石油工程毕业论文-压裂井返排优化设计研究

中国石油大学（北京）现代远程教育中国石油大学（北京）现代远程教育 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 压裂井返排优化设计研究 姓 名：12212 学 号：2121232 性 别：212 专 业: 石油工程 批 次：2121212 学习中心：2121212 指导教师：121212 2017 年 3 月 30 日 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） i 压裂井返排优化设计研究 摘要摘要 加砂压裂是低渗油气藏开发评价和增储上产必不可少的技术措施， 然而经过大量的现场施工发现，如果压裂后油井排液控制不当或生产过 程中配产不合理，将导致支撑剂回流或出砂，引起气井产能严重下降， 从而影响最终的压裂效果。本文分析了支撑剂回流机理，建立了压裂液 返排过程中临界返排流量、支撑剂返排速度和沉降速度计算模型，提出 了控制支撑剂回流的放喷油嘴选择原则。在考虑气井生产过程中既要返 排注入地层中的压裂液，同时又不将地层砂(包括支撑剂)带入井筒的前 提下，推导出了压裂油井的临界产量计算公式。结合实际的压裂施工资 料进行了实例计算分析，为指导压裂液返排和确定气井合理产能提供依 据。 关键词关键词：油井压裂；支撑剂回流；压裂液返排；出砂；临界产量 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） ii ABSTRACT Sand fracturing is the necessary technical measures to the development evaluation and the reserves-increasing and output-increasing of low- permeability oil reservoirs。But a lot of field constructions show that，the improper flowing-back control and the irrational allocation of fractured oil wells will lead to the back flow of porppant and the sanding of reservoir，and then cause the reduction of the productivity of fractured oil wells。Based on the analysis of the mechanism of the proppant backflow，the models for calculating critical flowing back flow rate，proppant backflow speed and proppant settling rate are established，and the principles for selecting boosting beans to control the proppant backflow are presented 。The critical output calculating formula of the fractured oil wells is derived under the presupposition of formation sand and proppant being not carried to wellbore in fracturing fluid flowing-back process。A case is presented，which can guide the flowing-back of fracturing fluid and the determination of the reasonable productivity of fractured oil wells。 Key words:oil well；fracturing；backflow of proppant；flowing back of fracturing fluid；sanding；critical output 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） iii 目录目录 摘要.I 第一章 前言.1 1.1 研究的目的与意义 .1 1.2 研究现状 .1 1.2.1 支撑剂及支撑剂防砂现状 .1 1.2.2 压裂液返排研究现状 .5 1.3 支撑剂回流研究现状 .6 第二章 压裂油井支撑剂回流及出砂控制模型的建立.9 2.1 临界流量的建立 .9 2.2 支撑剂的回流速度 .9 2.3 放喷油嘴选择 .10 2.4 控制压裂油井出砂的合理产量 .10 第三章 计算机程序编制及模型的应用.14 3.1 计算机程序的编制 .14 3.2 压裂液返排过程中支撑剂回流模型应用 .18 3.3 压裂油井生产过程中出砂控制模型应用 .23 第四章 总结.26 参考文献.27 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 1 第一章第一章 前言前言 1.11.1 研究的目的与意义研究的目的与意义 加砂压裂是低渗油气藏开发评价和增储上产必不可少的技术措施， 而油井压后的压裂液返排是水力压裂作业的重要环节。因为即使水力压 裂的设计和施工做得再好，如果在压后返排方式上做得不够理想，也很 难充分发挥油井的潜在产能。由于返排这一过程是在裂缝闭合期间进行 的，因而适当的返排程序和返排速度是保持裂缝导流能力的关键，油井 压后的产能在很大程度上取决于该导流能力。 压裂施工后合适的返排，就是使最少的支撑剂流出，保持裂缝较高 的导流能力，同时又流出最大量的注入液体，提高压裂液的返排效率。 但是，由于对压后关井期间或返排过程中的裂缝闭合情况、支撑剂运移 情况、压裂液的滤失变化情况不能很好地把握，所以对返排流量的控制 显得无据可依。 当开始返排时，返排速度十分关键。如果排液速度过快，高速流动 的压裂液冲刷近井筒地带的砂拱，引起支撑剂充填失效，导致支撑剂回 流，从而导致人工裂缝的支撑状况变差，导流能力下降，影响油井产量， 或导致井底沉砂堆积掩埋油层，或出砂侵蚀地面油嘴和阀门，影响采油 工作的正常进行；如果排液速度过慢，压裂液携带支撑剂滤失进生产层 中，压裂液残渣造成地层有效渗透率的降低，对储层造成二次伤害，并 且压裂液不及时返排的话，产层中的气体进入到裂缝中，引起气液两相 流，地层压降递减，地层能力损耗，从而影响压裂液的最终返排效率。 存在这些问题的重要原因是在压裂液的返排控制过程中大多采用经 验方法，缺少可靠的理论依据。因此，对返排过程进行合理优化，使之 有据可依，合理控制压裂液的返排速度，合理控制压裂液的返排过程， 就显得尤为必要。 1.21.2 研究现状研究现状 1.2.11.2.1 支撑剂及支撑剂防砂现状支撑剂及支撑剂防砂现状 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 2 水力压裂从 20 世纪 40 年代末开始以来，其支撑剂经历了六十年的 发展，所用的支撑剂大致可分为天然的和人造的两大类，前者以石英砂 为代表，后者主要为电解、烧结陶粒。50-60 年代曾经使用的金属铝球、 塑料球、核桃壳和玻璃球等支撑剂由于自身存在的缺点已被淘汰。石英 砂在 60 年代后开始在现场应用，90 年代以后仍在浅井、中深井中广泛 应用。但随着深层致密油气层的开发，油气层闭合压力增加到一定值， 石英砂已不能适应这种地层水力压裂的要求，而研制了高强度的人造陶 粒支撑剂1。 首先介绍一下天然石英砂。石英砂是一种分布广、硬度大的天然的 稳定性矿物，其主要化学成分为二氧化硅，主要产于沙漠、河滩和沿海 地带，矿物组分以石英为主，石英含量一般在 80%左右，国外优质石英 砂中石英含量可达 98%以上。石英颗粒相对密度约在 2.65 左右，体积 密度约在 1.75g/cm3。对于低闭合压力的储层，使用石英砂作为压裂用支 撑剂取得了一定在增产效果。石英砂的相对密度较，便于施工泵送，且 价格便宜，因而在浅井中至今仍被大量使用。但是石英砂具有以下缺点： (1)石英砂强度较低，开始破碎的压力约为 20MPa，不适合在于中 高闭合压力的压裂层中使用。 (2)石英砂圆球度较差，表面光洁度较低，对支撑裂缝渗透率有不利 影响。 (3)石英砂的抗压强度低，破碎后将大大降低裂缝的导流能力；圆球 度、表面光洁度较低，加之受嵌入、微粒运移、堵塞、压裂液伤害（滤 饼和残渣）及非达西流动、时间等因素的影响，其导流能力可降低到 1/10 或更低一些。 因此石英砂仅适用于浅井、低闭合压力油气层的水力压裂。 我们通过对石英砂改造就形成了树脂包层砂。预固化树脂包层砂是 近 10 余年来发展起来的，针对天然石英砂抗压强度低、导流能力差而 研制的支撑剂，采用特殊工艺将改性苯酚甲醛树脂包裹到石英砂的表面 上，并经热固处理制成，一般它的颗粒密度为 2.55，比石英砂略轻。由 于在砂子表面包裹了一层高强度树脂，使闭合压力分布在较大的树脂层 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 3 的面积上，减少了点负荷，这样即使压碎了包层内的砂子，外边的树脂 层仍可以将碎块、微粒包裹在一起，防止它们运移或堵塞支撑剂带的孔 隙，使裂缝保持有较高的导流能力。 适用于深层低渗透油气藏的支撑剂应该是人造陶粒支撑剂。对于深 层低渗透油气藏，油气层埋藏较深，地层闭合压力高，温度也较高，石 英砂不能适应该条件下水力压裂的需要。目前深层低渗透油气藏主要使 用的支撑剂是人造陶粒支撑剂，陶粒从生产工艺上分为电解和烧结两种， 其主要物料是铝矶土。陶粒具有很高的强度，尤其是在高闭合压力下仍 具有非常高的导流能力。随闭合压力的增加或承压时间的延长，陶粒的 破碎率要比石英砂低的多，导流能力的递减率也要慢得多。盐水中陈化 240 h 后抗压强度不变。因此对于任一深度任一储层来说，使用陶粒支 撑水力裂缝都会获得较高的初产量、稳产量与更长的有效期。 水力压裂后的支撑剂回流一直是困扰油气采输的难题之一，有的施 工井支撑剂回流量高达注入总量的 20% 。70 年代末，树脂涂层(包胶) 支撑剂投入应用并获成功后，这种支撑剂控制回流技术受到广泛重视， 发展迅速。80 年代相继开发出可固化、预固化和双涂层支撑剂及现场 包胶注入技术。进入 90 年代后，包胶支撑剂已能在保持 102um3渗透率 的同时，抗压强度达 62MPa。同时，现场上也应用了一些新支撑剂回流 控制方法，收到了良好效果。下面介绍一下控制支撑剂回流的新技术2。 树脂涂层防砂技术：树脂涂层支撑剂(RCP)是在普通的石英砂表面 均匀地涂覆一层树脂而制成的防砂材料。这种材料呈松散状，在常温常 压下稳定，不发生粘连。树脂涂层支撑剂用于油气田井下作业始于 20 世纪 70 年代中期。这种防砂技术就是利用砂粒表面包复的树脂在地层 温度、压力下发生固化反应，使涂层砂固结而形成具有中等强度的可渗 滤的人工井壁，成为可阻挡地层砂进入井筒的防砂屏障。由于树脂涂层 支撑剂具有以下优点： (1)抗破碎能力比较好； (2)可防止支撑剂吐出及嵌入地层； (3)防止细粉运移，因而能保持裂缝有较好的渗透率。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 4 但树脂涂层支撑剂能与压裂液的部分添加剂(如 pH 值调节剂、交联 剂和破胶剂等)发生化学反应，从而影响支撑剂在裂缝中的堆积，并且 RCP 的固化需要较长的关井时间，增加了施工时间及费用。另外，树脂 涂层支撑剂不能在温度大于 200 时使用，并且在温度低于 50 时需 要催化剂以促使包胶树脂固化。所以树脂涂层支撑剂的应用受到了一定 的限制，要使用 RCP 必须进行合理的选井选层。 纤维防砂技术：利用纤维形成的网络结构可以允许流体自由通过而 不影响土壤微粒性质的特点，所以纤维早期用于固定土壤以防止因洪水、 塌方和土壤侵蚀引起的自然灾害。根据纤维的这一原理 ，我们可以把 纤维用来防止支撑剂的回流。纤维材料通过在裂缝中构成一种类似网状 的互绕结构，固定住支撑剂、增加支撑剂充填层的稳定性 ，但不影响 液体的自由流动。由于它采用的是物理稳固机理、而非复杂的化学固化 反应，与压裂液及交联剂、破胶剂等添加剂的配伍性好 ，它受地层温 度、裂缝闭合压力和关井时间的影响较小，应用范围广。作业者有较强 的灵活性来选择排液程序，最大限度增加油井产能、降低排液费用。 热塑性薄膜防砂技术：热塑性薄膜(TFS)与支撑剂一起泵入井底进 入裂缝后，这种薄片和支撑剂在裂缝中相互粘结，形成无数固结团，限 制了支撑剂的自由运动，使新压开的裂缝保持张开状态并防止支撑剂回 流。低温下(小于 115)，热塑性薄膜有较高的摩阻表面，可减缓支撑 剂在生产管线内的滚动；高温下，热塑性薄膜通过粘接、收缩作用固定 支撑剂。随着温度的升高，薄膜的表面将变得粘稠，它就会把支撑剂粘 附在表面形成小的支撑剂团。如果温度进一步提高，薄膜会发生收缩形 成更紧密和更牢固的固结团。这些固结团比单个支撑剂微粒曲线度高， 更利于桥连在一起，形成较大的空间，减小了破胶液在支撑剂充填层中 回流时的流动阻力，从而有利于减少支撑剂的回流。 可变形支撑剂防砂技术：几年前，一种可变形支撑剂(DIP)防砂技 术被用来控制支撑剂回流。这些可变形的支撑剂是由树脂和惰性填充物 包裹在一起而形成的。它们具有相似的形状和网格分布。更重要的是， 在这些微粒被泵送到井底后，在一定地应力下是可以变形的。当 DIP 均匀地与普通压裂用支撑剂混合后，在一定闭合压力下，由于变形在这 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 5 种支撑剂的表面会形成一些小的窝或凹陷处。这些窝或凹陷处有助于稳 定和锁住周围的支撑剂。这种综合效应将增强整个支撑剂填充层抗流动 和压力的能力。由于这种支撑剂的内核具有较好的柔韧性并具有较大的 外涂层，所以具有较好的抗腐蚀能力，并且在混和、泵送的过程中和在 较高的地应力下不易被破坏。 水力加砂压裂已成为油气田增产的一种重要措施 ，但是压后支撑 剂的回流给生产带来了严重影响，带到地面的支撑剂可能损坏地面测试 设备，增加作业费用，降低水力压裂作业的改造效果。支撑剂的回流主 要有两种情况：一是在压裂施工结束后，随压裂液返排的回流；二是在 生产过程中支撑剂的回流，其影响主要体现在：直接导致支撑裂缝的导 流能力降低，进而影响油井生产；回流的支撑剂会造成设备破坏(如加 快泵、套管、管线等的磨损)；以及回流支撑剂在井眼沉降，造成堵塞。 因此，有效地预测、预防以及控制回流尤为重要3。 目前，国内外支撑剂回流控制技术在不断的完善和进步。它们的防 止支撑剂回流的机理不尽相同，但它们都可以有效的防止支撑剂和出砂， 当然不同的防砂方法有不同的适用范围。 1.2.21.2.2 压裂液返排研究现状压裂液返排研究现状 近十多年来，国外学者在压后压裂液返排问题上形成了多种认识， 其中有代表性的观点主要有小排量返排、强化返排和反向脱砂三种4。 1988 年，Robinson5 等人讨论了采用小油嘴排液以减小裂缝闭合 应力的优点，提出了“小排量早期返排”的观点。实际上， “小排量早期返 排”是一种有控制的返排。Robinson 等人所做的研究突出了裂缝闭合应 力对支撑剂破碎以及裂缝闭合时间对支撑剂沉降的影响。他们认为低渗 透储层压裂后通常需要较长的闭合时间，在此之前压裂液己完全破胶， 支撑剂已大量沉降，排液初期通过控制返排速度的办法，尽可能减小地 层闭合应力，让支撑剂留在裂缝内，从而减少支撑剂的破碎和回流。 1990 年，与 Robinson 等人相反的 Ely6等人提出用强制裂缝闭合工 艺，配以较高的支撑剂浓度和严格的压裂液质量控制措施，能极大地改 善低渗透油井支撑裂缝的导流能力。Ely 等人推荐的排液做法是在顶替 压裂液的 30 秒内完成裂缝的闭合，当从地面压力检测到近井筒地带裂 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 6 缝己经闭合后，以小于 38-57L/min 的速度返排 30 分钟，然后放大返排 量至 160320L/min，只要不发生支撑剂回流。这种“强制裂缝闭合”实 际上是一种强化返排方式。强化返排减少了压裂液在地层中的停留时间， 从而减少了液体伤害，有助于改善裂缝的导流能力。这种返排程序非常 适合特低渗地层，能极大地改善低渗透油井的返排效果。 1995 年，Barree 和 Mukherjee7使用全三维裂缝几何模拟器，系统 研究了裂缝闭合期间支撑剂的沉降规律，讨论了返排速度、射孔段位置、 最终铺砂浓度、裂缝几何形态对保持闭合后裂缝内铺砂浓度的影响，提 出了“反向脱砂”工艺。这种工艺实际上是一种快速返排加井筒脱砂的方 式。它有三大好处：一是减轻了压裂液对地层的伤害；二是井筒脱砂显 著改善了支撑剂在近井筒带的充填，提高了裂缝的导流能力；三是快速 返排使得支撑剂还没有大量沉降到裂缝端部前，裂缝己经闭合，从而形 成较长的支撑裂缝。 1.31.3 支撑剂回流研究现状支撑剂回流研究现状 支撑剂回流现象是近几年来研究的一个热门问题，到目前为止，针 对支撑剂回流的研究主要是以物理模型实验为主。限于设备的原因，国 内尚未见这一方面的研制和应用的详细报道。国外的研究人员已经进行 了大量的物模实验来研究支撑剂的回流现象。常见的实验模型有如下几 种： (1)圆管射孔模型8 这种模型主要是研究射孔附近没有侧限应力时，支撑剂发生回流的 临界流速。实验时，不锈钢管中先充填支撑剂，然后用实验流体使其饱 和。实验开始后，慢慢增加流体流速，直到发现装置末端的集砂器中出 现支撑剂为止。这种实验方法较为简单，不能模拟缝宽变化和闭合压力 变化对临界流速的影响。 (2)狭槽模型9 这种模型主要是研究不同支撑剂颗粒尺寸、裂缝宽度和地层闭合压 力条件下的临界流速。装置右端的多个入口处，可以模拟裂缝中的线性 流，左端的三个孔眼可以模拟裂缝向井筒的流动。实验过程中，先将狭 槽调到一定宽度，再将支撑剂和水的混砂浆从左端孔眼泵入狭槽中充填 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 7 裂缝，然后利用水力锚给支撑剂充填层施加一定的闭合压力。返排模拟 开始，从右端入口处逐渐增加泵入速度，直到发现有支撑剂产出。 (3) API 线性流动岩芯夹持器 该装置主要用来观察和测量支撑剂充填带在不同应力条件下的支撑 剂回流现象。该实验可以模拟裂缝中的闭合压力和地层中的温度，并可 以得到不同流速和支撑缝宽时支撑剂发生回流的临界点。 研究人员对造成支撑剂充填层松动并导致支撑剂回流的主要原因的 解释有如下三种观点： Gidley10等人认为，支撑剂充填层的失稳主要是因为充填层以外的 自由砂对其不断侵蚀而造成的。随着缝中流体流速的增加，这种侵蚀现 象就越严重。 Sparlin11等人认为，由于支撑剂的沉降，支撑剂充填层的顶部及其 内部很容易形成不规则的小通道，如果缝中流体的流速过大，小通道周 围的支撑剂颗粒就会流化，从而使小通道在支撑剂充填层中迅速扩展， 导致大量的支撑剂回流。 Bratli12等人提出，支撑剂充填层在靠近射孔区域有可能形成多为 半球状的砂拱，砂拱形成的不完善或遭到破坏则直接导致支撑剂充填层 的松动和支撑剂的回流。并且他们认为，砂拱的失效有可能是由于砂拱 受到过大的来自流体的剪切应力以及法向闭合应力在支撑剂充填层中所 诱发的径向挤压力而造成的。 在对支撑剂充填层稳定性的实验研究中，研究人员提出了两个临界 参数来评估支撑剂充填层的稳定性：临界返排流量和裂缝宽度与支撑剂 颗粒直径的临界比。 Romero 和 Feraud13通过考察支撑剂颗粒从支撑剂充填层被侵蚀的 情况来确定临界返排流量。 Sparlin 和 Hagen11根据最小流化速度来量化临界返排流量，建议支 撑剂回流的临界流量为 2.65L/min。 Nava Goelld9等人对临界返排流量做了进一步的研究。他们主要通 过观察砂拱的失稳来确定临界返排流量，并考虑不同的实验条件，诸如 不同的支撑剂粒径、裂缝宽度和闭合压力等，对临界返排流量的影响。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 8 除了研究临界返排流量外，一些学者还研究了支撑剂充填层稳定时 的缝宽与支撑剂直径的临界比。 Milton 和 Tayler14等人在他们的实验中观测到，当缝宽与支撑剂粒 径的比值小于 6 时，支撑剂充填层是稳定的。 Naval Goel9等人则在实验中观测到，随着缝宽与支撑剂粒径的比 值从 3.2 增加到 16.0，临界返排流量是减少的。对于相同的缝宽与支撑 剂粒径的比值，在闭合压力为 0Mpa 时的临界流量远比闭合压力为 6.89Mpa 时所对应的临界返排流量大。 目前，对支撑剂充填层稳定性所进行的数值模拟研究很少，基本还 出于尝试阶段。 Asgian15等人采用 Cundall 等人发展的离散单元法模拟了支撑剂充 填层中颗粒的受力运动 。 Mark Parke8等人采用 King 和 Biezen 提出的随机方法，并结合 Darcy 方程建立了随机模型去预测支撑剂的回流。 明尼苏达大学利用边界元方法开发了 Trubal 软件来模拟支撑剂的回 流16。 但这些研究成果均未有详细的理论介绍和报道。 就在国外的支撑剂回流控制技术不断完善和进步的同时，国内却尚 未见这一方面的研制和应用的详细报道。四川石油管理局井下作业处曾 在 8o 年代末试图开题研究，但因技术难度较大而搁浅。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 9 第二章第二章 压裂油井支撑剂回流及出砂控制模型的建立压裂油井支撑剂回流及出砂控制模型的建立 通过分析支撑剂回流机理，来建立压裂液返排过程中临界返排流量、 支撑剂返排速度和沉降速度计算模型、提出控制支撑剂回流的放喷油嘴 选择原则。在考虑油井生产过程中既要返排注入地层中的压裂液，同时 又不将地层砂(包括支撑剂)带入井筒的前提下，推导压裂气井的临界产 量计算公式，为指导压裂液返排和确定油井合理产能提供依据。 2.12.1 临界流量的建立临界流量的建立 以缝口单颗粒支撑剂为研究对象，得出支撑剂发生回流的临界流速 为 （2-1） 2() 3 ps lc d g u 式中，ulc临界返排流速，m/s；dp支撑剂颗粒直径，m；s 支撑 剂颗粒密度，kg/ m3；携带介质密度，kg/ m3。 临界流速还受返排压裂液黏度、裂缝闭合压力和裂缝宽度的影响， 对临界流速修正为 （2-2） , 2.918 lclc uu 则防止支撑剂回流返排量为的临界 （2-3） 2 15 lclc QD u 式中， 放大系数，一般在 1。01。2 之间取值；D井筒直径， m； Qlc临界返排流量，m3/min。 2.22.2 支撑剂的回流速度支撑剂的回流速度 当实际的返排流量大于临界返排流量时，就会发生支撑剂回流。 单个支撑剂颗粒在返排流体携带力、阻力和重力作用下的回流速度为 （2-4） 4 d() 3d ps ls u ds d ug u Ct 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 10 式中，ul携带介质流速，m/s； t时间，S；Cd阻力系数。 考虑到停泵时刻压裂液黏度和流动状态的影响，结合诺沃特尼 阻力系数计算公式，可得不同流动条件下支撑剂颗粒的回流速度 （2- 2 Re 1 1.6 1.4 Re 0.60.4 Re d ,2 18d 4.55 d ,2500 d d 1.74,500 d pss l as pss l u as pss l s dg u N t dg u uN t dg u N t 5） 2.32.3 放喷油嘴选择放喷油嘴选择 在油井压后强制返排过程中，可能会有很少一部分支撑剂回流到地 面。 排液过程中的支撑剂回流量由支撑剂回流速度和排液时间确定。 为防止在压裂液返排过程中出现大量支撑剂回流，要把支撑剂的临界返 排流量作为一个重要的参考依据，控制支撑剂返排。在前面建立模型基 础上还必须结合井筒内的流动进行计算。但需要说明的是，随着返排的 进行，井口压力是随时间降低的，所以，油嘴尺寸的优化过程是动态的 17。 2.42.4 控制压裂油井出砂的合理产量控制压裂油井出砂的合理产量 对于压裂油井，临界产量确定主要考虑了以下因素： （1）油井在生产过程中要能返排注入地层中的压裂液； （2）油井生产过程中，不能将压裂裂缝中的支撑剂带入井筒，否 则压裂裂缝就会闭合； （3）要考虑在一定的生产压差范围内生产； （4）考虑一定的稳定期。 根据低渗压裂油井临界产量的确定原则，即可得到油井生产的临界 产量必须存在关系 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 11 （2-6） qq 携液生产 （2-7） qq 携砂生产 （2-8） max pp 油井携液产量的计算公式为 （2-9） 1 2 4 4.76 10 l o p qA 携液 式中，A油管截面面积，m3；p井口压力，MPa；油液表面张力， N/m；l液体密度，kg/ m3；o原油密度，kg/ m3。 假设油井压裂中加入的砂粒都是球形的，且砂粒的堆积方式如图 2-1 所示。 图 2-1 裂缝中支撑剂的堆积方式及受力分析示意图 这里主要以砂粒 A 作为研究的对象，砂粒 A 受到气流的冲击力和 自身重力，以及 B 砂粒和 C 砂粒支撑力的作用，以 E 点作为研究点， 那么，要使砂粒 A 滚动，必定有 （2-10） FLGH 式中，F油流的冲击力； L冲击力F到E点的垂直距离；G砂粒的重力；H重力G 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 12 到E点的垂直距离。 其中，冲击力F可由 （2-11） 2 ooc FAv 计算，若砂粒半径 rd为则 （2-12） 31 , 22 dd Lr Hr （2-13） 23 4 , 3 ddc ArGrg 将式（2-11） ，式（2-12）和式（2-13）代入式（2-10）中，得 （2-14） 1 2 4 3 3 occ d o g vr 式中，rd砂粒的半径，m；c支撑剂的密度，kg/ m3。 假设压裂裂缝的宽度为 wf，裂缝的缝高为 h，砂粒的面孔率 k。根 据裂缝中的流动特性可知，只要井壁处的砂粒不被冲出，那么，整个裂 缝中的砂粒就不会被冲出。为此，在考虑流量时，以井壁处裂缝的流速 为准，并假设所有液体都是通过裂缝流入井筒的。这样，油井的日产量 为 （2-15） 286400/ ocfoco qkw hvB 由此可知，只要油井生产的产量小于 qoc，那么，该油井就不会破 坏裂缝中的支撑砂粒，使裂缝保持长期的有效性。 将式（2-14）代入式（2-15）中得 （2-16） 1 2 1 2 5 4 286400/ 3 3 4 1.516 10/ 3 3 ocfc do o fc do o g qkw hrB g kw hrB 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 13 第三章第三章 计算机程序编制及模型的应用计算机程序编制及模型的应用 3.13.1 计算机程序的编制计算机程序的编制 程序包括五部分：临界流量计算、回流速度计算、沉降速度计算、 携液产量计算、最大产量计算。通过这些程序可以得到控制支撑剂回流 的最佳返排速度和最大产量。 计算机程序 临 界 流 量 计 算 回 流 速 度 计 算 沉 降 速 度 计 算 携 液 产 量 计 算 最 大 产 量 计 算 合理的压裂液返排 速度 最大的 生产产量 不出现支撑剂回 流及出砂 图 3-1 计算机程序应用示意图 （1）压裂液临界流量计算 该程序是根据临界流量模型中式（2-3）编制的。它所涉及的参数 有支撑剂颗粒直径、支撑剂颗粒密度、携带介质密度、井筒直径以及放 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 14 大系数，通过计算可以得到控制支撑剂回流的临界流量。 图 3-2 临界流量计算机程序计算示意图 （2）支撑剂回流速度计算 该程序是根据支撑剂回流速度模型中式（2-5）编制而成的。它所 涉及是参数有携带介质关于时间的导数、支撑剂粒径、支撑剂密度、携 带介质密度、携带介质黏度以及雷诺数。该程序可以计算得到当携带介 质流速大于防止支撑剂回流的临界流速时的支撑剂回流速度。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 15 图 3-3 支撑剂回流速度计算机程序示意图 （3）支撑剂沉降速度计算 该程序是考虑颗粒间的相互干扰和裂缝壁面效应，支撑剂在幂律流 体中得到的沉降速度编制而成的。关于它的参数有压裂液流态指数、稠 度系数、混砂比、支撑剂体积、支撑剂体积密度、停泵时刻裂缝体积等， 由于该模型所涉及的部分参数在现场操作中不容易得到，所以程序应用 中没有计算支撑剂的沉降速度，但是不能否认该计算程序是防止支撑剂 回流的的重要研究部分。 （4）油井携液产量计算 该程序是根据控制压裂油井出砂的合理产量中油井携液产量公式即 式（2-9）编制而成的。它涉及的参数包括油管截面积、井口压力、油 液表面张力、液体密度、原油密度。通过该程序可以计算油井生产过程 中能返排压裂液的产量。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 16 图 3-4 压裂油井生产过程中携液产量计算机程序示意图 （5）油井最大产量计算 该程序是根据控制压裂油井出砂合理产量模型防止支撑剂运移计算 式（2-16）编制而成的。它包括压裂裂缝宽度、裂缝缝高、砂粒的面孔 率、砂粒半径、支撑剂密度、原油密度、原油体积系数等参数。通过计 算可以得到压裂油井防止支撑剂回流的最大日产量。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 17 图 3-5 压裂油井生产过程中防止支撑剂回流最大产量计算机程序示意图 3.23.2 压裂液返排过程中支撑剂回流模型应用压裂液返排过程中支撑剂回流模型应用 根据前面建立的压裂液返排控制模型，对某油田油井压裂停泵后即 刻返排进行了计算。主要的输入数据：施工排量 3.4 m3 / min，施工时 间 64.7 min，支撑剂 35 m3，闭合压力 22 MPa，瞬时关井井口压力 12.5 MPa，静液柱压力 15 MPa，压裂液流态指数 0.56，压裂液稠度系数 0.211 Pasn，支撑剂视密度 2850 kg/ m3，支撑剂体积密度 1710kg/m3， 支撑剂平均粒径 0.8 mm，返排液密度 1020kg/ m3，井筒半径 80 mm。 采用模拟软件预测施工停泵时的裂缝向上延伸 8.0 m，向下延伸 13.0 m。 图 3-6 为预测出的关井后的压降曲线。计算表明只有当井口压力小 于 8.13 MPa 时，裂缝才能闭合。由图 3-2 可知，裂缝在关井后 200 min 还不能闭合。这主要是该井渗透性太差、滤失性太低的原因。如果压裂 停泵之后采用裂缝自然闭合方式，可能对储层造成二次伤害，因此建议 采用裂缝强制闭合技术。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 18 图 3-6 预测的施工后关井压降曲线 预测了不同放喷油嘴直径对应的井口压力变化规律、裂缝闭合时间 以及返排排量随时间的变化关系。油嘴直径越大，井口压力下降越快。 当井口压力下降到 8.13 MPa 时，裂缝基本闭合。通过对比不同油嘴对 应的井口压力与时间关系不难发现，油嘴直径越大，返排速度就越快， 裂缝闭合时间也就越短。但对于直径为 1mm，2mm 和 3mm 的油嘴而言， 压力下降得非常慢，在放喷 200 min 后，对于该压裂井而言，至少要使 用 3 mm 以上的油嘴进行放喷。 图 3-7 为不同油嘴直径所对应的支撑剂沉降距离和出砂量的计算结 果。采用不同的油嘴直径进行放喷，裂缝闭合时对应的支撑剂最大沉降 距离随着油嘴直径的增加而减小，而支撑剂回流量随着油嘴直径的增加 而增加。从减少缝中支撑剂的沉降距离形成裂缝有效支撑角度而言，油 嘴直径越大越好，但当油嘴直径变大以后，缝中回流的支撑剂量也随着 迅速增加。因此，必须找一个平衡点，考虑到支撑剂沉降距离一般不应 大于裂缝上延伸高度，本文取最佳油嘴直径为 5mm。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 19 图 3-7 不同油嘴下支撑剂沉降距离与回流量的关系 根据计算机程序计算，该井防止支撑剂回流的临界返排流量为 0.122m3/min，很显然这个返排速度太慢，虽然不会引起支撑剂回流但 是长时间的返排会造成产层的二次伤害。 下面就对支撑剂回流速度进行分析，根据支撑剂回流速度计算模型， 随着 dul/dt 的变化，支撑剂回流速度是变化的。同时支撑剂回流速度还 受携带介质流动形态而改变。 当 NRe2 时，分别对 dul/dt 进行取值为 4，6，8，10 计算得到对应 的支撑剂回流速度。 表 3-1 NRe2 时对应 dul/dt 的支撑剂回流速度 dul/dt46810 uu/ m/s1.3810-66.2210-51.2310-41.8410-4 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 20 NRe2时对应dul/dt的支撑剂回流速度 0.00E+00 5.00E-05 1.00E-04 1.50E-04 2.00E-04 051015 du1/dt uu/ m/s uu/ m/s 图 3-8 NRe2 时 dul/dt 于支撑剂回流速度的关系 当 2NRe500 时，分别对 dul/dt 进行取值为 4，6，8，10 计算得到 对应的支撑剂回流速度。 表 3-2 2NRe 500 时对应 dul/dt 的支撑剂回流速度 dul/dt46810 uu/ m/s1.9710-32.9810-24.8510-26.0610-2 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 21 2NRe 500时对应dul/dt的支撑剂回流速度 0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 6.00E-02 7.00E-02 051015 du1/dt uu/ m/s uu/ m/s 图 3-9 2NRe 500 时 dul/dt 与支撑剂回流速度的关系 当 NRe500 时，分别对 dul/dt 进行取值为 4，6，8，10 计算得到 对应的支撑剂回流速度。 表 3-3 NRe500 时对应 dul/dt 的支撑剂回流速度 dul/dt46810 uu/ m/s1.3610-29.1110-21.2810-11.5710-1 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 22 NRe 500时对应du1/dt的支撑剂回流速度 0.00E+00 2.00E-02 4.00E-02 6.00E-02 8.00E-02 1.00E-01 1.20E-01 1.40E-01 1.60E-01 1.80E-01 051015 du1/dt uu/ m/s 系列1 图 3-10 NRe500 时对应 dul/dt 的支撑剂回流速度 对表 3-1、表 3-2、表 3-3、图 3-8、图 3-9、图 3-10 进行分析，纵 向比较，支撑剂回流速度随着 NRe的增加而增加；横向比较，支撑剂回 流速度随着 dul/dt 的增加而增加。由此可见为了防止支撑剂回流一定要 控制好返排流量，并且保持流量的稳定性，以免返排速率的变化引起支 撑剂的运动而导致回流。 综上对返排过程中支撑剂回流的分析，压裂液返排要做到以下两点： 第一控制好返排速度并且并且返排速度的稳定性，避免返排速度过大或 者速度变化引起支撑剂的回流影响压裂效果；第二在控制好返排速度的 前提下要保持一个较高的返排速率，使地层中的压裂液在较短的时间内 返排出来，避免压裂液的地层中时间过长对地层造成二次伤害，使地层 的导流能力受到影响。 3.33.3 压裂油井生产过程中出砂控制模型应用压裂油井生产过程中出砂控制模型应用 以某油田一井实测数据为例，裂缝宽 3 mm，裂缝高度 23.4 m，支 撑剂密度 1730 kg/ m3，砂粒半径 0. 4 0. 9 mm，砂粒面孔率 10. 5 %， 原油相对密度 0.85 地层压力 26.9 MPa，地层温度 88. 9 井底流压 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 23 21.6 MPa。 根据前面对生产过程中出砂控制的研究首先对油井的携液产量进行 计算结果为 6.13 m3/d。 下面对该油井的临界产量进行计算，根据防止支撑剂回流的最大产 量程序得计算结果为 112.93 m3/d，即生产过程中控制在这个产量以内就 不会出现支撑剂回流，一旦大于这个生产速度就可能有支撑剂回流现象。 下面对不同日产量下的液体流速和支撑剂回流情况进行讨论。取日 产量分别为 112 m3/d，150 m3/d，200 m3/d，根据程序计算这些产量下的 液体的流速。 表 3-4 压裂油井不同日产液量对应液体流速 日产量/ m3/d112150200 液体流速/ m/s0.1180.1470.196 作出油井日产液量与液体流速的关系图如下 油井日产液量与液体流速 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0100200300 油井日产液量/m3/d 液体流速/m/s 液体流 速/m/s 图 3-11 油井日产液量与液体流速的关系图 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 24 结合压裂液返排过程中返排的临界速度为 0.146m/s，以上图表说明 当产量过大时液体流速会超过支撑剂所允许的临界流速时，就有可能出 现支撑剂回流，所以当该井把产量定在 150m3/d 和 200 m3/d 时就会发生 支撑剂回流，所以把产量定在 110 m3/d 左右比较合适。 综上对生产过程中出砂控制的研究，对于压裂油井生产过程一定要 采用一个合理的采油速度，不要为了追求最大的经济效益而使产量放的 尽可能大。如果生产速度过快，高速流动的液体冲刷近井筒地带的砂拱， 引起支撑剂充填失效，导致支撑剂回流，从而导致人工裂缝的支撑状况 变差，导流能力下降，影响油井产量，或导致井底沉砂堆积掩埋油层， 或出砂侵蚀地面油嘴和阀门，影响采油工作的正常进行。所以一个合理 的采油速度不仅可以延长压裂的有效期，而且可以减少作业次数和设备 损失，从而提高经济效益。 中国石油大学（北京）中国石油大学（北京）现现代代远远程教育程教育毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 25 第四章第四章 总结总结 通过对压裂井返排优化设计研究，对支撑剂回流机理分析，要实现 防止支撑剂的回流可以做以下几点： 1、从支撑剂方面来讲，使用改造支撑剂工艺技术如树脂涂层支撑 剂防砂技术、纤维防砂技术、热塑性薄膜防砂技术、可变形支撑剂防砂 技术等来有效的防止支撑剂回流。 2、从压裂工艺方面来讲，建立的压裂液返排过程中临界返排流