SPE-2497压裂过程中的温度效应

1、压裂过程中的温度效应N.F.Whitsitt,G.R.Dysart,SPE-AIME,西方石油公司0.引言许多高温油气生产井需要开展压裂进行增产，表1列举的储层深度所对应的温度均达到或超过200F。在这些深井地方目前正在或即将开展水力压裂或酸压。事实上，压裂井的温度在一些地方已经达到350F。为了获得巨大的压裂增产效果，必须研究压裂过程中的温度环境以及温度对流体性质、添加剂的影响。温度场研究很重要，例如知道了施工工程中的温度变化就可以明确对液体粘度、支撑剂的沉降速率、固相暂堵剂的性能、酸岩反应速率、酸液胶凝剂等的要求。表1200F以上的地区和井深地区井深（ft）WestTexas10000-1

2、6000NorthCentralTexas6000EastYexas6000OkalhomaandKansas8000-15000LouisianaandMississippi8000-12000SouthTexas5500在选择增产措施方面，如果不考虑瞬态温度条件对措施效果的影响就会产生较大的误差，这种误差在本文中进行了详细对比。在考虑压裂设计过程中哪些是与温度相关的因素之前，必需明确压裂过程中的地层温度。现有的技术均无法测量压裂缝内的温度变化，但可以对压裂过程中或压裂后的井筒温度进行测量。井筒温度的测量表明，压裂过程中井筒被急剧降温。这种效应最先被Ramey和其他人通过分析方法得到，并且现

3、场实测数据与理论结果相关性较好。尽管大家都知道压裂过程中会产生降温效应，但是直到文献6发表后才试图去计算压裂过程中裂缝内的温度。这项研究是第一个，很基础但却代表了发展热力学模型的最重要一步。从那时起，建立了更多的热力学模型来预测压裂过程中垂直裂缝和相关地层的温度。下面对这些模型进行讨论，通过各种假设获得的解析解的优点是不需要数值分析技术和计算机计算。1. 热学解析模型建模水力压裂地层主要向井筒注入足够高的液体压力克服地层应力形成裂缝。在高温井最小主应力通常在水平面上，因此压裂主要产生垂直裂缝，地层破裂，流体进入裂缝，如果保持注入压力，流体将继续注入地层使得裂缝向前延伸。这些流体最初遇到的是地层

4、原始温度。随着流体的注入井筒及地层基质，井筒及裂缝均会降温。滤失进入岩石基质的流体也阻挡了热量从地层进入裂缝中的流体。在发展描述上述过程的热学模型过程中，有望获得解析解，但需要进行适当假设：流体的热学性质从地面注入到井筒过程中保持不变，流体注入井筒然后流入裂缝（由于水平裂缝的形成深度通常认为V3000ft,大多数高温井的深度均超过3000ft,因此本文只考虑垂直裂缝）过程中被加热。裂缝的滤失模式只考虑一种（除非使用了降滤失剂）,就是说滤失液粘度沿着裂缝方向不要求是相同的,假设裂缝尖端部位的滤失（裂缝刚张开,暂堵剂就起作用）与近井裂缝（滤饼已经形成）的滤失相等。泵注过程中裂缝的延伸遵循Howar

5、d,Fast和Carter的理论模型,流体滤失进入地层或裂缝壁面的方向与热流方向相反。滤失的流体阻挡了地层热量向裂缝中的流体传递,导致裂缝内流体的温度上升变慢。地层岩石的热学性质与地层温度无关。从裂缝及地层的能量守恒出发,我们获得可以决定裂缝内流体温度分布方程。这里t_t、m=1exp(2.37/(Kt，乂口)(A-23)T厂几(10)Kt/Kt，&2光门八2.1丿!_xd2n(Ktxp)erfc(K叫)dx2.12.1D(A-22)K=2.1wtCt(A-18)也（10）%K歸方程（A-22）中的积分可以通过图1进行估算，通过（A-23）可以计算出压裂过程中给定时间的温度分布平均值。方程（A

6、-23）、A-22、A-18推导细节可以参考附录A和B。此外，附录还提供了模型的推导过程和解析解的推导细节。图1瞬态裂缝温度分布函数2. 温度场研究为了说明温度效应在高温井压裂设计中的应用，本文对一口高温井分别基于温度场研究的压裂设计和原来的设计参数结果进行了对比。首先有必要给出一张压裂过程中的温度分布图，可以看到压裂施工参数对裂缝内温度分布具有重要的影响。图2是一个典型压裂作业过程中垂直裂缝内的温度分布，曲线是通过方程(A-23)生成的。曲线表明随着泵注时间(或液量)的增加，给定点的温度呈指数下降。对于给定的注入量，从裂缝端部到井筒附近，温度急剧下降，缝端附近的温度快速变化主要由于注入的大部

7、分液体滤失进入地层，这种降温效应在井筒附近由于滤失量低而减小。图2还表明随着注入量的增加，缝内平均温度变化缓慢。图3表明对于10000加仑和40000加仑的液体注入裂缝，注入速率对裂缝内任意点的温度影响均较大，越高的注入速率同时也增加了液体效率，因此相同规模下，增加了裂缝面积。由于从地层到裂缝壁面的热量补充小于裂缝内流体的降温效应以及流体向岩石基质滤失，因此缝内温度逐渐降低。ooQ642J.I-驻Id丘UJ1IL电勒黑FLU?PUMIQQQQGAL.00802I图2压裂过程中的裂缝瞬时温度分布图3施工排量对缝内温度的影响图2、图3给出的温度数据表明，当采用滤饼添加剂时，压裂设计的某些方面应该考

8、虑到：由于所有的初滤失均发生在裂缝生长后，实验获取的初滤失时需要在地层温度条件下才有意义。然而，初滤失以后的动态滤失发生的温度范围却从地层温度到接近井筒温度（流体离开井筒的温度）。因此，用于计算裂缝面的滤失系数应该是在平均裂缝温度条件下的液体粘度下进行估算。3. 温度场对裂缝尺寸的影响为了获得温度对裂缝尺寸影响大概的一个认识，可以通过研究裂缝内流体在不同的温度水平进行简单研究。如选择三个不同的温度：200F（井底温度）、80F（井筒温度）和145F（压裂过程中裂缝内的平均温度），采用上述温度，对比温度对施工设计的影响进行计算，结果见表2，分别注入10000加仑和40000加仑的液体，在不同温度

9、下的裂缝参数计算结果对比。表2温度效应对裂缝尺寸的影响规模温度粘度裂缝宽度裂缝长度裂缝面积裂缝体积（加仑）(F)(cp)(ft)(ft)(ft2)(ft3)100002004.00.10131262.489526100001519.00.12129358.625591100008027.60.15426553.045681400002004.00.128711142.1881517400001519.00.154678135.6361741400008027.60.199628125.6212083一方面，200F下的裂缝宽度较145F宽20%,因此，如果采用井底温度条件来预测裂缝宽度，预测的

10、缝宽明显偏低，结果是失去了采用更高支撑剂浓度和更大尺寸支撑剂的机会，同时失去了最大程度提高压裂井产量的可能；另一方面，如果采用井筒温度条件评价流体性质，裂缝宽度比实际更宽（提高50%），结果可能是采用过大尺寸的支撑剂，过高的支撑剂浓度施工，在这种条件下更容易导致脱砂，最终导致压裂施工失败。上述计算表明，随着流体温度下降，即使是裂缝体积增加，裂缝的面积依然会减小。在这个例子中，流体滤失系数为常数，如果温度对滤失系数的影响考虑在内的话，裂缝宽度受到温度的影响将更大。4. 温度对流体性质的影响下面通过图4说明温度对裂缝内粘度的变化，这里的粘度范围从最低温度（井筒条件）到最高温度（裂缝端部，地层温度）

11、的粘度，在裂缝内给定位置随着注入流体通过该点，液体粘度逐渐增加。Perkins和Kern曾表明缝内特点任意点的缝宽直接依赖裂缝端部与该点的压力降落。因此，由于从井筒到裂缝端部流体粘度急剧下降，沿着裂缝方向的压力降落将表现出相同的趋势。同样，缝宽从井筒到裂缝端部也降低，缝内液体粘度降低使得近井滤失低于裂缝远端。26UJ42FLUID、TUNfFEDiajo弓O40iQOOOGpU皿一Q耳0200400600800DISTFROMWELLBORE-FT蚩mldsSZ3H=iOOFTQ-40B?M-i10-20S4N040*GEL再i_,j,*“.i02G040Q旳0800DIST.FROMWELL

12、BORE-FT,图4缝内液体粘度变化图5裂缝内的砂子沉降速度变化液体粘度变化产生的另一个重要影响是支撑剂沉降，图5为图2所示裂缝温度变化下的支撑剂沉降，井筒附近的低温（高粘度）条件下的支撑剂沉降速率远远低于裂缝远端（高粘度），这意味着初始没有铺砂的长度将大于裂缝生产速度，铺砂浓度比采用地层温度下液体性质预测的铺砂浓度低。如图5所示，砂子沉降速度只在裂缝远端沉降较快。5. 温度对酸液作用时间的影响温度对增产措施最重要的影响之一就是酸压改造，随着温度增加，酸液反应速度快速增加。过去大多数酸压设计是基于酸压过程中酸液及添加剂主要暴露在井底温度条件下的，结果许多研究人员努力提高酸液胶凝剂及抑制剂性能，

13、达到350F及以上。然而，如图2所示，这些高温胶凝剂及抑制剂对于成功酸压并不是想象的那样重要。这就解释了为什么成功的酸压实施需要采用边际成本的抑制剂。我们实验室更加深入的研究产生的初步数据表明了温度对15%HCL与灰岩反应的情况。基于这些结果，采用图2所示的温度剖面形成了沿裂缝酸液作用时间的分布（图6）。图6表明降温效应对酸液作用时间具有重要影响，它大幅度提高了酸液的作用时间。除了缝端外，酸液作用时间均增加，尤其是近井地带。这意味着为了提高酸液穿透距离所采用的强酸及抑制剂并不是在每口井都必要。裂缝内的低温及注入井筒的低温酸液表明非常高温的胶凝剂及抑制剂对于成功实施酸液增产不是绝对必要。如果在酸液前注入前置液体，对管柱进行降温，这种降温可以降低酸岩反应速度、采用低温抑制剂保护管柱。这些胶凝剂及抑制剂能够满足延缓酸岩反应的要求，使得酸液能够穿透更远的距离。在评价酸液穿透距离产生的增产效果时，考虑温度效应至关重要，否则酸液穿透距离预测将产生较大的误差。6、结论本文研究形成了预测裂缝内温度分布的热学模型并获得了模型的解析解，对裂缝内的瞬态热传导问题给出了解析解答。本文给出了只需几步计算、查表就可以预测压裂过