水平井体积压裂井底净压力计算及分析.pdf
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目录目录硕士学位论文独创性声明.I硕士学位论文版权使用授权书.I摘要.IIABSTRACT.III第1章绪论.11.1研究目的和意义.11.2国内外研究现状.21.2.1净压力计算.21.2.2水力裂缝与天然裂缝相互作用.41.2.3压力曲线分析与压裂诊断.51.3存在的问题及主要研究内容.6第2章常规水力压裂压力分析.72.1裂缝几何模型.72.1.1Sneddon缝宽模型.72.1.2Radial模型.72.1.3PKN模型.82.1.4KGD模型.92.22D裂缝模型压力分析与诊断.102.2.1施工参数与压力变化关系.102.2.2不同模型井底净压力变化曲线.112.3本章小结.12第3章水平井净压力计算模型.133.1静液柱压力计算.133.1.1HTHP下滑溜水密度变化.143.1.2HTHP下滑溜水粘度变化.143.1.3段塞式加砂的液柱压力.153.1.4案例分析.163.2滑溜水压裂液摩阻计算.163.2.1修正降阻比法.16-IV-目录3.2.2案例分析.173.3近井筒摩阻.183.3.1孔眼摩阻.183.3.2等效弯曲度摩阻.193.4携砂液摩阻.223.4.1垂直段携砂液摩阻.233.4.2水平井段携砂液摩阻.243.4.3混和加砂模式下的摩阻计算.333.5闭合应力确定.343.6本章小结.37第4章裂缝分支引起的压力波动.384.1水力裂缝与天然裂缝相互作用机理.384.1.1岩石破裂准则.384.1.2水力裂缝与天然裂缝相交准则.394.2HF与NF相互作用引起的流体压力变化.464.2.1HF受限于NF.474.2.2T型缝.484.2.3HF穿过NF.504.2.4HF沿NF转向扩展.514.3本章小结.52第5章净压力波动特征分析初探.535.1双翼裂缝压力分析图版.535.2室内水力压裂实验压力曲线特征.545.3现场施工净压力曲线特征.605.3.1前置液阶段.605.3.2加砂阶段.615.4净压力分析参数及图版.655.4.1敏感砂比系数.655.4.2净压力波动特征分析图版.665.5本章小结.68第6章施工净压力分析的实际应用.69-V-目录6.1垂直井井底压力计算与分析.696.1.1小型压裂分析.706.1.2主压裂分析.726.1.3改造效果诊断.736.2水平井井底压力计算与分析.756.2.1小型压裂分析.766.2.2主压裂分析.776.2.3改造效果诊断.786.3安全砂比计算.806.4本章小结.81第7章成果与认识.82参考文献.83附录A符号说明.90附录B部分核心程序.92致谢.96-VI-中国石油大学(北京)硕士学位论文第1章绪论1.1研究目的和意义水力压裂是改造油气藏的有效技术,特别是针对致密油气、煤层气、页岩气等非常规储层,水力压裂技术是油气藏储层改造的关键。
目前,水力压裂已经从传统的对称双翼裂缝发展至复杂缝网,特别是页岩储层,需要得到较大的储层改造体积,从而提高储层改造效果,提高产量。
储层改造效果取决于压裂工艺,需要对储层地质构造,地应力分布、裂缝发育情况、储层物性、可压性、储层敏感性等方面有全面的认识和了解,以确定压裂液体系,加砂模式和射孔分段工艺。
相对而言,我国非常规油气储层具有地质构造复杂、应力差大,非均质性强等特点,缝网形成难度大,施工工艺要求高。
在水力压裂过程中,施工压力是对地层响应最直接最迅速的信息,通过水力压裂施工压力可以对裂缝扩展动态进行实时诊断,并且可以推断井下复杂情况,是水力压裂安全顺利施工的关键。
在水力压裂开始应用时,人们就已经注意到了施工压力监测的重要性,但是,由于实时监测的是井口压力,影响因素太多,往往不能准确地反映地下裂缝扩展特征,因此有必要对地表施工压力进行处理,得到井底净压力曲线。
传统施工压力诊断方法大多是基于Nolte模型,主要还是用于常规双翼裂缝类型,对于现在复杂缝网诊断具有较大局限性。
水平井体积压裂以分段、滑溜水、大液量、大排量、段塞式加砂为主要特征,分支裂缝扩展时将引起施工压力波动,并与水力裂缝与天然裂缝的相互作用有关。
为了对水平井体积压裂进行压力诊断以及储层改造效果进行评价的目的,有必要开展如下几方面的研究:
(1)建立适用于水平井体积压裂、滑溜水大排量、段塞式加砂的井底压力计算模型;
(2)探讨水力裂缝与天然裂缝相互作用引起的压力波动特征;(3)探讨建立适合于非常规储层水力压裂的净压力分析图版。
结合净压力曲线分析图版,可以实时推测水力裂缝扩展特征,并及时调整施工方案。
完整的净压力曲线分析有助于判断压裂缝网形成规模,曲线波动规律又有助于评价压裂效果。
因此,井底净压力的计算以及其波动特征分析对非常规储层水平井体积压裂具有重要意义。
-1-第1章绪论1.2国内外研究现状1.2.1净压力计算2008年赵伟1等人对压裂防砂过程中的缝内净压力进行了模拟计算,其模拟基本理论为PDFL滤失模型和KGD二维裂缝模型。
2010年Gun-HoKim2在其硕士论文中,优选前人计算模型,提出完整的垂直井净压力计算模型。
并对计算出的净压力进行傅里叶变换以消除排量的影响,继而借助Nolte净压力诊断曲线对净压力进行诊断。
总结前人研究,净压力计算基本上可以分为如下几方面:
静液柱压力、管柱摩阻、垂直管柱携砂液摩阻、水平管柱携砂液摩阻、近井摩阻。
(1)静液柱压力计算静液柱压力通常具有统一表达式,但是由于油气井都属于深井超深井,井筒内高温高压会导致压裂液密度、粘度发生显著变化,导致液柱压力计算不能单一利用定液体密度计算。
2005年David3计算净压力时,采用恒定压裂液密度计算静液柱压力,未考虑温度和压力影响。
2010年Gun-HoKim2在其硕士论文中,计算静液柱压力时基于Politte模型考虑了温度和压力的作用。
1982年Hoberrock4提出了油水两相不同压力温度下的密度计算公式,为之后高温高压条件下的流体状态计算奠定了基础。
1982年Sorelle5对指定温度和压力下的水的密度变化进行了实验研究,最终得到一个经验公式。
1985年Politte在Hoberrock和Sorelle6研究的基础上,对指定温度和压力下的油密度进行了实验研究,并总结出经验公式。
刘先灵(2003)7年在其博士论文中采用液体状态方程来表征不同压力温度条件下的压裂液密度。
(2)垂直管柱摩阻计算摩阻是影响施工压力的核心问题。
1988年CrumpJB首先提出水力摩阻对水力压裂效果的影响8。
1997年蒋廷学9、2013年李达10简单计算了施工过程中的井底压力,但未详细考虑各因素变化。
2005年DavidFMartinezP3在其硕士论文中计算了连续油管压裂净压力,并建立了相应计算软件。
论文详细介绍了连续油管压裂工艺,流变学基础知识,并介绍了不同流态下的摩阻计算模型,弯曲管线摩阻计算模型。
David模型计算管柱摩阻时区分了直管线或是弯曲管线,考虑了不同流态;David和Gun-HoKim在计算模型中都选用的是范宁摩擦系数法计算管柱摩阻。
彭翼11在其管柱摩阻计算中对比了Lord和MCGowen等人的经验公式和-2-中国石油大学(北京)硕士学位论文范宁摩擦系数方法,发现范宁摩擦系数方法与实际施工摩阻吻合更好。
刘合201012年计算管柱摩阻时同样采用范宁摩擦系数法,对压裂液摩阻计算选用降阻率方法计算摩阻。
总体来看,压裂液摩阻计算基本上都是选用范宁摩擦系数方法,且计算与测试结果较吻合,但均未考虑高温高压条件下压裂液粘度的变化。
1985年Politte6提到HTHP条件下油基钻井液粘度计算模型。
1999年郭绪强13在PR-EOS状态方程基础上对其进行进一步改进,得到不同温度压力条件下的流体粘度方程。
2005年OOHarris14,2012年AtagaE15等人提出了更加简单实用的钻井液表观粘度计算方法。
(3)垂直井携砂液摩阻计算以上各文献在净压力或井底压力计算时都介绍了携砂液摩阻计算模型,其方法主要分为两种:
叠加方法和修正系数方法。
叠加方法是在压裂液摩阻计算的基础上,再加上由于支撑剂存在引起的摩阻增加量;系数方法是在压裂液摩阻的基础上乘上一个与携砂液密度、支撑剂雷诺数,以及粘度等参数相关的系数。
SubhashShah(1986,2009)16-17提出了系数计算方法,该方法后面被David、Shaqlaih18等人应用。
PandeyVJ(2002)19进一步通过相对粘度和相对密度建立了系数计算模型。
Hannah,Keck,Shah20-22等人在试验的基础上分别建立了不同压裂液体系的系数M计算模型,即Keck模型。
Gun-HoKim的硕士论文中基于Shah和Lee等人的研究结果,介绍了叠加模型。
(4)水平管携砂液摩阻计算水平管线携砂液摩阻的基础科学问题是水平管线固液两相流,该科学问题在其他领域研究非常多,但是在石油方面的研究多出现在钻井过程中的岩屑携带23。
本论文主要是将前人的研究进一步完善,应用于压裂方面。
1952年Durand和Condolios24首次提出水平管线中固液两相流流型分类方法。
PDoron(1987,1992,1993,1995年)25-28分别建立了水平管线双层模型,水平管线三层摩阻计算模型。
但是模型建立在水平管线,且固体颗粒大小一致。
ARamadana(2003年)29在Doron三层模型的基础上,讨论了倾斜管线内存在沉积层时固体颗粒运动规律。
文章假设不同层之间不存在物质交换,各层厚度稳定。
-3-第1章绪论2011年李勇明30等人对水平管线携砂液摩阻计算进行了探讨,但是没有清楚地描述支撑剂在水平管线的流动规律。
Aziz(2013年)31对Durand模型、Worster模型、Wagner模型以及Turain模型进行了总结,并对比讨论了不同理论模型的实用性。
2013年JesseCapecelatro32利用欧拉-拉格朗日模型模拟了水平管线固液两相流,并计算了不同流态下的管线摩阻。
2014年杨佳奇33采用固液两相流压降计算模型和欧拉双流体模型计算了水平管线输送固体流的摩阻。
2014年KSambath34等人在OroskarandTurian等人单相流模型基础上建立了多相流中固体输运半解析加经验公式模型。
孟琦(2015年)35在其硕士论文中利用PIV技术对水平透明平板间固液两相流进行监测,证明了低排量下三层模型的存在。
图1.1固液两相可视化流动过程35Fig.1.1Solid-liquidtwo-phasevisualflowprocess35(5)近井摩阻近井摩阻包括射孔摩阻和弯曲度摩阻。
Economides和Nolte36提出近井摩阻计算统一形式,并给出了孔眼摩阻计算方程。
1988年JBCrump8在对胍胶压裂液的研究中发现孔眼流量系数与支撑剂颗粒大小,孔眼直径,压裂液类型等相关。
2015年GongboLong37通过分析孔眼打磨情况给出了孔眼压降计算模型。
刘合12在总结了RomeroJ38,郭建春等人39的研究后,得到适合现场应用的流量系数和孔眼直径计算公式,但是该方程系数需要结合实际施工背景进行调整。
1.2.2水力裂缝与天然裂缝相互作用水力裂缝产生多分枝的主要原因是水力裂缝与天然裂缝的相互作用40,关于两者的相互作用研究很多。
RP模型41讨论了垂直于水力裂缝的天然裂缝对水力裂-4-中国石油大学(北京)硕士学位论文缝扩展的影响,并给出了裂缝穿过准则。
XiZhang(2006年)42将水力裂缝与天然裂缝相互作用结果分为四类:
穿过、停止扩展、T型裂缝,转向扩展。
并通过理论模拟了给定条件下的天然裂缝开度分布。
GU(2008,2010,2011年)43-45在RP模型的基础上提出了人工裂缝与天然裂缝以任意角度相交时的穿过准则,预测结果与实验结果基本吻合。
DChuprakov(2010,2013,2014,2015)46-49在考虑流体作用的条件下,运用位错理论建立了天然裂缝发生剪切滑移的判据,并计算了裂缝开度,天然裂缝滑移位移,建立了OpenT理论。
DahiTA(2009)50在其博士论文中基于弹性力学和断裂力学详细讨论了水力压裂时诱导裂缝与天然裂缝之间的相互作用。
J.Zhou(2011)51,J.E.Olson(2012)52,Yushi.Z(2015)53等人通过室内水力压裂实验观测了天然裂缝与水力裂缝相互作用结果。
得出改变地应力时出现三种不同的裂缝相交结果,另外,提出水力裂缝和天然裂缝的相互作用是形成缝网的关键因素。
2016年HanLi54利用有限-离散元方法对多层理储层中缝高方向扩展进行模拟研究。
结果显示,多弱面地层中裂缝总是趋于沿弱面扩展。
另外,层理面走向、倾角对裂缝相互作用结果影响显著。
1.2.3压力曲线分析与压裂诊断水力压裂诊断最早开始于1947年第一次压裂施工,监测地面注入流体压力保证压裂施工安全进行。
1953年,裂缝内流体压力和注入体积关系模型得到发展。
1955年Sneddon等人根据弹性力学建立了裂缝中流体压力和裂缝宽度的关系。
1958年Godbey和Hodges首次提出井底施工压力分析对压裂过程和施工工艺改进很有必要。
1961年Perkin和Kern等人研究了缝中压力、地层的弹性变形与裂缝宽度之间的关系,并建立了2D裂缝模型,为之后Nolte诊断图版奠定基础。
20世纪70年代末低渗透油气藏大型压裂施工已成为较普遍的增产作业措施,这迫切需要实用的压裂压力分析技术来保证大型压裂施工的安全有效进行。
从20世纪80年代的常规水力压裂到现在的非常规储层体积改造,关于压力曲线的诊断研究不断进行,整体上可以将曲线分析分为3类:
小型压裂曲线分析55-58,主压裂施工压力曲线分析59-68,以及压后曲线分析69-72。
DaveCramer(2012)55,RDBarree(2009)56详细介绍了小型压裂曲线的分析方法以及停泵期间裂缝闭合、压裂液滤失机理,并对G函数进行了解释,且与现场实际施工结合紧密。
LiuHe(2012)58对停泵压力曲线的G函数形态进行了-5-第1章绪论分类,总共分为6类,不同形态的G函数反映的裂缝发育程度,压裂液滤失量等不同。
KennethGNolte(1981)61-62提出基于2D裂缝模型的标准净压力诊断图版。
LyleVLehman(2010,2011,2013)66-68对Barnett超过1000口井的施工平均净压力进行了特征分析,发现低砂比长时间大排量注入有利于提高改造体积。
JackRJones(2013)69提出了一种利用无因次时间与压力的关系曲线作为判断裂缝复杂程度的方法,并将其分为4类,不同曲线类型对应不同裂缝复杂程度。
卞晓冰(2016)71等人利用压后整条曲线进行压后效果分析,选取与压力曲线相关的几个特征参数进行了施工效果评价。
1.3存在的问题及主要研究内容目前关于水力压裂压力曲线分析与诊断存在如下几点问题:
1、井底净压力计算:
(1)以往的净压力计算模型主要针对垂直井,对水平井压裂研究较少;
(2)压裂液类型以高粘压裂液为主,不适用于低粘滑溜水或滑溜水加线性胶混合压裂液体系;(3)常规压裂分析以低排量携砂、连续加砂为主,易于计算,但非常规储层以大排量冲砂、段塞式加砂或混合加砂类型为主,计算困难。
(4)关于液柱压力、管柱摩阻计算需要考虑HTHP条件下的压裂液密度、粘度变化。
2、水力裂缝与天然裂缝相互作用引起的压力波动特征
(1)Gu模型和OpenT模型都建立在2D裂缝相交模型上,未考虑裂缝走向和倾向的影响;
(2)非常规储层层理、裂缝等弱面发育,水力裂缝穿过天然裂缝、沿天然裂缝转向扩展,形成T型裂缝或停止扩展等不同作用是形成缝网的关键,不同作用结果引起的压力波动对体积压裂压力曲线分析异常关键。
本文针对水平井体积压裂,建立适用于滑溜水大排量段塞式加砂的净压力计算模型,讨论水力裂缝和天然裂缝不同作用结果引起的压力波动特征,结合室内水力压裂实验和现场实际施工曲线,初步建立水平井分段压裂净压力曲线分析和诊断图版。
-6-中国石油大学(北京)硕士学位论文第2章常规水力压裂压力分析常规水力压裂压力曲线诊断基于传统2-D裂缝扩展模型的建立,如KGD,PKN,Radial模型。
Nolte基于传统二维裂缝理论模型,并考虑Carter滤失模型,首先提出水力压裂压力曲线诊断模型,并给出了5段式诊断曲线。
2.1裂缝几何模型裂缝模型主要分为2-D裂缝模型、拟三维裂缝模型、全三维裂缝模型。
对于2-D裂缝模型,由于理论简单,计算过程容易实现,应用较普遍。
2.1.1Sneddon缝宽模型Sneddon和Elliot36基于线弹性理论最早得到定压下的半径为R的扁平椭圆形裂缝宽度变化规律:
()()()22811/fnetpRwrrRE=(2.1)椭圆裂缝的体积为:
()231613fnetRVpE=(2.2)对于方程2.1,假设为无限大裂缝平面,裂缝高度为层高H,则可以得到裂缝最大缝宽为:
max2fnetpHwE=(2.3)2.1.2Radial模型Radial模型包括垂向椭圆形模型和径向椭圆形模型两种裂缝模型,是最简单的裂缝模型。
假设
(1)裂缝形态为硬币型;
(2)椭圆长短轴比例确定。
-7-第2章常规水力压裂压力分析HhV图2.1水平椭圆模型和垂向椭圆模型Fig.2.1HorizontalModelandVerticalRadialModelRadial模型净压力变化可表示为:
()121121nnnnnEKQpV+(2.4)Radial模型预测的净压力随缝长增加逐渐降低。
2.1.3PKN模型Perkins等人在Sneddon模型的基础上,提出了如下假设:
(1)缝长远大于缝高,截面压力受缝高控制;
(2)裂缝高度等于层厚,上下层界面不发生滑移;(3)垂直截面为椭圆形;(4)流体在裂缝长度方向作一维稳定层流流动,滤失遵循Carter线性滤失。
图2.2PKN模型裂缝形态Fig.2.2PKNFractureModelPKN裂缝参数可以表示为:
-8-中国石油大学(北京)硕士学位论文()12322222331nnnnnEKQVPH+(2.5)()12231nnnKQVWEH+(2.6)()12322221nnnnEQVLKH+(2.7)PKN模型得到的净压力随裂缝长度增加逐渐增加,适用于缝长大于缝高的裂缝,储层多为走滑型应力环境。
2.1.4KGD模型Khristianovich和Geertsma等人假设:
(1)目的层上下邻层边界可发生滑移(缝高远大于缝长);
(2)沿缝高方向的裂缝截面为矩形;(3)裂缝高度为目的层高度,不发生变化;(4)压裂液在缝长方向作一维稳定层流流动,遵循Carter滤失。
图2.3KGD模型裂缝形态Fig.2.3KGDFractureModelKGD模型裂缝参数为:
-9-第2章常规水力压裂压力分析()121121nnnnnEKQPV+(2.8)()122421nnnKQVWEH+(2.9)()12422221nnnnEQVLKH+(2.10)KGD模型得到的净压力随缝长增加逐渐减小,较PKN模型更适用于缝高远大于缝长的裂缝,储层为正断层型应力环境。
2.22D裂缝模型压力分析与诊断影响压力曲线变化的因素包括压裂液类型、压裂液性质、排量、支撑剂类型、支撑剂浓度、管线长度,管径等多种因素。
因此,在压力分析之前,必须要先建立多种因素作用下的压力模型。
2.2.1施工参数与压力变化关系根据2-D裂缝理论模型,考虑滤失作用,具有如下流体压力随裂缝扩展的关系式:
()()()()()121112222212222211212212221222121221222122322316nnnnnnnnnnnnnnwnnnnnnnnnLtKEqPKNHqptKEKGDHLtqKERadialRt+=()2212nnn+=(2.11)当水力压裂顺利进行时,式2.11表明,流体压力的对数与压裂时间的对数正相关,比例分别为:
-10-中国石油大学(北京)硕士学位论文()()()()()1log.221loglog.221log.Radial22wtPKNnpttKGDntn+(2.12)1972年Nordgren导出了两种极限条件下的近似解,给出了高滤失和无滤失条件下的缝长和缝宽表达式,代入上式可以得到净压力与时间双对数坐标下的斜率范围:
()()()11.4123.2213.Radial281PKNnnnnKGDnnnnnn+(2.13)2.2.2不同模型井底净压力变化曲线根据以上理论,由于不同裂缝模型假设条件及裂缝形态不同(如图2.4,为不同模型预测的裂缝形态演化规律),其所对应的压力变化规律也有差异。
在考虑滤失作用时,不同模型预测到的压力与时间双对数曲线斜率在一定范围内变化,并且不同模型对应的斜率范围不同。
从压力预测模型上观测,压力曲线变化特征取决于流型指数大小,在时间与压力的双对数坐标中,流性指数决定了曲线变化斜率。
根据黄趾海73等人的试验研究,我们选取25条件下的滑溜水流型指数0.8859,得到不同裂缝模型预测的双对数坐标中曲线斜率变化范围。
PKN模型以缝长方向为主要扩展方向,流体压力逐渐上升;KGD模型以缝高方向扩展为主,因此压力表现出负斜率;Radial模型预测裂缝为点源扩展,这种裂缝往往出现在裂缝破裂点处,压力表现为负斜率。
-11-第2章常规水力压裂压力分析14.7617.545.68114.2613.26RadialKGDPKN()logt()logp1n0n0n1n图2.4裂缝扩展类型与压力演化图Fig.2.4FracturePropagationModelandPressureEvolution2.3本章小结本章对传统2D裂缝模型(PKN,KGD,Radial)的特点进行了讨论,特别是3种模型对双翼裂缝扩展过程中净压力的预测。
PKN模型预测净压力随裂缝扩展逐渐增大,KGD和Radial模型预测净压力随裂缝扩展逐渐降低。
在实际应用中,发现PKN模型适合于缝长大于缝高情况,KGD模型适合缝高大于缝长的扩展类型,Radial一般用于预测裂缝破裂后短时间内的裂缝扩展。
对于我国非常规储层存在如下特点:
走滑断层应力环境为主,薄互层发育,邻层应力差较大。
这些特点在水力压裂过程中表现为缝长方向扩展为主。
因此,本文假设水力裂缝产生分支裂缝,形成缝网之前,以PKN裂缝模型扩展。
-12-中国石油大学(北京)硕士学位论文第3章水平井净压力计算模型水平井体积压裂井底净压力计算与常规水力压裂具有相似性和特殊性。
相似性包括静液柱压力、垂直管线摩阻、闭合压力。
特殊性包括井型特殊,水平井和定向井;压裂液类型,低粘滑溜水或组合压裂液体系;加砂模式,段塞式加砂或组合加砂模式;射孔压裂,孔眼摩阻较大。
因此,在计算方法和固液两相流运移规律上,水平井体积压裂井底净压力计算比常规垂直井压裂井底净压力计算更加复杂。
如图3.1,为水力压裂过程中,井底压力与地面施工压力的示意图。
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