油水井增产增注技术第五章PPT学习教案

1、会计学1油水井增产增注技术第五章油水井增产增注技术第五章一、 支撑剂简介二、 裂缝导流能力及伤害三 、 支 撑 剂 运 移四、 支撑剂测试第1页/共59页l支撑缝宽(propped fracture width):裂缝闭合在支撑剂上的宽度，mm；l支撑缝长(propped fracture length):裂缝闭合在支撑剂上的长度，m；l裂缝导流能力（fracture conductivity):在闭合应力条件下的支撑缝宽与支撑剂渗透率的乘积，达西.厘米 m2.cm；l无因次裂缝导流能力（dimensionlessfracture conductivity):裂缝导流能力与储层有效渗透率和支撑

2、裂缝半长的乘积之比，无单位；l砂液比（砂比）： 支撑剂的砂堆体积与携砂液体积之比，%。第2页/共59页l支撑剂浓度（proppant concentration）： 支撑剂的质量与携砂 液体积之比，kg/m3；l支撑剂铺置浓度（proppant displacement concentration）： 单位裂缝面积铺置的支撑剂的质量，kg/m2；l加砂强度（sand proportion）： 裂缝单位长度上的平均加砂体积， m3/ml压裂液效率（efficiency of fracturing fluid）： 停泵时的压裂液造缝体积与泵入储层压裂液总体积之比，%。第3页/共59页l分隔开并有效

3、支撑裂缝的两个壁面，使压裂施工结束后裂缝始终能够得到有效支撑，需维持良好的裂缝面渗流与裂缝导流能力。l裂缝渗透率比地层渗透率大几个数量级。支撑剂设计需获得支撑剂的类型及其在闭合应力下的状态，支撑剂的性能评价指标以及支撑裂缝导流能力的影响因素。第4页/共59页强度高：保证在高闭合压力下不破碎，并有效支撑裂缝。粒径均匀、园球度好：支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压 能力及渗透性。目前使用的 支 撑 剂 颗 粒 直 径 通 常 为 0.45-0.9mm( 即40/20目)。杂质少：杂质将堵塞支撑裂缝孔隙，降低裂缝导流能力。压裂砂中的杂质是指混在砂中的碳酸盐、长石、 铁的氧化物及粘土等矿物质；一船用酸溶

4、解度来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐、长石和氧化铁含量； 用浊度来衡量存在于压裂砂中的粘土、淤泥或无机物质微粒的含量。密度低：体积密度小于2000kg/m3，以利于压裂液输送并有效充填裂缝。化学稳定：高温盐水中呈化学惰性，不与压裂液及储层流体发生化学反应，避免污染支撑裂缝。第5页/共59页 脆性支撑剂：脆性支撑剂是指支撑剂硬度较大，在闭合压力作用下不易变形的支撑剂，主要有石英砂和陶粒。 特点: 硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎； 种类：石英砂，人造陶粒（中强度，高强度） 韧性支撑剂：韧性支撑剂是在较高闭合压力作用下相对容易变形但不易破碎的支撑剂。如树脂包层砂(超级砂)、核桃壳等。 特点: 变形

5、大，承压面积大，高闭合压力下不易破碎。 种类：预固化树脂包层砂 ，固化树脂包层砂。第6页/共59页树脂薄膜包裹起来的砂粒，增加砂粒间的接触面积，提高了抵抗闭合压力的能力。树脂薄膜可将压碎的粉砂包裹起来，减少微粒间的运移与堵塞孔道的机会，从而改善了填砂裂缝导流能力。树脂包层砂总的体积密度较低，便于悬浮，降低对携砂液的要求。树脂包层支撑剂具有可变形的特点，使其接触面积有所增加，防止支撑剂在软地层的嵌入。第7页/共59页一 、 支 撑 剂 简 介二、 裂缝导流能力及伤害三 、 支 撑 剂 运 移四 、 支 撑 剂 测 试第8页/共59页l支撑裂缝导流能力(fracture conductivity)

6、:支撑剂在储层闭合压力作用下通过或输送储层流体的能力，通常以支撑裂缝渗透率kf与裂缝宽度wf的乘积表示，单位为m2cm。l短期导流能力：对支撑剂试样由小到大逐级加压， 且在每一压力级别逐级加压测得的导流能力。 主要用于评价和选择支撑剂。l长期导流能力：将支撑剂置于某一恒定压力和规定的试验条件下，考察支撑缝导流能力随时间的变化情况。用于压裂效果评价。第9页/共59页导流能力单位为m2cm；渗透率单位为m2；第10页/共59页硬岩石硬岩石软岩石软岩石没闭合压力没闭合压力施加闭合压力施加闭合压力没闭合压力没闭合压力施加闭合压力施加闭合压力砂粒砂粒软支撑剂软支撑剂硬支撑剂硬支撑剂破碎破碎变形变形微小嵌

7、入微小嵌入砂粒砂粒软支撑剂软支撑剂硬支撑剂硬支撑剂破碎和嵌入破碎和嵌入变形变形比较大的嵌入比较大的嵌入第11页/共59页支撑剂嵌入岩层： 如果支撑剂硬度大于岩石硬度，支撑剂将嵌入裂缝壁面，从而减小支撑裂缝宽度，降低裂缝导流能力。支撑剂被压碎： 如果支撑剂硬度小于岩石硬度，且支撑剂的抗压强度小于其受到的闭合压力，则支撑剂将被压碎。这不仅减小了支撑裂缝宽度，而且由于支撑剂破碎后相互嵌入也降低了支撑裂缝渗透率，从而降低了裂缝导流能力。支撑剂受压变形：对于韧性支撑剂，在闭合压力作用下韧性支撑剂首先变形而增加了承压面积，从而提高了支撑剂的承压能力而不破碎。因此，采用韧性支撑剂虽然减小了支撑剂裂缝宽度，但

8、不存在破碎的微粒，所以仍有相对较高的裂缝导流能力。第12页/共59页支撑剂支撑剂压裂液压裂液裂缝几何形态和产出液裂缝几何形态和产出液尺寸尺寸圆度圆度裂缝闭合压力裂缝闭合压力时间时间温度温度温度温度凝胶类型和浓度凝胶类型和浓度附加流体损失附加流体损失交联剂类型交联剂类型破胶剂类型和浓度破胶剂类型和浓度裂缝宽度裂缝宽度在高速率和多相流条件下减少非达西或紊流流体的渗透率在高速率和多相流条件下减少非达西或紊流流体的渗透率第13页/共59页剩余裂缝导流能力定义第14页/共59页裂缝导流能力与闭合压力相关，设计时应采用最小的生产压力值选择支撑剂裂缝闭合应力裂缝闭合应力剩余裂缝导流能力剩余裂缝导流能力高强度

9、支撑剂高强度支撑剂高质量砂高质量砂低质量砂低质量砂第15页/共59页滤饼会降低油气流入，但由于可流动的压裂面太大，一般可忽略滤饼影响。流入主要是有支撑剂的导流能力决定。允许流动的有效裂缝宽度允许流动的有效裂缝宽度裂缝闭合压力裂缝闭合压力软地层裂缝面软地层裂缝面嵌入地层嵌入地层初始有效裂缝宽度初始有效裂缝宽度滤饼滤饼第16页/共59页支撑剂铺置浓度定义为单位裂缝面积上的支撑剂质量，反映支撑剂在裂缝面上的排列层数或者说支撑裂缝宽度。尽管单层局部支撑有最大的裂缝导流能力，但在现场难以实现，而且单层铺砂容易压碎或嵌入； 多层支撑剂不仅可以减少破碎率或因嵌入带来的不利影响，而且增加了支撑裂缝宽度，从而提

10、高裂缝导流能力。 裂缝导流能力随铺砂浓度增加而增加。裂缝中铺砂浓度一般应大于5.0kg/ m2，并与储层渗透率和裂缝长度相匹配。在高闭合压力下，应排列5-8层支撑剂才能取得较好的效果。第17页/共59页剩余裂缝导流能力剩余裂缝导流能力支撑剂浓度支撑剂浓度第18页/共59页剩余裂缝渗透率剩余裂缝渗透率过硫酸铵破乳剂浓度（过硫酸铵破乳剂浓度（1b/1000gal）。）。压裂液组成压裂液组成:40 1b/1000gal HPG聚合物和硼酸盐交联剂的混合物。聚合物和硼酸盐交联剂的混合物。第19页/共59页 导流能力随温度增高而降低，当温度超过50C，影响更大；闭合压力越高，这种影响越大。而且颗粒越大，

11、温度对裂缝导流能力的影响越小。对于直径0.28-0.45毫米(40/60目)石英砂，基本不存在温度影响。第20页/共59页l目前使用的绝大多数压裂液是属于水基天然植物胶类型，如田菁粉、胍胶等，它们本身含有一定数量的残渣，从而降低支撑带渗透率。l对于胍胶压裂液， 残渣含量取决于成胶剂浓度、破胶剂类型及浓度。残渣在形成滤饼过程中起了积极作用，它本身就是降滤剂，但残渣对裂缝导流能力的影响不可忽视。l压裂后，压裂液破胶返排，但仍有部分破胶较差的压裂液及残渣滞留在支撑带孔隙中，以及压裂液在缝壁形成的滤饼，都会导致导流能力下降。第21页/共59页压裂液对导流能力影响压裂液对导流能力影响压裂液种类裂缝导流能

12、力保持系数%生物聚合物95泡沫压裂液80-90聚合物乳化液65-85有机冻胶45-70线形溶胶45-55羟丙基胍胶10-50第22页/共59页 长期导流能力随时间而逐渐下降，一般经过10-20d后趋于稳定。不同支撑剂在不同流体介质中的长期导流能力并不相同。预测水力压裂井的生产动态时，必须考虑裂缝的长期导流能力。第23页/共59页lHigh rate (non-Darcy or turbulent) flow effects. These can be particularly important when stimulating gas wells.lMultiphase flow effec

13、ts (as observed during oil production).lGradual “clean up” (reduction in water saturation from the fracturing fluid in the near-fracture formation). This leads to a long term increase in the effective permeability of this formation situated next to the hydraulic fracture. This process can take many

14、months after hydraulically fracturing a low permeability formation.l高速率（非达西或紊流）流影响。在气井增产措施中显得尤为重要。高速率（非达西或紊流）流影响。在气井增产措施中显得尤为重要。l多相流的影响。（在生产井中较为常见）。多相流的影响。（在生产井中较为常见）。l分步洗井（减少近压裂地层中压裂液的饱和水）。这使得水力压裂地层附近的有效渗透率长期持续增加。这一环节会从水力压裂附近是低渗透时期持续好几个月。分步洗井（减少近压裂地层中压裂液的饱和水）。这使得水力压裂地层附近的有效渗透率长期持续增加。这一环节会从水力压裂附近是低渗

15、透时期持续好几个月。第24页/共59页一 、 支 撑 剂 简 介二、 裂缝导流能力及伤害三、 支撑剂运移四、 支撑剂测试第25页/共59页水力裂缝中支撑剂铺置主要受压裂液滤失及运移影响：1. 支撑剂对压裂液流变性的影响；2. 对流（重力流）；3. 支撑剂在压裂液中运移。井筒井筒裂缝的上边界裂缝的上边界裂缝的下边界裂缝的下边界液体液体注砂早期注砂早期注砂晚期注砂晚期第26页/共59页一般来讲携砂液的粘度slurry比仅有压裂液时的粘度base要高，Nolte（1988）发现对幂律流体可以用牛顿流体的关系描述：式中，fv 支撑剂体积百分数； fvM 流动砂浆最大百分比。第27页/共59页l流体间对

16、流是由于密度较大的流体在密度较小的流体下流动，或密度较小的流体在密度较大的流体上流动造成的。在水力压裂中，当高密度砂浆泵注在前面泵入阶段的流体中（前置液）下流动，会造成对流，从而影响携砂。lVnwin和Hammond（1995）以及Smith和Klein（1995）发现如果泵入过量前置液，泵注结束后流体流动可能会引起对流直至前置液滤失掉。如果缝宽较大，对流影响更大。然而由于低杨氏模量的地层一般是高渗的，这种情况下端部脱砂设计和停泵后滤失快可有效地避免对流。第28页/共59页 水力压裂的核心是形成满足导流能力要求的填砂裂缝，支撑剂在裂缝的沉降影响到填砂裂缝几何尺寸和裂缝导流能力。支撑剂运移： 支

17、撑剂沉降； 沉降式分布； 悬浮式分布。第29页/共59页l 自由沉降： 单个颗粒在无限流体介质空间内的沉降。l 干扰沉降：颗粒群在有限流体空间内的沉降。1. 单颗粒自由沉降颗粒在流体中沉降时受力 ）颗粒的重力； ）流体对颗粒的浮力； ）颗粒在流体中下降运动时所产生的阻力。第30页/共59页重力：浮力：阻力：第31页/共59页CD与雷诺数有关，雷诺数与Up有关。不同的雷诺数可求得相应的速度值。第32页/共59页干扰沉降l 支撑剂浓度的影响；l 壁面的影响；l 颗粒形状的影响。第33页/共59页干扰沉降(Novoty公式)l 支撑剂浓度对沉降速度的影响（粒间干扰， UH UP ） 当NRe 2时，

18、 当2NRe500时， 当NRe 500时，第34页/共59页其它干扰沉降公式.第35页/共59页UH=FwUP, , Fw-壁面拉拽系数当NRe 1:当NRe 100 :当1NRe100 : 插值第36页/共59页a.全悬浮分布：指压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。b.沉降式分布：由于剪切和温度等降解作用，压裂液在裂缝内的携砂性能并不能达到全悬浮，在裂缝延伸过程中，部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，另一部分则可能沉降下来。第37页/共59页沉降式分布支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参

19、数(长、 宽、 高)有关。沉降式分布：裂缝高度上的分布平衡流速/平衡高度计算砂堤堆起速度平衡时间第38页/共59页沉降式分布1） 裂缝高度上的分布 平衡状态下，垂直裂缝剖面上由下向上支撑剂分布可以分为四个区域： 区域：沉降下来的砂堤，砂堤的高度为平衡高度； 区域：在砂堤面上的颗粒滚流区； 区域：悬浮区，虽然颗粒都处于悬浮状态，但不是均匀的， 存在浓度梯度； 区域：无砂区。第39页/共59页沉降式分布在平衡状态下增加地面排量，则、与区均将变薄，区则变厚；如果流速足够大，区可能完全消失。再进一步增加排量，缝内的浓度梯度剖面消失，成为均质的悬浮流。第40页/共59页沉降式分布2)平衡流速l平衡流速定

20、义式为：l砂堤的平衡高度：第41页/共59页沉降式分布2)平衡流速l汤姆斯解法：利用颗粒自由沉降速度与阻力速度的比值，先得到阻力速度，再利用此阻力速度求出平衡流速。l定义式：l牛顿液体：第42页/共59页沉降式分布l 非牛顿液体：层流：阻力速度与平衡流速的关系可用下二式表示：紊流：第43页/共59页沉降式分布l我国矿场上常以砂比(小数或百分数)表示加砂浓度，砂比是砂堆体积与压裂液体积之比，此时砂液混合物的密度将是：l垂直缝是以井轴为对称的两条相等的缝，则进入单翼缝中的流量，应为地面总排量的一半。第44页/共59页沉降式分布3)砂堤的堆起速度 砂堤的堆起速度与缝中的实际流速和平衡流速的速度差有关

21、。当缝中流速达到平衡流速时，砂堤停止增高， 处于平衡状态，因此：C值为砂子与压裂液的体积比，即砂比S。第45页/共59页沉降式分布4)平衡时间假设砂堤达到平衡高度的95， 就认为已经达到平衡高度，此时函数:所以：第46页/共59页沉降式分布1. 支撑剂在缝高度上的分布 携带支撑剂的液体进入裂缝后，固体颗粒主要受到水平方向液体携带力、垂直向下重力以及向上浮力的作用，当颗粒相对于携带液有沉降运动时，还会受到粘滞阻力作用。l液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力，此时颗粒停止沉降，这种状态称为平衡状态。l平衡时的流速称为平衡流速，即携带颗粒最小流速。在此流速下，颗粒沉积与卷起处于动平衡状态。第47页/共59页全悬浮分布1）裂缝内砂比与地面砂比l裂缝内的砂浓度(裂缝内砂比)：是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量。l裂缝闭合后的砂浓度(铺砂浓度)：指单位面积裂缝上所铺的支撑剂质量。l地面砂比有两种不同的定义方法：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量；支撑剂体积与压裂液体积之比。第48页/共59页全悬浮分布2）单元滤失在t时间内从此单元含砂液中滤失的体积百分数为：第49页/共59页全悬浮分布滤失后的缝内砂浓度为： 由公式看出，要求缝内保持一定的砂浓度(相当于一定的导流能力)时， 地面砂浓度随着注入单元体积而变化。l以注入单元体积数S代替n,则l从缝的前端向井底进行计算时，