（石油与天然气工程专业论文）低渗透油田重复压裂工艺技术研究与应用.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 低渗透油田重复压裂工艺技术研究与应用 石油与天然气工程 王伟( 签名) 薛中天( 签名) 摘要 重复压裂工艺技术是低渗透油田增加单井产量确保油田稳产、提高经济效益的关键 手段。本文从油藏改造角度出发，针对该低渗透油层地质特点和重复压裂工艺的要求， 对储藏地质和投产压裂工艺及裂缝系统进行综合评价、并对重复压裂的机理进行了研究， 然后结合近几年重复压裂下艺的现场实践，提出了重复压裂井的选井选层原则：初次压 裂规模小的井；初次压裂失败的井；初次压裂产生了伤害的井；初次压裂产生了 伤害的井，如裂缝导流能力低。并且研究了影响重复压裂效果的主要因素和各种重复改 造技术的适用性。总结出了针对不同类型的低产井总结出行之有效的改造工艺方式，提 高了该低渗透油田的单井产量和老井重复改造的成功率。 关键词：低渗透油气藏重复压裂工艺技术选井条件 论文类型：应用基础 1 l 英文摘要 s u b j e c t ：r e f r a c t u r i n gt e c h n o l o g yi no i lw e l l s s p e c i a l i t y ：p e t r o l e u ma n dg a sp r o j e c t n a m e ：w a n g w e i ( s i g n a t u r e u 掣丛一 i n s t 瑚c t 。r ：x u e z h o n g t i a n ( s i g n a t u 心) _ 苎i 呈j ；! l 旦鼍 主亟丛 a b s t r a c t t h e r e f r a c t u r i n gp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei ni n c r e a s i n go i lw e l lp r o d u c t i o n ，s t a b i l i z i n g o i lf i e l dp r o d u c t i v i t ya n di m p r o v i n gt h ee c o n o m i cb e n e f i to fl o w p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i r s t h i s p a p e rf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f r e s e r v o i r ，a c c o r d i n gt ot h el o w - p e r m e a b i l i t yr e s e r v o i rg e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e q u i r e m e n t so fr e p e a t e d f r a c t u r i n gt e c h n o l o g y , g e o l o g i c a la n d p r o d u c t i o no fs t o r a g ef r a c t u r i n gp r o c e s sa n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e mo fc r a c k s , a n d t h em e c h a n i s mo fr e p e a t e df r a c t u r i n go ft h es t u d y ，a n db a s e do nt h ef i e l de x p e r i e n c eo f r e f r a c t u r i n nt e c h n o l o n yi nr e c e n ty e a r s ，p o i n t so u tt h a tt h ef o l l o w i n gk i n d so fw e l lc o u l db e s e l e c t e da sc a n d i d a t e sf o rr e f r a c t u r i n n ：( d w e l l sw h i c ha r ep r i m a r i l yf r a c m r e di nas m a l ls c a l e ； w e l t sw h i c ha r ef a i l e dd u r i n gp r i m a r yf r a c t u r e ds t i m u l a t i o n ；( 委) w e l l sw h i c ha r cd a m a g e d d u r i n gf i r s tf r a c - t u r i n gs t i m u l a t i o n ； w e l l sw h i c ha r ep r i m i l yf r a c t u r e dw h i c hb a c k w a r d t e c h n i q u e s a n dt os t u d yt h ei m p a c to fr e p e a t e df r a c t u r i n gt h em a i ne f f e c to fv a r i o u sf a c t o r s a n dr e p e a tt h ea p p l i c a b i l i t yo ft e c h n o l o g y s u m m e du pa g a i n s td i f f e r e n tt y p e so fl o w - y i e l d w e l l ss u m m e du pt h et r a n s f o r m a t i o np r o c e s se f f e c t i v ew a yt oe n h a n c et h el o wp e r m e a b i l i t y 0 i l f i e l ds i n g l ew e l lp r o d u c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no f t h eo l dw e l l st or e p e a tt h es u c c e s sr a t e k e yw o r d s ：l o wp e r m e a b i l i t yp o o l ，r e f a c t u r i n n ，t e c h n i c a ls k i l l ，w e l ls e l e c t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o n ss t u d y 1 1 1 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己在论文中做 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：日期 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。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。 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) 。 第一章引言 第一章引言 1 1 目的和意义 早在2 0 世纪5 0 年代，国外已开始进行重复压裂。重复压裂技术经过5 0 多年的发展， 在重复压裂、前储层重评估、选井选层新技术、压裂液、压裂井动态预测、重复压裂裂 缝转向机理、重复压裂优化设计与工艺技术研究、裂缝诊断与效果评价等方面均取得了 飞速的发展，不但成为油气藏的增产增注手段，也成为经济有效开发特低渗透储量的关 键。特别是最近二十年来，随着压裂技术的不断发展重复压裂技术在选井选层、裂缝转 向、定向射孔、转向条件下的油藏模拟技术方面有了迸一步的完善和发展，重复压裂的 单项技术也有了很大进展。 国内重复压裂虽然起步较晚，但发展迅速，尤其在地应力预测、选井选层、裂缝转 向实施等方面已接近或达到国际先进水平。五、六十年代国内外就开展了大量的重复压 裂实践，但由于重复压裂开展的理论研究工作远远落后于现场要求，使重复压裂缺乏必 要的、科学的、系统的理论指导，导致大量的重复压裂作业没有取得理想的效果主要表 现在施工成功率低! 增产效果差! 增产有效期短，部分重复压裂甚至无效。我国许多油 气田在投入开发初期就普遍进行了压裂改造，获得了很好的开发效果。目前多数主力油 气田都已进入开发中后期，重复压裂作为老油气田综合治理的技术措施，是急待解决的 重大课题。 靖安油田位于陕西省志丹县和靖边县境内。主要开发层位为三迭系长6 ，长2 油藏。 探明含油面积4 3 7 7 k m 2 ，探明地质储量2 6 3 3 5 x1 0 4 t ，溶解气储量1 3 6 2 6 x1 0 8 m 3 ，累积 动用含油面积1 8 5 5 k m 2 ，地质储量1 4 5 4 9 x 1 0 4 t ，累计建成产能1 8 0 1 1 0 4 t 。采油三厂为 了顺利实现“3 1 5 9 9 ”和“十一五”发展规划，在油田开发过程中始终坚持着“稳定老区、开 发新区”的工作思路。靖安长6 油藏的年生产水平1 6 8 万吨，占全厂总产量的5 2 5 。因 此，保持靖安长6 油藏的稳产就现的尤为重要，不断探索适应于靖安长6 油藏开发不同 时期的稳产工艺技术是采油三厂技术人员得主要研究课题。 靖安油田延长组产层主要特点表现为特低渗透、低压、低产，压裂投产是该类油田 开发不可缺少的改造措施之一。油田开发初期，在油藏改造方面已形成了一套成熟、配 套的压裂技术系列，并取得了良好的增产效果。自1 9 9 6 年投入开发以来，坚持注采同步， 局部实现了先注后采，及时地补充了地层能量，有效地抑制了产量递减，实现了油田的 高效开发。随着油井开采时间的进程和受注入水的影响，原始地层压力、储层渗流规律 都发生了一定的变化，并且随着开采时间的延长，微粒运移、堵塞、重质成份的析出、 裂缝导流能力的下降、注采关系的不平衡都会影响油井产量下降或单井产量递减较快。 目前油藏并网完善程度进一步提高，一部分油井处于受控不受效状态，为使受控油井重 新见效，提高产能，重复压裂改造显得尤其重要。为此，研究油藏重复压裂技术，对老 油区控水稳油，对提高单井产量和老井重复改造的成功率，油气藏的增产增注以及靖安 1 西安石油大学硕士学位论文 油田的经济有效开发有着重要意义。 1 2 国内外重复压裂工艺技术研究 国内外常用的几种重复压裂技术主要有三种。 ( 1 ) 疏通、延伸原有裂缝。油田开发过程中，由于压力、温度等环境条件的改变，常 常会导致结蜡结垢而堵塞原有裂缝，同时，还会由于压力改变和支撑剂失效引起原有裂 缝闭合，引起原有压裂裂缝失效；除此之外，还有由于初次压裂改造规模不够，或者导 致支撑裂缝短，或者导致裂缝导流能力低。针对上述情况，需要运用重复压列措施来重 新撑开原有裂缝，或者加大压裂规模继续延伸原有裂缝，穿透堵塞带就可以获得不同程 度的效果。为了获得较长的增产有效期，施工时必须优化设计重复压裂规模( 液量、砂量) 及相应的工艺技术。 ( 2 ) 直接压出新裂缝。由于厚油藏在纵向上的非均质性，油藏内见效程度不同，层内 矛盾突出而影响开发效果。可以通过补射非主力油藏或对非均质厚油藏重复压裂、或者 压裂同井新层等措施改善出油剖面，从而取得很好的效果。实质上，这是对重复压裂的 早期认识，严格地讲应当属于分层压裂的技术范畴。但国内目前主要基于这种认识开展 理论和实践探索。 ( 3 ) 堵老缝开新缝。这种技术是近几年才提出来的，主要用来解决油藏中油水关系复 杂、微裂缝十分发育的层位。注水油田经过一段时间的开采后，大多低渗透油藏己处于 高含水状态，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，但某些井在 现有开采条件下尚控制有一定的剩余可采储量。为了控水增油，充分发挥油井的生产潜 能，近几年，逐步形成堵老缝开新缝这一重复压裂技术。其实质是，采用一种封堵剂有选 择性地进入并有效封堵原有压裂裂缝和射孔孔眼，再在新孔眼中进行压裂开新缝；或部 分封堵老裂缝，在老裂缝缝面再开新裂缝，从而为侧向油储量提供通道。 从严格意义上讲，只有最后一种压裂技术属于暂堵重复压裂技术，该技术的实质是 重新构建泄油裂缝体系，为提高侧向油井的产量提供了一种技术手段，但最终采油效果 与所构建的新裂缝体系的方向，裂缝的导流能力有很大关系。为此，在实施暂堵重复压 裂对，还需要相应的技术理论来配套。主要有暂堵技术理论、能够改变裂缝导流麓力的 脱砂压裂工艺及强制闭合技术。 目前，油田所用的暂堵剂有四大类：为惰性物质( 如石英砂、不膨胀粘土及淀粉的混 合物) 、水溶性暂堵剂( 如苯甲酸等) 、酸溶性暂堵剂( 细目c a c 0 3 ) 和油溶性暂堵剂( 如 油溶性树脂，蜡球) 等。近几年，在采油上所用的暂堵剂以油溶性暂堵剂为主。 总之，通过对国内外重复水力压裂暂堵技术的调研后发现，该技术是现阶段较新的 一种技术，现场使用的技术关键是要有效地堵老缝、开新缝，二是要保证新压出的缝 有好的导流能力。 2 第二章长6 油藏压裂改造地质研究 第二章长6 油藏压裂改造地质研究 长庆油田采油三厂三叠系长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。 2 1 储层地质特征 ( 1 ) 油藏面积大、分布广、储量比较丰富，且整装连片，纵向上，储层表现为低压、 特低渗、致密油藏； ( 2 ) 油藏埋藏较深、物性差、非均质性差。平均埋深1 8 0 0 1 9 0 0 m ，油藏有效厚度 1 2 4 米，岩芯分析渗透率1 6 4 x1 0 3 邶【1 2 ，孔隙度1 2 7 4 ； ( 3 ) 毛管压力曲线反映出孔喉分选较差，平均中值半径0 2 4 0 m ，最大喉道半径 2 2 9 9 m ，最大进汞量8 6 5 8 ，退汞效率为3 3 3 5 ； ( 4 ) 地层能量不足，油藏压力系数低，0 6 1 8 1 m p “i o o m ，低于静水柱噩力。无边 水或边底水不活跃，油藏驱动类型为弹性溶解气驱； ( 5 ) 地层原油性质，原油粘度2 0 6 m p a s ，密度0 7 5 6 9 c m 3 ，饱和压力8 0 9 m p a ，油 气比7 7 3 5 m 3 t ，体积系数1 1 4 5 5 ； ( 6 ) 地层水性质：五里湾一区地层水矿化度为3 5 8 6 l ，水型属c a c l 2 型，p h 值 为6 。 2 2 地层敏感性分析 长6 油藏中粘土矿物含量5 6 5 ，其中绿泥石占8 1 2 ，伊，蒙混层占1 2 2 5 ，酸敏 矿物和水敏矿物含量相对较高。敏感性试验结果表明，靖安油田的长6 油藏属中偏弱水 敏、中偏弱酸敏、弱速敏。 2 3 地应力及裂缝方位研究 岩石力学参数是压裂优化设计最基本数据之一，而地应力大小及方位对优化井网布 署，提高油田驱油效率和最终采收率具有重要意义。 ( 1 ) 岩石力学参数测定 根据弹性力学原理，应用三轴应力试验装置，对靖安油田五里湾长6 油藏岩芯进行 了岩石力学参数测定。 区块 层位岩性块数 围压( m p a ) 杨氏模量( m p a )波松比 砂岩 1 25 o 1 1 8 6 80 2 0 8 五里湾长6 泥岩55 o1 2 5 3 0 o 2 4 0 两安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 地应力测试 采用钻井取芯应用声波各向异性，凯塞效应、差应变分析等方法和手段，对靖安 油田长6 油藏岩芯进行地应力值大小和方位测定，结果见表2 。 表2 - 2 靖安油田地应力测定结果表 三向应力值 凯塞效应法 差应变法最大主应力方 区块层位 水平水平水平水平 位n e 。 垂向垂向 最大最小最大 最小 五里湾长64 i 63 4 53 0 2 、 7 2 2 综合分析，三迭系延长组油藏的地应力以垂向为最大，同时水平方向最大应力均在 n e e 向，且与水平方向最小主应力差别不大。表明压裂裂缝应为垂直裂缝，裂缝方位也 在n e e 向。 ( 3 ) 地应力剖面解释 地应力剖面解释主要采用长源距声波测井方法获取测井资料，应用弹性力学理论和 岩石强度理论可以计算出岩石力学参数、地层孔隙流体压力以及地层破裂压力随地层深 度的特征。在应用三维压裂优化设计时，地应力剖面获取有利于计算出更为精确的裂缝 几何尺寸。 柳8 2 5 l 井的地应力剖面解释结果可以看出，油藏的最小水平主应力为2 2 0 m p a ， 油藏与油藏上下隔层的应力差大约为3 0 7 0 m p a 。 ( 4 ) 压裂裂缝方位监测 经过对靖安油田的压裂裂缝方位现场监测，资料表明，压裂裂缝方位为n e w s 向， 与岩芯测定的值基本一致。分析地应力外，地层原始微裂缝的存在，对压裂裂缝的延伸 方位有一定的影响。 表2 3 压裂裂缝方位监测结果表 压裂参数 测试结果 油田层 井号压裂井段砂量液量捧量裂缝全长方位 区块位 m 3m m 3 m i nmn e 。 柳9 0 3 2 1 7 3 6 0 - 1 7 3 8 07 o 3 5 8 1 4 1 4 6 08 1 0 靖安五柳7 4 3 71 8 2 5 0 1 8 3 3 01 4 05 6 61 51 9 2 07 6 o 长6 里湾区 柳3 t 4 91 8 7 3 o - 1 8 8 9 2 3 0 o9 2 3 2 o 3 5 6 o 6 8 0 柳8 5 5 11 8 2 9 2 1 8 5 3 23 5 01 0 0 02 43 8 5 07 4 0 2 4 储层改造地质评价 ( 1 ) 地层孔隙结构复杂 长6 油藏孔喉结构十分复杂，小孔隙集中且连通性差，孔隙全部受喉道控制，孔、 4 第二章长6 油藏压裂改造地质研究 喉半径相差数十倍，严重影响着地层流体的流动。压汞试验表现出低的退汞效率，孔隙 利用系数仅1 5 2 3 。因此改造应能形成较大的裂缝网络系统，沟通更多的孔隙体积， 增加原油流动空间，提高单井产量。 ( 2 ) 储层物性差 压力恢复试井及室内试验研究结果表明，在地层条件下，长6 油藏平均有效渗透率 仅为o 5 x 1 0 3 t t m 2 左右。按照油井产能理论计算公式分析，在地层压力、油藏厚度及物 性等一定的情况下，油井产量的提高，主要是要增大油井的折算半径，重要途径之一是 通过压裂形成高导流能力的长缝。 ( 3 ) 地层能量较低 靖安油田五里湾一区长6 油藏地层压力为1 2 m p a ，压力系数o 7 o 8 ，油藏压力低 于静水柱压力，属低压油藏，加之渗透性差，油流阻力大。因此一方面要通过注水来补 充地层能量，另一方面则要求压裂裂缝具有一定的长度和较高的导流能力，以充分利用 地层能量，提高单井产量。 ( 4 ) 储层纵横向上非均质性严重 靖安油田长6 储层相对于安塞油田埋藏较深，物性差，非均质性强。渗透率变化大， 如z j 6 井的的1 7 9 9 4 1 8 0 4 4 m 油藏段中，有5 个高低渗交互段，渗透率最大 1 3 3 3 x 1 0 3 9 m 2 ，最小o 1 1 0 3 9 m 2 ，级差达1 3 3 3 倍，改造难度大。 ( 5 ) 压裂裂缝方位对注水效果的影响较大 靖安油田的压裂裂缝方位监测结果为为n e w s 向6 8 8 l 。，而注采水线方位为北东 西南6 7 。，方位基本一致。靖安油田长6 储层通常是按反九点法面积注采井网来布署的。 在这种注采井网中，由于压裂裂缝的存在，总有一部分生产井在井网中处于不利或接近 不利的方位，因此会导致部分井见水过早甚至暴性水淹，而有些井却长期注水不见效， 影响油田开发效果。 ( 6 ) 应力差对储层改造的影响 由于油藏与油藏上下隔层的应力差大约为3 o 7 o m p a ，对于隔层较薄、油藏跨度 大的井，遮挡效果不好，尤其是分层压裂的井，容易导致上部油藏的支撑失效，而不能 更好的发挥储层潜力。 西安石油大学硕七学位论文 第三章投产压裂参数评价 3 1 压裂液配方性能评价 压裂液是水力压裂过程中携带支撑剂进入地层的一种液体介质，对于低压、低渗储 层，水力压裂改造工艺除了要求压裂液具有较好的耐温耐剪切性能外，还应具有对储层 和支撑裂缝较低的伤害。 靖安油田五里湾区投产压裂中采用的压裂液配方为： 胍胶+ 交联剂+ 破胶剂+ 破乳剂+ 粘土稳定剂+ 助排剂 经室内测定，压裂液具有较为优良的抗剪切性能和耐温性，在模拟箍工剪切速率的 情况下，进行管道和裂缝中压裂液抗剪切模拟试验：模拟温度6 0 ，高剪切1 0 0 0 s - - l 模拟管路泵注5 分钟，恢复剪切速率到4 0 s l ，在该温度下剪切9 0 分钟后的粘度仍然 有6 0 m p a s ，表明压裂液具有较好的抗剪切能力。表4 给出了6 0 时的流变性能，表明 压裂液有良好的稳定性能和适应性。 表3 - l 压裂液流变性能表 时间m i n流动行为指数n 7 稠度系数k 3 00 4 4 9 70 8 5 6 8 6 00 3 5 4 7 0 7 3 3 0 9 00 ，2 7 3 90 6 4 3 2 平均0 3 5 9 40 7 4 4 3 表孓2 压裂液性能评价表 1 7 0 s - 1 下剪切6 0 m i n滤失性能( 压差35 m p a )增稠荆性能 压裂液 温度粘度k c ， 初滤失水不溶物残渣含1 原胶粘 名称n n l p 氛s 0 1 p 丑s m r a i n 口 m ，e r a 2含量量m 别度m p g s 4 54 8 70 8 50 0 2 36 0 8 1 0 4t 2 胍胶5 5 7 0 0 0 7 l0 ，0 1 66 7 1 1 0 41 27 1 02 2 83 0 0 0 6 54 6 008 90 0 3 78 8 9 1 0 41 8 3 2 支撑剂评价及导流能力试验 水力压裂已成为提高低渗油田开发效果的主要手段，而压裂效果的好坏取决于裂缝 的导流能力，导流能力越大水力压裂的效果就越好，有效期就越长，进而压裂获得的收 益就越大。 ( 1 ) 支撑剂性能评价 室内对支撑剂临界压力进行测试评价，结果表明石英砂为2 5 m p a 左右，陶粒支撑剂 远高于此值( 4 5 m p a 左右) 。由于靖安油田长6 储层的闭合应力小于2 5 m p a ，故投产压 裂中应用的兰州石英砂能够满足裂缝闭合应力对支撑剂抗压强度的需要( 见表6 ) 。 6 第三章投产压裂参数评价 表3 3 支撑剂性能评价结果 石英砂 陶粒 序号指标兰州石英砂陶粒 标准要求标准要求 实测值实测值 t 体积密度( g c m 3 ) 1 5 61 7 i 2 视密度( g c m 3 ) 2 6 43 1 7 3圆度2 = o 6o 8 51 = o 8o 8 9 4球度0 6 0 8 5 三= o 8 0 9 5 浊度( n t u ) _ 1 0 06 1 85 1 0 01 4 0 6粒径符合率( )兰9 09 1 19 0 9 9 5 7破碎率( ) 1 4 ( 2 8 m p 曲 7 4 1 0 ( 5 2 m p 小 4 4 ( 2 ) 裂缝导流能力对支撑剂的要求 根据国内外多年的研究成果，对于低渗储层的压裂改造，其裂缝几何尺寸、导流能 力和储层物性有一个合理的匹配关系，以裂缝的导流能力能够满足地层的产液能力为原 则，确定靖安油田长6 储层对裂缝导流能力的需要为2 0 7 t t m 2 c m 。 室内对兰州石英砂和宜兴陶粒在不同闭合应力下的导流能力进行了测试，结果表明 ( 见表7 ) ，两种支撑剂均能够满足储层增产对裂缝导流能力的需要。 ”。 表3 4 支撑剂导流能力测试结果 兰州石英砂陶粒 闭合应力 导流能力渗透率导流能力渗透率 ( m p a ) ( a m 2 c m )( t u n 2 ) ( i t m 2 c m ) ( u i l l 2 ) 1 01 1 5 5 l2 6 6 0 21 8 0 0 04 3 1 6 5 1 57 8 1 l 1 9 0 7 2|， 2 05 3 1 71 3 2 2 31 2 0 1 l2 9 4 3 9 2 53 5 3 7 8 9 5 0|l 3 02 2 1 35 6 4 59 2 2 82 2 8 4 l 4 0，6 4 2 51 6 1 0 3 从以上分析来看，0 4 5 0 9 m m 兰州石英砂满足靖安油田五里弯区长6 储层压裂改 造的需要。 3 3 压裂参数及工艺技术的评价 ( 1 ) 投产压裂总体概况 据不完全投产资料统计，靖安油田长6 油层压裂2 8 5 口井中，平均油层厚度1 2 6 m ， 电测渗透率4 4 1 x1 0 - 3 9 i n 2 ，孔隙度1 2 4 4 ，含油饱和度4 8 1 2 ，单井加砂2 0 6 9 m 3 ， 7 两安石油大学硕士学位论文 加砂强度1 6 7 m 3 m ，砂比3 4 3 5 ，排量1 5 8 0 m 3 m i n ，压后排液日产油1 5 1 9 m 3 d ，投 产三个月平均日产油8 ，5 8 t d ，总体效果良好。 ( 2 ) 渗透率_ 4 x l o - 3 p m 2 增产效果分析 通过对9 7 年和9 8 年的不同施工参数进行统计，对渗透率低于4 x1 0 - 3 1 t m 2 的井的增 产效果进行分析，见表8 。 厚度渗透率渗透率加砂每米试捧 焦 井 厚度砂量排量 砂比 范围范围平均值强度产油量 度数m m ， m 3 m i n m 1 0 o m 2 1 0 。3 u l i l 2m ，mm j d “ 9 72 6 1 0 4 3 2 6 1 7 6 1 8 3 1 5 93 4 51 7 6 h 蔓l lg 9 83 48 6 23 4 82 1 51 8 2 1 5 8 3 5 4 2 1 9 9 71 91 2 43 2 61 5 51 9 31 6 03 5 71 0 0 l l 1 4g 9 83 41 6 ，73 2 21 5 82 6 1 1 5 43 3 41 1 2 可以看出，每米加砂量由9 7 年1 s m 3 m ，增加到9 8 年1 9 m 3 m ，每米平均试排产 量由1 2 7 m 3 d 上升到1 7 8 m 3 d ，上升了4 0 3 。分析认为在投产压裂中对于油层厚度小 于1 4 米的井，平均加砂强度在1 8 2 5 m 3 m 较为合理；但是对于油层厚度大于1 4 米的 油层改造措施力度不够，未完全实现对多油层的整体改造，单井增产效果不理想，也不 利于油井稳产。 第四章重复压裂机理研究 第四章重复压裂机理研究 水力压裂技术是低渗透油气藏改造的主要措施，但经过水力压裂后的油气井，在生 产一段时间后，由于种种原因会导致压裂失效。另外，有些压裂井压后由于作业对产层 造成污染，也会使压裂失效，对于这类油气井，要想增加产能，大多须采取重复压裂措 施。近几年重复压裂井数逐渐增加，对以往压裂情况进行分析得出，重复压裂工作面临 的主要问题是压裂后增产幅度小、含水上升、产量递减速度快、有效期短，有效率只有 6 0 6 。因此，开展重复压裂工艺技术研究，是提高重复压裂有效率的关键。国外早在 2 0 世纪5 0 年代就开展了重复压裂工作，目前美国压裂井的近1 3 为重复压裂井。国内 于8 0 年代开始研究这项技术，大庆、胜利、长庆等油田相继从理论和实践方面作了一些 有益的探索，取得了一些经验和认识。 基于对熏复压裂方式的不同理解，目前国内外实施的重复压裂有两种方式： ( 1 ) 层内压出新裂缝。由于厚油藏在纵向上的非均质性，油藏内见效程度不同，层内 矛盾突出而影响开发效果。可以通过补射非主力油藏或对非均质厚油藏重复压裂、或者 压裂同井新层等措施改善出油剖面，从而取得很好的效果。实质上，这是对重复压裂的 早期认识，严格地讲应当属于分层压裂的技术范畴。但国内目前主要基于这种认识开展 理论和实践探索。 ( 2 ) 延伸原有裂缝。油田开发过程中，由于压力、温度等环境条件的改变，引起原有 压裂裂缝失效。例如，物理条件改变产生结蜡结垢而堵塞原有裂缝；或者由于压力改变 和支撑剂失效引起原有裂缝闭合。这类井需要加砂重新撑开原有裂缝，穿透堵塞带就可 以获得不同程度的效果。另外，压裂改造规模不够，或者支撑裂缝短，或者裂缝导流能 力低，这类井必须加大压裂规模继续延伸原有裂缝，或者提高砂量以增加裂缝导流能力。 这是目前最通常的重复压裂概念，为了获得较长的增产有效期，必须优化设计重复压裂 规模( 液量、砂量) 。 4 1 压裂的造缝机理 4 1 1 水力裂缝诱导地应力场 水力压裂在地层中产生诱导应力，张开裂缝在两水平应力方向产生压缩应力。最大 诱导应力等于裂缝闭合后作用在支撑剂上的净压力，它在垂直于裂缝的方向上；另一个 平行于裂缝方向的诱导应力大小约为最大诱导应力的一半。裂缝对应力场的影响随着距 裂缝面距离的增加迅速下降。 为了能够重新定向，新产生的两个诱导应力差足够大，以改变相关的两个水平应力 大小，从而使先前的最小水平主应力方向变成最大水平主应力方向。这样在新的最大水 平主应力方向上传播的第二个裂缝将垂直于初始裂缝面。假如，作用在支撑剂上的净压 力较小，两个水平应力的初始差相当小，这种机制仅能产生重新定向。尽管重复压裂时 9 西安石油大学硕士学位论文 的裂缝在开始延伸时，垂直于初次压裂的裂缝，但随着裂缝距离的增加，诱导应力迅速 减小，裂缝很快暂堵平行于初次压裂的裂缝方向。 4 1 2 地层孔隙压力诱导应力场 油井由于生产和注水等作业，都会导致地层孔隙压力的变化，在水力裂缝周围孔隙 压力存在一定的梯度。孔隙压力虽然不能改变应力场的方向，但可以改变应力场的大小， 对诱导应力场的变化产生一定的影响。 压裂井的生产和向裂缝中注入液体都可以改变裂缝周围的孔隙压力梯度，并导致整 个油藏孔隙压力分布的变化。靠近裂缝，诱导张应力平行或垂直于裂缝面，但它们被远 离裂缝的诱导压缩应力平衡。 垂直于裂缝面的诱导张应力比平行于裂缝面的诱导张应力在开始时要大些，如果孔 隙压力与诱导应力差比原始的最大和最小水平主应力差大，那么，原始最大水平主应力 方向将变成最小水平主应力方向。这时进行重复压裂，产生的裂缝将垂直于初始裂缝平 面。 初次压裂后不久，近井地带的压力分布非常有利于产生垂直于初始方位的裂缝。然 而这种影响的区域性很强，当裂缝延伸到诱导张应力区以外，裂缝就迅速暂堵平行于初 始裂缝方位，使裂缝重新定向的益处变得有限。这里将产生二种情况：一是经过较长一 段时间后，压缩应力场自裂缝向远处移动，使裂缝在暂堵之前的长度逐渐增长；另一种 情况是，在离开井眼一定距离，诱导张应力不足以克服原始应力的各向异性，这时裂缝 暂堵之前的长度反而变短。由于生产而产生的诱导应力大小不依赖于原始应力，它叠合 于原始应力场，当原始应力差小时，垂直穿透的可能性最大。 普遍认为，由于初次压裂的裂缝引起了近缝地带孔隙压力的重新分布和支撑裂缝使 地应力场改变。应力场的变化在一定范围内有可能使重复压裂裂缝垂直于或不同于初次 压裂裂缝的方位。为了能够重新定向，新产生的两个诱导应力差足够大。以改变相关的 两个水平应力大小，从而使先前的最小水平主应力方向变成最大水平主应力方向。这样 在新的最大水平主应力方向上传播的第二个裂缝将垂直于初始裂缝面。 地应力发生变化的观点已通过测试与实验数据证明，如美国l o s t h i l l 油田1 6 7 口井 的复压测试验，复压缝偏移初次缝3 0 0 ；又如美国l r w a r p i n s k i 等人在科罗拉多州的多 井试验场研究改变应力的压裂，即对菜井的地层进行水力压裂时因受邻井原有压开缝的 应力扰动的影响使该井的新压开缝重新取向。国内实验表明，经过多次重复加压，可使 岩样形成多条裂缝，且裂缝形态不同。 4 1 3 水力压裂裂缝延伸方向 水力压裂裂缝方向主要取决于储层地应力状态，其几何尺寸受岩石力学性质和施工 参数的影响。重复压裂裂缝方位依然取决于储层就地应力状态。油田开发研究与实践认 1 0 第四章重复压裂机理研究 为。总是平行于地层最大水平主应力方向或垂直于断层走向。 油田开采过程中物理条件变化和地壳运动可能引起地应力场变化，压裂井中的支撑 裂缝也会改变井眼附近的地应力分布，这些因素综合作用的结果可能改变主应力的相对 大小而引起裂缝暂堵，美国能源部的多井实验已经证实了这一结论：c h e v r o 石油技术公 司在美国l o s t h i l l 油田的重复压裂裂缝方位与初次裂缝方位相差约3 0 0 ，也证实了重复压 裂形成新裂缝的可能性。 随着油田注水开发的深入，地层流体性质的改变，地层压力分布的变化以及水力压 裂造缝等外来因素的影响，使得地层岩石孔隙结构、岩石地应力发生改变，可能会造成 地层最大主应力方向的转变。并眼蹦落观察法是研究地应力方向的一种常规有效的方法。 主要依据是钻井过程中在井壁处最小地层主应力方向上产生剪切蹦落，形成拉长井径， 椭圆井眼的长轴方向即为地层最小主应力方向。 由于井筒周围地应力会由于钻井、开发过程中的外力因素而改变，特别是重复压裂 井压裂时会在原有压裂裂缝基础上形成一个超裂缝垂直于初次裂缝，在离开井眼一定范 围后裂缝方向平行于原有裂缝方向的水平延伸裂缝。 4 1 4 缝高的判断 通过压裂前后测井温可判断裂缝高度，一般情况下利用注入压裂液在储层段产生的 “冷异常”( 即井温曲线负异常) 位置来评价裂缝高度。但是压裂处理后的温度测井却经常 出现“热异常”( 即井温曲线正异常) ，并且井温逐渐恢复，不同时间所测井温曲线的异常 也不同，热异常则使分辨裂缝顶、底更困难。如果在压裂后进行并温测并时组合自然伽 马，并加入放射性同位素示踪剂，通过判断同位素异常位置，则可定量计算压裂裂缝的 高度。利用由自然伽马仪显示的放射性同位素异常来评价储层压裂效果及定量计算压裂 裂缝的高度，其方法是评价压裂裂缝高度行之有效的方法之一，其原理如下： 压裂前首先测静温及自然伽马基线，压裂后选配适量的同位素示踪剂用水携带注入 地层，被压裂储层的孔渗性得到了改善，会吸收大量含有同位素微球的水，待同位素完 全分布好时测压后井温及同位素示踪曲线。将压裂前后的伽马曲线在同一深度进行组合 以确定压裂裂缝的高度。在压开层段，同位素示踪曲线有明显的正异常，在确定压开裂 缝高度时，以同位素示踪曲线的异常开始点为h l ，异常结束点为h 2 ，则压开裂缝高度 h2h2一ht(4-1、 在进行压裂前后测井时。下井仪要组合磁定位及井温仪，从而结合井温、磁定位曲 线综合分析准确确定储层压开厚度，当储层的渗透性较好，储层容易形成大孔道，导致 同位素示踪剂进入储层，使同位素示踪测井曲线幅度在测井过程会出现越来越低的幅度 异常，这是因为由于注水不断冲刷使得同位素进入储层使仪器无法探测到引起的结果， 如遇这种情况则需要刚开始监测时起，将每条同位素测并进行比较，结合井温曲线。以 同位素被冲刷前的厚度为准，确定压裂裂缝的高度。 西安石油大学硕士学位论文 4 1 5 重复压裂破裂压力分析 根据压裂造缝机理，对于压裂形成垂直缝的情况，经简化计算式，破裂压力可用下 式计算： b 。2 0 ，+ e + d ，“ ( 4 2 ) 式中p f - 油藏破裂压力，m p a 7 y 泊松比； 咿古仃= d ：= o 0 2 3 h h 地层深度( m ) ； 巾应力，m p a ； 通过对大量重复压裂井初次压裂瞬时停泵和重复压裂瞬时停泵数据的分析，初次压 裂施工瞬时停泵压力普遍高于重复压裂时的瞬时停泵压力。这说明重复压裂的破裂压力 要低于初次压裂的破裂压力，这很可能是由于重复压裂裂缝重合于初次压裂裂缝所致。 由于初次压裂岩石的抗张强度要高于重复压裂时岩石的抗张强度，因此，重复压裂时的 破裂压力要低于初次压裂时的破裂压力。 4 1 6 重复压裂最优时间确定 重复压裂时机准确确定重复压裂时机是重复压裂成败的关键之一，重复压裂过早， 上次压裂增产期没有充分发挥完，影响压裂效果及效益；若重复压裂过迟，则不能及时 接替增产，损失了应得的增产量。为了确定重复压裂的最优时间，需要考虑裂缝暂堵之 前的长度和当时的孔隙压力分布。试验表明：重复压裂的间隔时间越长，裂缝暂堵之前 的长度越长。几年后虽然孔隙压力继续下降，但裂缝暂堵之前的长度增长却很缓慢。重 复压裂的最佳时机是此时裂缝长度可以达到很长或裂缝将延伸到的区域孔隙压力仍很 多，当地层应力分布及油藏特性诸如孔隙度、渗透率、地应力等控制压力分布的因素已 知时，可以确定重复压裂的最佳时机。当地应力大小不能精确确定时，仍可利用应力分 布较好地估计重复压裂最优时机。 4 2 重复压裂前的准备工作 要想获得好的重复压裂效果，对旖工工艺的优化必不可少。一般情况下，在施工之 前应提前做好以下几项工作： 4 2 1 储层评估 对重复压裂地层进行评估，一般考虑以下内容：重复压裂井的现状；前次压裂的生 产历史，确定产层能量及可采储量；评估前次压裂裂缝有效程度及失效原因；对前次压 裂及油藏生产历史进行模拟。通过评估，获取重复压裂施工所需的信息和参数，诸如地 第四章重复压裂机理研究 层是否具备期望的生产能力、累积产量及期望的采收率：裂缝导流能力大小，确定支撑 剂在缝内的状况；裂缝支撑缝高是否适当以及压裂液与地层的配伍性等。复压井层应具 有较高的压力系数，同时采出程度较低，具有重复压裂的能量和物质基础。 4 2 2 选井选层 在地层评估基础上，依据评估结果，确定重复压裂的井层，选井选层应遵循下列原 则： ( 1 ) 复压层段管外无串槽； ( 2 ) 油井必须有足够的剩余可采储量( 采出程度9 0 ) 和地层能量( e k 力系数兰o 7 ) ； ( 3 ) 前次压裂由于施工方面的原因造成施工失败； ( 4 ) 前次压裂生产情况良好，但未在整个改造层段形成有效的支撑裂缝；或前次支 撑裂缝长度虽然很长，但裂缝导流能力不够； ( 5 ) 前次压裂成功后，由于压井作业造成油藏污染。 根据各井层油藏特征，常采用以下2 种方法选井选层： 注采井动静态资料对比法 这种方法是在掌握复压井层与对应注水井层地质条件与生产历史的基础上，用现有 的生产动态、小层数据等资料，找出生产井中相对受效低、动用程度差，但仍具有生产 潜力的储层作为复压候选层。这种方法虽具有可操作性，但只能定性处理。 用模糊识别原理进行定量选井选层 应用模糊识别原理，在复压前储层评估的基础上，综合考虑多种因素，研究出适合 重复压裂的标准模式，克服了重复压裂选井选层工作上的盲目性，对储层的评估由定性 变为定量。 模糊识别原理的数学模型 设a 是一个n 1 个重复压裂待选井层a 1 ，a 2 ，a n 1 及理想的重复压裂井层a n * 组成的集合，p 是对应于重复压裂待选井层a i ，a 2 ，a n 1 及理想的重复压裂井层 a n * 的m 个特征参数p l ，p 2 ，p m 组成的集合。由集合a 到集合p 的一个模糊关系 记为r ，因a 、p 都为有限论域，则r 可用矩阵表示为： i g = hj 。，f = 1 , 2 ，一；，= 1 , 2 ，所 h 【o l 】 h 3 1 式中r i 卜一重复压裂待选井层或理想重复压裂井层a i 具有参数p j 特征的隶属度。 按最大最小法求集合a 到集合p 之间的模糊关系，记为r 。 f0 x a - = “) = b 一口i ) 口2 一口l 口l 茗 o y m a x + o y 诱导，才能形成新的人工裂缝。也就是说，在存在人工裂缝和油气采出( 孔 隙压力下降) 条件下，如果原始水平最大主应力和最小主应力差值( a 0 0 = o h l 0 o h 2 0 ) ) 较 小，则地应力场越容易转向。这也是堵老缝压新缝的时机，其裂缝方位如图7 7 所示。 第七章重复改造技术的适应性研究 图7 _ 6 垂直初始裂缝缝长方向上应力分布 虚力重定向区 巩+ s 。 重压i f 裂缝- ， ，f 图7 7 重复压裂裂缝反转示意图( 因地应力反转所致) 经典文献均认为重复压裂裂缝转向的根源在于因初次人工裂缝开启和油气采出所导 致的地应力场的反转。此时裂缝起裂方位理论上将垂直于初次人工裂缝方位( 图7 7 ) ，即 沿原始最小水平主应力方向，但是这种情形极为罕见。国外某口井直接重复压裂裂缝转 向与时间的关系见图7 - 8 所示。 缝爨新匿- t - 一 ， i ， y 西安石油大学硕二七学位论文 图7 - 8 国外某口井直接重复压裂裂缝转向与时间的关系 几乎所有的弹性重复压裂造新缝理论都预测了新裂缝垂直于初次人工裂缝起裂并延 伸，并且最终返回到与初次裂缝平行方向延伸。然而，重压裂缝的延伸方位受许多因素 的共同作用。很多现场测量数据表明，重压新裂缝偏离初始裂缝通常并不是9 0 。 造成理论与实际不合，可能是由以下原因造成的：( 1 ) 诱导的应力改变可能不完全 是弹性变化，因为孔隙压力大规模的下降经常要导致地层破裂；( 2 ) 由于局部储层有 断层，储层边缘、储层非均质性、油藏衰竭不对称性的影响；( 3 ) 射孔方位影响重复压 裂新裂缝的起裂初始方位。裂缝的起裂与射孔方位直接相关，不同的射孔方位，射孔壁 的应力集中不同，沿射孔轴分布的应力自然也不同；( 4 ) 重复压裂前的关井期间改变了 并眼周围的孔隙压力梯度，可能决定了重