壓裂工藝設計是指在滿足地質、工程和設備條件下作出經濟有效的最優方案。
基本介紹
- 中文名：壓裂工藝設計
- 外文名：Fracturing technology design
- 目的：提高採收率
- 學科：石油工程
- 任務：作出最經濟有效方案
- 內容：選井選層、壓裂液選擇等
任務,內容,選井選層,壓裂液的選擇,壓裂注液方式,支撐劑的選擇,裂縫延伸模擬,排液措施,壓裂後的評價,
任務
最佳化的壓裂設計必須完成下列任務：
（1）在給定的儲層與井網條件下，根據不同縫長和導流能力預測壓後生產動態；
（2）根據儲層條件選擇壓裂液、支撐劑和加砂濃度，並確定合理用量；
（3）根據井下管柱與井口裝置的壓力極限選擇合理的泵注排量與泵注方式、地面泵壓和壓裂車數；
（4）確定壓裂泵注程式；
（5）進行壓裂經濟評價，使壓裂作鴉危說業最最佳化。
內容
選井選層
壓裂是靠在地層中形成高導流能力裂縫而解放低滲透儲層生產力，即有一定能量的低滲透儲層的產量問題，必須正確選擇壓裂對象。選井選層原則是
(1) 井筒技術要求
1) 壓裂設計滿足套管強度要求；
2) 固井質量合格；
3) 井底無落物。
(2) 儲層條件
任何成功的壓裂作業必須具備兩個基本的地質條件：儲量和能量，前者是壓裂改造的物質基礎，後者是較長增產有效期的保證。
壓裂液的選擇
壓裂液要根據油層流體特性、岩層的物理、化學性質來選擇。
(1 ) 根據岩石的化學性質基本上確定壓裂液的類型。對於石灰岩、白雲岩, 宜選用酸基壓裂液; 對於砂岩和低溶解的岩層, 宜選用水基壓裂液或油基壓裂液, 也可以用在水基壓裂液中添加二價陽離子( 如加0.5%的CaCl2 )。對於注水井, 可以採用含鹽奔局糊熱的清水做壓裂液,如果產層內含有易溶於水的鹽類成分時, 也府擔刪可以用清水。
(2 ) 岩石的物理性質( 溫度、壓力、滲透率、孔隙度、有無原生孔隙和孔穴等) , 特別是溫度和壓力需要很好考慮。一般壓裂液的粘度受溫度的影棗嫌殃響較大。例如膠凝原油只能在93 ℃以內使用; 稠化酸在高溫下很快稀釋, 當溫度高時必須增加稠化劑的用量。在一般油層溫度下, 水基壓裂液粘度應不低於2 000 mPa·s, 溫度高時可選用粘溫性能比較好的植物膠或增加植物膠的用量。
在高壓井壓裂時, 需要選用高相對密度的壓裂液, 以克服井底壓力, 並能降低地面設備所需功率。在低壓井壓裂時, 應選用低粘度、低相對密度液體, 壓裂後易於從地層中排出。
(3 ) 所選擇的壓裂液必須與地層流體相適應, 不會產生有害的乳狀液或沉澱物。對於含有重質原油、瀝青或石蠟的油層, 最好不用低相對密度原油, 而用水基壓裂液或芳香族原油。
壓裂注液方式
壓裂注液方式有油管注液、環空注液、套管注液和提抹體雅油套混注。在滿足泵注參數和施工管柱安全條件下儘量選擇簡單的注入方式。
壓裂注液方式與施工參數選擇必須依據油藏、水力裂縫與壓裂設備條件來進行。前者考慮考慮採用何種壓裂方式來達到多數油層得到有效束肯改造，考慮的油藏依據是地應力剖面、油層跨度、有效厚度，考慮的設備依據是壓裂車組與允許的極限排量、有關工具。
壓裂施工參數的選擇首先要回答油層能否壓開的問題，這就涉及到對油藏地應力、岩石力學性質與地層濾失性；其次通過設計合理的泵注程式來實現裂縫最佳化；最後考慮在設備約束條件下的有效與安全操作問題。
支撐劑的選擇
支撐劑的類型選擇取決於岩層性質及井深。對於岩石嵌入壓力小的淺井可選用砂子; 對於嵌入壓力大的深井, 一般選用不易變形或壓碎的鋁合金球或銅球等; 對於嵌入壓力中等的中、深井可選用核桃殼或硬塑膠球。由於高強度支撐劑成本過高, 有時對深井可先壓入一部分砂子, 然後再尾隨一部分高強度支撐劑。
砂液比的選擇取決於壓裂液的性能及施工時泵的排量。一般說來, 在一定條件下高蜜遙院的砂液比, 壓裂效果好。但是它又受到其他因素的制約, 如果不顧排量、壓裂液的懸砂能力的影響而單純提高砂液比, 在施工中往往會造成砂堵。在目前設備及壓裂條件下, 砂液比一般控制在10%～20%之間。隨著壓裂液粘度增加, 砂液比可以增加到30%～40%。支撐劑的大小: 目前國內常用的砂粒直徑為0.4 ～ 0.8 mm、0.8 ～ 1.2 mm 或1.5～2.0 mm。目前有一種趨勢, 即支撐劑的直徑隨壓裂液的用量和粘度的增加而增大。
裂縫延伸模擬
水力壓裂設計關鍵在於模擬裂縫延伸過程、計算動態裂縫幾何尺寸。它受儲層參數、岩石力學性質、壓裂液性能和施工參數影響。經歷了一個由簡單到複雜，由片面到全面，由二維（PKN模型和GDK模型）向三維的逐步完善過程。這裡採用裂縫三維延伸模型。
(1) 連續性方程
根據物質平衡原理，向井內注入的壓裂液體積應等於裂縫體積與濾失到地層的壓裂液體積之和。轉換為流量表示為
(2) 壓降方程
將壓裂裂縫的橫截面視為橢圓，結合Poiseuille定律和Lamb的研究成果，壓裂液沿裂縫長度方向流動的壓降方程表達為
(3) 裂縫張開寬度方程
England & Green研究成果了作用有張開應力時的裂縫張開寬度，表示為
(4) 裂縫高度控制方程
根據線彈性斷裂理論和作用於裂縫壁面的張開應力分布，可以得到
(5) 裂縫三維延伸模型求解
前述四方程就構成了壓裂裂縫三維延伸的數學模型。顯然，壓裂裂縫三維延伸過程是一個固液藕合問題。裂縫幾何尺寸、縫中流體流量與裂縫中流體流動的壓力相互影響、相互制約。因而，求解的過程比較複雜，只能求得其數值解。
特別應當注意，溫度對壓裂液性能有顯著的影響，從而影響裂縫幾何尺寸。在模擬裂縫延伸計算中，必須考慮溫度的影響。
排液措施
正如前述，井壓力係數偏低（為0.92），必須強化壓裂後的液體返排措施。採用強制閉合快速排液技術強化排液。
壓裂後的評價
在每口井進行壓裂後, 應進行總結, 找出成功或失敗的原因, 以便總結經驗, 以利再戰。比較全面的總結, 應對井下情況有所估計。例如地層里出現的裂縫, 是垂直的還是水平的, 裂縫的長度及其導流能力。這幾個參數只靠壓裂過程中的參數記錄是不夠的, 需要特殊的方法進行測量, 如套用膨脹列印或井下電視方法找出裂縫的形態, 套用測地震波、地電等方法測裂縫方位。
評價一口井的壓裂效果, 目前常用兩個指標:
(1 ) 在可比條件下壓裂前後的產量或注水量的增加倍數;
(2 ) 增產有效期的長短。
這兩個參數反映了裂縫的導流能力、裂縫長度、地層供液能力的大小。壓裂效果的評價不僅能驗證本次壓裂工作各項參數選擇是否合理, 而且也能說明選井是否恰當。
支撐劑的選擇
支撐劑的類型選擇取決於岩層性質及井深。對於岩石嵌入壓力小的淺井可選用砂子; 對於嵌入壓力大的深井, 一般選用不易變形或壓碎的鋁合金球或銅球等; 對於嵌入壓力中等的中、深井可選用核桃殼或硬塑膠球。由於高強度支撐劑成本過高, 有時對深井可先壓入一部分砂子, 然後再尾隨一部分高強度支撐劑。
砂液比的選擇取決於壓裂液的性能及施工時泵的排量。一般說來, 在一定條件下高的砂液比, 壓裂效果好。但是它又受到其他因素的制約, 如果不顧排量、壓裂液的懸砂能力的影響而單純提高砂液比, 在施工中往往會造成砂堵。在目前設備及壓裂條件下, 砂液比一般控制在10%～20%之間。隨著壓裂液粘度增加, 砂液比可以增加到30%～40%。支撐劑的大小: 目前國內常用的砂粒直徑為0.4 ～ 0.8 mm、0.8 ～ 1.2 mm 或1.5～2.0 mm。目前有一種趨勢, 即支撐劑的直徑隨壓裂液的用量和粘度的增加而增大。
裂縫延伸模擬
水力壓裂設計關鍵在於模擬裂縫延伸過程、計算動態裂縫幾何尺寸。它受儲層參數、岩石力學性質、壓裂液性能和施工參數影響。經歷了一個由簡單到複雜，由片面到全面，由二維（PKN模型和GDK模型）向三維的逐步完善過程。這裡採用裂縫三維延伸模型。
(1) 連續性方程
根據物質平衡原理，向井內注入的壓裂液體積應等於裂縫體積與濾失到地層的壓裂液體積之和。轉換為流量表示為
(2) 壓降方程
將壓裂裂縫的橫截面視為橢圓，結合Poiseuille定律和Lamb的研究成果，壓裂液沿裂縫長度方向流動的壓降方程表達為
(3) 裂縫張開寬度方程
England & Green研究成果了作用有張開應力時的裂縫張開寬度，表示為
(4) 裂縫高度控制方程
根據線彈性斷裂理論和作用於裂縫壁面的張開應力分布，可以得到
(5) 裂縫三維延伸模型求解
前述四方程就構成了壓裂裂縫三維延伸的數學模型。顯然，壓裂裂縫三維延伸過程是一個固液藕合問題。裂縫幾何尺寸、縫中流體流量與裂縫中流體流動的壓力相互影響、相互制約。因而，求解的過程比較複雜，只能求得其數值解。
特別應當注意，溫度對壓裂液性能有顯著的影響，從而影響裂縫幾何尺寸。在模擬裂縫延伸計算中，必須考慮溫度的影響。
排液措施
正如前述，井壓力係數偏低（為0.92），必須強化壓裂後的液體返排措施。採用強制閉合快速排液技術強化排液。
壓裂後的評價
在每口井進行壓裂後, 應進行總結, 找出成功或失敗的原因, 以便總結經驗, 以利再戰。比較全面的總結, 應對井下情況有所估計。例如地層里出現的裂縫, 是垂直的還是水平的, 裂縫的長度及其導流能力。這幾個參數只靠壓裂過程中的參數記錄是不夠的, 需要特殊的方法進行測量, 如套用膨脹列印或井下電視方法找出裂縫的形態, 套用測地震波、地電等方法測裂縫方位。
評價一口井的壓裂效果, 目前常用兩個指標:
(1 ) 在可比條件下壓裂前後的產量或注水量的增加倍數;
(2 ) 增產有效期的長短。
這兩個參數反映了裂縫的導流能力、裂縫長度、地層供液能力的大小。壓裂效果的評價不僅能驗證本次壓裂工作各項參數選擇是否合理, 而且也能說明選井是否恰當。
