（地质工程专业论文）三次加密井压裂改造技术研究.pdf

大庆石油学院工程硕士专业学位论文 三次加密井压裂改造技术研究 摘要 大庆油田进入特离含水期开发后，储采失衡的矛盾目益突出。三次加密井通过密井网的方式， 达到完善注采关系，提高剩余油动用程度，增加可采储量。缓解油田储采失衡矛盾；三次加密井 开采的主要对象是表内薄差油层及表外储层，岩芯测试表明该类储层多为泥质粉砂岩，渗透率很 低，含油产状为油浸、油斑、油迹，要有效动用此类储层的储量，压裂改造是最有效的措施手段。 该类储层空间分布又十分复杂，从平面上看，三次加密井井控半径在1 0 0 m - 1 5 0 m 之间，目的油 藏中有些油层已经水淹或和高含水层镶嵌、搭边：有些油层位于主力油层的交差部位；有些油层 在平面上却是零星孤立地分布。从纵向上看，由于三次加密井钻遇基础井网、一二次加密井网， 目的油层分散于各油层组中，且于高含水层相问分布，油层与见水层隔层很薄，有的层与高含水 层相隔仅0 4 m 左右。对于三次加密井这种井距小、隔层薄且临近高含水层、油层物性差且分散 的情况，现有的压裂技术面临许多新问题。 本文针对三次加密井压裂改造存在的问题，提出采用平衡压裂工艺进行薄隔层保护压裂，控 制纵向水窜；采用桥塞压裂工艺，进行大跨距压裂，解放分散油层的压裂；结合精细地质研究， 控制不同裂缝规模，控常怦面水窜的总体技术思路。 本文涉及石油地质、采油机械、压裂工程、流体力学、计算力学等多种学科，密切结合生产 实际，解决生产需要。本文根据临近高含水层的油层的地质特征，建立力学模型及有限元模型， 对压裂时薄隔层有保护、无保护时的受力情况进行力学分析，确定压裂导致隔层窜通的柄理及采 用保护工艺可以进行压裂的隔层下限。 本文详细论述了平衡压裂工艺原理，平衡压裂工艺管柱类型及管柱组成：介绍了平衡封隔器、 导压平衡封隔器工作原理，通过室内试验验证这两种工具平衡保护薄隔层的性能，并通过现场试 验分析，确定平衡保护工艺可应用的实际隔层下限。 桥塞压裂工艺技术是本文论述的另一个重点。多层段桥塞压裂技术是一种独特的分层压裂管 柱，它将分层压裂变成多次单压下层。因此该技术既有单压下层工艺满足大跨距、大砂量、高砂 比、低替挤压裂要求的技术优势，又具有分层管柱一趟管柱压裂多层的筒捷高效的特点。y 4 2 2 1 1 4 桥塞是该技术的核心，通过实验研究和力学分析，重点研究了桥塞卡瓦与套管的受力状况及皎合 力分布规律，在此基础上优化了卡瓦锚爪的设计，为桥塞的研制奠定了基础。文中还详细论述了 桥塞压裂工艺原理，压裂工艺管柱类型及管枉组成，桥塞压裂工艺的现场操作规范等内容。 三次加密井压裂改造的核心是解放难采储层，控制含水上升。由于三次加密井井问距离小， 平面含水复杂，本文还论述了采用精细地质研究成果确定目的油层空问含水情况，根据空问含水 情况确定不同油层的处理强度，同时优化压裂施工参数，达到有效改造薄差层并控制平面上水窜 的目的。 本文所论述的工艺方法直接针对油用目前出现的新问题，具有极强的针对性，所研究的成果 实用性很强。采用该技术能够解放临近高含水层的储层，能够解放因跨距大而损失的储层，为三 次加密井挖潜剩余油，增加难采储层的开发价值提供了有效的技术保障。 关键词：三次加密井平衡压裂可墩桥塞薄隔层薄筹强 a b s t r a c t f r a c t u r i n gt e c h n o l o g ys t u d yo f t h i na n dp o o rq u a l i t yp a yz o n e s a b s t r a c t ， c o n l r a d i c l i o no fu n b a l a n c eb e t w e e nr e s e r v ea n dp r o d u c t i o ni s 魄删u a n y p r e d o m i n a n ta l t e r d a q i n go i l f i e l de a t e r si n t oas t a g ed e v e l o p m e n to fe x t r a - h i g hw a t e r - c u t 矾e x p l o r a t i o n f r a c t u r i n g t e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s te f f i c i e n tm e a n st oe x p l o r et h e 胡r e s e r v ew i t hl o wp e m a e a b i l i t y , o n i m m e r s i o n , o i lp a t c ha n do i lt r a c e s p a c ed i s t r i b u t i o no f t h i sr e s e r v o i ri sv e r yc o m p l e x i np l a n ev i e w s o m ep a yz o n e so f t h er e s e r v o i rh a v eb e e nw a t e r - f l o o d e do rt h e yb o r d e rh i g hw a t e r - c u t 刁嗽s o m el i ei n t h eb a dp l a c eo fm a i nl a y e r , a n ds o m ea r es c a t t e r e di n d i v i d u a l l y i nv e r t i c a lv i e w , t a r g e ts l r a t u mi s d i s p e r s e dh i d ee a c ho i ll a y e r s ，a n dd i s t r i b u t e db e t w e e nh i g hw a t e r - c u tl a y e r s b a r r i e r sb e t w e e no nl a y e r s a n dw a t e rb r e a k t h r o u g hl a y e r sa r ev e r yt h i n , a n dt h eg a pi so n l ya p p m x i m a t e0 4m f o rs u c hc o n d i 曲na f o r e m e n t i o n e da st h i no i l - l a y e rb a r r i e r , i t sa d j a c e n c et ow a t e r - c u tl a y e r , a n di t s p o o rd i s p e r s i o na n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s , c u r r e n tf r a c t u r et e c h n o l o g i e sa r ec o n f r o n t e dw i t hm a n yn e w p r o b l e m sa sf o l l o w s n o w a d a y s ，t h el o w e rl i m i to f t h eb a r r i e rf o rf r a c t u r et e c h n o l o g i e si s2 0m b e c a u s e t h ep o o ra n dt h i no i ll a y e ri sc l o s et ot h eh i | 曲w a t e r - c o tl a y e rl a y e r sa n dt h e 妇t i e ri sl e s sf f m n2 o 峨 c u r r e n tf r a c t u r et e c h n o l o g i e sc a r ln o tb ea p p r o p r i a t e l ya p p l i e d o m e r 州蛾b a l l i e rc r o s s - f l o wm a yc a u s e m o v e - u po f w a t e rc o n t e n t d u et ot h ep o o rp h y s i c a lp r o p e r t ya n dl a r g em a g n i t u d eo f t h i np a yz o n e s ，i ti s v e r yd i f f i c u l tt oa p p l yf r a c t u r i n gr e m o l d d i s t a n c e sb e t w e e nt w op a c k e r sw h i c hf r a c t u r i n gt e c h n o l o g y r e q u e s t si sl e s st h a n4 0 m t a r g e ts t r a t u mo f t h i na n dp o o rq u a l i t yp a yz o n e sd i g t d b u t e si r r e g u l a r l ym a d0 i l l a y e r ss p a c ei so v e r4 0 m _ t h e r e f o r e ，e f f i c i e n e yi sl o w a n dc o s ti sh i g hi f t h e s eo i ll a y e r sa r ef r a c t u r e do n e b yo n e i np r a c t i c a lp r o d u c t i o n , t h e s el a y e r sa r en o tf r a c t u r e da n de x p l o i t e da f t e rc o n v e n t i o n a lp e r f o r a t i o n r e s e r v e so f t h e s er e s e r v o i r sc a r l tb ep r o d u c e db ym e l 3 t l o do f c o n v e n t i o n a lp e r f o r a t i o nb e c a u s e ：o i ll a y e r s p e r m e a b i l i t yi so n l y2 0 m da n dt h u sw a t e rd r i v ee n e r g ye x i s t s t h e r e f o r e , f r a c t u r i n gt e c h n o l o g yf o rt h i na n dp o o rq u a l i t yp a yz o n e si sd e v e l o p e d h i 曲w a t e r - c u t a n d l a r g es p a c er e s e r v o i rc a nb ee x p l o i t e db yt h i st e c h n o l o g ya n d t e c h n i c a ls u p p o r tf o rm a i n t e n a n c ec a nb e p r o v i d e da sw e l t i nt h i sp a p e r , w ee s t a b l i s hs t r a i n e d - c o n d i t i o np r e d i c t i n gm o d e lf o rt h ef o r c es t a t eo f b o r e h o l ea n dm a t r i xm a t e r i a ln e a r b y b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o h v a r e ，c o n s t r a i n e dc h a r a c t e r i z a t i o na n d m a t r i xc o n s e q u e n c ea n a l y s i so fh o r i z o n t a lf i a c t u r ea l ec o m p l e t e d , e s p e c i a l l yf o rc o n s e q u e n c ea n a l y s i so f t h e j o i n ts t a t e b e t w c e n r o c k a n d c e m e n t m a n t l e i n t e r f a c ea r o u n d f r a c t u r e m e c h a n i s m o f b a r r i e r c h a n n e l i n g ， p r i n c i p l eo fb a l a n c ep r o t e c t i o na n dt h el o w e rl i m i to ft h i c k n e s so fb a r r i e r sa r ed e f i n e d h e r e b y , s e v e r a l b a l a n c ep r o t e c t i o ns o l u t i o n sa t ep r o p o s e db yd e v e l o p i n gb a l a n c ep r b t e c t i o np a c k e r , p r e s s u r et r a n s l r d t t i n g & b a l a n c ep r o t e c t i o n 础lb a l a n e e r , b a l a n c es a n d - b l a s t e ra n dt h eo t h e ra u x i l i a r yt o o l s ， i nt h em e a n w h i l e f r a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f r e t r i e v a lb r i d g ep l u ga n da u x i l i a r yt o o l sa r ea l s od e v e l o p e d t om e e tt h er e q u i i e m e n t so f l a r g es p a no f t h i na n d p o o rq u a l i t yp a yz o n e s ，r a g hf m o p p a n tc o n c e n t r a t i o na n d l o wd i s p l a c e m e n t & e x t r u s i o n h 1 一h o u s et e s t i n ga n df i e l da p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h i st e c h n o l o g yh a s a d v a n t a g e s o f e a s y o p e r a t i o n ，l o w c o s t a n d h i g hs u c c e s s o p p o m m i f i e s a l o t o f r e s e r v o i r s , w h i c hc a n t b e e x p l o i t e dd u et ot h el i m i t a t i o no fb a r r i e rt h i c k n e s sa n d d i s t a n c eb e t w e e nt w o p a c k e r s ，c r l lb er e - e x p l o i t e d i h eo u t l o o ko f t h ea p p l i c a t i o ni sv e r yo p t i n f i s t i cf o rt h ec u r r e n ta n ds u b s e q u e mo i le x p l o i t a t i o n k e ) w o r d s ：t h i nm i dp o o rq u a l i t yp a y z o i q l ，b a r r i e rl o w e rl i m i t ，f i n i t ee l e m e n t ，b a l a n c e dp r o t e c t i o n ， r e t f i e v a lb r i d g ep l u g ，f r a c t u r i n gt e c l m o l o g y 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 一、国内外研究概况 绪论 1 国内外情况 大庆油田1 9 7 3 年开始采用水力压裂作为油田增产增注的一项重要技术措施，至今已有3 2 年 的历史。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。最初是以长垣老区压裂增产和外围探井压裂为代表的封隔器分层压裂技术。8 0 年代， 油田进入高含水开采，主力油层水淹状况严重，开发低渗透薄差油田成为油田稳产挖潜的重要方 面，这期间发展了限流压裂和薄夹层平衡限流法压裂完井技术q 解决了低渗透薄砂岩的压裂挖 潜。与限流法同期研究成功的投球法压裂技术对老井改造也起到了重要作用。9 0 年代，针对常规 孔密射孔投产的老井中薄差层和厚油层内部低含水部位无法挖潜，发展应用了定位平衡压裂技术。 针对二次加密井网开采各类低渗透油层、井间距离小，压裂完井要求短宽缝，发展了高砂比压裂 及7 1 ( - 平缝脱砂压裂技术，针对三次加密井网要求，发展了三次加密井压裂技术及桥塞压裂技术。 此外，针对非常规井眼的特点，还研究了小井眼分层压裂技术、斜直井分层压裂技术、水平井分 段压裂技术及深井分层压裂技术。这些技术的主要特点就是分层，多采用扩张式封隔器，具有结 构简单，操作方便，效率高的特点，较好地满足了大庆油田开发调整的需要，为油田进行多油层 挖潜，高产、稳产的实现奠定了坚实基础。 在2 0 世纪6 0 年代，国外就已大量应用桥塞分层压裂技术，经过十几年的研制开发，技术更 趋完善，在耐高温、高压、多用途、新材料、可回收和可靠性等方面有了更进一步的发展，并且 产品的种类和功能更趋于完善。可回收桥塞封层技术，由于其可回收性，所以应用非常普遍，主 要用于暂时性分层。存在的主要问题是承压能力低，成本高，其应用受到限制。目前国外己研制 出耐压性能达到可钻式桥塞 2 1 水平的可回收桥塞，密封压差可以高达7 0 m p a 。可回收桥塞分为压 缩式、膨胀式、电动式三种桥塞。其中电动式可回收桥塞，是一项较新技术，它把桥塞接在电动 坐封工具上，坐封工具由井下动力源( d p u 龊供电力，整套工具用钢丝绳起下，动力源定时控制， 当下到预定位置，定时器完成定时后启动电动坐封工具，使桥塞坐封。耐压7 0 m p a ，耐温1 2 1 。 特点是坐封速度慢，胶筒膨胀充分，无火药爆炸的隐患，操作简单、安全，不用电缆车，作业成 本低，电池易购，工具维护简单。 1 9 8 6 年，我国各油田才开始引进桥塞分层技术：1 2 j ，经过十几年的研制开发，在国内已初步形 成了能满足各种井况和各种作业需要的系列技术，并在不断发展和完善。胜利汕田研制的q s a 型可钻可捞桥塞工作压差达到5 0 m p a ，耐温1 5 0 。这项技术的成功，在国内外处于领先水平， 既克服了可钻桥塞深井磨铣难的缺陷，又解决了可捞桥塞因时间长难捞难钻的问题。桥塞分层压 裂技术明显不同于大庆油田的分层压裂技术，该技术满足大跨距、大排量、大砂量、欠替挤压裂 要求，该技术可以成为油田进行薄差油层改造的一项有效技术。 2 三次加密井情况简介 通过与大庆油旺果油1 , - - , 6l - , 研究院的技术人员交流，并对各个采油厂三次加密井区块的小 层相带图、已钴开发井的测井综合解释成果图、井位图进行分析，认识到三次加密井本身不具备 完善的注采系统，是油f 玎采用密井网的方式完善注采关系，提高剩余汕动用程度，增加可采储量 的重要措施：三次加密井开采的主要对象是表内薄差油层及表外层，岩：占测试表明该类佑层多为 泥质粉砂岩，渗透率低，含汕产状为油浸、油斑、油迹。由于三次加密井钻遇基础井网、一二次 加密井网，r 发的目的储层空间分布十分复杂，从平而上看，三次加密井井控半径在1 0 0 m 1 5 0 m 绪论 之间，目的油藏中有些已经水淹或和高含水层镶嵌、搭边：有些油层位于主力油层的变差部位： 有些油层在平面上是零星孤立地分布，油层与高含水层隔层很薄，有的隔层仅0 4 m 左右。以采 油四厂杏- 三区乙块三次加密井试验区为例，该区块含油面积8 2 k i n 2 ，布井1 3 4 口，井控半径 1 0 0 m ，单井钻遇2 0 - - 4 0 个目的层，且开采的目的层分散在8 0 0 1 2 0 0 m 深度上；储层最低渗透率 0 0 2 1 肚一，平均孔隙度2 0 8 ，平均含油饱和度4 0 4 ，泥质含量2 1 3 。采油厂地质人员认为 常用的压裂工艺中最有效的是限流压裂完井，但是由于有很多油层临近g 台- t k 层、油层分散等原 因，很多薄差油层得不到高效经济的改造，只能放弃或采用射孔完井，达不到开发的目的。三次 加密井这种井控半径小、目的层薄、差、分散，临近高含水层且隔层薄的特点，现有的压裂技术 存在很多问题： ( ! 涟见有压裂工艺隔层的下限是2m ，而三次加密井中许多临近高含水层的储层，由于隔层小 于2 m 而不能采用现有压裂技术进行压裂，否则有可能压窜隔层导致油井含水上升。 三次加密井调整的目的储层物性差，数量多，在纵向上分散、跨距大，压裂改造困难。现 有压裂技术要求压裂卡距小于4 0 m ，而三次加密井的主要目的是挖潜剩余油，目的油层在纵向上 分布并不规律，某些三次加密井中存在油层之间的跨距大于4 0 m 的情况，如果对这些薄差层一层 层分压，效率低成本高，因而在实际生产中这些储层没有进行压裂改造，常规射孔后便投 开发。 但是由于很多这类渗透率只有2 0 m d 的薄差层且没有水驱能量，常规射孔并不能有效动用这些薄 差储层的储量。 三次加密井在平面上含水非常复杂，短裂缝达不到改造的目的，长裂缝会沟通含水区，导 致压裂后含水上升。 3 限流压裂简介 限流法压裂l j 采取低密度射孔，大排量施工，依靠压裂液通过射孔炮眼时产生的摩阻，大幅 度提高井底压力，从而使压裂液自动转向，以相继压开破裂压力相近的各个目的层。这项技术的 关键是：根据目的地层的物性、砂岩厚度、纵向相邻油层隋况及平面上的连通关系，确定合理的 布孔方案，确定每个目的层所射孔炮眼数量及直径，以此来控制不同油层的处理强度，获得所需 要的产液剖面。 该技术主要适用于纵向和平面上油水分布情况比较复杂的低渗透率薄油层的多层完井改造。 在3n = m i n 左右的注入排量下，一次压裂可形成多条裂缝，与滑套式分层压裂管柱配使用，一次 可使1 5 - 3 0 个目的层得到处理，完善系数1 5 4 2 3 7 ，施工一次成功率达9 8 0 , 6 。 自1 9 8 5 年以来，限流法压裂在大庆油田完成5 0 0 口年的推广应用，高含水后期单井日产油 l1 1 4 t ，成为改善低渗透率薄弱油层开发效果的重要技术。 限流法设计中制定合理的布孔方案是决定工艺效果的核心内容，布孔原则如下： 充分利用设备排量保证足够的炮眼摩阻压开尽可能多的目的层。 根据每一个层的具体情况按比例地分配炮眼数量，控制已见水或平面上容易水窜的目的层。 ( 要) i 盎择层内渗透率最好的部位射孔，当层内存在岩性或物性的薄夹层时，夹层上、下分别布 孔。 ， 当目的层附近有其它可能在压裂中与之窜通的非目的层时，应注意拉开布孔与隔层的距离， 当隔层厚度不足3 m 时，更应注意这一点。 ( 要烤虑到裂缝破碎带的影响，当处理层内层数多而炮眼总数受到限制少于待处理层数的情 况下，可在紧密相邻的几个小层中间位置布孔。 由于受到目前实际射孔水平的限制，个别炮眼的堵塞难以避免，因而允许实际的布孔数量 比理论汁算的稍多一些，以利于顺利完成施工。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 射孔方案要结合考虑压裂施工的需要，在确定射孔方案的同时，确定压裂旌工的方式。 限流压裂可以结合以下压裂方式完成多层压裂： 滑套式管柱分层压裂法【3 j 这一方法适用于多油层分散组合一即一口井中的目的层纵向分布成几个小段，每一段内都有 几个相邻小层的情况，由于充分利用了层段问存在的较厚隔层，化多为少，降低了对排量的要求。 炮眼球分级限流洌圳 当目的层多而密集，不能用封隔器分卡，受设备或地面条件限制，又不能提供足够施工排量 的情况下，可以用投炮眼球的方法将限流法分成几级进行，每一级都同时处理几个层，处理级数 如下： 处理级数= 单孔额定排量待处理炮眼总数井口设备 4 平衡限流法完并压裂工艺技术简介 表外储层是大庆油田高含水后期挖潜重点之一，由于这类储层产能低，必须压裂投产，而它与 表内层间的隔层厚度又小，最薄的只有0 4 m 。为此，研究应用了既能一次压开多个表外储层，又能 有效保护薄隔层和水泥环的平衡限流法完井压裂工艺技术。 压裂过程中。薄隔层或水泥环被破坏的直接原因是压裂层与未压裂层之间压差超过隔层或水 泥环的承压界限而将其击穿。利用大庆长垣内部压裂裂缝主要为水平形态的特点，将同一层段内的 压裂层和高含水未压层按平衡限流法压裂的布孔原则同时射开，再采用限流法压裂，使隔层上下两 个层处于同一压力系统中，保持压力平衡，从而达到保护薄隔层的目的压后再对射开的高含水层 进行封堵( 封堵技术可选用套管补贴或氰凝化学封堵方法，一次施工可封堵2 3 个高含水层) ，以防 止油井投产后含水急剧上升。 考虑到射孔对水泥环的破坏作用，为了保证水泥环的隔离性能，固井质量检查声幅曲线为直线 的薄隔层，才可进行平衡限流法压裂完井 平衡限流法压裂【4 | 完井技术关键是保护薄夹层不被破坏，同时达到压裂改造的目的。因此， 在压裂设计前，必须通过各种测试资料确定压裂井固井质量，要求固井质量良好，才可进行平衡 限流法压裂。在进行压裂设计时，首先在限流法压裂布孔原则的基础上，采用选择陛定点射孔方 案布孔，其布孔原则如下： 保证压裂目的层的处理强度，控制水淹层的处理强度，根据油层厚度的不同，采用油层多 布孔或布大孔，水淹层少布孔或布小孑l 。 一般情况下，选择目的层中最好位置布孔，水淹层应偏离夹层0 5 m 以上布孔。 水淹层厚度比较大，且上下均有薄夹层时可考虑一l 下分别布孔，但除此情况外一般只布一 个孔。 压裂目的层炮眼与水淹层炮眼之间距离不低于l m ，以便进行压裂后堵水施工。 较厚油层存在物性变差部位时，应在其上下布孔。 压裂后薄夹层保护效果的检测分析方法，主要采用压裂前后水泥车憋压，观察套管压力法、 活化砂示踪法、“7 3 ”型找水法等方式进行综合检测，分析薄夹层在压裂过程中的保护情况。由于 - i 衡层大多数属于高含水层，压裂后对其是否封堵可根据油井投产后含水情况分 ! j l - l 定。如果全 井含水过高，必须采用封堵措施时，一般采用氰凝化学堵水技术，该技术次施：l 二可封堵两个平 衡层，成功率8 0 以上，它具有堵的! k 易解j = = ，施工简单等特点。 该技术可用于隔层厚度大于0 4 m 的低渗透率薄油层的多层改造挖潜，也可用于具有岩性或物 性夹层的：作均质油层中的低含水部位挖潜。通过1 4i - 二l - j ：5 0 个薄隔层的平衡限流压裂试验和，1 0 多口井的推广应用表明： 绪论 0 4 【l l 以上厚度薄隔层在压裂过程中得到了良好保护。1 4 口试验井中，0 4 i i i 厚度的薄隔层 共7 个，压裂前后验窜资料反映出在压裂过程中薄隔层均保持完好。 由于在布孔过程中部分高含水层是选择低含水部位布孔的，因此，油井进行平衡限流法压 裂后，在开采压裂目的层的同时，可对部分非均质水淹层的低含水部位进行一定时间的生产。杏 1 3 - j 1 3 9 井的高含水层厚度为1 0 i n ，从测井曲线判断，该层为中部水淹，油层上、下部位含水较低。 压裂设计时，该层上下部位各布一个平衡孔，压裂后，油井初期含水仅3 6 ，投产5 个月后，含 水才上升至4 8 9 6 。 固井质量良好( 声幅曲线不直线) 的薄隔层处，采用低密度射孔时，射孔对水泥环的破坏 作用很小，可以忽略。但声幅曲线有微小的波动时，射孔就可能对水泥环造成严重破坏，造成压 裂前高含水层与目的层窜通。 高含水层封堵后，o 4 i i i 以上的薄隔层岩层和水泥环都可以承受生产过程中的层间压差。 5 定位平衡压裂工艺m 简介 首先建立在水平裂缝的前提下，在常规射孔井进行水力压裂时，在一定的排量下通过节流嘴 产生压差，使定位压裂封隔器坐封。利用定位平衡压裂封隔器上的长胶筒和喷砂体的组合来控制 压裂目的层的裂缝形成的位置和吸液炮眼的数量，达到裂缝定位和使目的层产生水平裂缝的目的。 在需要保护的薄夹层的邻近高含水部位装有平衡装置，该装置只进液不进砂，使高含水层与压裂 目的层处于同一压力系统中，夹层上下压力平衡而得到保护。通过大排量施工，依靠压裂液通过 吸液炮眼所产生的摩阻，大幅度提高井底压力，从而相继压开破裂压力相近的各个目的层，一次 施工可压开3 。5 个目的层。 定位平衡压裂技术主要的特点是工艺与地质相结合。它是一项选择性与针对性很强的压裂改 造工艺技术，除此之外还具有以下几个特点： 定位平衡压裂封隔器中胶筒和喷砂体的组合是根据目的层的地质特征及厚度确定的，工艺 与地质结合紧密是该工艺的重要特点。 封隔器上长胶筒与喷砂体融为一体，喷砂体长度很小，其直径与胶筒外径相同，避免了油 套环形空间沉砂造成砂卡的问题。 在封隔器内可装平衡装置，它吸液不吸砂，除起到导压平衡保护薄夹层的作用外，还相当 于一个井下砂浆浓缩器，可以提高进入裂缝中的砂比浓度，有利于改善压裂效果。而高含水层吸 液不进砂，产生裂缝不支撑，可以防止压裂后暴性水淹。 定位平衡压裂封隔器可用密封段串接起来，多级封隔器可以同时工作。一次可以压裂的目 的层数除与排量、孔密及孔径有关外，还与定位平衡压裂封隔器的结构参数有关。 定位平衡压裂封隔器以上可以连接常规滑套式压裂管柱，实现定位平衡压裂与常规压裂相 结合，使一趟管柱完成更多油层的压裂。 在压力扩散裂缝闭合时，利用封隔器上长胶筒的摩阻效应，降f 氐了地层裂缝的吞砂量，提 高了压裂效果。 定位平衡压裂工艺管柱主要由0 7 6 唧油管与定位平衡压裂封隔器组成。其中定位平衡压裂封 隔器是工艺实施的关键工具，如图5 。它主要由节流部件、长胶筒、中心管及喷砂体等组成。 该封隔器不同于其它压裂工艺所使用的井下工具，封隔器与喷砂器是组合在一起的封隔器， 其长度是不定的，主要根据压裂目的层的厚度和： 艺要求，将不同规格长度的胶筒和喷砂体组合 在一起，同时也可以根据保护薄夹层的需要将在对应高含水层的喷砂体上安装平衡装置，该装筒 只进液，不进砂，具有传导压力的作用。通过适当组合的定位平衡压裂封隔器覆盖大多数原射孔 炮l 盹只有对应喷砂体位簧的少数炮眼接受压裂液，使常规射孔层位的i 及液量得到控制，达到限 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 流压裂的要求，又能实现压裂目的层与相邻高含水层间薄夹层的上下压力平衡，保护隔层。 众所周知，油层含油饱和度和地层压力是影响压裂效果的主要地质因素，而压裂工艺的选择 是影响挖潜效果好坏的工艺因素，两种因素是相互联系的。对于不同性质低渗透油层的改造，应 采取一套与之相适应的压裂挖潜技术，才能获得更好地增产稳产效果。适合于该技术压裂改造油 层的地质特征可分为三类： 水层顶底独立型：即压裂目的层与水层间有明显的厚度大于0 5 m 的阻渗层( 隔层) 分开。 这部分目的层主要以薄层为主，同时也存在个别厚油层潜力。 水层间薄层型：即压裂目的层位于两水淹层之间，并与水淹层有明显的厚度大于0 5 m 的阻 渗层分开，此时两水淹层的距离相对较小，不能采取其它压裂工艺进行改造。 砂层内部掺混型：即夹有个别已水淹的有效厚度小于o 5 m 薄油砂体，具有有效厚度的薄油 层与表外层之间相互叠合而无明显隔层分开的厚砂层。 针对大庆长垣内部各油田地质特征及水淹规律，结合本工艺技术特点，尽可能提高压裂效果， 我们对不同类型的油层采取了不同的吸液炮眼布置方法，其基本原则如下： 同时处理多个油层时，吸液炮眼总数应限制在一定范围内( 炮眼总数的范围根据设备能力、 射孔孔径确定) ，以保证产生足够的炮眼摩阻，使所有的目的层全部压开；对于水层间薄层型和砂 层泥岩薄互层，即对于低渗透薄油层，一般选择渗透性较好的部位布置吸液炮眼；对于存在稳定 隔层的厚油层中的低含水部位或动用程度较差的低渗厚油层，一般选择渗透率较低的部位分配吸 液炮眼；根据每个层的具体情况，尽可能按比例地分配各层吸液炮眼数量，突出主要目的层的处 理强度：在目的层较多的情况下，施工排量和吸液炮眼总数又受到限制，可在紧密相邻的中间层 上布置吸液炮眼。 综上所述，目前国内外对类似三次加密井中的薄差油层压裂技术现状如下： 大庆油田的限流压裂技术、平衡限流压裂技术是针对一二次加密井开发而研制的，是改造 此类薄差油层非常有效的手段。平衡限流压裂技术能够保护薄隔层，能够满足一二次加密井开发 的需要，但是由于油田综合含水的上升，如果在三次加密井仍然采用该技术，有砂支撑的平衡层 必然大量出水，导致油井水淹：定位平衡压裂技术是针对厚油层薄差部位的开发而研制的，管柱 内部有机械平衡装置，能够控制纵向水窜，工艺针对性很强，但是适应性很差，不能满足三次加 密井开发的需要。如果能够结合平衡限流压裂技术、定位平衡压裂技术的优点，完全能够研制出 适应三次加密井的压裂工艺。 卡瓦类的工具在大庆油田应用很少，但是国外却广泛使用。桥塞压裂技术是国外最主要的 分层压裂技术，由于卡距内没有油管连接，卡距任意可调：此外，该技术能够满足低替挤压裂要 求，能够保证压裂效果。将该技术研制成功，能够解决油层分散压裂的难题。 二、本课题研究的意义 在基础井网上进行二次加密调整与三次加密调整，是大庆油田走可持续发展道路的重要举措。 三次加密井包括常规井眼井及小井眼井，调整的对象主要是动用较差或未动用的表内层及表外层。 从平面上看，三次加密并井距不足1 5 0 m ，而研究表明：裂缝半径的大小将直接影响到开发效果， 若改造规模过小，达不到压裂效果，若改造的规模过大，又可能造成过早水淹：从纵向上看，剩 余油层与见水层是相间分布，且分散于各油层组中，油层与见水层隔层很簿，有的层与高含水层 相隔仅0 4 m 左右，而这类油层的含油产状多为油浸、油斑，必须经过压裂改造才能具有丌发价 值。根据三次加密井井距小、隔层薄、油层物性差且分敞的情况，现有的压裂技术很难单独对三 次加密井进行有效、成功的改造。通过对喇萨杏油i 霸表内薄差油层和表外储层的采油潜力分析， 绪论 在珊有技术条件下，二次加密井和三次加密井控制储量为2 2 8 亿吨。而隔层厚度对可调厚度影响 很大，隔层厚度从2 0 r n 降低到1 o m 时，可调厚度将增加5 0 5 5 。如果研究的新技术能够使 压裂隔层厚度由原来的2 m 降低到o 8 m ，将增加控制储量，保障三次加密井的开发效果，增加难 采储层的开发价值，因此该技术的研究具有重要的意义。 三、本文的主要工作 本文针对油田三次加密井开发的实际情况，在原有的技术基础上，研究了平衡压裂工艺、桥 塞压裂工艺技术，两种技术在应用中都取得了很好的应用效果。研究过程中对隔层窜通机理及平 衡下限确定、桥塞卡瓦结构优化设计这两个重点问题采用了有限元方法进行研究，解决了研究过 程中的难点，并在实际应用中得到很好的验证，为新技术开发开辟了新的研究方法，新的研究思 路。平衡压裂技术、桥塞压裂技术在研究过程中，在实验研究方法和现场应用方面也取得了新的 进展，提高了应用技术的研究水平。本文研究所涉及的主要内容综述如下： 1 基i i l ：理论研究 薄隔层窜通机理研究及平衡压裂薄隔层下限的确定 根据油井的井身结构，建立套管、水泥环、地层的几何模型，并选择合适的模型参数，进行 合理的模型简化。在此模型基础上，建立有限元分析模型，通过计算，得到模型中受剪切力最大 的部位在水泥环第二胶结面上，确定了薄隔层窜通是由于隔层上下的压差导致水泥环第二胶结面 剪切破坏，为下步工作奠定基础。根据水泥环的抗剪切强度与有限元计算的结果，确定在有平衡 的情况下压裂隔层下限为0 4 m 。 y 4 2 2 一1 1 4 可取桥塞卡瓦优化 桥塞卡瓦在压裂过程中要承受5 0 - 一7 0 t 的活塞力，卡瓦是桥塞研制的关键元件。采用有限元方 法研究目前卡瓦的受力情况，确定卡瓦受力不均。然后通过计算，研究卡瓦受方隋况随卡瓦结构 参数变化的变化趋势。设计八组不同结构参数的卡瓦，计算相应的受力情况，选择受力最优的卡 瓦。 2 室内实验研究 平衡封隔器的研制 平衡压裂工艺中涉及的平衡封隔器、导压平衡喷砂封隔器主要采用实验手段进行平衡节流压 差的检验，平衡压差要小于水泥环的抗剪切能力。 扩张式胶筒的研制 扩张式胶筒是平衡工具最主要的元件，采用油浸承压的办法保证胶筒的质量。 桥塞的研制 桥塞需要管柱的重量才能坐封，在地面如何进行桥塞的检验是个难题，研究的地面装置很好 地解决了这个问题。桥塞的冲砂打捞是桥塞能够安全应用的关键，通过地面试验反复进行桥塞的 冲砂打捞试验，确定冲砂排量冲砂时问等，都是通过地面试验完成的；桥塞的坐封、丢手、解封 也都是通过实验总结出来的。 3 应用技术研究 多种平衡工艺管柱的研究 。 现场的实际情况是很复杂的，根据不同井的实际情况，研究了多种平衡压裂工艺技术。这些 技术能否适应实际地质，各种工具组合在一起是否合理，能不能完成压裂，平衡管柱能不能保护 薄隔层，采用的布孔方案能否控制平面的含水一p _ - y t ，理论计算的隔层下限与实际有多大差距，室 内实验结果能否满足现场应用，这些都在实际应用得到了验证。 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 桥塞压裂工艺管柱的研究 主要研究了桥塞压裂技术的管柱组成，现场的操作流程，并在实际应用过程中解决了桥塞不 坐封、压裂后桥塞不解封等问题。 四、本课题的主要研究内容 本课题研究内容的核心是高效挖潜，控制含水。 1 平衡压裂工艺的研究 隔层窜通的机理研究及压裂隔层下限的确定。 研究巾1 4 0 m m 套管井纵向上多个临近水淹层且隔层厚度只有0 4 m 的薄差油层( 尤其是上 下都有水淹层且隔层很薄的油层) 的分层压裂改造工艺。 研究配套的压裂工具。 工艺地质结合，优化压裂参数的方法研究。 2 桥塞压裂工艺的研究 。 研究可以进行大跨距、多层段压裂的桥塞压裂工艺。 桥塞卡瓦的理论研究及设计。 研究配套的压裂工具。 第1 章平衡压裂工艺的研究 第1 章平衡压裂工艺的研究 针对压裂施工导致薄隔层破坏，引起油井层间水窜的问题，首先通过有限元方法对压裂过程 中近井地带进行受力分析，判断薄隔层窜通原因，窜通的位置，确定平衡压裂隔层的下限；然后 在限流平衡、定位平衡压裂技术的基础上研究平衡压裂工艺，通过井下工具控制层间水窜。在此 基础上，对目的油层进行平面含水分析，确定目的层压裂规模，控串怦面水窜。 1 1 隔层窜通的机理研究及压裂隔层下限的确定 隔层附近是一个由钢套筒、水泥环及含有狭长裂缝的岩层构成的复杂系统，具有物性多、尺 度跨越大的特点。系统受有上覆岩层的压力、重力和压裂液压力等多种载荷作用，而且由工程实 际知道其受力边界随加载过程而变化，造成外载与响应的非线性关系 5 1 。另外，由于钢套管、水 泥环和岩层的胶结面既不是完全的固结，也不是完全的自由，而是某种状态的胶结，其强度及破 g , g n 都不清楚。由于问题本身的复杂性，有必要首先揭示出整个油井结构在压裂过程中的受力 特征和有可能影响工程质量的力学问题，本文将建立一个简化的压裂施工时受力特征的模型。 1 1 1 模型的建立 这里采用具有三条水平裂缝的压裂井作为预测模型来模拟实际压裂井的受力特征。 对具有三条水平裂缝的压裂井采用一个以套 管轴线为中心线，由内至外依次有套管，水泥环 和围岩的轴对称空心柱体为计算模型( 如图1 一1 ) 。 套管内壁及水平裂缝作用有压裂液压力，上边界 作用有上覆岩压力，下边界和外边界为法向位移 约束。为简化计算特做如下几点假设： 套管、水泥环和岩石均为各向同性的均匀弹 性体。 忽略套管上射孔的影响，认为套管和水泥环 完好，裂缝只出现在油层中。 套管、水泥环和岩石之间胶结面的连接为完 全固结 ：j 水 泥 环 j ? l l l l l l l l “上l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 睦： e ! 上层基岩：e ! 吐 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 油层 薹百蘑 霉要；季 图l 一1 几何模型示意图 1 几何参数及物性参数f i g 卜1s c h e m a t i cd i a g r a mo fg e o m e tr i cm o d e l 水平方向：套管内径1 2 4 n 1 i n ，外径1 4 0 r a m ，井眼直径2 8 1 h n m ，围岩外半径取5 0 m ； 竖直方向：耽总计算深度1 0 8 4 m ，上层基岩厚度为6 0 m ，油层厚度2 m ，下层基岩厚度 4 0 m ，泥岩层厚度暂取为o6 m ： 裂缝尺寸：裂缝丽半径2 0 m 。 表1 - 1 物 生参数表 套管 水泥环上层基岩 下层基岩 泥岩层 汕层 e ( m d