储层改造裂缝缝高控制技术
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内蒙古石油化工 2012年第20期
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储层改造裂缝缝高控制技术
张 辉
(大庆油田有限责任公司第十采油厂,黑龙江大庆 163453)
摘 要:针对某油田储层厚度小、非均质性强的特点,研究分析了影响裂缝高度的因素和控制缝高机理,介绍了某油田利用添加下沉剂增加储层人工隔层控制缝高技术。
关键词:储层改造;缝高控制;人工隔层
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中图分类号:TE357.13 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)20—0060—03 在水力压裂中,水力裂缝高度的有效控制是至关重要的。它关系到压裂施工能否达到设计的预期要求,关系到裂缝的三维延伸和导流能力的高低,进
[1]
而影响到压后的增产效果。如果裂缝在产层上、下延伸严重,必然导致实际支撑裂缝长度无法达到设计所需的支撑缝长;支撑剂利用率低,无法有效支撑裂缝;对于高含水油田或油井,压裂目的层与高含水层相距较近,压裂很容易压穿含水层,造成大量出水;从而造成压裂后产量低、递减快、增产有效期短。为此必须控制裂缝的高度,尽可能将裂缝控制在产层内,最大限度地实现裂缝纵深发展,优化支撑剖面,提高支撑剂利用效率,提高油井产能。1 影响裂缝高度因素研究
影响裂缝高度的因素有很多,隔层与储层之间的最小水平主地应力差,岩石的弹性模量,压裂液的稠度系数和流态指数对水力压裂裂缝高度延伸影响较明显,最小地应力差是最主要的影响因素,而岩石的泊松比和压裂液的滤失系数对裂缝高度的影响相对较小。因此,裂缝高度控制最根本的问题在于准确了解产层和遮挡层之间的应力差,合理选择设计参数才能取得好的效果。1.1 裂缝高度方程
裂缝高度方程是三维裂缝模型中的一个重要方程[2],三维裂缝模型是依据断裂力学中的应力强度因子K为判据,来推导裂缝的高度方程。
在对称裂缝模型中,在裂缝任意垂直横截面上,裂缝上下端的应力强度因子相等,由下式表示
:
式中,l为裂缝半长,h=21,H为缝高,Pf为缝内净压力,S1、S2为上下隔层应力,应力强度因子KC。
根据裂缝方程分析,影响裂缝高度的因素主要有:¹岩石物质特性;º施工参数;»地层应力差。由于岩石的物质特性不易改变,因此,可以通过改变储隔层应力差和施工参数就可以控制裂缝高度。1.2 岩石的物质特性对裂缝高度的影响
岩石的杨氏模量、泊松比、界面强度等可以影响
[3]
裂缝的高度。
油层岩石和隔层岩石之间的杨氏模量的差异可以以两种方式限制裂缝增长,首先由于接触面的存在而使裂缝顶端的应力强度因子稍有减小,即在裂缝顶端破裂岩石的张力将减小;其次如果边界层的模量比油层的模量大,那么杨氏模量能阻止裂缝的增长。
泊松比也可以阻止缝高的发展,当泊松比到达一定值后是完全可以阻止缝高的增长,但对于泥岩和页岩遮挡层,泊松比有一定的范围,只靠泊松比限制缝高是不可能的。
裂缝延伸到储隔层间的界面时,裂缝是否进入隔层与界面的抗剪切强度有关。当裂缝延伸到弱的界面,即抗剪切强度小的界面时,将产生位移的不连续性,从而使裂缝不能延伸进入隔层。
2012年第20期 张辉 储层改造裂缝缝高控制技术1.3 地应力差对裂缝高度的影响
控地应力差是控制裂缝高增长的主要因素[4],当油层与上下隔层的应力差为2.0-3.45MPa时,可以将裂缝在垂向上的延伸控制在产层内,但是当油层很薄或者地层为弱应力层,或存在其他复杂情况时,压开的裂缝高度往往容易超出生产层。
由弹性断裂力学的理论,裂缝横截面上的上下两端的应力强度因子可由下式计算
:
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式中:K11、K12分别为上下两端的应力强度因子;为裂缝高度的1/2,m;z为在裂缝竖直方向上的坐标,m;P(z)为在裂缝竖直方向上z处的压力,Pa。
裂缝在延伸过程中水平方向有一个应力强度因子,垂直方向有两个应力强度因子,这3个应力强度因子的对比,决定了裂缝的几何形状。1.4 施工参数对裂缝高度的影响
影响裂缝几何形状的施工参数包括流体的粘
[3]
度、密度支撑剂的浓度、排量等。施工排量和裂缝高度的关系是排量越大,裂缝越高;压裂液的粘度越大缝的宽度则越大,合理的选择压裂液的粘度则可以达到有效的控制缝高的目的。2 缝高控制工艺技术原理
目前,某油田主要采用的储层改造缝高控制措施是人工隔层技术和压裂施工排量控制缝高技术。2.1 人工隔层缝高控制技术原理
[4]
通过制造人工隔层方法,可以改变裂缝上下末端地应力差。在前置液中添加轻质上浮或重质下沉剂,使其聚集在新生成裂缝的顶部或底部,形成一块压实的低渗区,形成人工隔层,从而实现裂缝高度
的控制。
压裂过程中在大排量下施工,井底净压力高,缝高增长速度快,很容易突破隔层而窜层,采取降低排量的方法,可以降低井底净压力,减缓裂缝高度增长速度,提高施工成功率。
裂缝高度和排量的关系[4]可用下式表示:
b・Q
(8)H=a・e
式中H为裂缝高度,m;Q为整个施工过程中的平均排量,m3/min;a,b为各个地区的比例系数。是通过对该地区的老井压裂井进行总结之后得出的2个经验常数。对于一个固定的断块,a,b的值是固定的,排量直接影响着裂缝的高度,所以在施工中控制排量就可以有效地控制缝高。对于某油田长32区块,由于储层有效厚度小,为保证储层得到较好改造,优化设计中施工排量相对较低。3 缝高控制压裂方案优化
根据某油田地应力情况及井温测试结果分析,裂缝向下延伸较为严重,因此选井条件为一是目的层下部隔层遮挡不好;二是目的层下部隔层厚度小,一般在3—5m范围内;三是目的层下部为泥岩层或水层。依据上述选井条件选取某区块的1#井和2#井两口井进行试验研究。研究中对2口试验井进行了射孔方案优化、压裂方案优化,同时在压裂中添加重质下沉剂,已达到控制裂缝高度的目的。3.1 射孔方案优化
为了控制裂缝向下延伸,在射孔方案优化上,试验井目的层射孔底界较未优化前上移2m。优化结果如表1。
表1
序号井号
优化前
12
#1井#2井平均
935-943.0841-851.0
控制缝高压裂设计优化结果
射孔层段(m)
3
排量(m/min)
(孔/优化后优化前优化后
161616
2.32.32.3
1.81.81.8
设计缝高(m)
备注
未优化161716.5
优化后898.5
935-941.0841-849.0
图1 人工隔层控制裂缝高度延伸技术示意图
3.2 压裂方案优化
运用FracproPT三维压裂设计软件进行裂缝模拟,优化施工排量以及裂缝参数(见表1)。另外,在压裂时前置液中添加60kg缝高控制剂(重质下沉剂),形成人工隔层。
2.2 控制排量施工原理
)
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的程序进行。
从施工曲线可以看出,加入缝高控制剂后,施工压力以及延伸压力明显上升,主要是由于受人工阻挡层的影响,压裂裂缝下沿总体承压能力提高,裂缝向下延伸的速度降低,迫使裂缝向宽度和长度方向发展,起到了控制缝高的作用。另外,加砂过程中压力一直平稳缓慢下降,未出现压力突降的情况,据此判断裂缝未突破泥岩夹层造成窜层。另外一口井的施工压力出现同样的变化,说明也达到未窜层目的。从微差井温曲线看以及计算结果表明达到控制缝高
的目的。
4 缝高控制技术现场应用
2007年12月,对1#井和2#井2口试验井进行了现场施工,2口井压裂施工均顺利完成。从压裂前后井温测井及压裂压力分析看,2口试验井完全达到了压裂方案设计所要求的技术目标,为控制缝高压裂工艺在该区块的推广应用提供了较好的技术保证。
4.1 压裂施工曲线分析
2007年12月5日对1#井目的层(935.0-943.0m)进行压裂施工,采用控制缝高压裂工艺进行压裂改造,压裂施工过程完全按照压裂方案设计要求
图3 翻172-斜89目的层施工曲线以及微差井温测试结果
4.2 裂缝高度监测分析
为了监测试验井的裂缝高度,对2口试验井以及2口对比井进行了微差井温测井,对比分析缝高控制情况。
以1#井目的层为例。从压裂后微差井温曲线变化判断(图3),压裂裂缝主要形成于934-941m间,通过计算缝高7.4m,模拟计算结果8m,是未优化压裂缝高的46.3%,达到了向下控制缝高的目的。
从微差井温曲线看以及计算结果表明,2口试验井目的层均达到控制缝高的目的。
表2 控制缝高压裂井温监测缝高计算结果
设计缝高(m)监测缝高(m)
序号12
井号1井2井平均
##
优化后层段(m)
未优化
935.0-941.0841.0-849.0
161716
优化后898.5
比例50.052.951.5
井温计算7.48.37.9
比例46.348.847.6
备注
截止到08年12月底,2口试验井以及对比井已投产一年。措施初期2口试验井较2口对比井日增油1.3t,采油强度提高22.7%;目前较2口对比井日增油0.8t,采油强度提高17.8%,2口井累计多产油166t,取得了较好的增油效果。
5 结论及认识
裂缝缝高控制工艺技术能够有效控制压裂裂缝向下延伸,解决了砂泥岩互层区块压裂裂缝下窜的问题。
裂缝缝高控制压裂工艺技术在1#井和2#井的成功应用,提高了压裂施工的安全性和储层纵向整体压裂改造程度,为砂泥岩互层以及底水油藏的压裂改造提供了技术支持。
[参考文献]
[1] 郭大立,赵金洲,等.控制裂缝高度压裂工艺
技术实验研究及现场应用.石油学报,2002,(5).
[2] 陈小新,魏英杰,等.浮式转向剂控制裂缝高
度工艺技木.油气田工程,2000.
[3] 苟贵明,等.缝高控制与薄层压裂.油气井测
试,2004.
[4] 王鸿勋,张士诚.水力压裂设计数值计算方法
.石油工业出版社.
4.3 措施效果
表3 控缝高压裂试验井及对比井效果统计表
有效
压裂
井号
厚度
方式
(m)
2#井1#井平均3#井4#井平均11.21111.1117.49.2对比对比试验试验
(t)4.24.34.33.53.23.4(t)3.93.83.932.22.6
(%)7.111.69.414.331.322.4
(t/m.d)0.350.350.350.270.300.28(t)2.832.92.22.52.4(t)2.62.82.721.81.9
(%)7.16.76.993019.1
(t/m.d)0.230.250.240.180.240.[***********]28
液
油
含水采油强度
液
油
含水
采油强度
产油(t)
初期
目前
累计