水平井分段压裂工艺参数优化与应用课件

水平井分段压裂工艺参数优化 与应用研究 工程领域：石油与天然气工程工程领域：石油与天然气工程 研究方向：油气田开发工程研究方向：油气田开发工程 作者姓名：张云作者姓名：张云 校内导师：罗明良副教授校内导师：罗明良副教授 现场导师：李希明副教授现场导师：李希明副教授 二零一零年十二月二零一零年十二月 个人简介 1 粘弹性表面活性剂压裂液推广应用 2008年胜利 油田分公司科技进步奖（推广）一等奖 2 压裂酸化数据挖掘决策系统的开发 2008年采油 工艺研究院科技创新一等奖 张云，男，汉族，1981年2月出生，党员，工 程师，2003年7月毕业于济南大学信息管理与 信息系统专业，2003年7月至今，在采油工艺 研究院压裂酸化中心，从事科研管理工作。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 汇 报 提 纲 一、前言 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 五、致谢 四、结论和认识 1 目的及意义 （1）驱替压力梯度高，约为直井系统平均压力梯度的4.48倍 ，因此水平井可容易建立有效驱替； （2）水平井需要的生产压差远小于直井，因此低渗透油藏利 用水平井开发压降低优势明显，避免了近井地带过高的压差造 成储层近井物性参数的降低。 （3）穿透天然裂缝的机率高。 （4）适合于复杂环境下油气藏的开发。 前 言 l本文的主要目的就是研究水平井产能和压裂后不同 裂缝形态的产能预测，优选产能最高的裂缝形态， 从而能更好地指导水平井水力压裂的优化设计，提 高水平井水力压裂的效果和成功率。 国 外中 石 油中 海 油中 石 化 全世界的水平井总数 50000口左右 主要分布在美国、 加拿大、俄罗斯等69个 国家，其中美国和加拿 大占88.4% 。 美国平均每年钻钻水平井 3100多口，占总总井数 7.6%以上。 加拿大占总总井数10% 2002年加大力度发发展 水平井 2007年完钻钻水平井 806口，占总总井数 5.8%。 2008年水平井1005口 。 TZ4-27-H14井单单井累 计产计产 油164.15万吨 2000年以来每 年水平井数量 增长20-30% 从最初2个油田 扩大至目前的 14个油田 总井数126口 2007年354口，占开 发发井13.2%, 2008年新投561口， 占开发发井18% 应用比例达到 国际先进水平 国内外水平井基本情况 2、水平井压裂产能国内外研究现状 公 司井 号测深,m垂深,m井底位移,m位垂比 国 外 M-16SPZ112781637 107286.55 CN-1111841657 105856.38 中石油庄海8Nm-H34728.51071.024195.863.92 庄海8Nm-H54841.61 中石化 金平1井2128583.9 1636.432.80 埕北21-平14837.42633.91 3167.33 1.75 国内外水平井基本情况 压裂水平井的应用越来越广泛压裂水平井的应用越来越广泛 准确的产能计算及预测意义重大准确的产能计算及预测意义重大 解析方法中没有关解析方法中没有关 于纵向缝产能计算于纵向缝产能计算 的模型的模型 数值模拟方法中的笛数值模拟方法中的笛 卡尔网格无法准确的卡尔网格无法准确的 描述井及裂缝的形态描述井及裂缝的形态 半解析方法中裂半解析方法中裂 缝与水平井的结缝与水平井的结 合方法不够完善合方法不够完善 建立压裂水平井纵建立压裂水平井纵 向缝产能计算模型向缝产能计算模型 将水平井半解析模将水平井半解析模 型模型与压裂井解型模型与压裂井解 析模型相结合析模型相结合 将将PEBIPEBI网格应用于网格应用于 压裂水平井数值模压裂水平井数值模 拟技术拟技术 水平井产能预测的理论发展 3 压裂水平井工艺参数优化所面临的问题 l 水平井往往需要压裂出多条裂缝，每条裂缝的几何尺寸、 导流能力等各项参数可能都不一定相同，而且在生产时它 们之间要产生相互干扰，使得压后水平井的产能计算更加 复杂化； l 井筒内的流压损失也影响着产能的计算。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 汇 报 提 纲 一、前言 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 五、致谢 四、结论和认识 二、水平井分段裂缝配置优化技术 水平井开采的低渗透油田一般情况下具有一定的裂缝发育， 在开发过程中储层压力的变化必然会对储层物性参数和产能的 影响，因此在模型建立重点研究了油水两相流固耦合的影响。 然后通过对模型进一步简化，建立了模型求解的数值方法，编 制了水平井分段裂缝优化技术软件。 1、非达西渗流、流固耦合特征参数的的实验测量 2、油水两相流固耦合非达西渗流模型 3、水平井分段压裂油藏模拟数值方法 4、水平井分段压裂优化软件 5、水平井分段压裂裂缝优化 主要研究内容及成果 形成了适合水平井分段压裂裂缝参数优化的技术方法 通过两相流固耦合 渗流模型的建立求 解形成分析软件 来研究和分析水平井 裂缝参数敏感性。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 1、非达西渗流、流固耦合特征参数的的实验测量 二、水平井分段裂缝配置优化技术 （1）启动压力梯度 毛细管平衡法测定最小启动压力原理示意图 研究表明油（水）在低渗透多孔介质中渗流时遵循具有启动压力梯度的非研究表明油（水）在低渗透多孔介质中渗流时遵循具有启动压力梯度的非 线性渗流规律线性渗流规律，因此，因此采用采用“ “毛细管平衡法毛细管平衡法” ”直接测得启动压力直接测得启动压力： 样品：均取自胜利油田不同区块的岩 芯 渗透率等级：分为4个级别 (0.1l 、15、510、105010-3 m2) 实验流体粘度：1.15mPas、 5.39mPas 、15.71mPas 实验：共计43组 原油粘度1.15mPas驱替压力与流量试验结果原油粘度5.39mPas驱替压力与流量试验结果 原油粘度15.71mPas驱替压力与流量试验结果 单相驱替压力梯度与流量的试验结果 可以看到： 随着渗透率的增大，渗流速度逐渐增 大，即岩芯渗透率越低，渗流越困难 ，渗流曲线非线性段延伸越长； 从绝大部分的渗流曲线直线段的延长 线与压力梯度相交于某点而不经过 坐标原点，表明了启动压力梯度的存 在。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 得到拟合关系式： 单相驱替压力梯度曲线 由上式得到驱替压力曲线， 驱替压力与渗透率和流度的 变化关系，可用于油藏模拟 、整体压裂方案优化、注水 压力预测、注采井网的优化 等方面。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 （2）孔渗随围压变化实验 二、水平井分段裂缝配置优化技术 l仪器：采用CMS-300全 自动覆压孔渗测试仪、 非稳态法测试 l实验条件：室温，围压 从3.5MPa到43.5MPa。 l岩芯：直径2.5cm，长 度为3-5cm，共进行29 组实验。 岩芯试验结果表明：孔隙度、渗透 率和压缩系数随净上覆压力的增加 遵从单调圆滑下降趋势。 岩芯覆压下的孔渗及压缩系数变化图 适合不同渗透率级别的围压条件下渗透率的变化关系式，可以直接用于预 测围压条件下的渗透率的变化： 围压条件下渗透率损失程度的试验结果围压条件下孔隙度损失程度的试验结果 （2）孔渗随围压变化实验 二、水平井分段裂缝配置优化技术 二、水平井分段裂缝配置优化技术 2、油水两相流固耦合非达西渗流模型 主要研究内容： l 利用双孔隙度（孔隙、裂缝）参数的系统弹性模 量，定量评价固相岩层系统宏观变形； l 考虑岩层系统变形导致的牵连比流量，并结合传 统的孔隙-裂缝双重介质模型，建立了饱和油水 两相渗流与变形孔隙-裂缝双重介质耦合作用的 数学模型。 该模型方程由3个孔隙-裂缝介质系统变形方程式、4个饱和油水两相渗流 模型方程式构成，求解变量为岩层固体变形 与双重介质流体系统压力 或饱和度 ，共计7个基本参数，加上状态方程与定解条件，就构成了一 个封闭的偏微分数学方程组。 油水两相流体运动遵循非达西方程： 考虑岩层介质为线弹性，介质内的流体流动与岩层骨架体积变形间存 在着耦合作用。 启动压力 在低渗透油田启动压力、围压孔渗等试验基础上，研究了两相流固 耦合渗流模型。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 （1）孔隙-裂缝介质系统变形方程 l 孔隙-裂缝系统介质平衡方程： 二、水平井分段裂缝配置优化技术 l 孔隙-裂缝弹性介质系统有效应力应变关系: l 边界条件 应力边界 位移边界 岩层体积变形导致的 孔隙岩块系统和裂缝 网络系统相对流量变 化、流体压力场对岩 层变形方程的影响 （2）饱和油水两相渗流方程 l 连续性方程 二、水平井分段裂缝配置优化技术 孔隙岩块系统 裂缝网络系统 l 运动方程 流体相对于变形岩层骨架的流动遵循非达西流动方程 l 饱和油水渗流模型 饱和度方程 毛细管压力方程 有效渗透率方程 绝对渗透率方程 二、水平井分段裂缝配置优化技术 l 饱和油水渗流模型 相流体边边界） 相流体边界） 初始条件 l 模型的定解条件 二、水平井分段裂缝配置优化技术 二、水平井分段裂缝配置优化技术 3、水平井分段压裂油藏模拟数值方法 假设条件： l 油藏为矩形油藏，油藏中流体等温渗流； l 油藏压力始终高于饱和压力，油藏中不存 在自由气体，油藏中流体为遵循达西渗流 的油水两相流动； l 水平井井筒多为套管完井，不考虑井筒本 身对产量的影响，仅依赖于射孔孔眼或裂 缝生产； l 不考虑横向渗透率的变化，但考虑纵向上 的重力及产层渗透率的变化； l 模拟评价时将裂缝考虑为油藏的一部分， 保持裂缝导流能力不变将裂缝缝宽变大而 裂缝渗透率降低，将裂缝放入油藏中直接 模拟。 水平井井筒.裂缝物理模型示意图 （1）油藏 针对横向裂缝情形，将模型进一步简化，利用IMPES隐式差分方法 ，对上面所建立三维两相渗流模型中的油相渗流方程差分求解，建立 水平井分段压裂优化设计方法。如右图所示，根据模拟的裂缝条数及 裂缝位置来确定整个网格数及网格的位置。 水平井压裂渗流油藏模型水平井油藏一裂缝一井筒剖面 二、水平井分段裂缝配置优化技术 利用IMPES方法，建立油相渗流方程： 水相渗流方程： 二、水平井分段裂缝配置优化技术 气藏水平井分段压裂模型 二、水平井分段裂缝配置优化技术 l 运动方程： l 连续性方程: l 状态方程: l 气体不稳定渗流方程: 为了建立数值模型，进一步作如下的假设： （1）矩形气藏中心一口生产井，产层水平均质等厚，渗透率各向异性。 （2）有限导流能力的裂缝两翼以井筒为轴对称分布，裂缝的高度与储层厚 度相同。 （3）地层和裂缝内单相气体的渗流服从Forchheimer二项式方程（等温非 达西流动）。 （4）气井定压生产。 （5）忽略重力影响。 （2）气藏 气藏模型: 二、水平井分段裂缝配置优化技术 l 气藏模型: l 初始条件 l 外边界条件 l 内边界条件 定压 定产 裂缝模型: 二、水平井分段裂缝配置优化技术 l 裂缝模型: l 初始条件 l 外边界条件 l 内边界条件 定压 定产 三、差分方程的建立与求解 气藏及裂缝间交换系数的计算 交界面处压处压 力和流量相等 二、水平井分段裂缝配置优化技术 二、水平井分段裂缝配置优化技术 形成了适合水平井分段压裂裂缝参数优化的技术方法 。 4、水平井分段压裂优化软件 水平井压后产能预测数值模拟计算框图水平井压后产能预测软件界面 二、水平井分段裂缝配置优化技术 井身结构模块 产量预测模块井底流压与产量关系 油藏水平井输入基础数据 二、水平井分段裂缝配置优化技术 裂缝条数与产量关系裂缝宽度与产量关系 水平井渗透率与产量关系裂缝半长与产量关系 二、水平井分段裂缝配置优化技术 5、水平井分段压裂裂缝优化 横向裂缝 斜交裂缝 轴向裂缝 （1）压裂裂缝与井身轨迹的优化匹配 胜利油区低渗透油藏水平井深度一般在3000m左右，产生垂直缝。沿着最小 水平主应力方向钻进有利于提高低渗透水平井的产能和后期措施的实施。 最 佳 裂 缝 配 置 研究表明，大多数条件下水平井不压裂不如直井压裂产能高，但横向压 裂水平井具有较高的潜在增产能力。 低渗透水平井最佳井身轨迹与最小主应力方向一致，不仅与开启天然裂 缝最大可能相交，压后也可最大限度提高单井产能。 直井不压裂3t/d 水平井不压裂7t/d 压裂直井 16t/d 压裂3条缝水平井 32t/d 二、水平井分段裂缝配置优化技术 水平井压裂裂缝造缝及延伸机理要求要产生正交的横向缝，水平段轨 迹要与min方向一致。据此在胜利油田部署了7口水平井井身轨迹 史127-1块水平最大主应力方向为NE97.5（东西向）。为保证压裂时形成横 向裂缝，特部署的史127-平1井水平井的井身轨迹为近南-北向。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 二、水平井分段裂缝配置优化技术 分段裂缝配置优化 内容：裂缝条数、裂 缝间距、裂缝规模 及其裂缝参数 分段裂缝优化配置内容 二、水平井分段裂缝配置优化技术 （2）水平井分段压裂优化参数 分段压裂裂缝位置示意图 裂缝条数对压裂水平井产能的影响 二、水平井分段裂缝配置优化技术 压裂一般比不压裂相比增加2倍以上，随着裂缝分段越多产能增加，但 是产能增加较好的分段条数在3-6段左右，当裂缝条数增加超过6条后， 产能增加速度变缓，计算增加分段数目的意义不大。 不同位置裂缝对产能的贡献 二、水平井分段裂缝配置优化技术 考察了分段压裂水平井不同位置的裂缝对产能的贡献率，对于8条裂缝的 情况，处于中间部位的裂缝的贡献率较低，而处于两端的裂缝的贡献率最 高，这对优化施工设计提供了一个很好的思路，可以考虑在保持其他裂缝 长度不变的情况下，增加靠外的裂缝长度特别是最外面的裂缝长度。 裂缝导流能力 恒定裂缝渗透率、变裂缝宽度考察导流能力，产量随裂缝导流能力 增大呈增加趋势，但对于不同的储层渗透率、产层有效厚度存在最佳的 裂缝导流能力范围。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 裂缝长度 不同裂缝长度对增产效果的影响，4条裂缝的情况下考察的裂缝长 度对于压裂后产能的影响，从计算情况看裂缝长度的增加几乎与产能 的增加成正比，因此在压裂改造过程中尽可能增大压裂改造规模。 二、水平井分段裂缝配置优化技术 二、水平井分段裂缝配置优化技术 汇 报 提 纲 一、前言 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 五、致谢 四、结论和认识 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 l 截止到2008年，但是这些水平井早期基本上采用套 管注水泥完井，射孔完成，射孔段基本上是全部水 平段，采用工具分隔压裂改造的难度，尚没有很好 的满足分段压裂要求的候选井。 l 论文完成期间分别进行了大平35-1井、滨660-平1 、史127-平1井等多井次的水平井分段压裂改造施 工，取得了大量的宝贵经验和认识，为本论文的完 成提供了很大帮助，在此以华北分公司大牛地气田 大平35-1井为例。 井深井深井斜井斜方位方位垂深垂深水平位移水平位移靶点靶点 0.000.000.000.00 0 0 0.000.000.000.00 2354.752354.750.000.00 0 0 2354.752354.750.000.00 2564.752564.7563.0063.00 0 0 2525.092525.09104.39104.39 2637.52637.590.0190.01357.57357.572543.592543.59212.31212.31 A A 3495.433495.4390.2290.22 0 0 2539.072539.071030.001030.00 B B 水平位移：水平位移：10301030米；水平段长：米；水平段长：817.69817.69米米 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 大牛地气田DP35-1机械分层压裂 l 水平段2637.5-3437.5m，水平段长800m ，水 平位移1011.67m，水平段采用外径 114.3mmN80套管固井完井，外径114.3mm，内 径99.6mm。 l 2006年1月1日进行酸洗处理，测试无阻流量 0.08104m3/d,由于产能很低，下4 1/2”套 管 层号深度段视厚度自然伽马 电阻 率 时差 补偿中 子 泥质含量孔隙度渗透率饱和度 解释结 论 433048.9-3088.839.950.474.1208.73.25.26.20.452.7气层 443090.1-3090.90.875.076.8198.13.520.36.60.258.0气层 453093.2-3102.08.863.889.9203.02.112.15.10.148.8气层 463111.6-3152.040.459.459.4213.84.08.67.01.053.7气层 473152.0-3166.314.372.050.7205.82.813.25.80.239.5差气层 483169.1-3195.726.661.853.2214.43.47.86.40.546.5气层 493210.6-3216.25.686.379.5194.83.719.96.50.246.2差气层 503226.9-3248.521.661.573.2213.02.96.85.90.251.2气层 513251.2-3252.91.779.889.5210.03.915.54.00.133.8差气层 523254.7-3255.40.786.6112.9202.65.319.85.30.151.5差气层 533344.0-3349.05.084.659.9208.23.718.36.40.249.5差气层 543355.0-3377.422.462.053.9252.23.86.96.80.850.1气层 553377.4-3425.047.680.960.2214.63.916.15.90.244.7差气层 水平段测井数据 砂岩717m，砂岩钻遇率89.5%；气层504.8m，气层钻遇率63.1 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 33553425m，70m 3111.63248.5m，126.9m 2911.93102.0m，190.1m 2749.12903.4m，154.3m 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 （1）第一段压裂: 直井单封 l 全程液氮伴注助排。 l 前置液加入5%的0.220.425mm小陶。 l 支撑剂为覆膜陶粒 l 压裂液 基 液：0.45%羟丙基瓜胶+0.5%CQA2+1%氯 化钾+0.1%甲醛0.3COP-1+0.2%碳酸钠 +0.5%FBM-4 交联剂: YJ-1有机交联剂 交联比：100:0.25-0.3 破胶剂: 混砂车楔型加入胶囊和过硫酸铵破 胶剂 活性水配方：0.3%CQA2+清水 加陶粒47m3，排量3.54.0m3/min ，试气无阻流量1.93万方/天，日产 水1.48m3/d 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 导向器4 1/2in扶正器SPK344-90封隔 器压温器90节流器SPK344-90封隔器4 1/2in扶正器90水力锚安全接头 （2）第二、三、四段压裂：机械封隔器分段压裂 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 段内限流实现多段裂缝压 开、前置多段塞有利于主 裂缝延伸；油管进液，直 井段选用 89外加厚 N80油管； 水平段选用 73 N80平式油管， 采用胜利采油院专门为该 井设计的小直径分层压裂 封隔器实施机械封隔分段 压裂。 射孔 按照水平180 、向下120 相位定向限流射 孔，通过限制孔眼数，利用孔眼的节流在井筒与 裂缝之间形成一定的净压力，克服不同层段的Pb 与Pe的差异，实现不同层段同时改造。 压裂序次 射孔井段(米 ) 厚度(米 ) 枪型弹型孔密(孔/米) 相 位 孔数射孔方式射孔液 2 3120.5-31210.5水平井专用73型射 孔枪、89H射孔弹 126 油管传输 活性水 3137.5-31800.5126 3180.5-31810.5126 3239.5-32400.5168 32933.0- 2933.5 0.584 2980.0- 2980.5 0.584 3068.0- 3068.75 0.751612 42785-278611313 2833-283411414 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 DP35-1井太2气层应力剖面计算结果 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 （3）第二段水平井压裂的方案模拟与优化 注入时间15.08min 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 注入时间55.01min 注入结束 l DP35-1水平井裂缝宽度模拟图 射孔井段 (m) 射孔垂深 (m) 造缝 高度 (m) 造缝层段 (m) 动态缝宽 (mm) 缝长(m) 平均铺 砂浓度 (kg/m2 ) 动态支撑 3120-3121 3189-3190 3239-3240 2541.0 2538.5 2539.57 2203060-3280 6.09 6.35 5.59 130. 6 104. 8 164. 8 129. 0 99. 0 163. 0 3.00 2.85 2.65 DP35-1水平井压裂模拟结果 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 预测无阻流量为6.63104m3/d，生产24个月时无阻流量为3.08104m3/d。 l 产能预测 层 次 加砂量砂比排量入地净液量 返排 率 破裂 压力 工作压力 停泵 压力 产水量CL-QAOF m3m3/minm3%MPaMPaMPam3PPm104m3/d 147.425.53.5-4.0300.26763.219.54.44297001.93 257.2185.5-5.6493.668.560.132.1-7917.5410.9128806.70 355.916.35.1-5.45085174.5 35.7- 74.5 17.2290.0125005.790 442.820.74.5-4.6374.58958.945.7-6017.5369.4134986.41 压力突降压力突降 压力突降 压力突降 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 该井进行了四次压裂，累计压开10条裂缝，产能对比表明，压后 无阻流量相当于单条裂缝时的9.6倍，合计无阻流量16.3104m3/d。 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 二、水平井分段裂缝配置优化技术 汇 报 提 纲 一、前言 三、水平井分段压裂优化技术现场应用 五、致谢 四、结论和认识 四、结论和认识 本论文针对低渗透油藏水平井开采，从水平井压裂油藏工 程研究入手，建立了稳态渗流时压裂水平井不同裂缝形态的产 能模型，并对模型进行求解，编制相应的计算程序；在此基础 上优化了水平井分段裂缝参数的优化技术；研究不同油藏参数 条件对压裂水平井生产动态的影响；并利用水平井压裂油藏模 拟技术，优化水平井压裂裂缝分段数量、长度、导流能力等参 数。 主要包括： 1、裂缝形态的产能模型建立及求解 通过非达西渗流、流