（石油与天然气工程专业论文）靖安油田压裂改造工艺技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：靖安油田压裂工艺技术研究 专业：石油与天然气工程 硕士生：杨学峰( 签名) 捆星芭垒 指导教师：胥元刚( 签名) 选! 盘! 马区当 常彦荣( 签名) 津奔瓠二 摘要 靖安油田主力储层长6 油层具有低压、低孔、低渗、非均质性强等特点，因此在油 层改造方面必须选择合适的压裂改造工艺及相应的配套技术。本文主要从储层地质、压 裂选井选层、压裂配套工艺技术、缝内转向力学机理、压裂液体系、支撑剂体系筛选和 施工参数优化等七个方面对该油层压裂改造及相关配套技术进行了研究。 通过以上研究工作，得出了以下结论：运用灰色关联分析法、遗传算法进行选井 选层，现场应用得到了很好的效果；应力重定向的发生和应力各向同性点的距离与很 多因素有关，其中初始水平应力差是决定应力转向和和应力各向同性点位置的关键因 素；通过现场实验，优选出适合靖安油田的压裂工艺一缝内转向压裂技术；开发出 了可回收低分子环保型压裂液体系，经现场试验、推广应用，具有稳定性，现场易操作， 改造效果良好等优点，符合大面积推广应用条件；通过对多种支撑剂的对比，筛选出 了适合于该地区支撑剂；优选了一种用于转向压裂的老裂缝堵剂，经现场试验各项性 能指标均完全满足低渗透油田缝内转向压裂的需要；现场实验证明了转向重复压裂的 可行性和可靠性，为靖安油田的压裂开辟了新的方向。 关键词：靖安油田压裂选井选层支撑剂施工参数 论文类型：应用研究 英文摘要 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 ： j i n g a no i l f i e l df r a c t u r i n gt e c h n o l 0 9 3 , r e s e a r c h o i l & g a se n g i n e e r i n g y a n gx u e f e n g ( s i g n a t u r e ) x uy u a n g a n g ( s i g n a t u r e c h a n gy a n r o n g ( s i g n a t u r e a b s t r a c t j i n g a no i l f i e l dm a i no i lr e s e r v o i r6w i t hal o w p r e s s u r el o n g ，l o wp o r o s i t ya n dl o w p e r m e a b i l i t y ，h e t e r o g e n e i t y ，a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so f t h es t r o n g ，s oi nt h et r a n s f o r m a t i o no f o i lm u s tc h o o s eas u i t a b l ef r a c t u r i n gp r o c e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a ls u p p o r t t h i s a r t i c l ef r o mt h er e s e r v o i r ，w e l l sf r a c t u r i n ge l e c t i o n e l e c t i o n ，f r a c t u r i n gm a t c h i n gt e c h n o l o g y ， t oc r a c ki nt h em e c h a n i c a lm e c h a n i s mo ff r a c t u r i n gf l u i ds y s t e m ，s u p p o r ts y s t e m ，s c r e e n i n g a g e n t sa n dc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r ss u c ha st h eo p t i m i z a t i o no ft h es e v e na s p e c t so ft h e r e s e r v o i rf r a c t u r i n ga n dr e l a t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h ea b o v es t u d yr e a c h e dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h eu s eo fg r a yc o r r e l a t i o n a n a l y s i s ，g e n e t i ca l g o r i t h ms e l e c t e dw e l l e l e c t i o n ，o n s i t ea p p l i c a t i o nh a sb e e nv e r yg o o d r e s u l t s ；r e d i r e c tt h eo c c u r r e n c eo fs t r e s sa n dt h es t r e s si s o t r o p i cp o i n td i s t a n c ea n dm a n y f a c t o r s ，i n c l u d i n gt h ei n i t i a ll e v e lo fs t r e s sd i f f e r e n c ei st h ed e c i s i o nt os t r e s sa n dt h es t r e s s i s o t r o p i ca n dt h el o c a t i o no ft h ek e yf a c t o r s ；t h r o u g ho n - s i t ee x p e r i m e n t s ，o p t i m i z e df o r t h ej i n g a no i lf i e l df r a c t u r i n gp r o c e s s - t oc r a c ki nf r a c t u r i n gt e c h n o l o g y ；( dd e v e l o p e d e n v i r o n m e n t f r i e n d l yl o w - m o l e c u l a r - w e i g h tr e c y c l a b l ef r a c t u r i n g f l u i ds y s t e m s ，o n s i t e t e s t i n g ，a p p l i c a t i o n ，s t a b l e ，e a s y - t o u s es i t e ，s u c ha st h em e r i t so fr e f o r mt ob ee f f e c t i v e ，w i t h t h el a r g e s c a l ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s ；s u p p o r tt h r o u g hav a r i e t yo f a g e n t sc o n t r a s t ，s e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t es u p p o r ta g e n ti nt h er e g i o n ；p r e f e r r e dt ou s ea f r a c t u r i n go ft h eo l dc r a c k sb l o c k i n ga g e n t ，o n - s i t et e s to ft h ep e r f o r m a n c et a r g e t sa r ef u l l y s a t i s f i e dw i t hl o wp e r m e a b i l i t yo i lf i e l dj o i n t st ot h en e e d so ff r a c t u r i n g ；o n - s i t et or e p e a t t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ef r a c t u r e ，f r a c t u r i n gt h ej i n g a n o i l f i e l dh a so p e n e du pan e wd i r e c t i o n k e yw o r d s ：j i n g a n o i l f i e l d f r a c t u r i n g w e l l - e l e c t i o ne l e c t i o n a g e n ts u p p o r t c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s 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： 缝盏单 日期：。只红上 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：9 歹，垆汐 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 1 1 研究目的和意义 随着我国陆上勘探程度的加深和难度的增加，低渗透油气田储量在总探明储量中所 占的比重越来越大，约占油气资源总量的5 0 以上，能否有效的对低渗透油气资源进行 工业性开发利用，是我国2 l 世纪能源接替的重要问题。在开发特低渗透率油气层中使 用压裂工艺，使本来没有工业价值的油气田具有了相当工业储量及相当生产规模，从这 个意义上来说，压裂在油气资源的勘探开发上也起着巨大的作用。因此，发展完善低渗 透油气田高效开发技术，不仅是摆在石油工作者面前的重要课题，也是未来我国石油工 业发展战略的需要【1 3 】。 人工压裂是一项重要的增产措施，是进行低渗透油藏改造的必要手段。近年来，随 着低渗油藏的不断开发，人工压裂这一增产措施己得到了广泛的应用。 五十年代压裂技术多作为单独一口井的增产增注来使用。近若干年来由于它在一定 条件，能起到调整油气层开采，提高注水效果，加快油气田开发速度的作用，所以它在 油气田的开发和开采中的意义，己远远超过一口井增产增注的作用而成为油气田开发的 有力手段【4 i 。 在压裂能在井筒周围的地层中产生导流能力裂缝，并达到油藏远处。通过在井筒中 施加一个超过地层破裂压力的压力来产生裂缝，这个压力是地面泵施加的，地面泵以超 过把流体注入岩石基质的正常速度来注入流体。当地层不能再接受以高速度注入的流体 时，则在地层中形成新的流动通道。这些新的流动通道就是裂缝。只要进行注入，则裂 缝就起裂、传播并且保持开启。当停止注入时，裂缝再次闭合【5 。引。 使用以下两种方法来保持停止注入后的裂缝是开启的、有导流性的： ( 1 ) 裂缝支撑：在地面，把支撑材料与具有携带和分布支撑剂的粘性流体相混合 来作为砂浆，使支撑物质沉积在裂缝中以保持裂缝张开，称这种方法为水力压裂。 ( 2 ) 沿着裂缝壁进行酸侵蚀：在惰性前置液产生裂缝后，把酸注入到裂缝中，酸 侵蚀破碎裂缝壁从而形成不规则的表面：在停止注入和上覆岩层压力导致闭合后，这些 不规则的表面保持了裂缝局部张开和导流，称这种方法为酸化压裂。该方法只适合于碳 酸盐岩油藏。在砂岩地层中，用酸蚀破碎裂缝壁的方法是不能提供高导流能力裂缝的。 压裂在油气田勘探、开发中成为有效的技术措施，是因为它从以下几方面提高了低 渗透油气层的生产能力： ( 1 ) 沟通油气储集区； ( 2 ) 改变流型，在近井地带将地层流体由压裂前的径向流改为压裂后的单向流， 节省了大量能量； ( 3 ) 克服了井底附近地层污染； 两安石油人学硕f j 学位论文 ( 4 ) 解除了井底附近的堵塞。 国内外压裂实践证明，开采低渗透油层离不开压裂，并且应用压裂j 二艺取得了显著 效果。自从1 9 1 7 年7 月世界上第一口压裂井在美国堪萨斯州人县h u g o t o n 气田k e i p p e r l 井成功压裂以来，5 0 年间已有近1 5 0 万井次的压裂作业。5 0 多年来，水力压裂技术己 由简单的低液量、低排量压裂增产发展成为一项高度工程的、成熟的开采t 艺技术。虽 然压裂己在开采低渗透油气层中取得了很好的效果，若是不科学合理地应用此项技术， 压裂后不增产的例子也是很多的。通过压裂获得油气田的有效开发，需要做很多理论与 技术方面的研究、工作和实践经验方面的总结 9 a o 。 长庆油田采油三厂靖安油田属典型的低渗透油藏，在开采初期，为了获得较好的产 能，大多进行了水力压裂，随着注水开发，人工裂缝和天然裂缝沟通能力进一步增强， 导致油井含水率上升，再用常规重复压裂和酸化改造工艺后效果就不佳，而裂缝周围未 能沟通的基质中，仍具有较高的含油饱和度。为此，需开展压裂改造工艺技术实验，以 求最大程度地动用常规水力压裂控制不到和天然裂缝发育不好的油层，提高储层的整体 采出程度。 因此，在该区块开展压裂改造技术理论的研究，尤其是加强重复压裂新裂缝缝内转 向机理、重复压裂选井选层原则、重复压裂设计与施工参数优化等理论研究及现场实验 分析，对于进一步提高靖安油田长6 油层的开发水平，具有重要的现实意义和长远意义。 1 2 国内外压裂工艺技术研究发展概况 水力压裂技术从1 9 4 7 年开始迄今已有5 0 多年的发展历史，在世界范围内广泛应用。 五、六十年代，作为增产、增注措施，压裂改造是提高单井增产增注效果的有效措施； 七十年代，根据低渗透油田勘探开发的需要，压裂成为油气藏改造的重要手段，使本来 没有工业开采价值的低渗透油气藏具有相当工业储量和开发规模。八十年代，是水力压 裂发展史上极为重要的阶段。由于压裂优化设计、裂缝诊断及压裂材料的发展，极大地 促进了各项压裂工艺技术的发展。水力压裂不再仅仅作为单井增产、增注的措施，而是 与油藏工程紧密结合起来，用于调整层间矛盾( 调整产液剖面) 、改善驱油效率，成为 提高动用储量、原油采收和油田开发效益的有力技术措施。进入九十年代以后，水力压 裂逐渐成为决定低渗透油田开发方案的主导因素。在研究分析不同井网、布井密度及裂 缝匹配对各项开发指标的影响，以提高油田整体开发效果和经济效益为目标，确定布井 方案和施工规模，使低渗透油田的高效开发成为可能【t h 3 。 我国在五十年代起己开始进行水力压裂技术的研究，迄今为止己取得了很好的技术 成就与较高的经济效益。随着油田的开发进程，针对不同时期不同对象及其对于改造技 术的不同要求，压裂工艺经历了一个不断发展完善的过程。目前形成了以限流法压裂完 井技术为代表的一系列压裂工艺技术。 8 0 年代，油田进入高含水开采，主力油层水淹状况严重，表外低渗透薄油层的开 第一章绪论 发及厚油层低含水部位成为油田稳产挖潜的重要方向。这期间以限流法压裂完井技术为 代表，包括薄夹层平衡限流压裂完井技术，成功地解决了低渗透薄砂岩的压裂挖潜问题， 使得这类地质储层得以开发。与限流法同期研究成功的投球法压裂技术对常规孔密射孔 投产的老井中薄差层和厚油层内部低含水部位得到相应的挖潜改造，以及到9 0 年代研 究的定位平衡压裂技术，都是针对老井薄差层及高含水临近的薄差层得到压裂挖潜。随 着油田勘探开发的需要，研究成功了端部加砂压裂、转向压裂等多项压裂- i 艺技术 1 4 , 1 5 l 。 1 3 本文的研究内容与方法 以往压裂工艺没有对压裂方式的选择性，压裂液、支撑剂的适应性进行优选，从压 裂技术的发展来看，这种设计方式已不能满足科学压裂的需要。具体表现在不同区块不 同井的油层厚度和油层深度的改变，而设计施工不变。还表现出压裂规模小，砂比低， 顶替液过量，施工排量设计不合理等问题。本文针对以往压裂施工过程中的不足，对压 裂工艺技术进行了深入细致的研究。 研究内容包括：储层地质情况评估：对当前开采区块的地质及生产情况进行阐述； 压裂选井选层：利用灰色关联分析法与遗传算法一神经网络选井进行选井选层；压 裂工艺优选：通过对端部脱砂压裂、多级加砂压裂、缝内转向压裂在靖安油田的应用对 比，鉴于该区块已逐步进入开发后期，含水逐步上升，为防治措施沟通底水，最终确定 该区块最优压裂方式；缝内转向造缝机理：分析了缝内转向压裂前应力场分布特征及 缝内转向造新缝力学机理；压裂液与支撑剂优选：通过压裂液性能试验、不同支撑剂 对比综合经济、环保等因素优选压裂液与支撑剂；施- t 参数优选：通过确定合理的施 工压裂规模、施工排量及注入方式等使施工效果达到最优化。 1 4 主要研究成果和创新点 本文紧跟国内外在压裂效果影响因素分析及压裂选井方面的最新研究成果，就靖安 油田在压裂工艺优化方面提出了一些新的理论和方法。 ( 1 ) 比较系统地研究了影响优选压裂井的主要因素，将遗传算法与人工神经网络 理论相结合，建立了压裂选井评层方法。提高了压裂决策模型的精度与适应性，在现场 应用收到了良好的应用效果，证明了该方法的可靠性，对压裂选井选层有重要指导意义。 ( 2 ) 运用灰色关联分析很好地解决了选井选层中多因素影响的这一高度非线性的 问题。确定权重时采用系统工程层次分析原理，考虑了影响选井因素的复杂性和不均衡 性，确定的各因素的权重更加符合实际情况。该方法计算结果正确，符合现场施工实际； 计算简单、方便，具有一定的现场实用价值。 ( 3 ) 针对日前被靖安油田广泛使用的h p g f 水基冻胶压裂液存在快速返排、易对 地层造成持久的伤害、返排液不能再利用的不足之处，通过室内实验研究，在低分子稠 化剂的开发、低分子的交联技术、聚合物网络结构破坏与恢复技术以及返排液的回收再 两安石油人学颂士学位论文 利用技术等方面取得了突破，开发出了可回收低分子环保型压裂液体系。 ( 4 ) 通过对文献调研中成功实施暂堵压裂用暂堵剂性能指标的研究以及对颗粒类 暂堵剂封堵机理认识，对各种暂堵剂性能评价进行评价，综合暂堵剂的性能，确定d j u n 型暂堵剂的性能，达到了缝内转向压裂所需暂堵剂性能的要求，最终确定适合三叠系缝 内转向压裂技术需要的暂堵剂d j u n 。 4 第_ 章储层地质情况简介 第二章储层地质情况简介 2 1 鄂尔多斯盆地质概况 鄂尔多斯盆地是一个中、新生代盆地叠加在古生代盆地之上的复合盆地。古生代至 中生代早期，鄂尔多斯盆地属大华北盆地的一部分，地形上呈南北有边，西隆东倾的巨 型箕状盆地。在加里东运动早期，鄂尔多斯地块上升，遭受侵蚀，普遍缺失晚奥陶世至 早石炭世地层。海西期间，鄂尔多斯地块有下降，进入海一陆过渡阶段。海西末期，海 水退出，二叠纪以后进入陆相沉积。 三叠纪的鄂尔多斯盆地属于华北内陆盆地重要的部分。盆地发育初期基本继承了晚 古生代二叠纪末期北高南低的构造面貌，盆内沉积了一套以湖泊、沼泽相为主的红色、 杂色砂页岩、泥质岩建造。中三叠纪末发生的早印支运动，导致本区断裂活化，差异运 动明显，从而形成具有东高西低、北高南低并向南倾斜幅度较大，即受同生断裂控制， 又受古隆起边缘控制的大型晚三叠世断一坳陷型内陆盆地。晚三叠世末的晚印支运动， 使本区不均匀抬升，地层遭受大面积剥蚀，并造成上三叠纪地层发生了明显的构造变形 与断裂反转作用，以及与上覆地层的角度不整合。特别是在其顶面形成的沟谷纵横、阶 地层叠、残丘起伏、坡凹蔓延的古地貌景观也是三叠纪地质构造演化史上最为醒日的构 造一地貌现象。受印支运动影响使得华北盆地解体，鄂尔多斯盆地与整个华北地台分开， 形成了一个独立的东北高，西南低的内陆湖盆。在晚三叠世延长期接受了一套4 0 0 - - 1 5 0 0 m 的陆相沉积，为一套以湖成三角洲沉积为主的深灰色泥岩，油页岩与浅灰、灰绿、 褐灰色细砂岩，粉砂岩的互层，有机质丰富，是盆地中生界重要的生油层，且蕴藏着丰 富的石油资源【1 6 - 1 8 1 。 外观上，鄂尔多斯盆地呈一个矩形构造盆地，跨越陕、甘、宁、蒙、晋五省区，面 积约3 2 x1 0 4 k m 2 。按其现今构造形态，鄂尔多斯盆地可划分为6 个一级构造单元：由西 向东依次为西缘逆冲带，天环坳陷，伊陕斜坡，晋西挠褶带；北部有伊盟隆起及南缘的 渭北隆起( 见图2 1 ) 。 两安石油人学硕f ：学何论文 图2 l 鄂尔多斯盆地构造图 2 2 鄂尔多斯盆地地层划分 鄂尔多斯盆地中生界上三叠统延长组是一套以大型内陆盆地为背景、以湖成三角洲 为主的陆源碎屑沉积，底部与中三叠统纸坊组呈假整合接触，顶部受到不同程度的剥蚀， 与侏罗系延安组或富县组呈假整合接触。厚度一般为4 0 0 - - - 1 4 0 0m 左右，总体上呈现南 厚北薄的特点。北部沉积物较粗，厚度多为1 0 0 - 6 0 0 m 左右，南部沉积物较细，厚度 一般为1 0 0 0 - - - - 1 4 0 0 m 左右，但至盆地南部边界附近，又由于剥蚀而减薄。 据岩性，电性和古生物特征，鄂尔多斯盆地中生界上三叠统延长组可划分为5 个岩 性段，1 0 个油层组( 见表2 1 ) 。自下而上分别为：第一段( t 3 y 1 ) ，含第1 0 油层组( 简 称长1 0 ) ；第二段( t 3 y 2 ) ，含第9 、8 、7 三个油层组( 分别简称长9 、长8 、长7 ) ；第 三段( t 3 y 3 ) ，含第6 、5 、4 三个油层组( 分别简称长6 、长5 、长4 ) ；第四段( t 3 y 4 ) ， 含第3 、2 两个油层组( 分别简称长3 和长2 ) ；第五段( t 3 y 5 ) ，含第l 油层组( 简称长 1 ) 。其中，前人将长6 自下而上细分为长6 3 、长6 2 、长6 i ；又将长6 l 再细分为长6 1 2 ， 长6 1 1 。本次- 丰要研究长6 i 油层组。 鄂尔多斯盆地陕北地区延长组自上而下共发育k 9 , - - - , k 0 十个标志层，研究区内的 6 第二帝储层地质情况简介 k 2 ( 长7 顶部) 、k 3 ( 长6 3 顶部) 、k 5 ( 长4 + 5 中部) 三个标志层比较明显，在区域 分布稳定，岩、电性特征明显，易于追踪对比，可作为本区地层划分对比的主要依据， 其中k 2 位于长7 顶部，k 3 位于长6 3 顶部，均为凝灰岩或凝灰质泥岩，厚度1 2 m ， 测井曲线表现为指状高时差、高伽玛、低电阻；k 5 位于长4 + 5 中部，为一套煤系地层， 薄层煤线发育，厚度5 1 0 m ，电性特征表现为锯齿状高时差、高电阻，自然电位曲线 幅度较小。 表2 一l 延长组地层 地层时代 厚度( m )岩性特征标志层 系组 段 油层组 暗色泥岩、泥质粉砂 第五段 长10 2 4 0 岩、粉细砂岩不等厚互 k 9 ( t 3 y 5 ) 层，夹炭质泥岩及煤线 灰绿色块状细砂岩央 长2 l 4 0 5 0 暗色泥岩 浅灰色细砂岩夹暗色 长2 长2 2 4 0 4 5k 8 泥岩 第四段 灰、浅灰色细砂岩夹 ( t 3 y 4 ) 长2 3 4 0 5 0k 7 暗色泥岩 延 长3 i 4 0 4 5 浅灰、灰褐色细砂岩 = 长3 长3 2 4 0 4 5 k 6 夹暗色泥岩 长3 3 4 0 5 5 浅灰色粉细砂岩与暗 长 长4 + 58 0 1 l ok 5 色泥质互层 叠 长6 l 3 5 - 4 5 褐灰色块状细砂岩夹 k 4 组 第三段 暗色泥岩 ( t 3 y 3 ) 长6 2 3 5 4 5 浅灰色粉细砂岩央暗 k 3 长6色泥岩 献黑色泥岩、泥质粉 ( t a y ) 长6 3 3 5 - 4 0 砂岩、粉细砂岩互层，夹 k 2 系 簿层凝灰岩 暗色泥岩、炭质泥岩、 长78 0 1 0 0 k 1 油页岩夹薄层粉细砂岩 第二段 长8 7 0 8 5 暗色泥岩、砂质泥岩 ( t 3 y 2 ) 夹灰色粉细砂岩 暗色泥岩、页岩夹灰 长9 9 0 1 2 0 色粉细砂岩 暗色厚层块状i 1 细 第一段 长1 0 2 8 0 砂岩，极细砂岩，底部为 ( t a y l ) 粗砂岩 灰紫色泥岩、砂质泥岩 纸坊组 与紫红色砂岩互层 2 3 靖安油田储层地质研究 长庆油田采油三厂管辖区域的地质构造涵盖鄂尔多斯盆地西缘逆冲断褶带、天环向 斜带和伊陕西倾单斜三大一级构造单元，同时次一级构造和微构造普遍发育，成排的南 7 两安石油人学颁f 二学位论文 北向差异压实鼻状构造、局部穹隆以及复杂断层等，对油气的运移和成藏起到了很大的 控制作用，从而形成了从大面积的湖泊三角洲沉积体系到河流相沉积体系。储层物性亦 存在着巨大差异，渗透率从1 1 0 3 u m 2 - ，1 0 0 0 1 0 3 u m 2 不等( 见表2 2 ) 。 表2 2 采油三厂各油田压裂改造地质特征 主要作业有效 渗透率 原始地层驱动 区域 层位 岩性敏感性 孔隙度 厚度 压力m p a 方式 1 0 3 岬2 靖安五里 长62 4 2 5 灰绿色细粒硬砂 中偏弱酸 弹性溶解气 敏、弱速敏、 1 7 81 2 41 6 6 6 湾 质长石砂岩驱动 中偏弱水敏 靖安盘古长石砂岩和岩屑 弱速敏、中 粱 长62 0 8 6等水敏、强0 6 5 1 9 4 1 1 7 5 弹性溶解气 1 1 9 0 长石砂岩 1 3 3 4 驱动 酸敏 靖安侏罗y 9 、灰白色细、中粒岩 无弱速敏、 弹性弱 1 5 6 9 无弱水敏、 1 5 91 5 3 l1 1 0 系y 1 0 屑质长石砂岩水压驱动 无弱酸敏 浅灰色砂岩、细砂 无弱酸敏、 弹性弱 吴旗油田长2 9 9 9无中等水1 1 7 61 5 6 91 1 3 7 岩水压驱动 敏、弱速敏 - f j 细粒和细粒硬 y 91 9 9砂质长石石英砂1 3 1 91 7 4 岩边底水弹性 吴旗油田 9 5 5 1 0 。4 l 浅灰、灰白色细一 水压驱动 y l o9 4 粗粒硬砂质长石 4 2 9 4 6 4 1 8 3 2 石英砂岩 中等强酸 吴旗吴 长61 8 9 褐狄浅灰的硬砂敏 0 0 4 2 1 38 6 7 弱弹性气压 1 4 9 4 1 0 质长石石英砂岩中等偏弱水 7 1 6 5驱动 敏、弱速敏 灰绿色含粘士质、 边底水油虏庄油 长21 4 1 9钙质细粒长石砂3 7 9 21 6 81 3 9 4 田驱动 岩 油房庄油 y 91 9 9含粘十质细中粒3 5 3 5 6 0 1 3 6 一 或混粒长石石英 1 8 1 边底水弹性 田y l o9 44 2 9 4 6 4 1 8 3 水压驱动 砂岩 2 其中靖安油田以三叠系长6 层为主力牛产层，长6 油藏属晚三叠系延长组、湖泊三 角洲沉积的一部分，砂体厚度大、延伸较远、连通性较好。但是储层受沉积环境、成岩 第_ 章储层地质情况简介 作用、构造因素的影响，物性较差、非均质性较强，形成了现今的低孔、低渗储层。岩 性主要为长石砂岩和岩屑质长石砂岩，砂岩粒径以细砂岩为主。渗透率和孔隙度均较低， 渗透率平均在1 8 l 1 0 。g m 2 ，孔隙度为1 2 7 4 。 2 4 生产情况及原因分析 2 4 1 生产情况 2 0 0 7 年采油三厂实现原油产量3 0 1 9 5 8 万吨，比2 0 0 6 年净增长3 6 万吨。油区内现 辖有1 4 个行政作业区：五里湾一区、五里湾二区、新寨作业区、盘古梁作业区、郝坨梁 作业区、吴起作业区、虎狼峁作业区、油房庄作业区、红井子作业区、胡尖山作业区和 试采作业区。随着开发时间的延长，老油田套破、高含水井( 层) 愈来愈多：以三叠系 为主的新区水淹井数不断增加，动液面下降、生产压差增大导致油层堵塞加剧等问题： 加之产建接替区逐年减小，储量丰度变差、区域分散，单井产量低，给原油稳产造成了 巨大的压力。为了持续稳产上产，需对堵塞井、长关井实施措施增效，来达到以措施为 主要手段的稳产上产目标。 2 4 2 递减原因分析 油井在投产开发初期，几乎所有油层均采用压裂投产方式，获得了较好的增产效果， 但随着油井的长期开采，油井压裂裂缝开始失效，孔渗条件变差，注水剖面严重失调， 产油量持续递减，含水上升，通过分析认为，采油三厂油井减产的原因主要是： ( 1 ) 油井堵塞 油井在开采过程中，随着原油采出程度的增加，地层压力的下降，溶解气从原油 中分离出来，使原油的粘度增加，降低了原油的溶蜡能力，溶解的石蜡便析出，注水时 地层温度的降低也促使有机重质成分在近井地带逐渐沉积，引起油层相对渗透率下降， 造成油流不畅。 随着地层压力的下降，使近井地带岩石闭和压力增大，由于支撑剂在岩石壁面镶 嵌，在上覆地层的压实作用下，当超过支撑剂的破裂强度时，支撑剂颗粒破碎，使原裂 缝导流能力下降。 在油层开采过程中，生产压差过大或开采速率过高，使近井壁区井底带岩层结构 破坏，发生出砂。采油速度过快，易造成速敏伤害，使液流携带地层岩石颗粒发生运移， 堵塞油流孔喉。 增产措施、修井作业过程中同相颗粒侵入堵塞喉道孔隙，外来液体不配伍形成油 水乳化液、水敏伤害、水锁伤害、贾敏效应等堵塞油层。 ( 2 ) 同一层系内，存在层内矛盾。非均质油层，各小层段或区域未能得到均衡改 造，注入水受压裂裂缝的影响首先沿高渗区快速推进，使油层内改造不充分的低渗区与 高渗区的水线差异越来越大，加剧了层内高渗区与低渗区之间的差异，使得低渗区的水 9 两安石油火学硕一i j 学位论文 驱效果较差，高渗区见水快。 ( 3 ) 多层合采井，存在层间矛盾。油井经过长期开采，各层段渗透性、储油性、 生产能力都存在很大差异，使得水线推进速度不同，注入水沿高渗层快速推进，形成纵 向上的单层突进，使含水上升，产油量下降。 ( 4 ) 合压时有的层段未压开。有的油井隔层发育，地应力差别较大，合压时有可 能只压开物性较好的段，物性较差的层段未压开或改造的不充分，如不改变措施继续进 行复压，只能是对原裂缝的加宽和延伸，不能形成多条裂缝供液，影响了单井产能的提 高。 2 4 3 常规改造压裂效果评价 通过对近四年来靖安油田长6 油藏常规改造压裂效果统计分析得出( 见表2 3 ) ，近 四年来重复压裂井数逐年减少，由2 0 0 4 年的2 8 口下降为2 0 0 7 年的l 口，措施有效率 逐年降低，由2 0 0 4 年的8 9 3 下降为2 0 0 7 年的7 5 ，压裂后产出液含水上升的比例逐 年加大，由2 0 0 4 年的1 7 9 上升到2 0 0 7 年的3 3 3 。 表2 3 采油三厂2 0 0 4 2 0 0 7 年靖安油田长6 油藏重复压裂效果统计表 措施后含水上 施工井可比井有效井有效率含水上升井所日增油累增油 年度 数( 口)数( 口) 数( 口) ( ) 升井占比例( 吨)( 吨) ( 口) ( ) 2 0 0 4 2 8 2 8 2 58 9 351 7 9 6 6 4 21 6 0 1 2 8 2 0 0 51 91 91 57 8 963 1 62 6 5 69 6 8 5 1 2 2 0 0 61 21 297 54j j j1 1 2 52 9 4 5 2 l 2 0 0 7l1l1 0 0l1 0 00 3 l1 1 2 2 2 合计 6 06 05 08 3 31 62 6 71 0 4 5 42 8 7 5 5 3 5 通过分析认为近四年来重复压裂效果逐年变差的原因为： ( 1 ) 对于储层物性好、初期改造规模偏低、地层能量高、地层有明显堵塞现象的井， 采用延伸原有压裂裂缝系统的大规模常规重复压裂工艺，可以获得油井增产的目的。但 是对于地层能量偏高、有注水见效史的井选择重复压裂工艺，导致人工裂缝的过度延伸， 最终造成重复压裂后油井含水上升过快。 ( 2 ) 对于处在注采井网水线侧向上且初次压裂规模较大的井，由于注水受效程度低， 造成低产低效的油井，老裂缝控制的原油已接近全部采出，裂缝成了主要出水通道，如 果继续采用常规重复压裂工艺技术，肯定不会有好的效果。 ( 3 ) 对于处在注采井网中水线方向的低产低效井，为了避免人工裂缝沿水线方向的 过度延伸，常规重复压裂通常规模较小，压裂没有形成新的泄油区，是常规重复压裂效 果不好的原因之一。 ( 4 ) 对于处在油藏边部的油井，由于没有完善的注采井网，没有建立合理的注采 1 0 第一章储层地质情况简介 关系，地层能量保持水平较低，是造成常规重复压裂效果不好的原因之一。 通过上述分析得知：靖安油田长6 油藏随注水开发时间的延长，含水逐步上升， 而地层能量保持相对较高的低产低效油井，如果采取常规重复压裂手段容易使原始裂缝 进一步延伸，与注水井沟通，导致油井水淹，因此采取有效的改造手段已成为油藏开发 的首要任务。本文将通过对该区块多种压裂方式对比，优选出符合长6 油层的压裂工艺 技术。 两安石油人学硕十学位论文 第三章压裂选井选层方法研究 压裂工程是一项成本投入相对较大、风险较高的油井增产措施工艺技术，因此要从 多方面综合评价与分析，将压裂施工与投入风险降到最低。选取最有利的油气储层和油 气井是降低压裂措施风险，提高经济效益的主要途径之一。 选井选层一直是水力压裂设计人员关心的首要问题，选井选层的成功与否直接关系 到压裂施丁效果的好坏。用于压裂选井选层决策的参数需要综合考虑储层地质特征、油 气藏特性、物性参数、测试和生产数据及其分析等多个方面。从数学的观点来看，这些 决策参数关系之间的定量表达，其实质是解决一个映射问题，即解决由m 维输入向量 ( 决策参数) 到n 维输出向量( 决策井) 之间的映射。由于选井选层决策参数本身之 间的关系的极其复杂性，这种映射必然是高度非线性的。因此，用传统的数学方法来求 解这类问题变得极其网难【1 9 - 2 l j 。 2 0 世纪5 0 年代水力压裂技术已成为重要的油气开采措施。但当时水力压裂设计没 有专门考虑选井选层问题，而主要是靠设计人员的经验来确定，带有很大的主观性和盲 目性，因此成功率很低。到2 0 世纪末，油田上使用了欧氏贴近度、模糊灰元、模糊物 元、多层次模糊聚类等模糊识别法来优选井层，这些方法存在两个共同的缺点：l 、影 响因素之间不独立；2 、井层的相对排序，就是在判断井层是否可压时，首先选择一个 评价指标，然后进行相对优劣排序，最终认为排序在前的可压，在后的不可压，且评价 指标的选择带有主观性1 2 引。 目前国内外研究压裂选井选层时，应用的研究方法主要是基于矿场统计资料的间接 研究方法，这些方法一般是从地层物性和生产动态的角度出发，考虑相关参数对压裂效 果的影响，从而总结出选井选层的原则。不足之处是需收集大量资料，还需花费大量精 力分析资料，针对性太强，没有普遍的适用性。另外，压裂的地层条件可行性和经济可 行性没有同时考虑。为此，一种考虑周密、便于操作的快速选井选层方法亟待产生。 针对压裂选井中存在的盲目性和主观性的技术问题，根据压裂选井时，油田压裂效 果受多种因素的影响，各种影响因素与压裂效果之间的关系较为复杂，而且不同的影响 因素在不同的层次上对压裂效果有不同程度的影响的特点，运用现代数学方法和计算机 技术，从增产潜能、压裂工程条件和地质因素入手，详细研究了各种优选压裂井的条件。 人工神经网络方法是解决复杂的非线性映射问题的有效方法，表现出了极大的灵活性和 自适应性。采用人工神经网络方法可以减少或克服了前人使用的选井选层方法的不足。 在水力压裂选井评层中，运用人工神经网络方法，能够根据目标区块已有的水力压裂数 据建立压裂效果的各类预测模型。运用这些模型实现对目标区块目的层的优选和压裂效 果的定量预测，克服了现在油田上常用的“模糊评判”规则中人的主观性、因素的不独 立性及井层相对优劣排序法的不足，从而达到优选施工井层的目的口引。 本章在前人研究的基础上，引入灰色关联分析法以及遗传算法。实践证明，在长庆 1 2 第三章压裂选井选层方法研究 油田这两种方法都能够很好地指导重复压裂选井选层。 3 1 压裂选井选层的原则 在压前地层评估基础上，依据评估结果，进一步进行选井选层工作。所选井在压裂 后必须增产，即必须保证压裂的有效率。这是开发井选井的关键。开发井选井的原则如 下： ( 1 ) 压裂施工工程制约条件：选择固井质量、套管状况良好，能经得起压裂施工 高压的井； ( 2 ) 油井必须具有增产潜能( 足够的可采储量) 。有污染的高渗透率的井经酸压或 酸洗可以解除污染；低产低渗的井经酸压后可提高储层的导流能力；无能量和储量的井 不进行改造； ( 3 ) 足够的地层系数( 地层能量) ： ( 4 ) 距油水界面有一定距离的井： ( 5 ) 由于钻采过程中的污染，地层产生伤害等原因，导致产能下降或储量动用程 度差的井层。 压裂选井中，应重点研究两个方面的问题：一是油层的可采储量，它是压裂后提高 产量的物质基础；二是地层的能量，它是影响压裂成败及有效期的关键。 3 2 选井选层方法 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。从数学的观点来看，这些决策参数关系之间的定量表达，其 实质是解决由m 维输入向量决策参数n n 维输出向量决策井之间的映射。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【2 4 1 。 目前长庆油田解决这类问题比较好的方法有灰色关联分析法和神经网络方法。运用 灰色关联分析能在宏观和微观上对各种影响因素进行客观的分析，排列出相互间的顺序， 从而优选压裂井。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人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性，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，对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。 3 2 1 灰色关联分析法 3 2 1 1 灰色关联分析和层次分析原理 灰色关联分析实质上是比较数据到曲线几何形状的接近程度。一般来说，几何形状 两安石汕大学硕i j 学何论文 越接近，变化趋势也就越接近，关联度就越大。因而在进行关联分析时，首先必须确定 参考序列，然后比较其它数列同参考数列的接近程度，这样才能对其他数列进行比较， 进而做出判断，灰色关联分析的步骤如下【2 5 1 。 ( 1 ) 确定比较数列( 又称子数列) 和参考数列 子数列、参考数列可分别见式( 3 - 1 ) 、式( 3 2 ) r i = ( 1 * i l ，r r 2 ，r i m ) ( 3 一1 ) r o = ( r i ，1 - 2 ，i m )( 3 2 ) 描述事物特征的物理量差异很大，但是在分类计算时，只需从数量上分析，必须消除 物理量单位的干扰。因此，要利用效用函数的处理方法对描述事物的特征值规格化。本文 使用的处理方法为： 越大越优型指标，其效用函数的计算为： 2 砑忑- ( 硒) r a i n ( 3 - 3 ) 越小越优型指标，其效用函数的计算为： b l j = 1 一砑而- 习( ) 丽r a i n 而( 3 - 4 ) 式中： f ，叫r a i n 一第f 个特征中门个样本的最小值； f ，州m a x 一第f 个特征中刀个样本的最大值。 由此可得效用函数矩阵r ： r = l6 ! ，i 所7 ( 3 - 5 ) ( 2 ) 求关联系数 m i nm i nz j i o ) + p 册警肼a 划l 倒 口= 二瓦磊而意万l ( 3 - 6 ) l j 其中：4 勾= f x 0 ( j ) 一x i ( j ) i ( 3 7 ) p 佃+ 。o j 为分辨系数，p 越小，分辨力越大； p 的取值区间为 0 ，i 】。 在计算灰色关联度时，要合理地确定权数。常用的权数确定方法包括专家估计法、频 数统计分析法、主成分分析法、模糊逆方程法及层次分析法等。通过对各种方法的对比 分析，本文使用层次分析法。 ( 3 ) 权重的计算 使用层次分析法求每层元素对上一层的权重。其原理是：用层次分析方法作系统分 析，首先把问题层次化，形成一个多层次的分析结构模型。为了将比较判断定量化，从 此分析法引入1 9 比率标度方法，构成判断矩阵。其含义如表3 1 所示。 1 4 第三章压裂选井选层方法研究 表3 1 层次分析标度表 标度含义 l 表示两个冈素相比，具有相同的重要性 j 表示两个因素相比，+ 。个比另一个稍微重要 5 表示两个因素相比，一个比另一个明显重要 7 表示两个冈素相比，一个比另一个很重要 9 表示两个因素相比