中国石油大学石油工程毕业论文样版.doc
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1、中国石油大学()现代远程教育中国石油大学()现代远程教育毕毕 业业 设设 计(论文)计(论文)低渗透油田压裂液返排规律研究低渗透油田压裂液返排规律研究姓名:学号:性别:专业:石油工程批次:学习中心:指导教师:年月摘摘 要要水力压裂是低渗透油气藏开发评价和增产增注必不可少的技术措施,而油气井压后的压裂液返排又是水力压裂作业的重要环节。目前,对压裂液返排的控制,大多采用经验方法,没有可靠的理论依据。本文对压裂液的返排过程和压后井底压力的确定进行了较为系统的研究,旨在为压裂液返排控制提供理论依据。本文在以压裂液的滤失量计算的基础上,运用流体力学和数值模拟的相关理论以及物质平衡原理,针对返排期间裂缝闭
2、合的过程,考虑了启动压力梯度的影响,建立了压裂液返排的数学模型,给出了压裂液返排数学模型的数值解法。研究表明,为了减少压裂液对储层的伤害,低渗透储层中的压裂井应采用停泵后立即返排的方式,使裂缝强制闭合。实测井口压降曲线与计算值的比较结果表明,建立的模型能够比较准确地预测裂缝闭合过程和压裂液返排过程。最后,对返排的过程进行了室模拟实验研究,通过岩心实验,发现了返排过程中的一些特定规律。然后以滤失机理研究为基础,通过了建立裂缝壁面上的渗流模型,编制了返排参数预测程序,可通过对压裂返排效果的预测来指导压裂液返排作业。关键词:关键词:水力压裂;裂缝闭合;压裂液返排;数学模型;井底压力目目录录第 1 章
3、 绪论.11.1 压裂液返排规律研究的目的和意义.11.2 目前关于压裂液返排规律研究存在的不足.2第 2 章 低渗透油田特点及压裂液返排规律研究现状.32.1 国外低渗透油田储量分布及特点.32.1.1 国外低渗透油田储量分布.32.1.2 国外低渗透油田的主要特点.32.1.3 国低渗透油田储量分布.42.1.4 国低渗透油田的主要特点:.52.2 压裂液返排规律研究现状.62.2.1 国外压裂液返排的推荐做法.62.2.2 国压裂液返排的研究现状.102.3 裂缝形态的数学模型.11第 3 章 裂缝闭合期间压裂液返排模型.123.1 裂缝闭合过程中模型的假设条件.123.2 压裂液返排的
4、二维数学模型.123.2.1 压裂液从地层返排的数学模型.133.2.2 初始条件及边界条件.173.3 模型的数值解法.183.3.1 返排模型的离散.183.3.2 求解方法.223.4 裂缝闭合时间及压裂液返排量的确定.223.4.1 裂缝闭合时间确定.223.4.2 压裂液返排量的计算.233.4.3 停泵后裂缝体积变化量的计算.243.5 实例计算与分析.243.6 室实验模拟研究.273.6.1 实验方法.273.6.2 实验数据及处理.28第 4 章 压裂液返排的实验研究.324.1 实验仪器材料.324.2 实验步骤.324.3 实验数据处理与结果分析.334.3.1 采用瓜胶
5、压裂液进行压裂实验.334.3.2 采用田菁胶压裂液进行实验的结果.35图 4-6 累计流量与渗透率恢复值.364.4 结论与建议:.37第 5 章 压裂过程中的滤失与返排效果预测.385.1 压裂液滤失理论.385.1.1 受压裂液黏度控制的滤失系数 C1.395.1.2 受地层流体压缩性控制的滤失系数 C2.405.1.3 压裂液造壁性控制的滤失系数 C3.415.1.4 综合滤失系数 C.425.2 一维总滤失体积计算.425.3 压裂液返排数学模型.435.3.1 饱和度呈线性分布.435.4 实例计算.445.5 影响压裂液造壁性滤失系数实验.45结论.47参考文献.48第第 1 1
6、 章章 绪论绪论1.1 压裂液返排规律研究的目的和意义压裂工艺是油、气藏增产和提高采收率的最有效的措施之一1-2。随着水力压裂技术在低渗透油气田勘探、开发及其它工业生产领域中的广泛使用,其在理论方法、工艺、设备及工具方面都得到了迅速的发展。水力压裂具有多学科性,它是与岩石力学(控制着裂缝几何形态)、流体力学(控制着液体流动与支撑剂的铺置和回流)以及化学(控制着施工的材料性能,如压裂液)密切地联系着的。由于这种多学科交叉的复杂性,人们对水力压裂工艺整个过程的研究还有许多不完善的地方,有些水力压裂的指导方法或控制程序到目前为止还只是建立在现场工程师的经验之上。所以,结合这些学科的知识对指导水力压裂
7、工艺的理论基础进行深入的探讨,具有很大的现实意义,即可引导工程技术人员设计出更合理的水力压裂工艺控制程序。压裂是重要的油气井增产措施,而压裂液的返排是压裂施工中的一个主要的步骤。压裂液能否顺利、及时地排出对施工效果影响非常明显,特别是对于低渗低压地层,由于返排困难,残液可能造成地层再次伤害,影响增产效果。研究表明:施工结束后,为了防止残液长期滞留地层造成二次伤害,一般说来应将残液尽可能地快速排出。在实际施工过程中常常由于对地层客观认识不足,对工作液、添加剂选择不当,或施工工艺不合理,使返排率低,造成对储层的伤害。可见,返排在压裂、酸化工艺中占有非常重要的位置,如果不能及时排完、排净会给地层带来
8、再次伤害,返排效果的好坏直接影响措施效果。由于这一过程是在裂缝闭合期间进行的,因而,适当的返排程序通常是保持裂缝良好导流能力的关键所在,压后油气田的生产能力在很大程度上取决于裂缝导流能力。在压裂液返排过程中,工程技术人员往往希望通过对返排流量的控制使支撑剂在产层区获得较好的铺置,继而使裂缝具有较高的导流能力。但是,由于对压后关井期间或返排过程中裂缝闭合情况、支撑剂运移情况、压裂液滤失及流体性质的变化情况不能很好地把握,所以对返排流量的控制经常显得无据可依。到目前为止,工程现场反馈了很多问题,其中的一些问题导致了严重的后果。对于油气层压力低的井,返排困难的问题十分突出;而当油气层压力较高时,油气
9、井产量大时,对于油井,过大的放喷速度会使支撑剂回流;对于气井,过大的放喷速度会产生气窜,使气体将残液分割在地层中不能排出,因此仍然存在排液速度控制的问题。这些问题主要有两大方面3-4:一是没有选择合理的时机对支撑剂的运移进行控制,导致大量的支撑剂回流到井筒(吐砂),或在近井筒带破碎,从而使产层区的支撑剂很少或分布不合理。这在很大程度上降低了裂缝的导流能力,严重的会导致压裂施工的失败;二是返排流量控制不好,使回流的支撑剂冲出井口,刺坏放喷油嘴以及破坏其他设备。而且,往往发现这些问题时,施工基本完成,想进行挽救为时已晚。在低渗透储层中,一般都要进行大型水力压裂作业,压后返排出现的这些问题就更加突出
10、了。存在这些问题的一个很重要的原因就是由于压裂液返排控制中经验成分过多,缺少可靠的理论依据。从合理控制返排的目标出发,必须对压裂液返排过程的机理进行深入分析,了解裂缝的闭合过程,认识压裂液返排的规律。1.2 目前关于压裂液返排规律研究存在的不足综上所述,虽然在低渗油气藏压裂液返排规律研究上已取得了很大的进步,但还存在以下几方面不足5-10:(1)以往在压裂液返排工艺研究上,缺乏量化的操作流程,返排时的井口压力完全依赖经验。压裂液在储层中的返排过程类似于油(气)驱水过程,井口压力大小直接关系到油(气)驱水流动过程中的压力梯度,会最终影响排驱效率。因此有必要建立井口不同返排压力与返排效果的关系,根
11、据油藏实际情况选择合适的返排井口压力。(2)以往建立的压裂液返排模型虽然在理论上对压裂施工具有一定的指导意义,但这些模型一般适合于中、高渗透油气藏的开发,没有考虑到低渗透油气藏的实际情况,忽略了低渗透油气藏中启动压力梯度对返排效果的影响,因此有必要建立适合于低渗透油气藏压裂液返排的数学模型和物理模型,分析影响因素,指导压裂作业。(3)影响返排效果的因素是多方面的,对于不同油气藏,其储层物性和流体性质也不同,各影响因素(返排压差、渗透率、流体的黏度、界面力、润湿性和孔隙度等)对返排效果影响程度也不尽相同,因此有必要了解不同油气藏的主要因素,从而为现场压裂作业提供合适可行的方案。油气藏压裂后压裂液
12、返排过程中虽然是油、水相流动,但在压裂过程中,其有效孔隙度和渗透率发生了变化,因此特别有必要建立残液返排的渗流模型,这样更有利于对返排率的预测和压裂后生产井的效果预测。目前国现场放喷排液基本上还处于靠经验操作的阶段,没有一套科学的排液理论来加以指导和量化,导致排液措施随意性大,往往对施工效果造成非常不利的影响,但是这种影响又经常被忽视。因此,目前急需从机理上研究残液的返排过程,在机理研究的基础上提出具有针对性的、可量化操作的排液措施及排液参数,对于提高压裂施工成功率、提高施工效果和油气井产量是非常必要的。第第 2 2 章章 低渗透油田特点及压裂液返排规律研究现状低渗透油田特点及压裂液返排规律研
13、究现状2.1 国外低渗透油田储量分布及特点2.1.12.1.1 国外低渗透油田储量分布国外低渗透油田储量分布世界上低渗透油田资源十分丰富,分布围广泛,各产油国基本上都有该类型的油田11-13。美国中部、南部、北部和东部,前联的前喀尔巴阡山、克拉斯诺达尔、乌拉尔伏尔加、西西伯利亚油区和加拿大西部的阿尔伯达省都有广泛的分布。近些年来,小而复杂的低渗透油田比例越来越大。例如,俄罗斯近年来在西西伯利亚地区新发现的低渗透、薄差层储量已占探明储量的 50%以上。有的地区,低渗透油田连片分布,成为低渗油区。1999 年俄罗斯各油气区中难以开采的石油储量占剩余可采储量的 40%以上。低渗透储层的储量达数百亿吨
14、,其中,渗透率低于 5010-32m的低渗透层储量约有 150108t,占低渗透储量的 90%以上,占俄罗斯可采储量的 30%以上。其中 60%在西西伯利亚。这些低渗透层大部分已投入开发。目前,全俄罗斯从低渗透储集层中采出的石油占全部采出量的 20%左右。低渗透储集层中石油黏度在 10mPa s 以下,其有效厚度多数在 210m,埋藏深度大多为 12001400m,采出程度不高。1998 年美国低渗透油气田可采储量占全国总储量的 10%15%。据北美 172 个低渗透油藏统计,渗透率一般在几个毫达西到几十个毫达西。其中,2010010-32m的油田占这些低渗透油藏总数的 60%,20110-3
15、2m的占 30%,少数低于 110-32m,约占 5%。2.1.22.1.2 国外低渗透油田的主要特点国外低渗透油田的主要特点从国外报道的情况看,对低渗透油田大体上可以归纳出以下几个特点:(1)储层物性差,渗透率低。由于颗粒细、分选差、胶结物含量高,经压实和后生成岩作用使储层变得十分致密,渗透率一般小于 0.12m,少数低于 0.0012m(统计北美172 个低渗透砂岩油藏的数据)。(2)储层孔隙度一般偏低,变化幅度大。大部分为 7%20%,个别高达 28%。(3)原始含水饱和度较高,原油物性较好。一般含水饱和度 30%40%,个别高达60%(美国东堪顿油田),原油比重多数小于 0.85,地层
16、油黏度多数小于 3mPas。(4)油层砂泥交互,非均质性严重。由于沉积坏境不稳定,砂层的厚薄变化大,层间渗透率变化大,有的砂岩泥质含量高,地层水电阻率低,给油水层的划分带来很大困难。(5)天然裂缝相对发育。由于岩性坚硬致密,多存在不同程度的天然裂缝系统,一般受区域性地应力的控制,具有一定的方向性,对油田开发的效果影响较大,裂缝是油气渗透的通道,也是注水窜流的条件,且人工裂缝又多与天然裂缝的方向一致,因此,天然裂缝是低渗透砂岩油田开发必须认真对待的问题。(6)油层受岩性控制,水动力联系差,边底水驱动不明显,自然能量补给差,多数靠弹性和溶解气驱采油,油层产能递减快,一次采收率低,只能达到 8%12
17、%,采用注水保持能量后,二次采收率可提高到 25%30%。(7)由于渗透率低,孔隙度低,必须通过酸化压裂投产,才能获得经济价值或必须通过压裂增产,才能提高经济效益。(8)由于孔隙结构复杂,喉道小,泥质含量高,以及各种水敏性矿物的存在,导致开采过程中易受伤害,损失产量可达 30%50%,因此,在整个采油工艺系列中,保护油层是至关重要的环节。2.1.32.1.3 国低渗透油田储量分布国低渗透油田储量分布低渗透油田储量就占我国陆上已探明未动用总储量的 60%以上。外围油田均属这类油藏。就目前石油工业的发展状况来看,我国大多数油田已经进入高含水和特高含水期,原油的开采难度逐渐加大,勘探的形势是新近探明
18、储量中低丰度、低渗透、低产能(俗称“三低”)储量占据的比例很大。90 年代以来在、辽河、胜利、长庆等主要油田陆续发现了许多低渗透油藏。据统计,在近几年探明的未动用石油地质储量中,低渗透油层储量占 58%以上,而在已经探明的石油地质储量中,低渗透油藏的石油地质储量所占比例高达 6070%,甚至更高。可见低渗透油藏是我国今后相当长一段时间增储上产的主要资源基础。我国陆地低渗透油田广泛分布于全国 20 多个油区,它们分布在不同的岩性地层中,物性参数相差很大。而且,在我国陆上原油探明储量中低渗透油田占有非常大的比例,目前探明储量约 40108t。2.1.42.1.4 国低渗透油田的主要特点:国低渗透油
19、田的主要特点:(1)目前发现的低渗透油田储层以中深埋藏深度为主由各油区的低渗透储层埋藏深度统计表明,目前发现的油藏以中深层为主,埋藏深度小于 1000m 约占 5.2%,10002000m 约占 43.1%,20003000m 约占 36.2%,大于 3000m 约占 15.5%。(2)低渗透储层中特低渗透及超低渗透层储量占较大的比例根据渗透率大小,低渗透油藏可分为 3 类:类是渗透率为 1050-3210 m,其储量占 53%,类渗透率为 11010-32m,其储量占 38.6%,类渗透率为 0.1110-32m,占储量 8.4%,二、三类低渗透储层的储量占到 47%。(3)国低渗透油藏岩性
20、以砂岩为主从目前探明的低渗透油藏统计,砂岩油藏占 70%左右,砾岩油藏占 10%左右,其余存在于变质岩和灰岩等特殊岩性油藏中。低渗透问题是一个十分复杂的课题,属于非线性问题。目前,国外关于这方面的研究处于探索阶段,有许多问题尚不清楚。就已有的研究成果来看,主要存在以下问题:低速渗流时,有没有启动压力梯度还存在很多争议;如何测量低渗透岩石的启动压力梯度和启动压力产生的原因值得进一步研究。对于低速非达西渗流,没有判断低速非达西准则,往往仅以地层渗透率作为界限。对低渗透非达西渗流的渗流机理的认识还处于探索阶段。低渗透介质中的渗流规律甚为复杂,至今还没有一个清楚的令人满意的表达方法。因此,合理开发低渗
21、透油田是非常必要的。首先,必须正确认识其储层特征和渗流规律,准确的进行渗流计算,确定合理的开发方案。达西定律一直作为一个基本的规律被广泛地应用于油气田开发的渗流计算中。然而,传统的达西定律面对和高渗透油田有着诸多不同的低渗透油田开发计算问题,显得不尽准确,所以,研究人员必须打破传统的达西公式,寻找更合理的计算方法,来解决工程问题。2.2 压裂液返排规律研究现状2.2.12.2.1 国外压裂液返排的推荐做法国外压裂液返排的推荐做法近十多年来,国外学者在压后压裂液返排的问题上形成了多种认识,具有代表性的观点主要有小排量返排、强化返排和反向脱砂三种14-24。2.2.1.1 小排量返排1988 年,
22、Robinson 等人讨论了采用小油嘴排液以减小裂缝闭合应力的优点,提出了“小排量早期返排”(Early Flowback)的观点。实际上,“小排量早期返排”是一种有控制的返排。Robinson 等人所做的研究突出了裂缝闭合应力对支撑剂破碎以及裂缝闭合时间对支撑剂沉降的影响,认为低渗透储层压裂后通常需要较长的闭合时间。在裂缝闭合之前压裂液已完全破胶,支撑剂已大量沉降,排液初期通过控制返排速度的办法,尽可能减小地层闭合应力,让支撑剂停留在裂缝,从而减少支撑剂的破碎和倒流。实现有效的支撑缝长。基于以上认识,Robinson 等人提出了控制返排的推荐做法:(1)水力压裂前,应有地层闭合应力预测值或测
23、定值,这是选择支撑剂、确定排液程序的基础。(2)获取本地区裂缝闭合所需的时间。如果压裂液破胶时间大于裂缝闭合时间,应当用 0.81.6mm 的小油嘴,以 1938(L/min)的小排量返排,使裂缝降压。待裂缝闭合后立即关井等待压裂液破胶,即使这样仍会有部分支撑剂倒流入井筒。(3)如果施工井作业后有自流能力,应当使用 2.4mm3.2mm 的小油嘴返排,并控制回压至最低(即降低近井筒带的压降)。(4)关井、生产井决不能用大油嘴瞬时开井,推荐以每次 0.8mm 的放大量逐步放大油嘴开关。(5)油气井生产期间,应定期测定或计算井底流压。当井底流压持续回落,或者当地层闭合应力接近所用支撑剂的最大允许应
24、力时,就不能再放大油嘴,除非万不得已。Robinson 等人的“小排量早期返排”实际上是一种有控制的返排,他们所做的研究突出了裂缝闭合应力对支撑剂破碎、裂缝闭合时间对支撑剂沉降的影响,认为低渗透储层压裂后通常需要较长的闭合时间。在此之前压裂液己完全破胶,支撑剂己大量沉降,排液初期通过控制返排速度的办法,尽可能减小地层闭合应力,让支撑剂留在裂缝,从而减少支撑剂的破碎和倒流。2.2.1.22.2.1.2 强化返排强化返排与 Robinson 等人相反,1990 年 E1y 等人提出用强制裂缝闭合(Forced Closure)工艺,配以较高的支撑剂浓度(高砂比)和严格的压裂液质量控制措施,能极改善
25、低渗透油气井支撑缝的导流能力。E1y 等人推荐的排液做法,是在顶替压裂液的 30s 就完成裂缝的闭合,当从地面压力检测到近井筒带裂缝己经闭合后,以小于 3857(L/min)的速度返排 30min,然后放大返排量至 160320(L/min),只要不出砂。这种“强制裂缝闭合”实际上是一种强化返排方式。强化返排减少了压裂液在地层里的停留时间,从而减少了液体伤害,有助于改善裂缝导流能力。后来有学者认为,Ely 等人提出的这种返排程序,非常适合特低渗透地层,能极改善低渗透油气井的返排效果,但不具普遍性。而且这种强制裂缝闭合工艺通常会使支撑剂形成严重的“砂堤”(ProppantBanking),并且由
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