（油气井工程专业论文）端部脱砂压裂防砂优化设计.pdf

t h eo p t i m u md e s i g no fs a n dc o n t r o lb yt s o f r a c t u r i n g z h a n g x i n ( o i l & g a s w e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e n g y u a n - f a n g a b s t r a c t t h es a n dc o n t r o lb yt s o f r a c t u r i n gw a sa n a l y z e da n di n v e s t i g a t e db y t h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n f i r s t l y , t h em e c h a n i s mo ft s oa n ds a n dc o n t r o lb yt h ef r a c t u r i n gw e r ea n a l y z e d a n ds u m m a r i z e d s e c o n d l y , af i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sm o d e lt ot h ef r a c t u r e o ft i ps e m e no u tw a sf o u n d e db yt h ed r u c k e r - p r a g e rc r i t e r i o n t h e c r e a t i n gf r a c t u r ep h a s ew a ss i m u l a t e db yt h i sm e c h a n i c sm o d e l i nt h i s p h a s et h ef r a c t u wl e n g t ha n dh e i g h tl 。e e pc o n s t a n t i n v e s t i g a t et h ec h a n g eo f t h ef r a e m mw i d t ha n dt h ep l a s t i cs t r a i nn e a rw e l l b o r ew h i l ec h a n g i n gt h e p r e s s u r eo nt h ef r a c t u r e t h em e c h a n i s mo f t s o w a su n d e r s t o o dd e e p l y i n o r d e rt ou n d e r s t a n dt h ec o m p a c t i o nc h a r a c t e ro fu n c o n s o l i d a t e ds a n d ，t h e c h a n g eo fp o r o s i t ya n dt h er o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sd u r i n gt h et s o f r a c t u r i n g 。c o m p a c t i o ne x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n e i tc a nb ek n o w nb yt h e e x p e r i m e n t , t h ep o r o s i t yr e d u c e da n d t h ee l a s t i cm o d u l u sa u g m e n t e dw h i l e t h ec o m p r e s s i o nr a t i ow a si n c r e a s i n g b a s e do nt h ev o l u m ec o n s e r v a t i o n t h e o r y ，t h er e l a t i o n s h i po ft h ec o m p r e s s i o nr a t i oa n dt h ef r a c t u r ew i d t hw a s f o u n d e d t h e n , t h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i po ft h ep o r o s i t ya n dt h ee l a s t i c m o d u l u sw i t ht h ef r a e r l r ew i d t hw e r ef o u n d e d b a s e do nt h ec o n c l u s i o no f t h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n , a n o p t i m u m s o f t w a r ew a s c o m p i l e db yv b 6 0 i tc a nf i n do u t t h es a n do u tt i m e i i i a n dt h eo p t i n l i z e d 谢d 电a l s o 啪o p t i m i z et h ep r o d u c i n g p r e s s u r ed r o pa n d d e l i v e r a b i l i t ya n a l y s i s k e yw o r d s ：t s o ，p l a s t i cs t r a t a , e l a s t i cm o d u l u s ，p o r o s i t y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的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的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国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作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：毯叁五功z 年多月2 ；日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名；歪叁2 即z 年妒月二歹日 导师签名： 缉呈篷垄 ：剜年，月2 3 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究目的及研究意义 油层出砂是疏松砂岩油层开采过程中的常见问题之一。对于疏松砂 岩油藏，出砂是提高采油速度的主要障碍。我国疏松砂岩油藏分布范围 较广、储量大，其产量占有重要的地位。油井出砂是这类油藏开采的主 要矛盾。出砂危害极大，油井出砂会导致产量降低；砂埋油层或井筒砂 堵造成油井停产；出砂使地面和井下设备严重磨损、砂卡；频繁地冲砂 检泵、地面清罐等使得维修工作量剧增，既提高了原油生产成本，又增 加了油田管理难度。因而，油井防砂技术的研究和发展对疏松砂岩油藏 的正常生产至关重要，是正常生产的重要保证。 常规防砂方法虽然能在一定时间内达到防砂目的，但通常是以牺牲 油井的部分产能、伤害油层为代价。如化学固结是把一种化学物质注入 井眼附近，使其强度增大以防止出砂的方法，但这种方法会降低油层的 渗透率；砾石充填由于对颗粒产生了架桥作用而减少了出砂，但是这种 方法不能克服井底固有的污染带，还会使油井产能进一步损失，而且随 着时间的增长，砾石的渗透率会降低。近井眼附近砾石渗透率的损伤会 产生很高的正表皮系数，使得油井产量大幅度降低。 随着压裂技术的不断发展，新的端部脱砂压裂防砂工艺弥补了上述 缺陷，可以达到控制出砂、穿过近井眼的损伤和增产的目的，是一种被 广泛接受的有效技术。 脱砂压裂是一项既能有效防砂又能增加产能的新型防砂技术，在 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 中、高渗透油气层和不稳定松软地层得到了快速的发展和应用，同时也 成为一种新的完井方式。对于新区的开发，应用脱砂压裂完井，可以最 大限度地减少开发井数，降低生产成本。目前这种技术在国外油田己大 量使用，并取得了很好的效果，因此该项技术具有独特的技术优势和巨 大的应用潜力，研究脱砂压裂防砂技术具有十分重要的现实意义。 1 2 端部脱砂压裂防砂研究现状 1 2 1 水力压裂技术 水力压裂技术自1 9 4 7 年在美国堪萨斯州试验成功至今已有近半个世 纪“1 ，作为油井的主要增产措施正日益受到世界各国石油工作者的重视 和关注，其发展过程大致可分以下几个阶段： 2 0 世纪6 0 年代中期以前，以研究适应浅层的水平裂缝为主。这一时 期我国主要以油井解堵为目的开展了小型压裂试验。 2 0 世纪6 0 年代中期以后，随着产层加深，以研究垂直裂缝为主。这 一时期的压裂目的是解堵和增产，通常称之为常规压裂。这一时期我国 进入工业性生产实用阶段，发展了滑套式分层压裂配套技术。 2 0 世纪7 0 年代，进入改造致密气层的大型水力压裂时期。这一时期 我国在分层压裂技术的基础上，发展了适应高含水量所需的蜡球选择性 压裂工艺，以及化学堵水与压裂配套的综合改造技术。 2 0 世纪8 0 年代，进入对低渗油藏改造时期。除压裂低渗透油层来提 高原油和天然气产量之外，还对二次采油方案的生产井和注水井进行压 裂，压裂干热岩层的生产井和注水井。这一时期我国发展了适用于低渗 透、薄油层多层改造的限流法完井压裂和投球法多层压裂技术。 2 0 世纪9 0 年代，从各种不同的方向研究了与水力压裂技术有关的新 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 材料、新技术、新方法和新工艺，其主要包括以下几个方面：1 ) 研制发 展支撑剂系列嘲；2 ) 研制新型压裂液和添加剂啪；3 ) 压裂液流体力学和 流变学发展啪；4 ) 高砂比压裂技术发展与优化嘲；5 ) 重复压裂技术发展 鲫；6 ) 压裂监测技术发展m ；7 ) 压裂中缝高控制技术发展；8 ) 压力设 计方法改进。 1 2 2 端部脱砂压裂技术 1 9 8 7 年，s m i t h 嘲等人第一次创造性地提出了裂缝端部脱砂( t s o - - t i ps c r e e no u t ) 压裂技术，使得经典的压裂技术在裂缝扩展理论和 技术应用领域等方面发生了革命性的变革。从此，压裂技术体系中出现 了“常规压裂技术”和“脱砂压裂技术”两个分枝体系。常规压裂技术 主要适用于低渗透地层，而脱砂压裂技术主要用于中高渗透地层。 在s m i t h 等人提出裂缝端部脱砂压裂之间( 2 0 世纪8 0 年代中后 期) ，裂缝的扩展模型还基本上停留在二维模型阶段，即假定缝高达到 压裂层段厚度之后不再变化，只有缝长和缝宽在层内对应扩展。因此， 只要在裂缝“端部”形成脱砂带，阻止裂缝向缝长继续扩展，就能够迫 使裂缝向宽度方向快速扩展，达到造“短宽裂缝”的目的，现场实践中 也确实有一些地层的压裂裂缝能够限定在压裂层以内( 符合二维扩展条 件) 。 进入二十世纪九十年代，国外关于端部脱砂压裂的研究和应用进入 了快速发展时期，现场上主要在压裂防砂完井等领域取得了较好的试验 效果，也陆续发表了不少相关论文。尽管这期间经典压裂理论中的裂缝 扩展模型已经从二维模型发展到了三维模型，包括有些关于脱砂压裂方 面的文章也采用了三维模型进行裂缝扩展模型设计，但是在有关的理论 分析和设计技术等方面仍然没有突破s m i t h 等人关于裂缝端部脱砂压 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 裂技术的框架，而且某些重要的基础理论问题也没有得到研究解决 1 2 3 端部脱砂压裂原理和技术特点 ( 1 ) 端部脱砂压裂原理 在压裂施工中，压裂液被地面泵注设备以大排量快速泵注到井底， 由于压裂液的泵注速度远远大于井底射孔层段地层的滤失速度，井底压 力被快速憋起：当井底压力达到地层破裂压力时，地层岩石开始产生裂 缝，压裂前置液随即进入裂缝。在注液速度大于液体滤失速度的情况下， 裂缝继续扩展，当前置液全部进入裂缝以后，由于不断向地层滤失，前 置液越来越少，最终全部滤失进地层。此时，缝内砂浆前缘到达缝宽很 小的裂缝前缘端部，其中的砂粒被卡在具有一定硬度的裂缝壁面之间不 再流动。随着注液过程的继续，在裂缝端部的窄小地带逐渐积聚形成一 定的脱砂带( 砂桥) ，后续的压裂液通过脱砂带越来越困难，当液体供给 速度和其滤失速度达到动态平衡之后，该地带压力逐渐下降以至达不到 扩展裂缝所需的压力，从而使裂缝不能向缝长和缝高方向继续扩展。在 地面泵注液体的速度恒定的情况下，裂缝体积的膨胀速度由于滤失速度 越来越小而逐渐加快，也就是缝宽的增长速度在加快。上述脱砂压裂过 程一直持续到缝宽或井底压力达到设计限定值才停止删。因此，裂缝 端部脱砂压裂可以在一定程度上控制裂缝的长度和高度，获得较大的裂 缝宽度，形成“短宽裂缝” 常规压裂要求泵注足够的前置液充分造缝，当施工结束时缝内砂浆 前缘接近或恰好到达裂缝前缘。如图1 - 1 ( a ) 所示。端部脱砂压裂要求 在泵注携砂液过程中，缝内砂浆前缘提前到达裂缝周边，从而限制缝长 缝高的进一步增长，促使缝宽较快地增大。因此，成功的端部脱砂应该 是裂缝周边脱砂：裂缝前端及上、下边任何部分不脱砂都不能完全达到 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 预期目的。如图卜1 ( b ) 所示。 a 嚣娓压裂俘泵时b 脱l 啦裂 图1 - 1 缝内砂浆状态示意图 ( 2 ) 技术特点“”： 1 ) 压裂液粘度低于常规压裂，但必须慎重优选。液体粘度要求满 足两个相互矛盾的方面：一是保证液体悬砂，二是利于脱砂。若粘度太 低，缝内不能保证悬砂，缝上部分会出现无砂区，达不到周边脱砂目的： 另外，粘度太低也容易导致井筒沉砂。若粘度太高，滤失较慢，难以适 时脱砂。所以端部脱砂压裂对液体粘度的要求比常规压裂更严格一些： 2 ) 泵注排量一般应低于常规压裂。主要目的是减缓裂缝延伸速度、 控制缝高和便于脱砂： 3 ) 前置液用量比常规压裂少，目的是使砂浆前缘能在停泵前到达 裂缝周边： 4 ) 加砂比通常高于常规压裂( 因排量小，砂比可以提高上去，见图 卜2 ，以提高裂缝支撑效率。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 美 詈 叠 = 采i l ：时l j 图1 2 端部脱砂与常规压裂加砂曲线区别示意图 5 ) 裂缝延伸规律及施工压力特点 常规压裂在整个施工过程中，裂缝长、宽、高一般都是不断增长的 ( 遇到坚硬遮挡层时缝高停止增长) ，而井底压力是基本稳定的。端部脱 砂压裂在出现脱砂之前，裂缝增长规律及压力特征同常规压裂一样；但 开始脱砂后缝长和缝高不再增大，只有缝宽较快地增大，井底压力开始 按一定速率稳步升高( 见图卜3 ) 。 ， 工 ， j ， 乱 t s ot 图1 3 裂缝尺寸变化及压力特征示意图 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 4 端部脱砂压裂设计 端部脱砂压裂成功的关键在于压裂设计是否合理。在国内外虽有大 量应用，但在精确预测端部脱砂发生的时问、脱砂后裂缝中流体的流动 脱砂后对裂缝几何尺寸的影响等方面有待进一步完善。特别是实施部脱 砂压裂技术时，随着缝宽的扩展，裂缝上窜下跳将会比常规压裂更会严 重，因此必须将控缝高压裂技术和端部脱砂压裂技术结合起来使用，这 又进一步增加了端部脱砂压裂优化设计的难度和深度。 端部脱砂压裂过程可分为两个阶段：造缝到出现端部脱砂的常规 压裂阶段；裂缝膨胀变宽及支撑剂大量充填阶段。对第一阶段可采用常 规压裂拟三维和全三维模型进行压裂设计。在裂缝扩宽一充填阶段以第 一阶段结束时的参数为初始参数，通过物质平衡计算或其它方法进行压 裂程序设计。 m a r t i n s m l 等人基于物质平衡计算，提出了一套端部脱砂压裂设计 方法，主要步骤是： 选择合理的缝长；用常规压裂设计方法确定达到该缝长的时间 和此时的压裂液效率，作为端部脱砂出现的时间t t s o 和此时的液体效 率e t s o ；确定第一级低砂比加砂时间；选择第一级加砂结束时间 t t s o j ，计算此时的压裂液效率e t s o j ；用e t s o j 计算下一段混砂液 主体加砂开始时间t m s ；设计从t t s o j 至t m s 时间内的填砂浓度剖面， 计算总加砂量；计算裂缝中的填砂浓度；估计填砂期间泵压的上升 情况，因为没有考虑裂缝充填区的影响，估计的压力范围是偏低的； 调整设计参数，重新计算，进行优化设计。 端部脱砂压裂施工的成功率取决于压裂设计的合理性，其中压裂液 的滤失系数最为关键“”，因此，一定要把这个值确定准确，一般通过小 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 型压裂测试来确定。 1 2 5 端部脱砂压裂的适用范围与施工中的问题 ( 1 ) 适用范围 利用脱砂压裂比较理想的油井有： 1 ) 油井需要限制裂缝尺寸或者需要穿过井眼损伤地带； 2 ) 油层不适宜基底酸化； 3 ) 油层是中高渗透油层，有或没有油层伤害； 4 ) 油井需要控制产量而用来防砂( 或者防止油层破坏) ； 5 ) 油井初期被砾石充填但是由于孔眼坍塌和由于颗粒运移而阻塞 砾石造成的产量降低。 ( 2 ) 端部脱砂压裂施工中潜在的问题 端部脱砂压裂施工主要表现为高排量、高砂比、高泵压、缝内高填 砂浓度。因此，潜在的一些问题及排除方法是“”： 1 ) 超压。当在射孔孔眼处发生脱砂时会引起管线、管柱及地面管 汇超压。这是最坏的一种情况，所以一定要在作业管线上安装保险阀， 另外采用大射孔枪射孔，限制砂比及支撵剂大小等可以避免发生超压。 2 ) 作业管线磨损快。这可通过采用大直径、多级管柱或低排量降 低高砂比混砂液流速，或通过压裂液早期交联等措施减少磨损。 3 ) 从压裂管柱中清洗出支撑剂。当发生炮眼脱砂或其它意外情况 必须终止作业时，必须清洗管柱。 4 ) 支撑剂回采。经验表明，在一些高产井中，压后支撑剂回采非 常严重。尤其在返排阶段。可通过地下或地面胶结支撑剂或通过砾石充 填筛管、封隔器等方法解决。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 1 3 防砂技术研究现状 1 3 1 出砂预测技术 疏松砂岩油藏开采中的主要矛盾之一是油井出砂。对尚未全面开发 的疏松砂岩油藏或区块，利用系统的出砂预测技术，对油田进行出砂评 价十分重要。包括论证判断是否出砂，出砂程度，各种因素对出砂的影 响，防砂的必要性和防砂时机。这些论证十分有利于油田开发的早期科 学决策，避免投资风险，有助于筛选合理的防砂方法和工艺技术。 ( 1 ) 常用出砂预测指标 1 ) 出砂指数：出砂指数又称产砂指数或单向弹性模量悯，出砂指 数法理论上未考虑射孔及产液对岩石颗粒拖曳力的影响，该方法在一定 程度上得到了应用。 2 ) 斯伦贝谢比：用斯伦贝谢比判断出砂虽然比出砂指数准确，但 公式计算中涉及到横波。以前采用此方法预测出砂，现在应用不多。 3 ) 声波时差法：采用声波在地层中和传播时差可以进行出砂情况 预测。通常采用声波时差最低临界值进行出砂预测。 4 ) 地层孔隙度：一般认为，地层的孔隙结构与地层的胶结强度有 关，可利用地层孔隙度变化情况进行出砂预测。 5 ) 单参数法：此模型的形式最简单，只有一个参数，如极限井深 准则“”，在该深度以下才会出砂：此外还有声波传递时间准则“”。单参 数模型简单易用，但偏保守“”。 6 ) 双参数法“”侧：单参数模型中未考虑油藏压力衰减及生产压差 的影响，在双参数模型中考虑了这两个因素。 7 ) 多参数法：多参数模型在出砂因素中考虑深度、声波传递时间、 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 产率、生产压差、生产指数、泥质含量、含水量、含气量等因素，利用 线性回归建立极限生产压差与这些因素的关系哪! 建立出判别函数，用 该函数判别油井是否出砂。该方法因所需数据太多，故不常用。 ( 2 ) 室内试验预测出砂 目的是观察和模拟控制环境下的出砂行为，认识出砂机理及各类生 产工艺与参数对出砂的影响。还可以根据出砂试验结果验证理论模型， 并与现场生产状况结合进行出砂预测阎。 1 3 2 防砂技术 根据防砂原理和特点，目前主要的防砂方法大致可以分为砂拱防 砂、机械防砂、化学防砂、和其它防砂方法等几类： ( 1 ) 砂拱防砂嘲 砂拱防砂是指油、气井射孔完井后不再下入任何机械防砂装置或充 填物，也不注入任何化学药剂的防砂方法。砂拱防砂的机理如同拱桥承 载一样，许多砂粒在炮眼口处形成砂拱，具有一定的承载能力，挡住地 层砂随液产出。 砂拱防砂成败的关键在于砂拱的稳定性。要想保持砂拱的稳定性必 须考虑两个关键问题；一是降低并稳定地层流体产出速度；二是保持或 提高井筒周围地层的径向应力。 ( 2 ) 机械防砂方法 机械防砂方法主要分为两大类，第一类时仅下入机械管柱的防砂方 法、如绕丝筛管、割缝衬管、各种滤砂管等。这种方法简单易行，施工 成本低。缺点是防砂管柱容易被地层砂堵塞。只能防止地层砂产出到地 层而不能阻止地层砂进入井筒，有效期短。 第二类机械防砂为管柱砾石充填，在井筒内下入绕丝筛管或割缝衬 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 管等机械管柱后，再用砾石或其他类似材料充填在机械管柱与套管的环 形空间内，并挤入井筒周围地层，形成多级滤砂屏障，达到挡砂的目的。 这种方法防砂效果好、有效期长、成功率高、适用性广，可以用于细、 中、粗砂岩地层，垂直井、定向井、热采井等复杂条件。缺点是施工复 杂，一次性投入太大。 ( 3 ) 化学防砂伽 化学防砂主要是向地层中挤入一定数量的化学剂或化学剂与砂浆 的混合物，达到充填固结地层、提高地层强度的目的。化学防砂主要分 为人工胶结地层和人工井壁两种方法。人工胶结地层是向地层中注入树 脂或其他化学固砂剂，直接将地层砂固结；人工井壁是将树脂砂浆液， 预涂层砾石、水带干灰砂、水泥浆、乳化水泥等挤入周围地层中，固结 后形成具有一定强度和渗透率的人工井壁。 这种方法比较适合薄层短井段，对粉砂岩地层的防砂效果好，施工 后井筒不留任何机械装置，便于后期处理。缺点是有机化学材料成本较 高，对油藏温度的适应性较差，易老化，有效期短，固结后地层的渗透 率明显下降，产能损失比较大。 ( 4 ) 其他防砂方法 其他防砂方法还有胶液充填砾石防砂嘲；水充填砾石防砂；循环充 填防砂技术；焦化防砂；复合射孔防砂技术嘲；膨胀筛管防砂技术 啪1 等。 1 。4 存在的问题及本文的主要研究内容 端部脱砂压裂是一种新的防砂技术，它克服了常规防砂技术降低产 能的弊端，近年来得到了广泛应用。但是仍存在以下几方面的问题： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 ( 1 ) 对端部脱砂机理与压裂防砂机理研究较少。 ( 2 ) 端部脱砂压裂改变了井眼附近储层的物理力学性质。这一变 化规律对优化端部脱砂压裂至关重要。由于这些变化的复杂性，目前还 未见研究报道。 本文通过数值分析与试验研究的方法对上述端部脱砂存在的问题 进行了分析。 ( 1 ) 对端部脱砂机理与压裂防砂机理进行了分析。 ( 2 ) 利用a n s y s 有限元分析软件针对缝宽增大阶段进行模拟，即 恒定缝长和缝高，改变施加在裂缝上的压力，考察缝宽、近井眼地带应 力和应变的变化规律。 ( 3 ) 通过实验考察疏松砂岩在脱砂压裂过程中缝宽对砂岩的孔隙 度与岩石力学参数的影响，掌握疏松砂岩压裂缝宽的变化对砂岩的影响 规律，从而可以进一步深化对端部脱砂机理的认识。 ( 4 ) 开发了端部脱砂压裂优化设计软件。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 2 1 端部脱砂机理 研究裂缝端部脱砂机理，主要研究裂缝端部脱砂带的形成过程、分 布特征、稳定原理和主要影响因素等。 ( 1 ) 冻胶状液体在裂缝中运移的相对有序性 冻胶状液体在裂缝中运移的相对有序性原则，已经成为脱砂压裂技 术的重要前提条件之一这种相对有序性是指：进入裂缝的冻胶状液体 在裂缝中运移的过程中，基本上是按照进入裂缝的先后次序呈不规则条 带状分布规律依次向裂缝运移，如图2 - 1 所示，而不是以杂乱无序或单 方向锥进状态流动。 在l ! l 前的压裂液技术条件下，缝内砂浆能够以混砂冻胶体状态悬砂 运移，在室内研究和现场实践中均已得到了认证，现已成为压裂界公认 和常用的一种理论模式嘶1 图2 - 1 缝内高粘度液体有序运动示意图 ( 2 ) 前置液和携砂液在裂缝内降解破胶的差异性 压裂液冻胶的降解破胶受温度条件和机械剪切条件的影响较大。由 于前置液最早进入地层，前置液被地层加热升温较快，冻胶升温降解作 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 用非常明显。另一方面，在前置液被加热的同时，沿井筒及近裂缝地带 同时也被温度较低的前置液冷却降温。因此，后续的携砂液的升温降解 作用被大大削弱。通常，当携砂液到达井底时，其升温降解作用已远远 没有前置液明显。 缝口温度即井底温度，它在压裂过程中快速下降；裂缝前缘处的温 度为地层原始温度；从缝口到裂缝前缘之间的缝内温度从低到高按一定 的分布规律变化。因此，较早进入地层和处于裂缝前缘地带的前置液的 温度较高，而后续的携砂液在缝内的温度较低。 前置液和携砂液在压裂过程中所处的温度条件和机械剪切条件有 较大的区别，因而其降解破胶速度存在十分明显的差异性。前置液的破 胶速度比携砂液快。 ( 3 ) 前置液与携砂液滤失速度的差异性 在脱砂压裂过程中，前置液的滤失速度明显大于携砂液的滤失速 度。压裂液在某一规定时刻( 即脱砂开始时刻) 滤失完毕，才能保证缝 内砂浆前缘及时到达裂缝端部，形成脱砂带。另一方面，又要要求缝内 携砂液保持良好的胶体状态( 较高的粘度) ，保证悬砂；其滤失速度应 该相对较慢。导致脱砂压裂过程中前置液滤失速度明显大于携砂液滤失 速度的主要原因有如下三个方面： 1 ) 前置液在压裂过程中的降解破胶速度远远大于携砂液的降解破 胶速度，其胶体粘度远远小于携砂液的胶体粘度。 2 ) 前置液作为接触新开裂缝的首批液体，按滤失机理具有初滤失 因素，而携砂液没有初滤失因素。 3 ) 有效滤失时间的差别导致滤失速度的差别。 较早压开裂缝部分的有效滤失时间大于后压开裂缝部分的有效滤 失时间。前置液在缝中占据裂缝前缘地带，所以其有效滤失时间相对较 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 长。 根据前置液和携砂液在胶体状态、初滤失和有效滤失时间等方面的 差别，脱砂压裂过程中前置液的滤失速度明显大于携砂液的滤失速度。 ( 4 ) 裂缝周边各处脱砂时间与空间特征的不完全一致性 裂缝脱砂带的形成过程有两个特征：一是裂缝脱砂过程的时间特征 即裂缝周边各处“脱砂起始时刻”的不完全一致性，二是缝脱砂过程的 空间特征即裂缝周边各处“脱砂起始位置”的不一致性。 “脱砂起始时刻”是指裂缝周边地带任何一处开始出现颗粒桥塞的 时刻。“脱砂起始位置”是指缝内脱砂带外缘到周边线的法向距离。由 于裂缝扩展的复杂性及缝内各处液体滤失状况的不均衡性，缝内砂浆前 缘到达裂缝周边的时刻不一定完全一致。首先到达周边地带的砂浆先在 局部脱砂，然后逐步达到周边各处脱砂的状态。 ( 5 ) 缝内砂浆的极限浓度的控制 缝内砂浆浓度是砂粒的总体积与砂浆总体积之比。注入裂缝的每一 级砂浆在压裂过程中都是在向裂缝前缘地带逐渐移动的同时不断向地 层内部滤失，因此其浓度逐渐变高；当砂粒之间都相互接触时，砂浆浓 度达到极限值，此时纯液体仅仅占据砂粒之间的孔隙，这就是缝内砂浆 的极限浓度，其值一般为0 6 5 0 7 左右。国外称之为“p a c k e d c o n c e n t r a t i o n ”，意即达到此浓度时砂浆已变成砂堆或砂桥。 对于t s o 压裂，脱砂带应该出现在裂缝周边地带而不是裂缝内部的 其它局部区域，以免对砂浆的有序运移产生不利影响，干扰周边脱砂带 的正常形成或稳定发展。因此，设计中要注意控制缝内砂浆的浓度分布 关系及其变化过程，尽量避免缝内局部区域砂浓度过高的现象发生。 ( 6 ) 脱砂带对压裂液的阻流作用 只要压裂液性能和砂浆浓度控制得当，在裂缝周边地带的缝隙内会 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 形成连续的砂桥。裂缝周边地带的连续性砂桥一旦形成，一般都能够保 持稳定并有扩大之势( 脱砂带逐渐积聚、厚度增大) 。砂桥的稳定性原 理主要有以下几方面的原因： 1 ) 裂缝周边地带的连续性砂桥形成之后，裂缝在长度和高度方向 便停止扩展，即裂缝周边线不再外移，因而砂桥的“外缘极限位置”不 会再向外移动。 2 ) 在裂缝周边线和脱砂带之间的狭长窄小缝体内的液体在与缝外 压力达到平衡之前还会继续向地层滤失因此，脱砂带内侧的砂浆还会 以较小的速度继续向外移动，其中的砂粒会被先前已形成的砂桥挡住 ( 继续脱砂) ，从而使砂桥体逐渐积聚变厚。 3 ) 随着脱砂压裂过程的继续和脱砂带厚度的逐渐增大，脱砂带内 外两侧也逐渐建立起一定的压差，内侧压力大，外测压力小。砂桥内外 的压差对脱砂带具有挤压稳定作用。裂缝面是具有一定硬度的机械平 面，在裂缝面不被挤垮和砂桥位置已经固定的前提下，砂桥内外的压差 越大，裂缝面之间的砂桥越稳定。 裂缝周边脱砂带对于裂缝扩展的控制作用机理主要体现在脱砂带 对压裂液的阻流作用；即压裂液通过脱砂带的流速小于或等于脱砂带外 侧的缝体内的液体自然滤失速度，使裂缝周边缝内压力下降，达不到扩 展裂缝周边所需的条件。 2 2 压裂防砂机理 2 2 1 出砂机理及影响因素 出砂在采油过程中是非常严重的问题。出砂原因非常复杂，在钻井、 完井、生产和修井作业等各个环节都可能引起地层出砂。一般来说，地 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 层应力超过地层强度就有可能出砂。地层强度决定于胶结物的胶结力、 流体的粘着力、地层颗粒间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。地层应 力包括地层构造应力、上覆压力、流体流动时对地层颗粒施加的推力， 还有地层孔隙压力和生产压差形成的作用力，因此地层出砂是由多种因 素决定的。 ( 1 ) 岩石骨架结构破坏的机理 除了孔隙内散落的少数自由颗粒可移动的因素之外，地层持续出砂 的本质是岩石骨架结构遭到破坏嘲。岩石骨架结构破坏的机理嘲主要 有： 1 ) 拉伸破裂 如果近井眼处的压降超过油层的拉伸强度，拉伸失效就会产生： 卸，= q ( 2 1 ) 其中印。井眼的压力差； 仉一油层的拉伸强度。 当油层产量足够高在井眼附近产生很大的压降时会产生这种拉伸 破坏。 2 ) 剪切破坏 在生产过程中，由水平两向主应力差和生产压差的协同作用下产生 剪切应力，压差增大，剪切应力增大，当剪切应力超过岩石的剪切屈服 极限时，产生剪切破坏。 f = 吒6 + 1 7 n t a n o ( 2 2 ) 其中f 一剪切应力； a o 一内聚强度或者内聚力； 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 盯。一正应力或者剪切面法向上的应力； 口一内摩擦角。 3 ) 粘结破坏 岩石的粘结破坏和流体流动冲刷作用有关。当流体流动的拖曳力超 过油层的粘结强度时会产生出砂和井眼失稳。当流体流动速度增大时， 流动压力梯度( 或流动阻力) 增大。当压力梯度超过颗粒间的粘结强度 时，颗粒开始脱离岩体，在一定的携带速度下可以向井底运移。 以进入油层一英尺深的射孔通道为准，当满足如下条件时会出砂： 如 。 2 盯c o b d r ( 2 3 ) 4 ) 孔隙坍塌 当孔隙压力降低，有效应力增加。当有效压应力超过抗压强度值时， 出现孔隙坍塌破坏。一旦孔隙坍塌发生，所造成的伤害是永久的并且是 不能修复的。 上述岩石骨架结构破坏机理都和生产过程中的孔隙压力梯度或流 体流动速度有关。在油井生产过程中，由于流体流动产生的压差或压力 梯度打破了地层原有力学平衡关系，才会导致地层出砂。 ( 2 ) 地层出砂的影响因素 1 ) 岩石强度低 此为最重要的影响因素。一般认为单轴抗压强度低于7 0 m p a 的岩 石为弱固结岩石，有可能出砂。胶结物的类型性质和数量，对岩石的强 度起着至关重要的作用。地层岩石遭到破坏而出砂，其本质是胶结物被 破坏，形成分散的砂粒。胶结物的破坏，除了剪切和拉伸等机械力的作 用外，还受到液体的溶蚀、电化学作用的伤害，有些本来不出砂的井在 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 酸化或产水、注水后也会出砂。 2 ) 地层压力的衰减 随着地层压力的衰减相对增大了岩石的有效应力。地层压力的下 降，储层中岩石和井壁岩石所受的有效应力就会大大增加，甚至造成储 层结构性破坏，地层出砂的可能性就会随之增大。 3 ) 生产压差或生产速度过大 生产压差过大，井壁周围砂拱的支持变弱，易于造成出砂或出砂量 增大，因而通常要控制生产压差。采液量增大，产出液对井壁砂粒的拖 曳力、冲蚀力增大。有些油井采油速度偏高，就会出砂，如果限制这类 油井的产量则可以免于出砂，因此易出砂油层存在一个合理的采液极 限，也就是临界流量，若控制实际采液量低于临界流量，即可避免出砂 现象。 4 ) 地层流体的粘度过大 地层流体的粘度越大，在流向井底的过程中对岩石的拖曳力就越 大，井壁附近岩石易造成拉伸破坏，地层出砂的可能性就越大，这也是 大多数稠油油藏易出砂的原因。 5 ) 油气井含水量增长 油气井含水量的增长，出砂可能性增大。某气田的产层段砂岩，当 岩石含水后，其强度降低8 0 - 9 5 。 6 ) 其他因素 不适当的增产措施( 酸化和压裂) ；操作管理措施不当，例如造成 井下过大的压力激动等。 2 2 2 脱砂压裂防砂机理 压裂作为一项增产增注措施早已在低渗透油气藏得到了广泛应用。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 近年来，为了更好地解决中、高渗透油藏开发过程中暴露出的某些问题， 适应这种油藏的压裂技术得到了系统开发和快速发展。随着压裂技术的 不断发展，新的压裂防砂工艺可以达到防砂和增产的双重目的。目前， 该技术在国外已经进入正常应用阶段，已形成了较完善的配套工艺，应 用领域已延伸到海上油井，取得了较好的应用效果。在参考外国成功经 验的基础上，我国对该技术的研究和试验始于2 0 世纪9 0 年代中后期， 并在陆上中、高渗透油田成功地开展了早期工艺试验，迄今尚未规模化 应用。胜利油田近几年在该方面的研究试验成果表明，该方法具有独特 的技术优势和巨大的应用潜力。 高渗压裂充填是一种新的复合防砂技术，对高渗的疏松砂岩地层即 进行水力压裂，又进行砾石充填，将两种工艺有机地结合在一起，达到 传统工艺所不能达到的使油井既高产有控制防砂的最佳效果。 压裂技术所以能够在中、高渗透油藏得到快速发展和应用，主要原 因是中、高渗透油藏开发过程中出现了某些严重影响正常生产或高效开 发的问题，突出表现在：a 常规防砂方法虽然能在一定时间内达到防砂 目的，但通常是以牺牲油井的部分产能为代价b 中、高渗透层不仅在 近井底地带普遍存在污染，地层深部的渗透率因生产过程中的微粒移动 也会不断下降，有的还相当严重。用常规解堵方法处理不仅有效期短， 且不能预防和消除地层深部伤害。采取适当的压裂措施，能够在很大程 度上缓解上述矛盾或彻底解决有关问题。下面介绍一下中、高渗透油藏 压裂作用机理。 ( 1 ) 端部脱砂压裂使得井眼附近疏松砂岩更加致密，强度更高 脱砂压裂后，井眼附近砂岩的孔隙度降低，弹性模量增大。使得疏 松砂岩更加致密，强度更大。通过后面章节的分析，可知脱砂压裂后， 岩石强度增大，允许的最大生产压差变大，可以有效地防止地层出砂。 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 ( 2 ) 压后地层流体的双线性流动模式哺1 地层流体向井底的流动必然沿着阻力最小的通道。对于均质未压裂 地层，流体流入井底的模式为标准径向流，不同的等压线为大小不同的 以井底为圆心的同心圆。 油井压裂以后( 假定形成双翼对称垂直裂缝，以下分析均以此为前 提，不再说明) ，流体沿着具有高导流能力的裂缝流动时，流动阻力非 常小。裂缝导流能力较大时，几乎接近无阻力流动。因此，地层流体流 入井底不再遵循径向流动模式，而是出现了三个流动阶段：第一阶段是 地层深部流体以拟径向或椭圆径向方式流入近裂缝地带：第二阶段是近 裂缝地带的流体绝大部分沿着垂直于裂缝面的方向线性流入裂缝；第三 阶段是流体沿裂缝直线流入井底。 因为第一、第二流动阶段是平缓过渡的，难以定量划分，因此，在 理论分析模型上，通常将第一和第二流动阶段合二为一，并且完全简化 为垂直于裂缝的直线流，这样就形成了两段正交的直线流，称为。双线 性流动模式”，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 压后典型双线性流动模型 无论是低渗透层的压裂增产，还是中、高渗透层的压裂防砂、解堵 和防止深部伤害等，基本原理都是建立在上述双线性流动机理上。分析 压后的双线性流动机理，必然涉及能反映裂缝对地层流体流动影响的一 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 个至关重要的参数一无因次裂缝导流能力。该参数被定义为：裂缝实际 导流能力和地层渗透率及裂缝半长的比值。用公式表示如下： c j o = 巧町瓯 ( 2 4 ) 其中 k i 裂缝渗透率，u n 2 ； 孵一裂缝宽度( 厚度) ，m k 一地层有效渗透率，n n 2 ； 句一裂缝半长或双翼对称裂缝之一翼长度，i n 无因次裂缝导流能力c 。的大小，基本能代表裂缝实际导流能力和 地层自然渗透能力的差异大小。只有当较大时，亦即当裂缝导流能 力和地层自然渗透能力相比具有较大的流动优势时，才能形成明显的双 线性流动形式。根据物理实验和数值模拟结果，可以看到，当c 。等于 0 1 时，裂缝基本没有导流作用，流动形式仍为径向流。当等于 1 0 时，裂缝开始产生一定的导流作用，但不明显，流动形式仍为径向 流双线性流的过渡形式。当c 。大于1 0 时，双线性流形式已比较明显。 通过上述分析，要发挥裂缝的作用，就要使达到较大的值以产 生明显的双线性流动形式。当压裂层k 值较大时，限制三，并尽可能产 生较高导流能力k i b l 、才能获得较高的c 归值。这就是中、高渗透层 压裂时为什么要求实现“短宽裂缝”的原因所在。 ( 3 ) 裂缝对地层出砂趋势的控制作用 1 ) 裂缝对缓解或避免岩石破坏的作用咖 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 通过对岩石破坏机理的描述可以看出，岩石的几种破坏机理均和生 产压力差或流动压力梯度有密切关系。 由于高渗透裂缝的解堵作用及双线性流动作用机理，即使对中、高 渗透油藏，成功的压裂仍可使油井的产能提高2 3 倍：井底污染堵塞严 重的井，压裂增产倍数还会更高。如果保持压裂前后相同的产量，压后 生产压差可以降低2 倍以上，流体流动压力梯度会有更大幅度的降低。 如果要较大幅度地提高产量，保持压前压后相同的生产压差，压后流体 流动压力梯度也远远低于压前的压力梯度。这是因为： 压前流体的径向流动特征和井底污染堵塞因素决定了生产压差 中的大部分压力降分布在近井地带较小的范围内，局部压力梯度较大。 ( d 压后流体的双线性流动特征及裂缝的穿透解堵作用，大大减小 了近井地带的压力降和压力梯度，裂缝的作用使生产压差在一个较大渗 透范围内分摊，从而使每处的压力梯度均保持一个较小的值。 上面讨论的是压裂前后保持相同产量生产和维持相同压差生产两 种特殊情况。更多的情况是介于两者之间，即在适当降低生产压差的同 时维持一定的增产幅度和较长的有效期。 结合前面对岩石破坏机理的分析可以看出，具有高导流能力的压裂 裂缝在穿透井底污染堵塞带的同时，将地层流体原来的径向流形式转变 为双线性流形式，不但可以达到增产目的，而且可以适当降低生产压差 和较大幅度地降低压力梯度，从而缓解或避免了岩石骨架的破坏，缓解 了出砂趋势和出砂程度。 2 ) 裂缝对降低流体携带微粒能力的作用 这种作用仍然基于双线性流动机理。流体对地层微粒的冲刷携带能 力，在流体粘度不变的情况下主要取决于流动速度的大小。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 对于压前径向流动，随着流体向井底的积聚，流动速度越来越大。 v 。：堕 2 刃协 ( 2 - 5 ) 压后双线性流动形式决定了具有较大面积的裂缝面对流体有很好 的分流作用，从而大大降低流速。压后流向裂缝的平均流速可表示为： 矿：旦 4 h c l r 由上面两式可得压后、压前的流速比 ( 2 - 6 ) 晏；旦旦 ( 2 7 ) v | q f2 l | j 式中 巧、v 一压前和压后流体流速，m d 或者m m i n ： q ，卜压前和压后产量，肌3 d ； 吃一油层有效厚度，m ； r 一以井底为圆心的同心圆半径，m 0 压裂裂缝半长，m 。 由上式可以计算并考察几种有代表意义的情况下压前和压后流速 的定量比例关系。 由表2 - 1 可见，对于中、高渗透油藏，在3 0 5 0 m 缝长的常规短裂 缝情况下，若压后产量是压前的2 倍，则压后流体流向裂缝的速度比压 前井壁处( r = 0 1m ) 的流速降低i 0 0 倍以上，比压前r = 1 o m 处的流速 降低了1 0 倍以上比压前r = 5 o n l 处的流速降低了2 倍以上。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章端部脱砂及其防砂机理分析 表2 1 压后和压前流速比例关系 、n f q | q fl f l m r - - o 1 mr = 1 o mr = 5 o m 3 00 0 0 50 0 5 20 2 6 0 l4 0o 0 0 4 0 0 3 9 o 1 9 5 5 00 0 0 3o 0 3 1o 1 5 5