水力压裂原理1.ppt

水力压裂 HydraulicFractureStimulation 水力压裂 是什么 液体连续注入使得人工裂缝变得更大 液体将高强度的固体颗粒 支撑剂 带入并充填裂缝 施工结束 液体返排 支撑剂留在裂缝中 形成高流通能力的油气通道 并扩大油气的渗流面积 利用液体传递压力在地层岩石中形成人工裂缝 基本概念 利用地面高压泵组 以超过地层吸收能力的排量将高粘液体 压裂液 泵入井内 而在井底憋起高压 当该压力克服井壁附近地应力达到岩石抗张强度后 就在井底产生裂缝 继续将带有支撑剂的携砂液注入压裂液 裂缝继续延伸并在裂缝中充填支撑剂 停泵后 由于支撑剂对裂缝的支撑作用 可在地层中形成足够长 有一定导流能力的填砂裂缝 压裂作用及增产机理 沟通油气储集区 扩大供油面积 砂岩储层中的透镜体 裂缝性油藏的裂缝和溶洞 改变井筒周围渗流特征 降低渗流阻力 节约地层能量 克服井底附近污染 在油气勘探开发中的作用 1 勘探阶段增加可采储量 美国可采储量的20 30 通过压裂获得 2 开发阶段增加油气井产量和注水井的注水量 调整油田开发矛盾 改善吸水 出油剖面 提高采油速度 提高油田采收率 3 其它方面控制井喷 煤矿开采 工业排污 废核处理等 为什么要压裂 增加油气井的生产能力 油气井水力压裂 低渗透储层通过压裂达到经济开采产量中等渗透储层的伤害要消除或需要更优的回报高渗透储层的伤害要消除或防砂 1947 1948 水力压裂的发展 1947 7 美国开始第一口井的压裂施工 用交联的煤油 汽油混合油 1948 获得专利 在商业应用前压裂了23口井 水力压裂的历史 水力压裂商业性应用开始于1949年 1949早期 哈里伯顿油井固井公司获得唯一的 水力压裂 许可证当年进行了332口井的压裂75 成功 1949 3在美国俄克拉荷马州的维尔玛进行了第一次商业性的压裂施工 早期施工使用几百磅的手筛河砂和凝胶油现在使用成百上千吨的砂或人造支撑剂和冻胶或泡沫压裂液注入排量为第一次压裂施工排量的5到50倍 从第一次压裂到现在 第一次百万磅 454吨 支撑剂的压裂1974年5月 1988年大型压裂 91MPa下加入817吨20 40陶粒 在90年代 1997 一口井7层压裂施工加入支撑剂 14 000 000磅 6356吨 2 000m水平井 北海 1995 98 平均每月压裂2000口井 进入2000年 理解 控制多裂缝新方法新技术用在大斜度井或水平井的裸眼段压裂中3 D实时裂缝几何尺寸测绘 微地震波监测 井下测斜 水力裂缝生长过程 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 第一节压裂机理 时间 压裂泵注的阶段 裂缝方向总是垂直于最小主应力 一 地应力及岩石力学参数 x z y 当 z最小时 形成水平裂缝 裂缝形态及方位 x z y y x z 当 z x y 形成垂直裂缝 裂缝面垂直于 y方向 当 z y x 形成垂直裂缝 裂缝面垂直于 x方向 理想裂缝 实际可能出现下列情况的裂缝 射孔方位 1 射孔方位与最大水平主应力方位平行 最有利 2 射孔方位与最小水平主应力方位平行 最不利 3 射孔方位与最大水平主应力方位成一定角度平行 有一定影响 二 地应力测量 解释方法 1 地应力方位测量 2 地应力大小测量 三 地层岩石破裂机理和破裂压力 地层岩石破裂 井底压力大于地层有效应力及岩石的抗张强度 1 定义 破裂压力梯度 2 理论计算 3 统计值油田使用的破裂压力梯度通常是根据大量的压裂实践统计出来的 一般范围在0 015 0 025MPa m之间 根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态 当 0 022 0 025MPa m 形成水平裂缝 降低破裂压力措施酸化预处理高效射孔密集射孔 四 裂缝设计模型 2 D模型简化3 D模型有限元3 D模型 裂缝模型 2D模型PKNCGD KGD 径向3D模型拟三维集成三维全三维非平面三维 商业化压裂软件 2 D模型 PKN KGD Daneshy Radial 众多 简化3 DFracproorFracproPTM FracStimPlanorE StimPlan 有限元3 DTerraFracGOHFER 黑箭头表示油气流动路径 无裂缝的油气径向流动 五 水力压裂增产机理 降低渗流阻力 增大渗流面积 有裂缝后油气流动变成 线性 流动 含油气的多孔储层岩石 水力裂缝 流动变化 后期 拟径向流 初期 地层线性流 早期 双线性流 第二节压裂设计 一 选井选层基本原则 1 油气井必须有足够的剩余储量以及地层能量 2 前次压裂由于施工原因造成施工失败 在对失败原因进一步分析的基础上加以改进 有望获得成功 3 前次压裂成功 但产量下降快 如果是因为改造规模不够或者支撑剂破碎严重 有望获得成功 4 前次压裂后生产情况较好 但未能处理整个气层或者处理规模不够 采取重复压裂有可能成功 根据油气井生产历史 地质评价结果以及油田开发动态综合分析 找出油气井低产的原因 进行选井选层决策 二 油藏模拟 1 区块整体压裂油藏模拟在实际井网和油层条件下 以油藏作为一个工作单元 进行开发井网与水力裂缝的优化组合设计 并预测其一 二次采油期产量 扫油效率 以及采出程度等动态变化结果 以提高采油速度及油藏采收率 油藏模拟 考虑人工压裂裂缝对流体渗流的作用 模拟有 无压裂井时的油藏生产动态 模拟任意方位 任意倾向人工裂缝及不同缝长不同裂缝导流能力对油气井和油气藏动态的影响 以区块整体产量 效益或扫油效率为目标 选择与油藏相匹配的裂缝参数 裂缝半长 裂缝导流能力 生产井裂缝长度对日产量的影响 生产井裂缝长度对采出程度的油影响 生产井裂缝长度对累产油量影响 生产井裂缝长度对含水率的影响 裂缝的导流能力对累积产量的影响 储层渗透率范围 2 单井压裂油藏模拟 2 单井压裂油藏模拟 在地层实际物性参数条件下 计算不同支撑缝长 不同裂缝导流能力下井的产量 支撑裂缝对井生产能力的影响最重要的参数 有效支撑缝长裂缝导流能力支撑的产层厚度 增产与裂缝长度 增产与裂缝长度 低渗透地层 增产与裂缝长度 增产与裂缝长度 增产与裂缝长度 增产因数 高渗透地层 SkinFactor 20 有效支撑缝长 增产与裂缝长度 产层全部被支撑 高渗透 中渗透 低渗透 Tinsley s 增产因数 有效支撑裂缝半长 英尺 高渗透 中渗透 低渗透 只有产层厚度的20 被支撑 裂缝参数设计优化 三 压裂软件1 国内 石油大学 西南石油学院 万庄分院早期开发的软件 现已基本不用2 国外商业化压裂软件 2 D模型 PKN KGD Daneshy Radial 众多 简化3 DFracproorFracproPTM FracStimPlanorE StimPlan 有限元3 DTerraFracGOHFER 第三节压裂液 一 压裂液的作用传递能量 压开地层 输送支撑剂阶段不同分为 1 预前置液 预处理液 2 前置液3 携砂液4 顶替液 二 压裂液性能 1 流变性 n k 粘温曲线2 滤失性3 稳定性 热稳定 剪切稳定 放置稳定4 降阻性5 携砂性6 配伍性7 低残渣 低伤害8 易返排9 低成本 液体类型油基水基乳化液N2和CO2泡沫表面活性胶束 清洁压裂液 常用三种类型压裂液的优缺点 三 压裂液分类 油基压裂液优点 不会造成粘土膨胀低界面张力与地层流体配伍 油基压裂液缺点 安全和环境的危害要考虑高成本应用温度范围有限配制不容易 水基压裂液优点 安全有效经济批量或连续配制破胶时间可控应用温度范围广 水基压裂液缺点 地层配伍性与地层矿物反应与地层流体反应液体滤失的影响低渗透储层排液问题低压井的排液问题排液时间及裂缝清理问题 泡沫压裂液优缺点 优点 60to85 N2orCO2粘度高低滤失输砂好进入地层液体少足够的裂缝导流最少的地层伤害返排好缺点 施工压力高 成本高 压裂液化学添加剂 杀菌剂粘土稳定剂pH调节剂稠化剂降滤失剂表面活性剂交联剂破胶剂 降滤失剂 硅粉 粉砂 粉陶可降解的油溶性树脂柴油不能溶解的气体 20 N2 第四节压裂支撑剂 石英砂 陶粒主要指标抗压强度 破碎率圆球度粒径密度 视密度 体积密度 导流能力支撑剂选择 主要根据地层的闭合压力大小 支撑剂样品 不同铺砂浓度的导流能力 3 0lb ft2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 2000 4000 6000 8000 闭合压力 psi 导流能力 md ft 0 5lb ft2 1 0lb ft2 2 0lb ft2 不同粒径支撑剂导流能力 0 2000 8000 闭合压力 psi 导流能力 md ft 2 0lb ft2 12 20 mesh 16 30 mesh 20 40 mesh 4000 6000 20 00015 00010 00050000 2000 不同支撑剂的导流能力 15 000 AllDatafor2 0lb ft2 闭合压力 psi 导流能力 md ft 20 40Bauxite 20 40Sand 20 40Ceramic 10 00080006000400020000 0 5000 10 000 常用陶粒砂技术指标 1 达到限压不能压开地层 高进入摩阻 高孔眼摩阻 严重的裂缝弯曲 重新射孔 用支撑剂段塞开始用高粘液体增加凝胶量增加排量以后的井少射孔 第五节常见问题及处理 常见问题及处理 2