水力压裂优化设计方法研究_郭大立

引 言
水力压裂是改造油气层的有效方法 ,是油气水 井增产增注的重要措施 ,而压裂设计是影响水力压 裂施工成效的关键因素之一 。
目前国内外在水力压裂裂缝延伸模拟及施工设 计等各方面都做了大量的研究工作 ,裂缝延伸模型 已从二维[1～3 ]发展到三维[4～11 ] ,基于裂缝三维延伸 模型的支撑剂运移分布模型[12～13 ] 已初步建立 ,压 裂设计方法主要包括根据施工规模预测压裂效果和 根据增产要求设计施工规模的两种设计思想体系 , 但应用裂缝三维延伸模拟技术进行压裂施工设计尚 待进一步研究 。本文综合根据施工规模预测压裂效 果和根据增产要求设计施工规模的两种设计思想体 系 ,将裂缝三维延伸模拟技术应用于压裂施工设计 , 提出了从地层条件出发 、以最佳的压裂效果为目标 的水力压裂优化设计方法 。。
2 优化设计计算步骤
一次优化的主要计算步骤 : (1) 根据地层渗透率的大小 ,确定地层类型和 施工工序的段数 ; (2) 由地层渗透率 ,确定出裂缝长度和裂缝导 流能力分布 ; (3) 根据各混砂液段应提供的导流能力 ,选择 出支撑剂类型和粒径 。 二次优化的主要计算步骤 : (1) 进行概念设计 ,初步确定施工程序 (包括压 裂液用量 、支撑剂用量 、砂比 、支撑剂类型和粒径以 及施工排量等施工参数) ; (2) 计算泵注完某一段液体时的井筒温度分 布 、缝中温度分布 ,确定考虑温度影响时 ,缝中压裂 液的流变参数 ; (3) 由裂缝三维延伸模型 ,计算泵注某一段液 体时的裂缝几何尺寸 、缝中流速分布 、流压分布等 ; (4) 继续泵注下一段液体 ,重复 (2) ～ (4) 的步 骤 ,直到泵注完所有液段 ; (5) 泵注完所有液段后 ,将计算结果与一次优 化的要求进行比较 ,若满足要求则进行下一步 ,否则 调整地面施工程序 ,重复 (2) ～ (5) 的步骤 ; (6) 由支撑剂运移分布模型 ,计算支撑剂颗粒 沉降速度 ,缝中砂堤高度 、悬砂区厚度 、纯液区厚度 , 缝中导流能力分布 ,缝中砂浓度分布等 ; (7) 将计算结果与一次优化的要求进行比较 , 若满足要求则进行下一步 ,否则调整地面施工程序 , 重复 (6) ～ (7) 的步骤 ; (8) 进行压裂效果预测和经济效果评价 ; (9) 判断所设计出的方案是否达到施工费用投 入最少 、所获经济效益最高 ,若是则进行下一步 ,否 则调整地面施工参数 ,重复 (2) ～ (9) 的步骤 ; (10) 确定施工参数 (包括施工压力 、压裂车台 数等) 。
应提供导流能力 与缝口导流能力的比值
1
4
2 3
4
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5
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3 4
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0. 34 0. 61 0. 88 1. 00
0. 25 0. 45 0. 70 0. 90 1. 00
0. 10 0. 25 0. 50 0. 65 0. 80 1. 00
1. 2 二次优化 作为水力压裂方案设计的核心部分 ,二次优化
第 21 卷 第 4 期 西 南 石 油 学 院 学 报 Vol. 21 No. 4
1999 年 11 月 Journal of Sout hwest Petroleum Institute Nov 1999
文章编号 : 1000 - 2634 (1999) 04 - 0061 - 03
最大支撑缝长 ( L p) max (m)
76. 5 - 0. 0075 Kg 85. 0 - 0. 05 Kg 102. 2 - 0. 222 Kg 222. 2 - 12. 222 Kg 454. 4 - 244. 44 Kg 1501. 07 - 1071. 71 Kg
Ξ 收稿日期 : 1999 —04 —09 基金项目 : 中国石油天然气集团公司“九五”重点科技攻关项目“深层裂缝性低渗透油田整体压裂技术”部分内容 (960505 - 2 - 2) 作者简介 : 郭大立 (1967 —) ,男 (汉族) ,四川威远人 ,副教授 ,硕士 ,从事数学 、油气层增产工艺技术 、软件开发方面的教学与科研工作
表 1 地层渗透性划分原则和施工段数的确定原则
地层类型 气测渗透率值 Kg (μm2) 前置液段数 + 混砂液段数
高渗透性
中高渗透性 一般渗透性 低渗透性 次低渗透性 特低渗透性
> 0. 2 0. 1 ～ 0. 2 0. 01 ～ 0. 1 0. 001 ～ 0. 01 0. 0001 ～ 0. 001
< 0. 0001
1 +4 1 +5 2 +4 2 +5 3 +6 4 +6
1 优化设计原则
综合根据施工规模预测压裂效果和根据增产要 求设计施工规模的两种设计思想体系 ,我们将压裂 优化设计分两次优化来进行 。 1. 1 一次优化
利用 Elkins 的方法 ,根据地层气测渗透率的大
表 2 支撑缝长的确定原则
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西南石油学院学报 1999 年
表 3 缝口导流能力的确定原则
气测渗透率 (μm2)
缝口导流能力 (μm2 ·cm)
> 0. 20 0. 10 ～ 0. 20 0. 08 ～ 0. 10 0. 06 ～ 0. 08 0. 04 ～ 0. 06 0. 01 ～ 0. 04 0. 001 ～ 0. 01
< 0. 001
(19 - 29. 45 Kg) KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3) (28. 26 - 78. 5 Kg) KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3) (36. 11 - 157 Kg) KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3) (42. 39 - 235 Kg) KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3) (56. 52 - 461 Kg) KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3) (113. 04 - 1884 Kg) KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3) 14. 24 Kg - 0. 55 KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3) 0. 213 Kg - 0. 953 KR [ ( L p) min + ( L p) max ] ·(10 - 3)
第 4 期 郭大立等 : 水力压裂优化设计方法研究
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参数的符合率达 90 %以上 ,压裂有效率 87 % ,取得 了很好的应用效果和显著经济效益 。
表 6 为新疆某井的主要数据 ,利用三维压裂优 化设计软件为该井设计的最优施工程序见表 7 ,图 1 是压裂过程中裂缝高度的剖面图 ,图 2 是压裂停泵 后支撑剂的分布图 。
小 ,将地层划分为高渗 、中高渗 、一般渗 、低渗 、次低 、 特低渗六大类中的一类 (表 1) ,并确定施工工序的 段数 (表 1) 、获得最佳压裂效果所需裂缝长度 (表 2) 以及裂缝导流能力分布 (表 3～4) ,再根据各混砂液 段应提供的导流能力 (表 5) 以及地层闭合应力 ,选 择各混砂液段的支撑剂类型和粒径 。需要说明的 是 ,表中数据是根据油田实践的结果统计和提炼而 来的 ,使用时应根据具体油田的实际情况进行修改 和完善 。
地层类型 最小支撑缝长 ( L p) min (m)
高渗透性 中高渗透性 一般渗透性 低渗透性 次低渗透性
特低渗透性
39. 0 - 0. 005 Kg 42. 0 - 0. 002 Kg 51. 1 - 0. 111 Kg 116. 7 - 6. 66 Kg 256. 6 - 155. 56 Kg 1150. 901 - 909. 01 Kg
3. 0
7. 0
20/ 40 石英砂
5 携砂液 16 25
3. 0
6. 7
20/ 40 石英砂
6 携砂液 14 34
3. 0
6. 3
20/ 40 石英砂
7 携砂液 12 45
3. 0
5. 8
水力压裂优化设计方法研究Ξ
郭大立1 ,赵金洲1 ,吴 刚2 ,李青山 2
(1. 西南石油学院石油工程系 , 四川 南充 637001 ; 2. 新疆石油管理局采油工艺研究院)
摘要 : 综合根据施工规模预测压裂效果和根据增产要求设计施工规模的两种设计思想体系 ,将裂缝三维延伸模拟技 术应用于压裂施工设计 ,提出了从地层条件出发 、以最佳的压裂效果为目标的水力压裂优化设计方法 ,通过不断地自 动调整各段压裂液体积 、地面加砂浓度 、支撑剂类型和粒径等施工参数 ,设计出最优的施工方案 ,并在此基础上 ,采用 Visual Basic 语言研制了一套 Windows 环境下的三维压裂优化设计软件 ,在现场应用中取得了令人满意的施工效果 。 关键词 : 水力压裂 ;优化设计 ;方法 ;最优施工方案 ;压裂效果 中图分类号 : TE348 TE377 文献标识码 : A
表 7 泵注程序
序 作业 液量 砂比 排量 时间 支撑剂粒径
备 注
号 内容 ( m3) ( %) ( m3/ min) ( min)
(目)
1 前置液 24 0
3. 0
8. 0
0
胍 胶
2 前置液 20 0
2. 5
8. 0
0
胍 胶
3 携砂液 21 8
3. 0
7. 6
20/ 40 石英砂
4 携砂液 18 16
通过系统考虑井筒温度场和裂缝温度场 、压裂液的 流变性和滤失性 、压力场 、流速场 、支撑剂运移分布 等因素的综合影响 ,模拟变排量 、变粘度 、变砂比 、变 支撑剂类型和粒径的注液工艺 ,进行跟踪设计 ;通过 跟踪地面各注入段对应于不同时刻在裂缝中的位置 和运移流动状况 ,设计出最佳的施工规模 ;通过不断 自动调整各段压裂液体积 、地面加砂浓度 、施工排 量 、支撑剂的类型和粒径等 ,设计出最佳的泵注程 序 ;最后预测出压裂效果 。它包括井筒温度场和裂 缝温度场模型 、裂缝三维延伸模型 、支撑剂运移分布 模型 、压裂效果预测模型 、经济评价模型 、施工参数 的确定方法等 。