延长油田压裂施工行为模拟

樊世忠，鄢旭彬，任海龙

(延长油田股份有限公司 永宁采油厂，陕西 志丹 717500)

1 水力压裂设计

水力压裂设计寻求满足地质、工程和设备条件下作出经济有效的最优方案。目前有两种设计方法:(1)从满足给定的陪产方案要求的增产倍数出发，优选压裂液、支撑剂及布砂方式，设计出相应的施工规模(排量、液量和砂量)，确定相应的裂缝几何尺寸;(2)从地层条件出发，满足设备能力的约束条件，优选压裂液、支撑剂和加砂方式，预测多种不同方案下的增产能力，在根据实际却需要选择施工方案。

1.1 选井选层

压裂是靠在地层中形成高导流能力裂缝而提高渗透储层的渗透率，即解决低渗透储层的产量问题。必须综合考虑储层地质特征、岩石力学性质、孔渗饱特性、油层油水接触关系、岩层间界面性质与致密性、井筒技术要求。通过对候选井进行压裂钱评估，分析油气井地产的原因，筛选出适当的压裂层，并确定部分压裂设计参数。

1.1.1 储层物性评估

1)储层地质特征

储层沉积特征决定了井的泄油面积，从而决定了压裂规模。

2)粘土矿物分析

储层中宗充填有粘土，粘土矿物类型、含量与分布方式眼中地影响了储层的渗透性，而且决定了压裂液与底层的配伍性，是选择压裂液体系的主要依据。

3)岩石力学性质

要包括储层、盖层和底层的杨氏模量、泊松比和断裂韧性值，它们对裂缝几何尺寸有很大的影响。岩石力学性质参数可通过取心在实验室测试。

4)岩心分析

评估油气藏储层基本参数，可采用岩心常规分析或岩心特殊分析技术。

5)试井分析

进一步评价地层，确定储层的渗透率、表皮系数、地层压力及其他性质。

1.1.2 选井选层原则

任何成功的压裂作业必须具备两个基本的地质条件:储量和能量，前者是压裂改造的物质基础，后者是较长增产有效期的保证。压裂候选井应具备下列条件:

1)低渗透地层:渗透率越低，越要优先压裂，越要加大压裂规模。

2)足够的地层系数:一般要求Kh＞0.5×10－3μm2·m。

3)含油饱和度:含油饱和度一般应大于35%。

4)孔隙度:一般孔隙度为6% ～15%才值得压裂;若储层厚度大，最低孔隙度为6% ～7%。

5)高污染井:解堵不是压裂的主要任务，而是必然结果。需要针对储层条件采取措施。

此外，压裂经是否适合压裂或以多大规模压裂，还应考虑距水边、底水、起顶、断层的距离和遮挡层条件，并结合天然裂缝原则、最大水平主应力与油气井不相间原则、井网与最大水平主应力有利原则等考虑压裂工艺，并考虑井筒技术条件。

1.2 压裂施工工序

压裂施工是多工种联合作业，一般要经过下列过程:

1.2.1 施工设计

1)压裂施工设计师一口井施工的指导性文件。它能根据油层与设备的条件，选择出经济而有效的压裂增产方案。

2)确定该井进行压裂的目的，地质依据、有关地层及井况资料;

3)预计和要求增产倍数;

4)施工方案的选择;

5)施工参数计算及效果预测

6)施工劳动组织及施工进度安排;

7)施工步骤及安全技术措施;

8)需要的设备及材料计划、成本核算;施工井场布置图及井下管柱结构图。

1.2.2 施工准备

1)井况调查。如井场、道路、井架、采油树、压井装置等地面施工设备及设施、井下情况、井内落伍、井内情况(包括分层产量、见水层位、含水量、静压、流压、微井径测定)、油层出砂情况、井底砂面高度、压井液水质量等。

2)器材与物资设备。压裂施工井所需要的器材与物资除去一般修井作业所需设备外，还应包括压裂液、支撑剂、装液容器、井下工具等

3)调换管柱。包括清理井筒、下管柱、换装井口、连接管线、布置井场等。井场地面布置流程图如图1所示。

井下工具入井顺序按施工管柱图下入，一般喷砂器应对准处理层中部，封隔器应避开套管接箍。

4)安全措施。全部压裂施工是在高压状态下进行的，必须采取有力的安全措施，全部管线和井口装置要进行耐压试验，高压管汇严禁非岗位人员接近;使用油类等易燃品做压裂时，现场严禁明火及吸烟，关闭一切火源，备好消防车、消防砂、灭火机等灭火器材。

1.2.3 压裂施工

除特殊情况外，压裂施工程序大都相同，一般分为以下七道工序:

1)循环。将压裂液由液罐车打到压裂车再返回液罐车。目的是鉴定各种设备性能，检查管线是否畅通。循环路线是:液罐车→压裂车→高压管汇→液罐车。

2)试压。关死井口总阀，对地面高压管线、井口、连接螺纹、活接头等憋压检验。

3)试挤。试压合格后，打开总闸门，用1～2台压裂车将试剂液挤入油层，直到压力稳定为止。目的是检查井下管柱及井下工具是否正常，掌握油层的吸水能力。

4)压裂。在试挤压力和排量稳定后，同时启动全部车辆向井内高速注入压裂液，使井底压力迅速升高，当井底压力超过地层破裂压力时，地层就会形成裂缝。

5)加支撑剂。当地层被压开裂缝，待压力、排量稳定后即可加入支撑剂。

6)顶替。预计加砂量全部加完后，就立即泵人顶替液，把地面管线及井筒中的携砂液全部顶替到裂缝中去，防止余砂沉积井底形成砂卡。顶替液不可过量，一般替挤量为地面管线和井筒容积之和的1.5倍。

7)反洗或活动管柱。替挤后应立即反洗或活动管柱，防止余砂残存在井筒封隔器卡距，造成砂卡。活动管柱可加速封隔器胶筒回收。

各工序结束后，关井等待压力扩散。压裂施工结束后，井内压裂管柱起出之前，要加深管柱探砂面，然后起出压裂管柱，按设计要求下入完井管柱，安装好井口采油树，连接生产管线，捞出堵塞器，抽油机井要憋掉活堵，调好防冲距试抽，然后交井。

1.2.4 压裂的工艺方法

由于各油田和区块的油层性质、压力、温度等条件不同，完井方法、技术设备条件也有差异，因此，压裂方法也不同。以下介绍几种常用的压裂工艺方法:

1)分层压裂

分层压裂就是多层分区或者单独压开预定层位，多用于射孔完井的井。这种方法由于处理井段小，压裂强度及处理半径相对提高，能够充分发挥各产层的潜力，因而增产效果比较好。通常用下面两个方法:上提封隔法是用两级封隔器卡住压裂曾段，如图2。

图2 双封隔分层压裂管柱示意图

施工时先压下层，压完后提至第二层，这样依次将各层压开。这种方法多用于选压曾段间距均匀、选压层位较少的井。

滑套喷砂器分层压裂，滑套喷砂器分层压裂采用自下而上的直径增大的滑套，用销钉将其固定在喷砂器上，堵死喷砂器孔眼，只有最下一级喷砂器不堵，压开最下层后，投球封上一级滑套，并憋压剪断销钉，使滑套下移，露出上一级喷砂孔器，使下面一级堵死，压开上面一层后，依次自上而下投球逐层压开。

3)一次压裂多条裂缝

对于厚油层，常希望多压开几条裂缝，以获得较大的增产效果，通常用下面两种方法:

塑料球封堵法:对于射孔完成的井，可采用塑料球、尼龙球核心橡胶球、铝合金球、橡胶包铅球等将已压开裂缝处的射孔孔眼暂时封堵起来，继续憋开新的裂缝。施工时，压开裂缝充填支撑剂砂，用井口专用的投球器不停泵投入比处理层段射孔数多10%～20%的封堵球，堵住已压开裂缝段的射孔孔眼，继续压开新裂缝，依次可压开几条新裂缝。

堵塞剂法:对于裸眼完成的井或射孔井段套管变形不能用封隔器卡封，或油井套管虽然完好，但固井质量不好，容易窜槽的井，都可采用暂堵剂进行分层压裂，将颗粒状或纤维状堵塞剂，随同压裂液注入井中，较大的堵塞剂在缝口或缝内桥架起来，小颗粒充填于大颗粒之间，将已形成的裂缝堵住，致使地层吸水力下降，井底压力增加，再将其他部位压开裂缝。几天后，暂堵剂自行溶解，地层恢复到原来的吸水能力。

2)限流法压裂

新完钻的加密调整或旧井，油层多而薄，夹层小，不适应常规压裂，可采用射孔完井限流法压裂，以动用这个部分有出油能力的薄层，并提高油井产量。

限流法完井压裂技术是通过严格控制油层的射孔密度，并尽可能提高注入排量，使最先被压开的层吸收大量压裂液而增大炮眼摩阻，造成井底压力大幅度上升，迫使注入的压裂液分流，相继压开破裂压力接近的临近层，达到一次压裂几个层的目的。

1.3 压裂设计计算

1.3.1 压裂设计基础参数

在进行压裂设计计算之前，除要手机油气井的基本参数(如井深、泄油面积、油管尺寸、套管尺寸、井眼直径、油管质量、套管质量、射孔孔数和孔眼直径)外，还必须收集储层岩石和储层流体参数、压裂液性能参数和支撑剂的有关参数。

1)设计计算内容

①注入方式的选择

压裂施工注液方式有油管注液、环空注液、套管注液和油套混注。在满足泵注参数和施工管柱安全条件下尽量选择简单的注入方式。

②施工排量

确定施工排量要考虑多种因素，首先，有法人工列分是因为压裂液能够在井底憋起高压，因此，施工排量必须大于地层的吸液能力

式中Q吸—地层吸液速度

pwf—压前地层流压，MPa;

ps—井底流压，MPa;

pf—摩阻压力，MPa。

2)液量与砂比

针对油藏特征，以获得最佳裂缝长度和最佳裂缝导流能力为目标，通过裂缝延伸模拟确定压裂液量与砂比。

3)井口施工压力

式中 p—井口施工压力，MPa;

pk—井底压力(射孔孔眼末端)，MPa;pH—静液柱压力，MPa;

pwf—压前地层流压，MPa;

pper—孔眼摩阻，MPa;

pft，pfc—压裂管柱中油管部分和套管部分井筒摩阻，MPa。

如果pk采用地层破裂压力，对应井口的最大施工压力。

4)施工功率

式中 P—压裂所需功率，kW。

5)压裂车数

设压裂车单车功率为Pη，机械效率为η，则需要压裂车台数为

设压裂车单车排量为q，则所需要压裂车台数为

1.4 压裂液

压裂液是水力压裂改造油气层过程中的工作液，起着传递压力、形成和延伸裂缝、携带支撑剂的作用。根据压裂不同阶段对液体性能的要求，一次压裂施工可以使用多种类型、性能不同的液体和添加剂。

(1)按照不同阶段注入井内的压裂液所起的作用，压裂液的组成可以分为三类:

1)前置液

前置液的作用是破裂地层，造成一定几何尺寸的裂缝，以备后面的携砂液进入。在温度较高的地层里，还可以起到一定的降温作用。

2)携砂液

携砂液的作用是用来将地面的支撑剂带入裂缝，并携至裂缝中的预定位置，同时还有延伸裂缝、冷却地层的作用。

3)顶替液

顶替液的作用是将携砂液送到预定位置，将井筒中的全部携砂液替入裂缝中。

(2)压裂液也必须满足一下性能要求:

1)与地层岩石和地下流体的配伍性

2)有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部

3)率失少

4)低摩阻

5)低残渣易反排

6)热稳定性和抗剪切稳定性

1.4.1 压裂液的分类

(1)水基压裂液

水基压裂液是国内外目前使用最多广泛的压裂液。除少数低压、油湿、强水敏底层外，它适用于多数油气层和不同规模的压裂改造。它是以水为基本成分，加入各种添加剂为成分的压裂液。其中主要包括盐水、活性水压裂液、绸化水压裂液、水包油压裂液、水基凝胶压裂液等。

目前普遍使用的是水基凝胶压裂液，它是这几年迅速发展起来的一种比较理想的压裂液，具有高粘度、低摩阻和悬砂能力强的优点。其成分除了水以外，主要有以下几种添加剂:增粘剂、联胶剂、破胶剂、防腐剂、防腐杀菌剂、防止乳化剂、表面活性剂、粘土控制剂、pH值控制剂、助排剂等。

(2)油基压裂液

油基压裂液是以油为基本的成分配伍的压裂液。其主要包括稠化油压裂液、油包水压裂液、凝胶原油等。

它的优点是粘度高、悬砂能力强、率失量小、来源方便，对油层无害等。缺点是成本高及粘度随温度升高降低得很快，而且油基压裂液的易燃性、危险性也限制了它在实际工作中的应用。

(3)酸基压裂液

酸基压裂液是主要是由酸、水和各种添加剂配制而成。

(4)泡沫压裂液

泡沫压裂液是一种含支撑剂的液体、气体、泡沫表面活性剂的混合液体。典型组成是:水相+气相+起泡剂

水相:稠化水、水冻胶、酸液、醇或油。

气相:CO2、N2、空气。

起泡剂:多为非离子型表面活性剂。

泡沫压裂液的粘度稳定性取决于泡沫干度(泡沫质量)，它定义为

泡沫压裂液的主要特点是:泡沫滤失系数低，液体滤失量小，浸入深度浅，反排速度快，对地层伤害小;摩阻损失小(比清水低40% ～60%);压裂液效率高，裂缝穿透深度大。因此，泡沫压裂液尤其适合于低渗低压水敏性油藏。但泡沫压裂液稳定稳定性差;而且粘度不够高，难以适应高砂比要求。

压裂液的种类很多，每种压裂液都有一定的适用条件。合理适用压裂液可以提高压裂施工的成功率，增强压裂效果，降低压裂成本。

1.5 支撑剂

支撑剂是一种用来支撑压裂所形成的人工裂缝，防止压裂裂缝重新闭合的固体颗粒。它的作用是通过在裂缝中的沉积排列来支撑裂缝，改善地层原始结构，改善地下流体的流动能力，从而达到增产的目的。

支撑剂的种类很多，一般可以分为两大类:

(1)硬脆性支撑剂。如石英砂、陶粒砂、玻璃球等

(2)韧性可变性支撑剂。如各种塑料球、核桃壳、铝合金球等。

一般在岩性松软的浅井和中深井选用韧性可变形支撑剂较好;在坚硬地层的深井中选用硬脆性支撑剂。

2 压裂设计计算及分析

2.1 延长油田永宁采油厂某井的参数

表1 永宁采油厂某井

表2 油井的参数

表3 成都陶粒支撑剂

表4 数据运行情况

分析结果如下:

裂缝长度会随着时间的慢慢的延伸，当到一定时间后，裂缝会停止延伸;裂缝的总高度会从最开始的最大，慢慢的减小，到最后时，裂缝高度会停止减小，维持一个固定值。

压裂过程时，盖层与产层的最小主应力相差小，裂缝向上延伸严重;底层与产层应力相差大，裂缝向下延伸受阻，进一步增加了缝内净压力，更加剧了裂缝向上延伸。裂缝延伸时，压裂液不断滤失，由于考虑了支撑剂的对流效应，支撑剂主要分布在了压裂层段的中心位置，越接近缝口，支撑剂浓度越大。最开始前置液破裂地层，造成地层一定几何尺寸破裂，图中绿色部分是携砂液将支撑剂带入预定的位置，并延伸裂缝，携砂液中的颗粒在运移中做慢慢沉淀到裂缝底部，形成图中黄色的砂堤部分;剩下白色的部分是剩余的支撑剂，用来支撑裂缝。压裂液的视粘度，在运行的过程中，由最初的最大值慢慢降低为最小;其他三个系数几乎没有变化，在同一直线上。

3 结论

本论文研究的是延长油田某井，对其进行压裂施工模拟模型的研究。油田水力压裂是一项基本工艺。现在油田施工对于水力压裂要求越来越高，压裂液和支撑剂的性能要求也越来越高。

必须要清楚的了解压裂及其过程，在过程在需要注意哪些方面，对于裂缝的产生和延伸的过程，建立三维模型。发展和研究压裂施工模拟模型的运用，建立数学模型。对延长油田井的模拟，在过程模拟过程中建立支撑剂和压裂液模拟模型。因此必须加强压裂液和支撑剂的研究与开发及运用，学会用软件进行井的模拟，并建立模型。加强现场实际的操作，学习如何对压裂进行优化，提高施工的成功率和有效率。

［1］Economides，M J，Nolte，K G. 油藏增产技术(第三版)［M］.张保平，等译.北京:石油工业出版社，2002.

［2］Economides M J，Nolte K G.油藏增产技术(第二版)［M］.张宏逵，译.山东:石油大学出版社，1991.

［3］Gidley，J L，Nolte，K G等.水力压裂技术新进展［M］.蒋阗，等译.北京:石油工业出版社，1995.

［4］刘慈群.在双重孔隙介质中有限导流垂直裂缝井的非牛顿流体试井分析方法［J］. 石油学报，1990，11(4):21－23.

［5］李凡华，刘慈群.分形油藏中无限导流垂直裂缝井的非牛顿流体渗流规律［J］.石油学报，1997，18(4):40－15.

［6］邓英尔，刘慈群.两相流体椭圆渗流数学模拟与开发计算方法［J］.石油学报，1999，20(5):50－53.

［7］邓英尔，刘慈群.各向异性双重介质垂直裂缝井两相流体渗流［J］.力学学报，2000，32(6):90－92.

［8］郭大立，刘慈群，赵金洲.垂直裂缝气井生产动态预测及参数识别［J］.应用数学和力学，2002，23(6):19－23.

［9］Ahmed S，Abou S，Arfon H J.Process for Measuring the Fracture Toughness of Rock under Simulated Down-Hole Stress Conditions［P］.United States Patent 4，1979，152，941.

［10］Schmidt R A，Huddle C W.Effect of Confining Pressure on Fracture Toghness of Indiana Limestone［M］.Intl J Rock Mech Min Sci，1977.

［11］Clifton R J.Determination of the Critical Stress－Intensity Factor Kic in a Circular Ring［M］.Exp Mech，1976.

［12］中国航空研究院主编.应力强度因子手册［M］.北京:科学技术出版社，1981.

［13］中国石油油气藏改造重点实验室编.油气藏改造论文集［C］.北京:石油工业出版社，2001.

［14］郭大立，纪禄军，赵金洲，等.煤层压裂裂缝三维延伸模拟及产量预测研究［J］.应用数学和力学，2001，22(4):21－25.

［15］张平，赵金洲，郭大立，等.水力压裂裂缝三维延伸数值模拟研究［J］.石油钻采工艺，1997，19(3):21－33.

［16］Zhao Jinzhou，Guo Dali，Hu Yongquan et al.Hydraulic Fracturing Technique for Low Permeability Coalbed Methane Gas Reservoirs［P］.SPE38095.

［17］郭大立，赵金洲，曾晓慧，等.控制裂缝高度压裂工艺技术实验研究及现场应用［J］.石油学报，23(3)，2002，23(3):21－33.

［18］郭大立，赵金洲，吴刚，等.堵压综合采油技术研究与应用［J］.石油钻采工艺，1999，19(6):9－11.

［19］张国良，罗中华，赵德利，等.特低丰度超薄油层水平井开发影响因素.西南石油大学学报(自然科学版)，2008，30(6):109－112.