压裂对象。国内对于重复压裂选井选层方面的研 究也比较多，一种常用的方法就是在重复压裂前地层评估的基础上，采用注采井动静态 资料对比法【1 6 】来选井选层。如长庆油田【1 7 l 和胜利桩7 4 南区【1 引进行重复压裂时就是采用 的这种方法选井选层的。另一种方法就是在重复压裂前储层评价的基础上，综合考虑多 种因素，采用模糊识别原理进行定量化的选井选层工作。中原油田【1 9 】和西南石油学院合 作开展了大量的研究和现场试验，利用模糊识别方法优选出重复压裂的井层，现场的实 践结果表明重复压裂的增产效果非常好，证明了选井选层的正确性和有效性。 重复压裂现场施工工艺水平也是重复压裂是否成功的一个重要因素。国内外在这方 面的研究也主要是从在延伸、张开老裂缝以及同层压新缝等方面进行研究，认为重复压 裂是在初次人工裂缝失败或失效后进行的压裂作业，裂缝、井身、地层、以及流体情况 都发生了变化，生产条件恶化了，重新改造的难度就更大更复杂，必须针对处理井段的 地质情况、岩石力学性质、初压裂缝的状态、初压工艺存在的问题制定相应的重复压裂 工艺措施。一般从下面几方面着手：( 1 ) 压裂措施改进。因工艺不当，有时难以使主力 油层得到有效改造。比如美国m e n d o t a 的g r a n i t ew a s hz o n e 气田【2 0 】，初次压裂采用限流 压裂法对全井段多层同时压裂，但由于许多因素使限流压裂难以控制，结果下部气层未 得到有效改造。对此，重复压裂时采用下膨胀封隔器坐封上部生产层段，压下部层位取 得了较好的效果。( 2 ) 重复压裂应重新优选压裂材料 1 6 - 2 2 j 。国外压裂液已形成系列，品 种达3 0 多种，常用的水基压裂液占9 0 ，泡沫压裂液占约l o ，油基压裂液使用很少。 压裂液正向无伤害化方向发展。目前国外支撑剂已形成了具有高、中、低强度的人造陶 粒、树脂包层砂和石英砂三大类，可满足不同目的的压裂要求。其中使用量石英砂为5 5 ， 中强度陶粒为2 5 ，高强度陶粒为5 ，树脂包层砂约1 5 。国内支撑剂主要以石英为 主，兼有人造陶粒，并开始研究树脂包层砂。国内宜兴生产的低密度中等强度支撑剂的 物料为铝矾土，可以满足中、低闭合压力压裂井增产的要求。成都厂生产的高强度支撑 剂物料中7 5 的化学成份基本上与美国的高强度支撑剂相近，适用于深井、超深井的压 裂要求。( 3 ) 压前预处理【z3 1 。要根据实际井层的情况处理，如隔离压裂层段、击穿射 孔孔眼( 孔限可能堵塞) 、补孔、防脱砂降滤剂选取等。( 4 ) 采用高砂比压裂技术【1 6 - 2 4 1 。 在许多情况下重压缝要顺着初压的老缝延伸，一般希望施工规模和砂比超过初压施工时 的水平。这样可使重复压裂裂缝比初次延伸更长，达到未动用区。( 5 ) 强制裂缝闭合压 裂技术的应用。强制裂缝闭合可减少压裂液对地层的伤害，防止生产过程中支撑剂回流 以及支撑剂沉淀到缝底使处理层段压后闭合，使压裂液在施丁结束后尽快返排，闭合裂 缝。( 6 ) 端部脱砂压裂技术。若是在中高渗透层中进行重复压裂，必须结合应用端部脱 西安石油人学颁f ：学位论文 砂技术来最终形成一条高导流能力的裂缝。 1 1 2 压裂改造配套技术及现状 ( 1 ) 压裂选井选层技术研究 对于压裂选井选层，国内外都做了一些研究。国内的研究主要集中在模糊数学压裂 选井选层和人工神经网络压裂选井选层。 杜卫平1 2 5 j 提出，重复压裂选井选层决策参数需要综合考虑地质特征、油气藏特性、 物性参数、测试和生产数据等多方面因素。由于选井选层决策参数本身之间关系的极其 复杂性，这种映射必然是高度非线性的。因此，用传统的数学方法求解这类问题极其困 难。神经网络方法是近几年计算机应用领域发展比较迅速的技术，能够在复杂的因素中 反映不同的输入参数如何影响输出参数。该方法在解决难以建模的复杂问题方面发挥着 其它方法不可替代的优势，极大克服常规方法基于均质理论、线性假设和统计经验给选 井选层决策结果带来的不适应性。同时，神经网络方法具有很强的抗干扰能力，不需要 建立方程和强的非线性映射等优点，决策模型的建立和应用具有较强的适应性和极强的 优越性，并运用该方法优选了压裂井，但是没有对压裂选井主要影响因素作更多的研究。 蒋廷学、肖芳淳、吴建发等【2 6 2 8 】研究了重复压裂选井选层的模糊识别方法，同时建 立了模糊物元评价模型，优选了压裂井层。提出了影响重复压裂的影响因素，如有效厚 度、有效渗透率、综合含水等，同时，首次压裂工艺的成败也是考虑的因素之一，利用 模糊识别方法优选了压裂井。将压裂的主要影响因素分为两类b j 越大越优型和越小越优 型。其中越大越优型的因素有：采出程度、产层厚度、可采储量、油层压力等，越小越 优型因素有：渗透率、有效孔隙度和表皮系数等。由于靠经验来确定优选压裂井层各影 响因素权重的方法，具有丰观性。他使用了系统工程层次分析法来确定权重，使权重的 确定具有科学可靠的结果。 刘洪1 2 9 j 应用模糊神经网络系统( f n n s ) ，充分考虑影响压裂效果的各种因素，建立 了同一区块或者构造上的因素指标与压裂效果的关系模型，并进而预测压裂候选井的压 裂效果，为压裂选井选层做出定量判断。影响压裂效果的参数指标特别多，归纳起来， 主要有4 个方面：地层静态参数；压裂井与水井的连通关系；油井生产动态参数；压裂 施工参数。在众多的影响因素中，有的参数对增油量敏感，有的参数对增油有效期敏感， 因此，必须充分考虑压裂选井选层中的多种参数影响，采用因子分析和相关性分析，分 别确定与两个指标的相关性，并结合现场专家经验，然后最终确定研究参数。同时，还 必须考虑井况的影响。在实际生产中，压裂井包括两种类型：一是老井压裂，改善油井 的出油状况，提高原油产量；另一种是对完钻后的新井进行压裂后投产。两类井的井况 不同，所提供的信息有差异，因此，必须分别加以处理，选耿适合各自井况的研究参数。 国外的研究主要集中在人工神经网络压裂选井选层上。r o b e r tf s h e l l e y f 3 0 】研究了人 工神经网络方法优选重复压裂候选井，他选择的影响因素有日前产量、原始和目前的油 4 第一章绪论 藏压力、井的位置、射孔信息和完井信息。将网络预测压后产量与目前产量之差最大的 井作为重复压裂对象。c h r i s t i a no b e r w i n k l e r t 3 l 】等研究了优选重复压裂井的人工神经网络 方法，他使用数据挖掘技术发现压裂效果影响因素与压裂效果之间的规律，从而找出最 主要的影响因素。用主要影响因素的数据记录来训练和测试神经网络，最后将网络预测 压后产量与目前产量之差最大的井作为优选出的压裂井。s r r e e v e s 3 2 j 等详细研究了优 选压裂井的统计学方法、典型曲线方法和人工智能方法。运用数值模拟技术对比了三种 方法优选压裂井的准确性和成功性，最后发现人工智能方法是最好的方法。文中也研究 了提高各种方法选井精度的技术，指出将人工智能与模糊逻辑算法相结合可以明显提高 人工智能选井的精度。s m o h a g h e g h 3 3 j 等人研究了将人工神经网络与遗传算法结合起来 优选压裂井的方法。文中将研制的软件分为三个模块：产能预测模块、优化增产措施模 块、经济评价并推荐施工井层和施工参数模块。运用遗传算法优化神经网络结构，取得 了很好的效果。但文中没有说明软件的使用情况。s h a h a bm o h a g h e g h t 3 4 】等人也研究了虚 拟智能系统优选压裂井的方法。文中的方法将模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法结合 起来。选井参数包括四个方面：一般信息如井的位置、深度等：油藏参数如孔隙度、含 油饱和度、渗透率等；增产参数如支撑剂用量和类型、压裂液用量和类型等；生产参数 如累积产量等。优选过程分为三个步骤：一是建立优选压裂井神经网络模型，并且训练 神经网络；二是用遗传算法搜索最优的增产措施；三是用模糊专家系统优选压裂井。 ( 2 ) 压裂解堵技术的研究 压裂技术1 9 4 7 年始于美国堪萨斯州，经过5 0 多年的发展，成为油气井增产、水井 增注的重要技术措施。如今，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很大的发展，带来了压裂技术的新突破，如重 复压裂技术、高渗透地层压裂技术、压裂充填防砂技术等，形成了现代水力压裂技术， 得到了更加广泛的应用p 5 1 。 从研究的对象和日标的不同，压裂设计分为单井压裂设计和整体压裂设计。随着压 裂技术的发展，单井的压裂已发展为整体压裂、开发压裂阶段。整体压裂优化设计技术 是一项系统工程，是2 0 世纪8 0 年代中、后期单井压裂工艺技术发展的必然结果。 压裂液体系 目前，国外压裂液已形成系列，品种达3 0 多种，常用的水基压裂液占9 0 ，泡沫 压裂液占约1 0 ，油基压裂液使用很少。压裂液正向无伤害化方向发展【j5 | 。压裂液作为 压裂改造的重要研究内容，其性能不仅直接影响水力压裂施工的成功率，而且对压后效 果会产生很大的影响。压裂液的选择要满足储层特征及压裂工艺要求，应在优化原则建 立的基础上，进行候选体系的筛选、稠化剂的优选及其他添加剂的选择，性能的综合评 价，性价比的分析及体系的优化。优化的压裂液体系应满足如下特点：与地层物质配伍 性好；与地层液体配伍性好；悬浮支撑剂的能力强；耐温耐剪切性能及流变性能好、稳 定；滤失低：低残渣、对储层伤害小；低摩阻；现场配置简单易行；货源广、性价比高 两安石油大。学硕f ：学位论文 3 6 1 。 支撑剂体系 目前国外支撑剂已形成了具有高、中、低强度的人造陶粒、树脂包层砂和石英砂三 大类，可满足不同目的的压裂要求。其中使用量石英砂为5 5 ，中强度陶粒为2 5 ，高 强度陶粒为5 ，树脂包层砂约1 5 。国内支撑剂主要以石英为主，兼有人造陶粒，并 开始研究树脂包层砂。国内宜兴生产的低密度中等强度支撑剂的物料为铝矾土，可以满 足中、低闭合压力压裂井增产的要求。成都厂生产的高强度支撑剂物料中7 5 的化学成 份基本上与美国的高强度支撑剂相近，适用于深井、超深井的压裂要求。近期支撑剂的 技术进展是：双涂层技术；部分固化支撑剂：吠喃树脂包层支撑剂：h t i p c p 支撑剂 系统：支撑剂返排控制技术；支撑剂的优化设计【3 7 】。 ( 3 ) 复合解堵技术 由于每种技术都有其针对性，油层堵塞又有其复杂性，传统技术的组合与改进，即 将两种或几种技术联合使用，成为目前解堵技术的发展趋势。采用物理振动与化学解堵 相结合的工艺可使解堵更充分、更彻底其工艺合理，具有投入少、效果好及施工方便的特 点，具有一定的先进性。 如蒸汽吞吐与解堵剂的联合，高压电脉冲、化学剂联合解堵，热化学与酸化及解堵 的联合，多脉冲高能气体压裂与强氧化剂的联合，多脉冲高能气体压裂与热化学解堵技 术的联合，二氧化碳增能与解堵的联合等都获得了实际应用。联合解堵法兼顾了各种技 术的优点，具有适用面广，作用效果强等优点。 当今社会提倡环保，近年来出现了一系列环保解堵措施，其优点是能够有效的解除 地层的堵塞，对人体和环境无污染，不会发生油层新污染，最重要在于其可能被重复利 用，例如阿波罗解堵剂、生物酶解堵方法p 引。 1 2 本文主要研究内容及思路 ( 1 ) 在弄清地质特征的基础上，从压裂规模、井网适应性等方面，分析了影响单井 产能的影响因素。 ( 2 ) 通过对暂堵压裂的研究，优化了压裂工艺参数及规模，并在现场实施。 ( 3 ) 应用模糊识别等技术，优选压裂井层，为提高压裂效果提供保障。 ( 4 ) 针对裂缝导流能力下降，研究压裂井的解堵_ t 艺措施和方法，并在现场应。 6 第二章影响单井产能提高的冈素分析 第二章影响单井产能提高的因素分析 2 1 主要地质特征 安塞油田属典型的低渗、低压、低产的“三低”油藏，油层物性差，非均质性强， 油井无自然产能。自1 9 9 0 年在王窑区全面投入注水开发后，现有王窑、王南、坪桥、侯 市、杏河、杏北、谭家营、招安、张渠等九个主力开发区块，随着注水见效程度进一步提 高，总体生产形势平稳，但部分老井表现出低液面、低流压、采液和采油指数下降，综 合含水上升，裂缝主向油井与侧向油井压力差异大等生产特征。 ( 1 ) 构造及岩矿特征 安塞油田处于陕北斜坡中东部，为一倾角仅半度左右的平缓西倾单斜。主力油层长 6 埋藏深度为9 6 5 1 5 0 0 m ，砂岩一般呈巨厚块状，岩性为硬砂质长石细砂岩。矿物成份 以长石为主，胶结物含量占l l 1 4 ，主要为薄膜型次生绿泥石，其次为方解石和浊沸 石。 ( 2 ) 储层孔渗特征 安塞油田储层以原生粒间孔为主，孔径小，喉道细微。主力油层长6 平均喉道半径 0 4 3 9 m ，分选系数2 - 3 ，大于0 8 l g m 的喉道连通的孔隙体积占2 2 ，小于0 1 9 m 的喉道 连通的孑l 隙体积占4 0 ；长2 层平均喉道半径0 6 3 9 1 t m ，大于1 o g m 的喉道连通的孔隙 体积占2 0 6 ，而小于0 2 9 m 的喉道连通的孔隙体积占6 0 6 。因此，安塞油田储层更 易被堵塞，堵塞后对油井产液和注水井的吸水能力影响很大。 表2 1 安塞油田油层物性参数表 长6 项目 长2 坪桥侯市王窑 杏河 油层有效厚度( m ) 1 1 9 72 1 4 01 5 6 0 1 2 0 02 0 8 0 有效孔隙度( )1 4 1 41 1 0 01 3 2 01 3 2 51 1 6 0 油层平均渗透率 1 5 5 40 9 62 5 62 2 9 2 9 0 ( 1 0 。3 n m 2 ) 原始含油饱和度( ) 5 0 7 45 5 o5 6 05 6 0 6 2 o 原始地层压力( m p a ) 4 98 3 19 6 09 1 31 0 o 地饱压左( m p a ) 3 9 63 6 6 3 3 72 9 43 2 l 油层温度( ) 3 3 o4 5 34 5 24 8 55 1 5 ( 3 ) 矿物敏感性 长6 储层的矿物敏感性主要表现为中强酸敏和弱水敏。酸敏矿物主要为绿泥石 ( 5 2 8 ) ，浊沸石( 2 5 6 ) 及方解石( 1 0 4 ) 等；长2 储层表现为弱酸敏和中等偏弱水敏。 采用1 5 的盐酸酸洗后，渗透率可提高1 7 5 4 5 5 ：测试水敏指数为0 1 9 - - - 0 3 7 。 ( 4 ) 地层天然裂缝特征 两安石油人学硕l ：学位论文 根根据地面露头、岩心观察和注水开发后大量资料证实，长6 油层天然微裂缝发育， 并且具有明显的方向性。王窑区块4 0 口井岩心观察，有2 91 2 1 有裂缝显示，占观察总井 数的7 2 5 。裂缝绝大多数为直立缝，倾角大于8 0 。岩心多出现一条直立缝，少数出 现2 - 3 条一组的平行直立缝或两条正交缝。 ( 5 ) 岩石力学参数、地应力大小 岩石力学参数 根据弹性力学原理，应用三轴应力试验装置，对1 0 2 块岩芯进行了力学参数测 定，测得岩石杨氏模量为1 0 8 2 1 - - 3 2 0 9 0 m p a ，波松比为0 1 1 9 一o 2 4 7 ，抗张强度为 4 4 5 6 4 5 m p a 。 地应力大小 利用凯塞效应、古地磁、差应变分析等方法，对安塞油田进行三维地应力的大小和 方位测试表明，安塞地区延长组油藏最小主应力存在于水平方向，各区块最小主应力梯 度非常接近，平均为0 o i7 0 m p a m 。 表2 2 安塞油田地应力测定结果表 三向应力值 凯塞效应法差应变法平均 区块层位 垂向垂向 水平最水平最 垂向 水平最大水平最水平最水平最 ( m p 大( m p a )小( m p a ) ( m p a ( m p a a ) ) ( m p a )小( m p a ) 人( m p a ) 小( m p a ) ) 坪桥长62 9 6 6 2 3 2 82 1 8 72 92 1 5 2 0 52 9 32 2 42 1 2 9 王窑长62 8 2 6 2 2 6 72 0 1 92 72 3 32 02 7 62 3 o2 0 0 8 侯市 长62 8 9 32 3 8 32 1 1 12 7 52 3 02 02 8 - 32 3 42 0 5 6 杏河 长63 2 7 62 3 8 l2 1 2 33 42 6 52 43 3 42 5 22 2 6 7 ( 6 ) 压裂裂缝特征 岩石力学的基础理论表明，人工裂缝形态受地应力场控制，裂缝方位总是垂直于最 小主应力方向。根据应力分析、井温测井、微地震测井分析，长6 油层水力压裂形成垂 直裂缝，高度一般限制在油层项、底界之间，多为8 - 2 6 m ，平均缝长1 2 2 1 m ，延伸方向 以n e 向为主，平均为n e 5 1 5 0 。 ( 7 ) 原油物性 安塞油田无论是长6 还是长2 油层，原油性质均较好，具有低比重、低粘度和低凝 固点的特点，但原油中胶质、沥青质和含蜡量相对较高，易在近井地带形成有机物堵塞。 地层水属封闭的原生水，高矿化度，含有大量的c a 2 + 和一定量的b a 2 + 、h c 0 3 。，由此也 具备了产生无机垢堵塞的条件。 2 2 影响因素分析 随着油田注水开发时间的延长和采出程度的提高，影响油田稳产、高产的开发矛盾 逐渐表现出来，丰要表现在：初期改造程度偏低、井网适应性差、人工导流能力下降、 8 第_ 章影响单井产能提高的冈素分析 近井地带的无机有机垢堵塞等几个方面，制约着油田开发效果和效益的提高。 ( 1 ) 初期改造程度低，影响油井注水见效 根据麦克垒尔与西克拉模型结论，对于低渗油层( k 0m a x + 0 诱导时产生新缝，这就是重复压裂时机。 物理模拟试验得出裂缝转向的：l ：艺条件是： 一定向射孔：射孔方位平行于最小水平主应力方向。 一交联胍胶压裂裂缝转向半径大于清水压裂裂缝转向半径。 一堵老缝、压新缝：原裂缝张开后，泵入足够强度的化学物理堵剂，井底压力升 高，在一定的水平两向应力条件下，产生二次破裂。 实现转向压裂的的技术关键，是目前地应力场力学分析和高强度裂缝暂堵剂开 发。0m i n + 0 诱导 0m a x + 0 诱导是裂缝转向的地层条件，而足够强度( 至少高于 地层破裂压力) 的暂堵剂是堵老缝压新缝的保证。 3 3 2 转向压裂机理 安塞油田长6 油藏多方向的微裂缝十分发育，油水井长时间生产后，原始地应力发 生变化，重复压裂时为降低差应力的大小影响，可以采用一种高强度的“堵剂”，有效控 制裂缝的延伸。随着后续携砂液的泵入，缝内压力不断升高，在很高的压力下，处于原 最小主应力方向即与原裂缝方向垂直的方向上地层将首先破裂，从而产生与原裂缝垂直 的新缝。 1 、裂缝延伸条件研究 以细长椭圆缝描述初次压裂人丁裂缝，利用弹性力学和断裂力学知识，分析在重复 压裂过程中出现新的岩石破坏的条件，进而研究新裂缝形成的可能性。 如图( 图3 5 ) 所示，假定地层中有一方位角为0 的垂直裂缝，壁面正应力： 万h 2 卜：r h l 图3 - 5 岩石破裂不惹图 仃：寻( 吒。+ 2 ) 一丢( 吒。一仃。2 ) c o s 2 0 裂缝延伸最小压力p f 则是式( 2 ) 中壁面正应力0 与抗张强度t o 和。 弓= ( 盯m + 盯 2 ) 一i 1 ( 仃 l 一盯 ：) c o s 2 0 + 丁。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 第三章重复乐裂技术研究与应用 oh 1 一储层最大水平主应力oh 2 一储层最小水平主应力 因此，要实现裂缝的转向，产生与原有裂缝方位不同的新裂缝或沟通微裂缝，就必 须提高裂缝内净压力值。 2 、缝内静压力计算 n o i t e 和s m i t h 研究认为要使天然裂缝张开的缝内静压力计算式为： 气，= b l 一2 ) 0 2 v )( 3 4 ) p 。t 水力压裂裂缝净压力；1 9 一岩石泊松比 各区块微裂缝开启压力计算值如下表： 表3 3 各区块微裂缝开启压力计算值 水j l ，最人主应 水平最小主应裂缝开启最小压 二次造缝实际 区块压力上升值 力( m p a )力( m p a )力计算值( m p a ) ( m p a ) 坪桥 2 2 4 2 1 2 91 92 2 0 侯市 2 3 o 2 0 0 84 9 4 l o 王窑 2 3 42 0 5 64 74 1 0 杏河 2 5 22 2 6 74 23 9 3 、裂缝转向分析 ( 1 ) 现场暂堵压力上升情况分析 从下表看出有4 6 8 的油井暂堵后压力上升，平均上升1 8 m p a 。 表3 4 近几年暂堵压裂油井前后压力统计表 暂堵前压力暂堵后压力 占压裂井比例 区块上升井数( 口) ( m p a )( m p a )( ) 王窑 1 31 2 41 4 34 2 侯市 2 91 1 51 3 75 8 杏河 2 3 1 3 6 1 5 24 l 坪桥 1 71 2 81 4 35 3 合诗 平 8 8 1 1 6 1 3 44 6 8 均 ( 2 ) 压裂曲线拟合分析 从侯2 9 1 5 实测净压力与拟合净压力拟合分析结果发现，加入缝内转向剂后，实测净 压力快速上升，并明显超过拟合净压力达6 m p a 以上，且只有加上多裂缝条件时，后续 拟合净压力才能与实测净压力较好的拟合在一起。分析认为净压力快速升高后产生并形 1 9 成了新的裂缝系统，且该井措施后保持，较好的增产效果 囤3 - 6 侯2 9 一l5 压裂施工曲线 i 广jl l ， w j j 囤37 侯2 915 压力拟台曲线 第三章重复压裂技术研究与应用 图3 8 侯2 9 1 5 压力拟合曲线 ( 3 ) 施工压力情况分析 王1 8 4 压裂施工过程采用井下电子压力计和温度计连续监测井下目的层段附近温 度和压力变化。破裂压力2 2 1 3 1 m p a 。第一次堵剂到地层，压力由2 1 5 2 3 m p a 上涨到 2 4 2 6 0 m p a ，上涨了2 7 3 7 m p a ，堵剂效果明显：第二次堵剂到地层，压力由2 3 2 9 8 m p a 上涨到2 4 3 3 8 m p a ，上涨了1 0 4 m p a ，堵剂效果明显。最后一段加砂到地层最高压力 2 6 8 4 7 m p a ，有明显脱砂显示。 d a t ac h a r t 2 0 0 5 - 0 7 - 2 5 1 2 ：3 0 ：0 02 叩5 0 7 2 5 1 2 ：4 5 ：叩2 0 0 5 - 0 7 - 2 6 1 3 0 0 0 02 0 0 5 0 7 2 6 1 3 ：1 5 ：0 02 0 0 5 - 0 7 - 2 6 13 = 3 0 ：0 0 +dateiime l g a u g e1p r e s s u r el g a u g e1t e m p e r a t u r el i i 图3 - 9 王1 8 4 井重复压裂过程中实测井底压力一温度曲线 差应变分析王窑区长6 储层最大水平主应力为2 2 4m p a ，水平最小主应力为 2 1 2 9 m p a ，计算得微裂缝开启最小压力为1 9 m p a ，从重复压裂过程中实测井底压力温 度曲线可以看出，加入缝内转向剂前，裂缝延伸压力略高于最小主应力，第一次加入转 向剂后缝内净压力明显上升了2 7 m p a ，并一直保持井底压力高于水平最大丰应力到第二 8ap)jn节j9 cl岳j- 两安石油人学硕十学位论文 次加入转向剂，分析认为有可能开启微裂缝并进行了一定长度的延伸，形成了不同于主 裂缝方位的次裂缝。第二次加入转向剂后井底压力先上升后下降然后缓慢上升，分析认 为有可能再次压开微裂缝。滤失量大增最后形成脱砂的情况。 典型压裂压力曲线是判断压裂过程中压裂裂缝延伸和发展的重要手段。主要表现为 以下几种类型： l g p l gt 专 图3 - 1 0 四种典型压裂压力曲线 i 型，正斜率很小，裂缝高度延伸受阻，主要沿缝长方向延伸： i i 型，斜率为零，注入量与滤失量平衡，主要在缝内进行支撑剂充填； i i i 型，斜率为l 时，缝端延伸受阻，缝内压力急剧上升，斜率大于l 时裂缝丰通道 发牛堵塞，有可能发生砂堵； 型，一种情况是缝高发生不稳定增长，另一种情况是沟通天然裂缝，滤失量大大 增加，此结果会导致裂缝内砂堵，压力很快上升。 3 4 暂堵压裂优化技术研究 3 4 1 暂堵剂与转向剂优选 颗粒材料桥堵原理认为，当架桥粒子粒径d 与孔隙平均孔径d 的1 3 - 2 3 匹配时，即： d 1 3 d 一2 3 d 。 地层孔喉处的桥堵最为稳定，如图3 1l 。 借用同相颗粒在地层孔喉架桥的屏蔽桥堵原理，当固相粒子的尺寸为裂缝宽度尺寸 的2 3 时，可稳定架桥于堵塞裂缝，当同相粒子尺寸为裂缝宽度的1 3 时，同相粒子可 深入裂缝内部堆积形成桥塞。两者结合，便能有效而牢固的桥堵住孑l 隙。 第三章重复压裂技术研究与应用 d 删。 3 l d 图3 1 1 架桥理论示意图 水力压裂裂缝动态变化，且其实际宽度不易确定， 径组合，更有利于裂缝桥堵。 2 a d 所以，裂缝转向剂粒径为不同粒 根据三维压裂软件长期模计算经验，压裂裂缝宽度一般在6 - 2 0 m m 左右，取其1 2 1 3 作为缝内转向剂的平均粒径，则缝内转向剂粒径应在3 7 m m 。 缝内转向剂的选择原则：以能在原裂缝内形成有效封堵、提高缝内净压力达到预定 值且不出现施工超压为总原则。 缝内转向剂粒径的选择应根据储层物性来确定。对长6 层，储层砂体或跨度大于2 0 m 以上时，以粒径为5 - 7 m m 缝内转向剂为主，储层砂体厚度或跨度小于l o m 时，以粒径 为3 - 5 m m 缝内转向剂为主。 缝内转向剂的加入时机：为减少压后注入水沿压裂裂缝水窜的机率，应对压裂后的 主、次裂缝长度进行有效控制。另外，实现缝内转向存在诸多不确定因素，有