近十年国内超高温压裂液技术研究进展

随着深层超深层储层改造技术的发展,对超高温压裂液提出了迫切的需求。10年来我国开发的超高温压裂液按稠化剂类型主要分为三类:超高温羟丙基瓜尔胶压裂液和羧甲基羟丙基瓜尔胶压裂液、超高温改性瓜尔胶和聚丙烯酰胺混合基压裂液、超高温合成聚丙烯酰胺压裂液。本文介绍了近10年来这三类超高温压裂液技术在我国的研究应用和最新进展,指出了这些压裂液的缺点和局限性,提出了超高温压裂液技术的研究方向。

220℃超高温聚合物压裂液性能研究

针对高温压裂液存在初始黏度高、破胶时间长及对储层伤害大的难题,对研发的聚合物高温压裂液开展性能研究,形成的体系在220℃下,具有良好流变性能,同时分析加入破胶剂对压裂液黏度的影响,优化破胶剂的加量,实现彻底破胶,降低残渣含量,减少了对储层的伤害。

超深高温高压含硫化氢气藏高效试油技术新进展

超深高温高压储层逐步成为油气勘探的重要部分,面临埋藏加深、压力增高、温度升高、物性变差并含H_2S和CO_2等气体,对试油测试的安全性、高效性等提出新需求。文章结合川中、塔里木库车油气勘探试油新难点,介绍了超深高温高压含硫化氢储层配套技术新进展,包括:形成试油完井投产一体化管柱,单井试油周期平均节约12 d以上;研发全井无线地面直读技术,实现140 MPa/150℃下信号无线传输最大距离4 610 m;研发了175 MPa/210℃/170 h的超高温超高压射孔器材,解决了超高温条件下射孔技术难题;发展140 MPa的地面流程集中控制技术,完善试油作业井筒完整性评价软件及安全环保系统。以上技术在川中高石梯-磨溪、塔里木库车前陆冲断带等重点勘探区域应用230井次,效果良好。

福山复杂断块油气藏大型压裂工艺技术

针对海南福山油田储层温度高、孔喉细小、多薄层、油气井斜度大、射孔跨度大、塑性强等特点,分析了在该油田实施大型加砂压裂存在着大跨度多段连续射孔且无法分层的斜井容易出现早期砂堵、高温条件下长时间施工液体携砂难度大、大液量注入储层伤害大等难题。增加前置液段塞级数和砂量打磨近井多裂缝降低弯曲摩阻,采用30～50目和20～40目支撑剂组合,降低施工砂堵风险;优选耐高温低伤害压裂液体系,提高携砂流变能力和返排效率,降低储层伤害,在实现深度改造储层的同时,提高了多薄层储层纵向剖面动用程度。该技术在福山油田实施12口井,成功率和有效率均达到100%,大幅度提高了油气井单井产能,较好地解决了大跨度多段连续射孔斜井的增产改造难题,对类似油气井的增产改造方案设计提供一定的借鉴作用。

新型水溶性暂堵剂在重复压裂中的暂堵转向效果

重复压裂是恢复油井产能、提高最终采收率的重要方式之一,目前最有效的重复压裂方式是暂堵剂的转向压裂改造。采用可生物降解材料、高分子量聚合物、膨胀剂和固化剂合成了一种环保型水溶性暂堵转向剂,该暂堵剂颗粒尺寸可根据裂缝宽度定制,水溶性良好,压裂施工结束后4 h可水溶降解;岩心实验表明,该水溶性暂堵剂岩心封堵效率可达99%以上,承压40 MPa以上,且水溶降解后对岩心的伤害较小,满足重复压裂施工各项指标的要求。现场试验1口井,施工过程中加入暂堵剂后施工压力上升3 MPa,起到了良好的暂堵效果,压后增油量为1.1 t/d,含水率下降5%,说明该压裂模式能够起到恢复油井产能、降低含水的目的。

致密油水平井体积压裂产能影响因素

为了分析水力裂缝与天然裂缝对致密油储层体积改造后产能的影响,以新疆S油田储层物性、原油物性以及天然裂缝走向和密度等为基础,利用COMSOL with MATLAB混合编程建立了致密油水平井体积压裂后的复杂缝网模型;考虑基质与裂缝的应力敏感,模拟了致密油在储层基质、裂缝和水平井筒的全耦合流动,分析了不同裂缝长度80~140 m、不同裂缝间距10~40 m、不同天然裂缝密度0.5~2.5条/m条件下压后致密油储层产能的变化。通过与矿场数据对比,该模型准确性较高。同时,模拟发现压裂后储层中压力波及区域的扩展过程表现出较强的非均质性,分布在压裂区周围的天然裂缝有助于扩大储层改造体积;增加裂缝长度,减小裂缝间距,较高的天然裂缝密度均能提高油井日产量峰值和累计产量,模拟得到该区块的最优裂缝长度和裂缝间距分别为140 m和10 m左右。油井日产量提高的同时衰减速度加快,特别是较高天然裂缝密度的衰减速度约为较低天然裂缝密度时的4倍,天然裂缝密度和裂缝间距对产能的影响程度较裂缝长度更为显著。

致密油藏分段多簇压裂水平井复杂缝网表征及产能分析

致密油藏多采用水平井分段多簇压裂方式生产,产能预测需兼顾天然裂缝和水力裂缝的分布,同时考虑裂缝与基质之间的耦合。以S油田天然裂缝的走向和密度为基础,利用COMSOL和MATLAB软件联合仿真技术,对致密油藏中水平井井筒、水力裂缝和天然裂缝的分布进行建模。利用基质-裂缝-井筒耦合流动模型,模拟了水力压裂条件下,不同裂缝间距和裂缝长度油藏的压力分布、日产油量和累积产油量。结果表明:水力压裂改造后,压力首先波及到导流能力较强的主裂缝和次级裂缝,随后向沟通的天然裂缝和基质扩展,且扩展速度逐渐变缓;对于无法连通的未改造区域,压力很难波及到。生产时间为1000d时,压力波及区域面积仅为油藏面积的34.1%。增加裂缝长度及减小裂缝间距均可提高日产油量和累积产油量,其中减小水力裂缝间距对提高产能和累积产量的贡献更为显著。

水平井体积压裂基质-裂缝渗流规律分析

为了揭示水平井体积压裂流体渗流特征和优化裂缝参数,基于流体在基质改造区、未改造区、裂缝中的渗流特征,建立了一种新的水平井基质-裂缝流动模型,利用修正贝塞尔函数求得模型解析解,与现有模型和数值结果对比,验证了模型可靠性。研究了缝间距、导流能力、缝长和基质渗透率对流体渗流的影响。结果表明,缝间距越大,渗流距离越长,未改造区越大,渗流阻力越大;施工液量恒定时,产量随缝长的增加呈先增加后减小的趋势;基质渗透率越小,裂缝越趋近为无限导流裂缝。相比于改造区渗透率,裂缝之间未改造区渗透率对产量的影响更大。

闭合压力作用下支撑剂过顶替对裂缝缝宽的影响

支撑剂过顶替是水力压裂中普遍存在的现象,为了探究支撑剂过顶替对压裂后裂缝整体缝宽和裂缝入口闭合情况的影响,利用Navier-Stokes方程和达西定律建立了裂缝-基质耦合流动模型,对压裂后油井生产阶段裂缝内流体压力进行量化分析。以此为基础,借助线弹性力学模型模拟了在闭合压力和缝内流体压力作用下裂缝过顶替段、填砂段以及缝内无支撑剂填充段壁面整体变形情况,并确定了井底流压降落与裂缝入口闭合的关系。结果表明:与过顶替段相比,缝内流体在填砂段压降更加显著,随着裂缝闭合,缝内流动阻力增大,流体压降逐渐增加;在闭合压力作用下没有支撑剂填充的过顶替段和裂缝内部缝宽明显减小,但是裂缝靠近中间位置存在变形平衡点,该位置缝宽基本不变;裂缝内支撑剂过顶替段壁面变形程度随着该段长度的增加而增加,井底压力稍有下降裂缝即闭合,因此维持较高的井底流压是防止裂缝入口闭合的有效手段。该研究成果对指导水力压裂过顶替设计及压裂后产能分析具有重要的指导意义。

二级裂缝倾角对复杂缝网中支撑剂输送的影响

支撑剂在复杂缝网中的分布情况直接决定了非常规油气的开发效果。为了探究体积压裂后复杂缝网中二级裂缝倾角对其支撑剂输送特征的影响,建立了可以改变二级裂缝位置和倾角的缝网模型。在分析携砂液在缝网内流动的基础上,建立了支撑剂在复杂缝网中的输送模型,并以曳力、弹性碰撞模型和Knudsen余弦散射定律分别表征支撑剂与携砂液、支撑剂颗粒间以及支撑剂与粗糙裂缝壁面的相互作用。数值模拟结果表明:改变二级裂缝倾角和位置,会严重影响缝网中主裂缝和二级裂缝内支撑剂的铺置情况;当二级裂缝水平时,其中的支撑剂分布范围最小,而增大二级裂缝到主裂缝入口的距离可以有效改善支撑剂在主裂缝中的分布;在二级裂缝垂直的缝网中支撑剂填充比例最大,当二级裂缝倾角为90°~120°时,支撑剂填充效果最差。研究成果为体积压裂中携砂液及缝网优化设计提供了理论指导。

大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验

为研究大倾角煤层水力压裂裂缝扩展形态,采用大尺寸真三轴压裂模拟系统,分别开展最大水平主应力沿地层走向和沿地层倾向的60°倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验。结果表明:最大主应力方向沿地层走向时,裂缝起裂容易,缝高受限,裂缝连通性好,裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝,形成垂直缝形态,地层倾角对压裂施工影响相对较小,建议进行大规模压裂以充分改造煤储层;最大主应力方向沿地层倾向时,裂缝起裂困难,前期缝高受限,后期缝高失控,裂缝连通性差,受节理影响,不易形成主缝,所以裂缝扩展困难,转向及多级破裂较多,此类煤层建议进行多级小规模压裂改造。实验结果对新疆等地区大倾角煤层的改造模式和改造规模具有指导作用。

支撑剂变形及嵌入程度对裂缝导流能力的影响

为了从理论分析的角度研究支撑剂变形及其嵌入程度对裂缝导流能力的影响,在考虑支撑剂之间及其与壁面接触变形的基础上,结合Carman-Kozeny公式,建立了闭合压力作用下支撑剂堆叠层数、支撑剂粒径以及岩石力学参数对支撑剂嵌入程度、裂缝渗透率及导流能力影响的数学模型,并通过实验数据验证其准确性。模拟结果表明:支撑剂堆叠层数和岩石力学参数是影响孔隙变化的主控因素,且堆叠层数越多,弹性模量越小,裂缝孔隙度越小,支撑剂变形导致的孔隙度减小是其总减小量的22%;相较于提高裂缝渗透率,增加裂缝宽度是提高裂缝导流能力的主要途径。

基于格子—玻尔兹曼方法的裂缝导流能力流固耦合

为了定量研究不同类型支撑剂填充裂缝的导流能力及其影响因素,借助离散元方法构建了不同粒径范围内支撑剂在不同缝宽裂缝中的堆积模型,利用耦合的固体力学和格子—玻尔兹曼方法,分析了在闭合压力作用下支撑剂在水力裂缝中的嵌入程度及缝宽变化,并以此为基础研究了支撑剂粒径和裂缝缝宽对水力裂缝渗透率和导流能力的影响。通过与实验数据进行对比验证了模型的准确性。模拟结果表明,随着初始缝宽的减小和支撑剂粒径的增大裂缝缝宽的减小程度不断增大,最大减小了31.95%,且初始缝宽对其影响较支撑剂粒径更为显著;水力裂缝的渗透率随着缝宽的减小和支撑剂粒径的增大而增大,但是随之应力敏感性更强,闭合压力作用下裂缝渗透率最大减小了93.37%;具有较高渗透率的窄裂缝,其导流能力相对于宽裂缝反而更小,说明相对于裂缝渗透率,裂缝宽度是影响裂缝导流能力的主要因素。

支撑剂在非贯穿型裂缝网络中的输送特征模拟

为了探究主次裂缝不完全相交条件下支撑剂在裂缝网络中的分布特征,文中设计了“上浮式”和“下沉式”2种类型的缝网结构。在考虑支撑剂、携砂液及支撑剂颗粒间相互作用的基础上,建立了支撑剂在复杂裂缝网络中的运移模型,并分析了主次裂缝相交长度及次级裂缝位置对支撑剂在缝网中分布的影响。数值模拟结果表明:对于“上浮式”裂缝网络,由于主裂缝中携砂液自下而上向二级裂缝分流,有效地减缓了主裂缝中支撑剂的沉降速度,改善了其中支撑剂的分布状态;在“下沉式”裂缝网络中,主裂缝内携砂液向下分流不利于支撑剂在主裂缝中的铺置,且二级裂缝中支撑剂多集中分布在主裂缝正下方的区域。在“上浮式”和“下沉式”裂缝网络中支撑剂的整体填充比例均随着二级裂缝到主裂缝入口距离以及上浮或下沉距离的增加而增加。

二连盆地不同沉积环境储层高效改造技术

二连盆地为多相湖盆沉积,沉积相带窄,储层沉积环境变化快、非均质性强,现有储层改造都是针对单井设计,缺乏针对不同沉积环境的储层改造技术。为此,以二连盆地具有代表性的巴音都兰凹陷为例,通过分析沉积相带、微相储层特点和储层改造难点,提出了不同沉积环境储层高效改造技术。该技术包括:为有效动用扇三角洲前缘水道相厚层,提出的厚层提高压开程度改造模式;为在浊积扇中扇辫状沟道储层控缝高、防嵌入,提出的低渗薄层控缝高压裂模式和变粒径支撑剂及中等砂比加砂施工方式;为解决近岸水下扇扇中水道相储层伤害问题,提出的白云质特低渗体积酸压与加砂压裂复合模式。不同沉积环境储层高效改造技术在巴音都兰凹陷应用25井次,压裂后平均增液2.1倍,取得了很好的现场效果。研究认为,该技术不仅可在二连盆地推广应用,也对同类中小断块沉积环境的油气藏改造具有借鉴价值。

压裂支撑剂在迂曲微裂缝中输送与分布规律

支撑剂在水力裂缝中的分布是影响压裂井产能的重要因素。通过对任意长度、孔隙度、迂曲度和方位角微裂缝的二维重构,利用COMSOL Multiphysics中的自由与多孔介质流动耦合模型,对压裂液在微裂缝中流动及向基质中滤失的情况进行模拟,在考虑支撑剂与压裂液相互作用的基础上,分析了支撑剂颗粒在输送过程中的受力情况,研究了不同砂比和支撑剂密度的情况下,支撑剂在迂曲微裂缝中的分布。研究结果表明,与规则裂缝相比,由于迂曲微裂缝壁面不规则,支撑剂不会均匀推进;在高砂比情况下,支撑剂大部分堆积在迂曲裂缝端部,无法有效支撑深部裂缝;降低砂比可以有效改善单条裂缝的支撑剂分布;不同砂比和支撑剂密度的组合可以改善相交裂缝的支撑剂分布,但是对于单条裂缝的作用不明显。

页岩油藏“密切割”体积改造产能影响因素分析

"密切割"水平井体积改造是开发页岩油藏的有效手段,裂缝间距和井距是"密切割"水平井体积改造设计的关键环节。基于Comsol建立了离散裂缝网络数值模型,对"密切割"体积改造油藏进行仿真模拟,研究了裂缝间距、井距、裂缝复杂程度对增产效果的影响。结果表明,针对目标油藏,裂缝间距由30 m缩短至10m,单井累计产量可提高到原来的1.63倍;布置加密井,将井距从400 m缩短至200 m,目标储层年产量可提高51.17%;生产初期,复杂缝单井比简单缝单井90 d累计产量高39.80%。鉴于人工裂缝呈现非均匀充填的特征,采用等效加密方法表征的裂缝无法反映这一特点,研究了远端无支撑裂缝对改造效果的影响,发现远端无支撑裂缝对单井年产量的影响可达4.38%。"密切割"水力压裂矿场试验显示,采用细分切割的方法缩小裂缝间距,能够有效地提高油井产能,单井年产油可提高79.70%。

基于扩展有限元的水力压裂缝间干扰及裂缝形态分析

为了研究水平井分段多簇压裂裂缝扩展过程中缝间干扰及其对裂缝形态的影响,在考虑裂缝流和压裂液滤失的情况下,利用扩展有限元方法,分别对不同裂缝间距、不同位置组合的裂缝在同时和分时压裂过程中,水平主应力、裂缝长度、加砂前裂缝宽度以及裂缝延伸方向的变化进行数值模拟分析。通过对比发现:在裂缝扩展过程中,由压裂液作用而产生的诱导应力使得裂缝两侧椭圆型区域内的水平主应力发生转向,其单侧作用距离约为1.5倍的缝长,而裂缝尖端应力方向不受影响;2条裂缝同时起裂时,2条对称裂缝延伸方向呈"相斥型"偏转,偏转角度随着裂缝间距增大而减小,2条交错裂缝延伸方向呈"相吸型"偏转,加砂前缝宽较单一裂缝扩展时窄;分时起裂的2条裂缝,后起裂裂缝的延伸方向随着裂缝间距增加先呈现"相吸型"后出现"相斥型",且后期裂缝的延伸缝长会受到抑制,当2条裂缝间距较近时,后起裂裂缝会严重影响前起裂裂缝的加砂前缝宽甚至会使其闭合,但其缝长会有所增加,交错裂缝两翼会出现严重的非对称扩展的情况。

我国支撑剂标准指标与国际标准接轨原理分析

行业标准与国际标准接轨不是照抄照搬国际标准,而是根据国际标准对我国相应专业技术条件进行认真比对分析的过程。我国压裂支撑剂行业标准与国际标准接轨经过了17年漫长历程,从1997年至2014年逐步采纳了国际标准的主要技术内容。以压裂支撑剂的主要技术指标为例,通过实验室能力验证活动,依据实验室间比对数据,对照国际标准进行原理分析,说明采纳国际标准的重要性。

基于四参数随机生长模型的页岩储层应力敏感分析

页岩储层的应力敏感性是影响其后期开发效果的关键因素,从微观的角度深入认识其应力敏感机理及其影响因素对页岩气的开发具有重要意义。借助四参数随机生长模型构建了不同孔隙度和不同孔隙大小分布的岩心样本,利用弹性力学理论模拟了不同有效应力作用下各个岩心孔隙半径的分布变化及其对岩心固有渗透率的影响,深入分析了孔隙大小及其形状因子与上述两者之间的关系。结果表明,导致页岩应力敏感的直接原因是有效应力作用下孔隙面积的减小及孔隙位置的迁移。有效应力的增大使得各孔隙半径均有减小,孔隙半径的减小比例分别与孔隙初始面积和孔隙的形状因子呈正相关关系和负相关关系。在相同的孔隙度条件下,孔隙半径越均匀,平均孔隙半径越小,应力敏感性越强。有效应力的增加使得岩心固有渗透率呈指数型下降且孔隙度越小、固有渗透率越低的岩心,其应力敏感性越强,孔隙度对固有渗透率的影响大于孔隙半径均匀性的影响。