樊世忠，鄢旭彬，任海龍

(延長(zhǎng)油田股份有限公司 永寧采油廠，陜西 志丹 717500)

1 水力壓裂設(shè)計(jì)

水力壓裂設(shè)計(jì)尋求滿足地質(zhì)、工程和設(shè)備條件下作出經(jīng)濟(jì)有效的最優(yōu)方案。目前有兩種設(shè)計(jì)方法:(1)從滿足給定的陪產(chǎn)方案要求的增產(chǎn)倍數(shù)出發(fā)，優(yōu)選壓裂液、支撐劑及布砂方式，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的施工規(guī)模(排量、液量和砂量)，確定相應(yīng)的裂縫幾何尺寸;(2)從地層條件出發(fā)，滿足設(shè)備能力的約束條件，優(yōu)選壓裂液、支撐劑和加砂方式，預(yù)測(cè)多種不同方案下的增產(chǎn)能力，在根據(jù)實(shí)際卻需要選擇施工方案。

1.1 選井選層

壓裂是靠在地層中形成高導(dǎo)流能力裂縫而提高滲透儲(chǔ)層的滲透率，即解決低滲透儲(chǔ)層的產(chǎn)量問(wèn)題。必須綜合考慮儲(chǔ)層地質(zhì)特征、巖石力學(xué)性質(zhì)、孔滲飽特性、油層油水接觸關(guān)系、巖層間界面性質(zhì)與致密性、井筒技術(shù)要求。通過(guò)對(duì)候選井進(jìn)行壓裂錢(qián)評(píng)估，分析油氣井地產(chǎn)的原因，篩選出適當(dāng)?shù)膲毫褜?，并確定部分壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.1.1 儲(chǔ)層物性評(píng)估

1)儲(chǔ)層地質(zhì)特征

儲(chǔ)層沉積特征決定了井的泄油面積，從而決定了壓裂規(guī)模。

2)粘土礦物分析

儲(chǔ)層中宗充填有粘土，粘土礦物類型、含量與分布方式眼中地影響了儲(chǔ)層的滲透性，而且決定了壓裂液與底層的配伍性，是選擇壓裂液體系的主要依據(jù)。

3)巖石力學(xué)性質(zhì)

要包括儲(chǔ)層、蓋層和底層的楊氏模量、泊松比和斷裂韌性值，它們對(duì)裂縫幾何尺寸有很大的影響。巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)可通過(guò)取心在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

4)巖心分析

評(píng)估油氣藏儲(chǔ)層基本參數(shù)，可采用巖心常規(guī)分析或巖心特殊分析技術(shù)。

5)試井分析

進(jìn)一步評(píng)價(jià)地層，確定儲(chǔ)層的滲透率、表皮系數(shù)、地層壓力及其他性質(zhì)。

1.1.2 選井選層原則

任何成功的壓裂作業(yè)必須具備兩個(gè)基本的地質(zhì)條件:儲(chǔ)量和能量，前者是壓裂改造的物質(zhì)基礎(chǔ)，后者是較長(zhǎng)增產(chǎn)有效期的保證。壓裂候選井應(yīng)具備下列條件:

1)低滲透地層:滲透率越低，越要優(yōu)先壓裂，越要加大壓裂規(guī)模。

2)足夠的地層系數(shù):一般要求Kh＞0.5×10－3μm2·m。

3)含油飽和度:含油飽和度一般應(yīng)大于35%。

4)孔隙度:一般孔隙度為6% ～15%才值得壓裂;若儲(chǔ)層厚度大，最低孔隙度為6% ～7%。

5)高污染井:解堵不是壓裂的主要任務(wù)，而是必然結(jié)果。需要針對(duì)儲(chǔ)層條件采取措施。

此外，壓裂經(jīng)是否適合壓裂或以多大規(guī)模壓裂，還應(yīng)考慮距水邊、底水、起頂、斷層的距離和遮擋層條件，并結(jié)合天然裂縫原則、最大水平主應(yīng)力與油氣井不相間原則、井網(wǎng)與最大水平主應(yīng)力有利原則等考慮壓裂工藝，并考慮井筒技術(shù)條件。

1.2 壓裂施工工序

壓裂施工是多工種聯(lián)合作業(yè)，一般要經(jīng)過(guò)下列過(guò)程:

1.2.1 施工設(shè)計(jì)

1)壓裂施工設(shè)計(jì)師一口井施工的指導(dǎo)性文件。它能根據(jù)油層與設(shè)備的條件，選擇出經(jīng)濟(jì)而有效的壓裂增產(chǎn)方案。

2)確定該井進(jìn)行壓裂的目的，地質(zhì)依據(jù)、有關(guān)地層及井況資料;

3)預(yù)計(jì)和要求增產(chǎn)倍數(shù);

4)施工方案的選擇;

5)施工參數(shù)計(jì)算及效果預(yù)測(cè)

6)施工勞動(dòng)組織及施工進(jìn)度安排;

7)施工步驟及安全技術(shù)措施;

8)需要的設(shè)備及材料計(jì)劃、成本核算;施工井場(chǎng)布置圖及井下管柱結(jié)構(gòu)圖。

1.2.2 施工準(zhǔn)備

1)井況調(diào)查。如井場(chǎng)、道路、井架、采油樹(shù)、壓井裝置等地面施工設(shè)備及設(shè)施、井下情況、井內(nèi)落伍、井內(nèi)情況(包括分層產(chǎn)量、見(jiàn)水層位、含水量、靜壓、流壓、微井徑測(cè)定)、油層出砂情況、井底砂面高度、壓井液水質(zhì)量等。

2)器材與物資設(shè)備。壓裂施工井所需要的器材與物資除去一般修井作業(yè)所需設(shè)備外，還應(yīng)包括壓裂液、支撐劑、裝液容器、井下工具等

3)調(diào)換管柱。包括清理井筒、下管柱、換裝井口、連接管線、布置井場(chǎng)等。井場(chǎng)地面布置流程圖如圖1所示。

井下工具入井順序按施工管柱圖下入，一般噴砂器應(yīng)對(duì)準(zhǔn)處理層中部，封隔器應(yīng)避開(kāi)套管接箍。

4)安全措施。全部壓裂施工是在高壓狀態(tài)下進(jìn)行的，必須采取有力的安全措施，全部管線和井口裝置要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，高壓管匯嚴(yán)禁非崗位人員接近;使用油類等易燃品做壓裂時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)禁明火及吸煙，關(guān)閉一切火源，備好消防車、消防砂、滅火機(jī)等滅火器材。

1.2.3 壓裂施工

除特殊情況外，壓裂施工程序大都相同，一般分為以下七道工序:

1)循環(huán)。將壓裂液由液罐車打到壓裂車再返回液罐車。目的是鑒定各種設(shè)備性能，檢查管線是否暢通。循環(huán)路線是:液罐車→壓裂車→高壓管匯→液罐車。

2)試壓。關(guān)死井口總閥，對(duì)地面高壓管線、井口、連接螺紋、活接頭等憋壓檢驗(yàn)。

3)試擠。試壓合格后，打開(kāi)總閘門(mén)，用1～2臺(tái)壓裂車將試劑液擠入油層，直到壓力穩(wěn)定為止。目的是檢查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油層的吸水能力。

4)壓裂。在試擠壓力和排量穩(wěn)定后，同時(shí)啟動(dòng)全部車輛向井內(nèi)高速注入壓裂液，使井底壓力迅速升高，當(dāng)井底壓力超過(guò)地層破裂壓力時(shí)，地層就會(huì)形成裂縫。

5)加支撐劑。當(dāng)?shù)貙颖粔洪_(kāi)裂縫，待壓力、排量穩(wěn)定后即可加入支撐劑。

6)頂替。預(yù)計(jì)加砂量全部加完后，就立即泵人頂替液，把地面管線及井筒中的攜砂液全部頂替到裂縫中去，防止余砂沉積井底形成砂卡。頂替液不可過(guò)量，一般替擠量為地面管線和井筒容積之和的1.5倍。

7)反洗或活動(dòng)管柱。替擠后應(yīng)立即反洗或活動(dòng)管柱，防止余砂殘存在井筒封隔器卡距，造成砂卡?；顒?dòng)管柱可加速封隔器膠筒回收。

各工序結(jié)束后，關(guān)井等待壓力擴(kuò)散。壓裂施工結(jié)束后，井內(nèi)壓裂管柱起出之前，要加深管柱探砂面，然后起出壓裂管柱，按設(shè)計(jì)要求下入完井管柱，安裝好井口采油樹(shù)，連接生產(chǎn)管線，撈出堵塞器，抽油機(jī)井要憋掉活堵，調(diào)好防沖距試抽，然后交井。

1.2.4 壓裂的工藝方法

由于各油田和區(qū)塊的油層性質(zhì)、壓力、溫度等條件不同，完井方法、技術(shù)設(shè)備條件也有差異，因此，壓裂方法也不同。以下介紹幾種常用的壓裂工藝方法:

1)分層壓裂

分層壓裂就是多層分區(qū)或者單獨(dú)壓開(kāi)預(yù)定層位，多用于射孔完井的井。這種方法由于處理井段小，壓裂強(qiáng)度及處理半徑相對(duì)提高，能夠充分發(fā)揮各產(chǎn)層的潛力，因而增產(chǎn)效果比較好。通常用下面兩個(gè)方法:上提封隔法是用兩級(jí)封隔器卡住壓裂曾段，如圖2。

圖2 雙封隔分層壓裂管柱示意圖

施工時(shí)先壓下層，壓完后提至第二層，這樣依次將各層壓開(kāi)。這種方法多用于選壓曾段間距均勻、選壓層位較少的井。

滑套噴砂器分層壓裂，滑套噴砂器分層壓裂采用自下而上的直徑增大的滑套，用銷釘將其固定在噴砂器上，堵死噴砂器孔眼，只有最下一級(jí)噴砂器不堵，壓開(kāi)最下層后，投球封上一級(jí)滑套，并憋壓剪斷銷釘，使滑套下移，露出上一級(jí)噴砂孔器，使下面一級(jí)堵死，壓開(kāi)上面一層后，依次自上而下投球逐層壓開(kāi)。

3)一次壓裂多條裂縫

對(duì)于厚油層，常希望多壓開(kāi)幾條裂縫，以獲得較大的增產(chǎn)效果，通常用下面兩種方法:

塑料球封堵法:對(duì)于射孔完成的井，可采用塑料球、尼龍球核心橡膠球、鋁合金球、橡膠包鉛球等將已壓開(kāi)裂縫處的射孔孔眼暫時(shí)封堵起來(lái)，繼續(xù)憋開(kāi)新的裂縫。施工時(shí)，壓開(kāi)裂縫充填支撐劑砂，用井口專用的投球器不停泵投入比處理層段射孔數(shù)多10%～20%的封堵球，堵住已壓開(kāi)裂縫段的射孔孔眼，繼續(xù)壓開(kāi)新裂縫，依次可壓開(kāi)幾條新裂縫。

堵塞劑法:對(duì)于裸眼完成的井或射孔井段套管變形不能用封隔器卡封，或油井套管雖然完好，但固井質(zhì)量不好，容易竄槽的井，都可采用暫堵劑進(jìn)行分層壓裂，將顆粒狀或纖維狀堵塞劑，隨同壓裂液注入井中，較大的堵塞劑在縫口或縫內(nèi)橋架起來(lái)，小顆粒充填于大顆粒之間，將已形成的裂縫堵住，致使地層吸水力下降，井底壓力增加，再將其他部位壓開(kāi)裂縫。幾天后，暫堵劑自行溶解，地層恢復(fù)到原來(lái)的吸水能力。

2)限流法壓裂

新完鉆的加密調(diào)整或舊井，油層多而薄，夾層小，不適應(yīng)常規(guī)壓裂，可采用射孔完井限流法壓裂，以動(dòng)用這個(gè)部分有出油能力的薄層，并提高油井產(chǎn)量。

限流法完井壓裂技術(shù)是通過(guò)嚴(yán)格控制油層的射孔密度，并盡可能提高注入排量，使最先被壓開(kāi)的層吸收大量壓裂液而增大炮眼摩阻，造成井底壓力大幅度上升，迫使注入的壓裂液分流，相繼壓開(kāi)破裂壓力接近的臨近層，達(dá)到一次壓裂幾個(gè)層的目的。

1.3 壓裂設(shè)計(jì)計(jì)算

1.3.1 壓裂設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

在進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)計(jì)算之前，除要手機(jī)油氣井的基本參數(shù)(如井深、泄油面積、油管尺寸、套管尺寸、井眼直徑、油管質(zhì)量、套管質(zhì)量、射孔孔數(shù)和孔眼直徑)外，還必須收集儲(chǔ)層巖石和儲(chǔ)層流體參數(shù)、壓裂液性能參數(shù)和支撐劑的有關(guān)參數(shù)。

1)設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容

①注入方式的選擇

壓裂施工注液方式有油管注液、環(huán)空注液、套管注液和油套混注。在滿足泵注參數(shù)和施工管柱安全條件下盡量選擇簡(jiǎn)單的注入方式。

②施工排量

確定施工排量要考慮多種因素，首先，有法人工列分是因?yàn)閴毫岩耗軌蛟诰妆锲鸶邏?，因此，施工排量必須大于地層的吸液能?/p>

式中Q吸—地層吸液速度

pwf—壓前地層流壓，MPa;

ps—井底流壓，MPa;

pf—摩阻壓力，MPa。

2)液量與砂比

針對(duì)油藏特征，以獲得最佳裂縫長(zhǎng)度和最佳裂縫導(dǎo)流能力為目標(biāo)，通過(guò)裂縫延伸模擬確定壓裂液量與砂比。

3)井口施工壓力

式中 p—井口施工壓力，MPa;

pk—井底壓力(射孔孔眼末端)，MPa;pH—靜液柱壓力，MPa;

pwf—壓前地層流壓，MPa;

pper—孔眼摩阻，MPa;

pft，pfc—壓裂管柱中油管部分和套管部分井筒摩阻，MPa。

如果pk采用地層破裂壓力，對(duì)應(yīng)井口的最大施工壓力。

4)施工功率

式中 P—壓裂所需功率，kW。

5)壓裂車數(shù)

設(shè)壓裂車單車功率為Pη，機(jī)械效率為η，則需要壓裂車臺(tái)數(shù)為

設(shè)壓裂車單車排量為q，則所需要壓裂車臺(tái)數(shù)為

1.4 壓裂液

壓裂液是水力壓裂改造油氣層過(guò)程中的工作液，起著傳遞壓力、形成和延伸裂縫、攜帶支撐劑的作用。根據(jù)壓裂不同階段對(duì)液體性能的要求，一次壓裂施工可以使用多種類型、性能不同的液體和添加劑。

(1)按照不同階段注入井內(nèi)的壓裂液所起的作用，壓裂液的組成可以分為三類:

1)前置液

前置液的作用是破裂地層，造成一定幾何尺寸的裂縫，以備后面的攜砂液進(jìn)入。在溫度較高的地層里，還可以起到一定的降溫作用。

2)攜砂液

攜砂液的作用是用來(lái)將地面的支撐劑帶入裂縫，并攜至裂縫中的預(yù)定位置，同時(shí)還有延伸裂縫、冷卻地層的作用。

3)頂替液

頂替液的作用是將攜砂液送到預(yù)定位置，將井筒中的全部攜砂液替入裂縫中。

(2)壓裂液也必須滿足一下性能要求:

1)與地層巖石和地下流體的配伍性

2)有效地懸浮和輸送支撐劑到裂縫深部

3)率失少

4)低摩阻

5)低殘?jiān)追磁?/p>

6)熱穩(wěn)定性和抗剪切穩(wěn)定性

1.4.1 壓裂液的分類

(1)水基壓裂液

水基壓裂液是國(guó)內(nèi)外目前使用最多廣泛的壓裂液。除少數(shù)低壓、油濕、強(qiáng)水敏底層外，它適用于多數(shù)油氣層和不同規(guī)模的壓裂改造。它是以水為基本成分，加入各種添加劑為成分的壓裂液。其中主要包括鹽水、活性水壓裂液、綢化水壓裂液、水包油壓裂液、水基凝膠壓裂液等。

目前普遍使用的是水基凝膠壓裂液，它是這幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一種比較理想的壓裂液，具有高粘度、低摩阻和懸砂能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其成分除了水以外，主要有以下幾種添加劑:增粘劑、聯(lián)膠劑、破膠劑、防腐劑、防腐殺菌劑、防止乳化劑、表面活性劑、粘土控制劑、pH值控制劑、助排劑等。

(2)油基壓裂液

油基壓裂液是以油為基本的成分配伍的壓裂液。其主要包括稠化油壓裂液、油包水壓裂液、凝膠原油等。

它的優(yōu)點(diǎn)是粘度高、懸砂能力強(qiáng)、率失量小、來(lái)源方便，對(duì)油層無(wú)害等。缺點(diǎn)是成本高及粘度隨溫度升高降低得很快，而且油基壓裂液的易燃性、危險(xiǎn)性也限制了它在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

(3)酸基壓裂液

酸基壓裂液是主要是由酸、水和各種添加劑配制而成。

(4)泡沫壓裂液

泡沫壓裂液是一種含支撐劑的液體、氣體、泡沫表面活性劑的混合液體。典型組成是:水相+氣相+起泡劑

水相:稠化水、水凍膠、酸液、醇或油。

氣相:CO2、N2、空氣。

起泡劑:多為非離子型表面活性劑。

泡沫壓裂液的粘度穩(wěn)定性取決于泡沫干度(泡沫質(zhì)量)，它定義為

泡沫壓裂液的主要特點(diǎn)是:泡沫濾失系數(shù)低，液體濾失量小，浸入深度淺，反排速度快，對(duì)地層傷害小;摩阻損失小(比清水低40% ～60%);壓裂液效率高，裂縫穿透深度大。因此，泡沫壓裂液尤其適合于低滲低壓水敏性油藏。但泡沫壓裂液穩(wěn)定穩(wěn)定性差;而且粘度不夠高，難以適應(yīng)高砂比要求。

壓裂液的種類很多，每種壓裂液都有一定的適用條件。合理適用壓裂液可以提高壓裂施工的成功率，增強(qiáng)壓裂效果，降低壓裂成本。

1.5 支撐劑

支撐劑是一種用來(lái)支撐壓裂所形成的人工裂縫，防止壓裂裂縫重新閉合的固體顆粒。它的作用是通過(guò)在裂縫中的沉積排列來(lái)支撐裂縫，改善地層原始結(jié)構(gòu)，改善地下流體的流動(dòng)能力，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。

支撐劑的種類很多，一般可以分為兩大類:

(1)硬脆性支撐劑。如石英砂、陶粒砂、玻璃球等

(2)韌性可變性支撐劑。如各種塑料球、核桃殼、鋁合金球等。

一般在巖性松軟的淺井和中深井選用韌性可變形支撐劑較好;在堅(jiān)硬地層的深井中選用硬脆性支撐劑。

2 壓裂設(shè)計(jì)計(jì)算及分析

2.1 延長(zhǎng)油田永寧采油廠某井的參數(shù)

表1 永寧采油廠某井

表2 油井的參數(shù)

表3 成都陶粒支撐劑

表4 數(shù)據(jù)運(yùn)行情況

分析結(jié)果如下:

裂縫長(zhǎng)度會(huì)隨著時(shí)間的慢慢的延伸，當(dāng)?shù)揭欢〞r(shí)間后，裂縫會(huì)停止延伸;裂縫的總高度會(huì)從最開(kāi)始的最大，慢慢的減小，到最后時(shí)，裂縫高度會(huì)停止減小，維持一個(gè)固定值。

壓裂過(guò)程時(shí)，蓋層與產(chǎn)層的最小主應(yīng)力相差小，裂縫向上延伸嚴(yán)重;底層與產(chǎn)層應(yīng)力相差大，裂縫向下延伸受阻，進(jìn)一步增加了縫內(nèi)凈壓力，更加劇了裂縫向上延伸。裂縫延伸時(shí)，壓裂液不斷濾失，由于考慮了支撐劑的對(duì)流效應(yīng)，支撐劑主要分布在了壓裂層段的中心位置，越接近縫口，支撐劑濃度越大。最開(kāi)始前置液破裂地層，造成地層一定幾何尺寸破裂，圖中綠色部分是攜砂液將支撐劑帶入預(yù)定的位置，并延伸裂縫，攜砂液中的顆粒在運(yùn)移中做慢慢沉淀到裂縫底部，形成圖中黃色的砂堤部分;剩下白色的部分是剩余的支撐劑，用來(lái)支撐裂縫。壓裂液的視粘度，在運(yùn)行的過(guò)程中，由最初的最大值慢慢降低為最小;其他三個(gè)系數(shù)幾乎沒(méi)有變化，在同一直線上。

3 結(jié)論

本論文研究的是延長(zhǎng)油田某井，對(duì)其進(jìn)行壓裂施工模擬模型的研究。油田水力壓裂是一項(xiàng)基本工藝。現(xiàn)在油田施工對(duì)于水力壓裂要求越來(lái)越高，壓裂液和支撐劑的性能要求也越來(lái)越高。

必須要清楚的了解壓裂及其過(guò)程，在過(guò)程在需要注意哪些方面，對(duì)于裂縫的產(chǎn)生和延伸的過(guò)程，建立三維模型。發(fā)展和研究壓裂施工模擬模型的運(yùn)用，建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)延長(zhǎng)油田井的模擬，在過(guò)程模擬過(guò)程中建立支撐劑和壓裂液模擬模型。因此必須加強(qiáng)壓裂液和支撐劑的研究與開(kāi)發(fā)及運(yùn)用，學(xué)會(huì)用軟件進(jìn)行井的模擬，并建立模型。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的操作，學(xué)習(xí)如何對(duì)壓裂進(jìn)行優(yōu)化，提高施工的成功率和有效率。

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