第七章-增产措施

石油工程概论

第七章油气藏增产原理

注水水力压裂酸化提高采收率(EOR)油气藏增产原理

第一节注水

目前我国90%以上的油田都采用注水开发。这是因为油藏本身能量极为有限，如果没有外来水的补充，油藏会很快地衰竭，即使有外来水增补，还常常由于增补速度较慢无法补偿合理的采油速度而需人工补充能量。在我国，通常采用注水方式补充能量。这是因为：1）水易获取，而气的来源很受限制；2）水在油藏中具有扩展能力，洗油能力高；3）注水的设备与工艺比较简单。注水

一、注水方式边外注水（适合于中小型油藏）注水方式切割注水（适合于大型油藏）面积注水（适于复杂断块油藏、后期强化开采）底部注水（适合于底水油藏）

但对于很小的油藏，可依靠天然水的补给开发。

而十分致密的油藏和小的透镜体油藏不能注水。

水源：(水量充足,水质稳定,处理简便,成本低)（1）地面水：淡水，水质、水量不稳定。（2）河床等冲积层水：淡水，水质、水量稳定。（3）海水：盐水，量足，使用方便。（4）地层水：淡水或盐水（5）采出水：污水回注注水

二、常用的水处理措施：1）机械杂质的处理经沉淀，机械杂质含量<50mg/l经过滤，机械杂质<2mg/l2）化学处理加聚凝剂：提高沉降和过滤效果（明矾和硫铝）软化处理：使水质稳定（用明矾、石灰或锰砂）杀菌：用氯气或甲醛3）脱氧处理化学处理：用亚硫酸钠气提脱氧：天然气与水逆流冲刷真空脱氧：注水4)污水处理：重点：1)脱油、过滤、水质稳定

污水处理流程图1）处理后的水应达到注水的水质标准。2）处理后不腐蚀管线和设备，不产生结垢和堵塞。3）不与地层水起反应生成沉淀。5)海水处理：重点：1）机械杂质处理—多级过滤2）脱氧处理—不同方法多级脱氧来水沉降粗粒化过滤清水罐注入油气藏增产原理

第二节水力压裂

用高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排液量注入井中，在井底憋起高压，使地层产生裂缝。然后继续将带有支撑剂（通常是颗粒比较均匀的石英砂）的压裂液注入缝中，停泵后即可在地层中形成足够长度、一定宽度和高度的填砂裂缝。它具有很高的渗透能力，大大改善了油气层的渗透能力，使油气畅通流入井中，起到增产增注作用。

解除深而严重的堵塞。增产作用

改变流动形态，大大降低流动阻力。

图6-1压裂施工曲线PF—破裂压力PE—延伸压力PS—地层压力P井底>=PF时水力压裂C压力时间排量不变，提高砂比，压力升高反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静)净裂缝延伸压力管内摩阻地层压力（静）破裂前置液携砂液裂缝闭合加砂停泵baa—致密岩石b—微缝高渗岩石FHSE一、水力压裂造缝机理水力压裂

１．地应力场地应力场是重力应力、构造应力、孔隙流体压力和热应力场等原地应力及人工诱发的扰动应力叠加的结果。１）重力应力：指沉积盆地中的储层受到上覆岩层重力引起的应力。特点：垂向应力分量根据上覆岩石的重量决定。垂向负荷产生的水平应力分量还与岩石的泊松比有关。水力压裂２）构造应力定义－构造运动引起的应力增量。特点—构造应力属于水平的平面应力状态—挤压构造力引起挤压构造应力—张性构造力引起拉张构造应力—构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。在断层和裂缝发育区是应力释放区。—正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3，—逆断层或褶皱带的水平应力可大到z的3倍。水力压裂３）热应力

定义温度变化在地层内部引起的内应力增量，与温度变化和岩石的热力学性质有关。２．人工裂缝方位

裂缝方向总是垂直于最小主应力显裂缝地层很难出现人工裂缝。微裂缝地层垂直于最小主应力方向；基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。

水力压裂３．井壁应力分布应力集中引起的井壁应力大于原地应力，这是地层破裂压力大于原地应力的一个重要因素。随着井壁半径的增加，周向应力迅速减少，而压应力则增加。井壁上的总应力＝地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力。４．破裂压力梯度

矿场统计当αF<0.015～0.018MPa/m,形成垂直裂缝当αF>0.022～0.025MPa/m,形成水平裂缝

水力压裂二、压裂液压裂液的组成:前置液携砂液顶替液（完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前垫液、预前置液）水力压裂

对压裂液性能的要求：

(1)与地层岩石和地下流体的配伍性；(2)有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部；(3)滤失少；(4)低摩阻；(5)低残渣、易返排；(6)热稳定性和抗剪切稳定性。水力压裂１．压裂液类型水基压裂液油基压裂液乳化压裂液泡沫压裂液酸基压裂液液化汽压裂液水力压裂１）水基压裂液发展活性水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂液水基冻胶压裂液组成水＋稠化剂（成胶剂）＋添加剂成胶液水＋添加剂＋交联剂交联液水基压裂液添加剂水力压裂稠化剂植物胶及衍生物—胍胶—田箐纤维素衍生物—羧甲基纤维素钠盐（CMC）—羟乙基纤维素（HEC）—羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC）生物聚多糖水力压裂交联剂两性金属（非金属）含氧酸盐—硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等弱酸强碱盐无机盐类两性金属盐—如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆等强酸弱碱盐无机酸脂—如钛酸脂、锆酸脂醛类—甲醛、乙醛、乙二醛等水力压裂破胶剂生物酶体系适用温度21—54℃,pH值范围pH=3—8,最佳pH=5氧化破胶剂适用于pH=3—14。普通氧化破胶剂适用温度54—93℃；延迟活化氧化破胶剂适用温度83—116℃，常用氧化破胶剂是过硫酸盐。有机弱酸很少用作水基压裂液的破胶剂,适用温度大于93油基压裂液中典型的破胶剂碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液水力压裂２）油基压裂液适应性:水敏性地层、有些气层发展:矿场原油稠化油冻胶油基液:原油、汽油、柴油、煤油、凝析油稠化剂:脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等)特点:污染小、遇地层水自动破乳；易燃、成本高、热稳定性较差。水力压裂３）乳化压裂液类型：水外相型油外相型常用：两份油+一份稠化水(聚合物)油相(内相)<50%，压裂液粘度太低>80%，不稳定或粘度太高特点:破乳快、污染小；热稳定性差、成本高水力压裂４）泡沫压裂液适用范围K<1mD，粘土含量高的砂岩气藏低压、低渗浅油气层压裂组成：液相+气相+添加剂泡沫液液相:稠化水、盐水、水冻胶、原油或成品油、酸液气相：氮气、二氧化碳、空气、天然气等水力压裂泡沫质量泡沫质量＝泡沫中气体体积/泡沫总体积特点：在压裂时的井底压力和温度下，泡沫质量一般为６０％—８５％随着泡沫质量的增加,泡沫压裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增高滤失少（气体本身就是降滤剂）排液较彻底，对地层伤害小热稳定性差、粘度不够高，限制砂比。水力压裂５）酸基压裂液适用范围碳酸盐储层种类常规酸稠化酸冻胶酸乳化酸水力压裂２．压裂液添加剂降滤剂防膨剂杀菌剂表面活性剂PＨ值调节剂稳定剂水力压裂３．压裂液的流变性各类压裂液的流变曲线流变性的测定摩阻计算水力压裂１）压裂液流变曲线

牛顿型液体非牛顿型液体1.假塑性液体2.胀流型液体3.触变性液体4.流凝性液体5.粘弹性液体6.宾汉型液体7.屈服—假塑性液体水力压裂２）流变性的测定旋转粘度计、小直径管道、盘管式粘度计、摆动式流变仪。RV系列或FANN系列旋转粘度计应用最广泛３）摩阻计算圆管中压降-------摩阻裂缝中压降-------摩阻孔眼中压降-------摩阻水力压裂三、支撑剂支撑剂性质及种类裂缝导流能力及其影响因素支撑剂的选择水力压裂

支撑剂特性要求强度高、硬度适中粒径均匀圆球度好化学惰性、温度稳定性好质量高，杂质含量少密度低货源广、价格低水力压裂１．支撑剂类型硬脆性支撑剂其特点是硬度大，变形很小；——石英砂（砂子）——陶粒——铝球——玻璃珠韧性支撑剂其特点是变形大，在高压下不易破碎——核桃壳——树脂包层支撑剂水力压裂１）石英砂（砂子）主要成分：SiO2和少量杂质主要特点：1)园球度较好的石英砂破碎后，仍可保持一定的导流能力。2)密度相对低，便于泵送。3)强度较低，适用于低闭合压力储层。4)砂子在筛选或清洗不好，含粉砂杂质时，导流能力都会明显降低。5)石英砂货源广、价格便宜。主要产地：甘肃兰州砂、江西永修砂、福建福州砂、湖南岳阳砂、湖北蒲圻砂、山东荣城砂、河北承德砂、吉林农安砂、陕西定边砂及新疆和丰砂等。水力压裂２）陶粒类型：中强度支撑剂(ISP)（铝矾土或铝质陶土）高强度陶粒支撑剂（铝矾土或氧化铝）特点：a.强度很高；b.高温碱性液中陶粒溶解率低（3.5%）；而石英达50%；c.长期导流能力高；d.密度较高(2700~3600kg/m3)，泵送困难；e.加工工艺困难，价格昂贵。水力压裂３）塑料包层支撑剂特殊工艺将酸性苯酚甲醛树脂包裹在石英砂表面，并经热固处理而成，比重约为2.55。

种类：预固化树脂包层砂固化树脂包层砂水力压裂２．支撑剂物理性质评价(1)支撑剂粒度组成及分布(2)园球度和表面光滑度。(3)浊度(4)密度：真密度(或颗粒密度)视密度(或体积密度)(5)酸溶解度(6)抗压强度水力压裂３．裂缝导流能力评价定义：裂缝导流能力是指裂缝传导流体的能力。填砂裂缝的导流能力定义为支撑后的裂缝渗透率Ｋf与支撑后的裂缝宽度w之积。即填砂裂缝导流能力。类型:长期导流能力短期导流能力水力压裂４）支撑剂选择内容—支撑剂强度—地岩岩石硬度—支撑剂颗粒大小—支撑剂密度—支撑剂浓度（排列方式）考虑因素—地质条件（如闭合压力、岩石硬度、温度、物性）—工程条件（压裂液性质、泵注设备）—经济效益水力压裂四、工艺效果分析

1)增产有效期：某井从压裂施工后增产见效开始至压裂前后产量递减到相同的日产水平所经历的时间。

2)增产倍比：指相同生产条件下压裂后与压裂前的日产水平之比。—图版法—近似解析法—数值模拟法水力压裂

3)选井选层原则

考虑因素：储层地质特征、岩石力学性质、孔渗饱特性、油层油水接触关系、岩层间界面性质与致密性、井筒技术要求。

油气井低产原因：（1）由于钻井、完井、修井等作业过程对地层伤害使近井地带造成严重的堵塞；（2）油气层渗透率很低,常规完井方法难以经济开采（3）“土豆状”透镜体地层，单井控油面积有限,难以获得高产；（4）油气藏压力已经枯竭。水力压裂五.压裂工艺技术多层压裂技术暂堵剂分层压裂工艺孔眼堵塞球法压裂工艺限流法分层压裂技术填砂法压裂技术氮气压裂技术控缝高压裂技术端部脱砂压裂技术

1、分层及选择性压裂

1．封隔器分层压裂

(1)单封隔器分层压裂(2)双封隔器分层压裂(3)桥塞封隔器分层压裂(4)滑套封隔器分层压裂(a)单封隔器分层压裂(b)双封隔器分层压裂(c)桥塞封隔器分层压裂节流封隔器水力压裂

2．限流法分层压裂

水力压裂蜡球选择性压裂影响堵球效果的主要因素:(1)堵球在孔眼口上座封(2)保持堵塞不脱落(3)压裂投产后，堵球从孔眼脱落。水力压裂水力压裂4、控缝高压裂技术背景：裂缝高度穿层的危害技术途径：影响压裂裂缝高度的因素分析技术方法（1）：常规控缝高压裂技术技术方法(2)：人工隔层控缝高压裂技术

油藏增产原理

第三节酸化

酸化：是靠酸液的化学溶蚀作用以及向地层挤酸时的水力作用来提高地层渗透性能的工艺措施。酸化一、酸化增产原理酸化有两种基本类型：1）常规酸化（孔隙酸化）：注酸压力低于地层破裂压力的酸化，简称酸化；酸液主要发挥其化学溶蚀作用，扩大与之接触岩石的孔、缝、洞；2）酸化压裂：注酸压力高于油(气)层破裂压力的酸化，简称酸压；酸液将同时发挥化学作用和水力作用来扩大、延伸、压开和沟通裂缝，形成延伸远、流通能力高的油气渗流通道。酸化二、碳酸盐岩酸化

1.酸岩化学反应及生成物状态（以CaCO3为例说明其反应过程）

2HCl+CaCO3==CaCl2+H2O+CO27310011118441m3,28%32043848679193(kg)液重1140kg

2.反应生成物的状态酸处理后，地层的渗透性能否得到改善，不仅取决于所溶解的碳酸盐岩，还取决于反应生成物的状态。如果反应生成物都沉淀在孔隙里或裂缝里，或者即使不沉淀，但粘度很大，在现有工艺条件下排不出来，那么，即使岩石被溶解掉了，但对于地层渗透性的改善仍是无济于事的。酸化

三、酸—岩反应机理

1.酸--岩反映过程:酸岩反应(固液相反应)是复相系统反应，其特点是反应只能在相接触界面上进行。把与酸液接触的岩石看成为一个壁面，如图所示。(1)酸液中的H+传递到碳酸盐岩表面。(2)H+在岩面上与碳酸盐岩进行反应。(3)反应生成物和气泡离开岩面。

酸化

2.酸--岩反应速度

盐酸溶解碳酸盐岩的过程，就是盐酸被中和或被消耗的过程。这一过程进行的快慢，可用盐酸与碳酸盐岩的反应速度来表示。3.影响土酸反应速度的因素砂岩酸化过程中，影响反应速度的主要因素是HF浓度、HCl浓度、温度、矿物组成等。1)氢氟酸浓度：酸岩反应速度除蒙脱石外大多数砂岩矿物都与氢氟酸浓度成正比，因此，为了防止疏松地层破碎，应该用低浓度(1.5%)的氢氟酸进行酸处理。2)盐酸浓度：酸岩反应速度一般在强酸介质中加快，高浓度的余酸的反应速度小于同浓度的鲜酸，盐酸的主要作用是保持低pH值，防止二次沉淀。

酸化3)温度：矿物的溶解是一种热活化现象，因此，反应速度随温度增加而明显增加，对石英矿物，每增加25℃，速度增加约1倍，但活性酸的穿透深度相应地减小。4)压力：压力增加，总溶解反应速度略微加快，因为溶解的六氧化硅可以部分变为酸性六氟化硅(H2SiF6)且能迅速引发进一步反应。5)矿物组成及可接触表面积：酸岩反应过程中，要接触岩石的矿物性质和总可接触表面积将决定总反应速度。粘土反应速度比长石快，长石反应速度则比石英基质快。接触表面积越大，反应速度越快。酸化三、砂岩地层的土酸处理

砂岩组成：砂粒+粒间胶结物砂粒：石英和长石胶结物：硅酸盐类和碳酸盐类。砂岩地层的酸处理，就是通过酸液溶解砂粒之间的胶结物和部分砂粒，或者溶解孔隙中的泥质堵塞物，或其它结垢物以恢复、提高井底附近地层的渗透率。

砂岩地层的酸处理多采用土酸进行处理。

土酸：由10%～15%浓度的盐酸和3%～8%浓度的氢氟酸与添加剂按不同比例所组成的混合液,通常之称为土酸(MudAcid)。酸化四、酸液及添加剂酸液及添加剂的合理使用，对酸处理效果起着重要作用。随着酸化工艺的发展，国内外现场使用的酸液种类和添加剂类型越来越多。

1.常用酸液种类及性能

(1)盐酸盐酸是一种强酸，它与许多金属、金属氧化物、盐类和碱类都能发生化学反应。由于盐酸对碳酸盐岩的溶蚀力强，反应生成的氯化钙、氯化镁盐类能全部溶解于残酸水，不会产生沉淀；酸压时对裂缝壁面的不均匀溶蚀程度高，裂缝导流能力大，成本较低。

酸化

缺点:与石灰岩反应速度快，特别是高温深井，由于地层温度高，盐酸与地层作用太快，因而处理不到地层深部;盐酸会使金属坑蚀成许多麻点斑痕，腐蚀严重;H2S含量较高的井，盐酸处理易引起钢材的脆性断裂。

(2)有机酸常用的有机弱酸是甲酸和乙酸，它们在水中只有一小部分离解为氢离子和酸根离子，即离解常数很低。因此，它们的反应速度比同浓度的盐酸要慢几倍到十几倍，有效作用距离长，对金属设备和管线腐蚀弱。

缺点:溶蚀力小，与碳酸盐作用生成的盐类，在水中的溶解度较小。酸化

因此，酸处理时采用的浓度不能太高，以防生成甲酸或乙酸钙镁盐沉淀堵塞渗流通道。一般甲酸的浓度不超过10%，乙酸液的浓度不超过15%。

(3)乳化酸乳化酸一般以油为连续外相，酸为分散相所组成的油包酸型体系。特点：粘度较高，滤失少。当乳化酸进入地层时，被油膜包围的酸液不会立即与岩石结触，因此，乳化酸可增大酸的有效作用距离。另外，由于油膜的存在，使得酸在注入过程中基本不与金属设备和井下管柱直接接触，很好地解决了缓蚀问题。其缺点是摩阻较大，从而排量受到了限制。酸化

(4)稠化酸稠化酸是在盐酸中加入增稠剂或胶凝剂，使酸液粘度增加，降低酸至裂缝壁面的传递速度。特点：它具有粘度高、滤失小、穿透距离深、溶蚀性能好、可携带不溶的细小颗粒及残渣。

(5)泡沫酸

泡沫酸是用少量起泡剂将气体分散到酸液中形成一种均匀的细小的气泡分散体系的酸液。特点：密度小(300～800)、粘度大等特点，因此有缓速、低滤失、反排能力强、用液量少，适用于重复酸化的老井和液体滤失性大的低压油层处理。酸化

(6).其它酸液常用的酸液还有氨基磺酸、废硫酸、化学缓速酸等。

氨基磺酸：是一种缓速酸，它与碳酸盐岩反应慢，作用时间长，价格便宜，处理效果好。

废硫酸：腐蚀性小，溶解能力较高，与地层反应速度慢，能有效地处理井附近及远离井的油层地带，它适用于高温灰岩油层和一般灰岩油层的处理。化学缓速酸的特点是缓速而不增高粘度和固体含量。

活性酸：其中的活性剂可吸附在岩石表面，通过控制酸与岩石表面的反应以达到缓速的目的。酸化2.酸液的添加剂酸处理时要在酸液中加入某些化学物质，以改善酸液的性能和防止酸液在地层中产生有害物质，这些化学物质统称为添加剂。常用添加剂的种类有：

(1)缓蚀剂缓蚀剂是指那些加到酸液中能大大减少金属腐蚀的化学物质。其缓蚀机理是将缓蚀剂通过物理吸附或化学吸附而吸附在金属表面，从而把金属表面覆盖，避免直接与酸接触，使其腐蚀得到抑制。常用的缓蚀剂包括有机缓蚀剂和无机缓蚀剂。使用结果表明，有机缓蚀剂比无机缓蚀剂效能高。酸化(2)稳定剂(络合剂)为了减少氢氧化铁沉淀，避免发生堵塞地层的现象而加入的某些化学物质，称为稳定剂。稳定剂能与酸液中的离子结合成能溶于水的六乙酸铁络离子，减少产生沉淀的机会。(3)表面活性剂酸液中加入表面活性剂，其作用主要是：降低界面张力，油酸脱乳，改变地层润湿性，加速返排，防止