1、中国石油大学（北京）现代远程教育毕 业 设 计（论文）低渗透油田压裂液返排规律研究姓 名：学 号：性 别：专 业: 石油工程批 次：学习中心：指导教师： 年 月2中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）摘 要水力压裂是低渗透油气藏开发评价和增产增注必不可少的技术措施，而油气井压后的压裂液返排又是水力压裂作业的重要环节。目前，对压裂液返排的控制，大多采用经验方法，没有可靠的理论依据。本文对压裂液的返排过程和压后井底压力的确定进行了较为系统的研究，旨在为压裂液返排控制提供理论依据。本文在以压裂液的滤失量计算的基础上，运用流体力学和数值模拟的相关理论以及物质平衡原理，针对返排期间裂缝闭合的过
2、程，考虑了启动压力梯度的影响，建立了压裂液返排的数学模型，给出了压裂液返排数学模型的数值解法。研究表明，为了减少压裂液对储层的伤害，低渗透储层中的压裂井应采用停泵后立即返排的方式，使裂缝强制闭合。实测井口压降曲线与计算值的比较结果表明，建立的模型能够比较准确地预测裂缝闭合过程和压裂液返排过程。最后，对返排的过程进行了室内模拟实验研究，通过岩心实验，发现了返排过程中的一些特定规律。然后以滤失机理研究为基础，通过了建立裂缝壁面上的渗流模型，编制了返排参数预测程序，可通过对压裂返排效果的预测来指导压裂液返排作业。关键词：水力压裂；裂缝闭合；压裂液返排；数学模型；井底压力III目 录第1章 绪论11.
3、1 压裂液返排规律研究的目的和意义11.2 目前关于压裂液返排规律研究存在的不足2第2章 低渗透油田特点及压裂液返排规律研究现状32.1 国内外低渗透油田储量分布及特点32.1.1 国外低渗透油田储量分布32.1.2 国外低渗透油田的主要特点32.1.3 国内低渗透油田储量分布42.1.4 国内低渗透油田的主要特点：42.2 压裂液返排规律研究现状52.2.1 国外压裂液返排的推荐做法52.2.2 国内压裂液返排的研究现状72.3 裂缝形态的数学模型8第3章 裂缝闭合期间压裂液返排模型93.1 裂缝闭合过程中模型的假设条件93.2 压裂液返排的二维数学模型93.2.1 压裂液从地层返排的数学模
4、型93.2.2 初始条件及边界条件133.3 模型的数值解法143.3.1 返排模型的离散143.3.2 求解方法173.4 裂缝闭合时间及压裂液返排量的确定183.4.1 裂缝闭合时间确定183.4.2 压裂液返排量的计算183.4.3 停泵后裂缝体积变化量的计算193.5 实例计算与分析203.6 室内实验模拟研究223.6.1 实验方法223.6.2 实验数据及处理23第4章 压裂液返排的实验研究264.1 实验仪器材料264.2 实验步骤264.3 实验数据处理与结果分析264.3.1 采用瓜胶压裂液进行压裂实验264.3.2 采用田菁胶压裂液进行实验的结果29图4-6 累计流量与渗透
5、率恢复值304.4 结论与建议：30第5章 压裂过程中的滤失与返排效果预测315.1 压裂液滤失理论315.1.1 受压裂液黏度控制的滤失系数C1325.1.2 受地层流体压缩性控制的滤失系数C2325.1.3 压裂液造壁性控制的滤失系数C3345.1.4 综合滤失系数C345.2 一维总滤失体积计算355.3 压裂液返排数学模型365.3.1 饱和度呈线性分布365.4 实例计算375.5 影响压裂液造壁性滤失系数实验38结 论39参考文献40第1章 绪论1.1 压裂液返排规律研究的目的和意义 压裂工艺是油、气藏增产和提高采收率的最有效的措施之一1-2。随着水力压裂技术在低渗透油气田勘探、开
6、发及其它工业生产领域中的广泛使用，其在理论方法、工艺、设备及工具方面都得到了迅速的发展。水力压裂具有多学科性，它是与岩石力学（控制着裂缝几何形态）、流体力学（控制着液体流动与支撑剂的铺置和回流）以及化学（控制着施工的材料性能，如压裂液）密切地联系着的。由于这种多学科交叉的复杂性，人们对水力压裂工艺整个过程的研究还有许多不完善的地方，有些水力压裂的指导方法或控制程序到目前为止还只是建立在现场工程师的经验之上。所以，结合这些学科的知识对指导水力压裂工艺的理论基础进行深入的探讨，具有很大的现实意义，即可引导工程技术人员设计出更合理的水力压裂工艺控制程序。压裂是重要的油气井增产措施，而压裂液的返排是压
7、裂施工中的一个主要的步骤。压裂液能否顺利、及时地排出对施工效果影响非常明显，特别是对于低渗低压地层，由于返排困难，残液可能造成地层再次伤害，影响增产效果。研究表明：施工结束后，为了防止残液长期滞留地层造成二次伤害，一般说来应将残液尽可能地快速排出。在实际施工过程中常常由于对地层客观认识不足，对工作液、添加剂选择不当，或施工工艺不合理，使返排率低，造成对储层的伤害。可见，返排在压裂、酸化工艺中占有非常重要的位置，如果不能及时排完、排净会给地层带来再次伤害，返排效果的好坏直接影响措施效果。由于这一过程是在裂缝闭合期间进行的，因而，适当的返排程序通常是保持裂缝良好导流能力的关键所在，压后油气田的生产
8、能力在很大程度上取决于裂缝导流能力。在压裂液返排过程中，工程技术人员往往希望通过对返排流量的控制使支撑剂在产层区获得较好的铺置，继而使裂缝具有较高的导流能力。但是，由于对压后关井期间或返排过程中裂缝闭合情况、支撑剂运移情况、压裂液滤失及流体性质的变化情况不能很好地把握，所以对返排流量的控制经常显得无据可依。到目前为止，工程现场反馈了很多问题，其中的一些问题导致了严重的后果。对于油气层压力低的井，返排困难的问题十分突出；而当油气层压力较高时，油气井产量大时，对于油井，过大的放喷速度会使支撑剂回流；对于气井，过大的放喷速度会产生气窜，使气体将残液分割在地层中不能排出，因此仍然存在排液速度控制的问题
9、。这些问题主要有两大方面3-4：一是没有选择合理的时机对支撑剂的运移进行控制，导致大量的支撑剂回流到井筒（吐砂），或在近井筒带破碎，从而使产层区的支撑剂很少或分布不合理。这在很大程度上降低了裂缝的导流能力，严重的会导致压裂施工的失败；二是返排流量控制不好，使回流的支撑剂冲出井口，刺坏放喷油嘴以及破坏其他设备。而且，往往发现这些问题时，施工基本完成，想进行挽救为时已晚。在低渗透储层中，一般都要进行大型水力压裂作业，压后返排出现的这些问题就更加突出了。存在这些问题的一个很重要的原因就是由于压裂液返排控制中经验成分过多，缺少可靠的理论依据。从合理控制返排的目标出发，必须对压裂液返排过程的机理进行深入
10、分析，了解裂缝的闭合过程，认识压裂液返排的规律。1.2 目前关于压裂液返排规律研究存在的不足综上所述，虽然在低渗油气藏压裂液返排规律研究上已取得了很大的进步，但还存在以下几方面不足5-10：（1）以往在压裂液返排工艺研究上，缺乏量化的操作流程，返排时的井口压力完全依赖经验。压裂液在储层中的返排过程类似于油(气)驱水过程，井口压力大小直接关系到油(气)驱水流动过程中的压力梯度，会最终影响排驱效率。因此有必要建立井口不同返排压力与返排效果的关系，根据油藏实际情况选择合适的返排井口压力。（2）以往建立的压裂液返排模型虽然在理论上对压裂施工具有一定的指导意义，但这些模型一般适合于中、高渗透油气藏的开发
11、，没有考虑到低渗透油气藏的实际情况，忽略了低渗透油气藏中启动压力梯度对返排效果的影响，因此有必要建立适合于低渗透油气藏压裂液返排的数学模型和物理模型，分析影响因素，指导压裂作业。（3）影响返排效果的因素是多方面的，对于不同油气藏，其储层物性和流体性质也不同，各影响因素(返排压差、渗透率、流体的黏度、界面张力、润湿性和孔隙度等)对返排效果影响程度也不尽相同，因此有必要了解不同油气藏的主要因素，从而为现场压裂作业提供合适可行的方案。油气藏压裂后压裂液返排过程中虽然是油、水相流动，但在压裂过程中，其有效孔隙度和渗透率发生了变化，因此特别有必要建立残液返排的渗流模型，这样更有利于对返排率的预测和压裂后
12、生产井的效果预测。目前国内现场放喷排液基本上还处于靠经验操作的阶段，没有一套科学的排液理论来加以指导和量化，导致排液措施随意性大，往往对施工效果造成非常不利的影响，但是这种影响又经常被忽视。因此，目前急需从机理上研究残液的返排过程，在机理研究的基础上提出具有针对性的、可量化操作的排液措施及排液参数，对于提高压裂施工成功率、提高施工效果和油气井产量是非常必要的。第2章 低渗透油田特点及压裂液返排规律研究现状2.1 国内外低渗透油田储量分布及特点2.1.1 国外低渗透油田储量分布世界上低渗透油田资源十分丰富，分布范围广泛，各产油国基本上都有该类型的油田11-13。美国中部、南部、北部和东部，前苏联
13、的前喀尔巴阡山、克拉斯诺达尔、乌拉尔伏尔加、西西伯利亚油区和加拿大西部的阿尔伯达省都有广泛的分布。近些年来，小而复杂的低渗透油田比例越来越大。例如，俄罗斯近年来在西西伯利亚地区新发现的低渗透、薄差层储量已占探明储量的50%以上。有的地区，低渗透油田连片分布，成为低渗油区。1999年俄罗斯各油气区中难以开采的石油储量占剩余可采储量的40%以上。低渗透储层的储量达数百亿吨，其中，渗透率低于5010-3的低渗透层储量约有150108t，占低渗透储量的90%以上，占俄罗斯可采储量的30%以上。其中60%在西西伯利亚。这些低渗透层大部分已投入开发。目前，全俄罗斯从低渗透储集层中采出的石油占全部采出量的2
14、0%左右。低渗透储集层中石油黏度在10mPas以下，其有效厚度多数在210m，埋藏深度大多为12001400m，采出程度不高。1998年美国低渗透油气田可采储量占全国总储量的10%15%。据北美172个低渗透油藏统计，渗透率一般在几个毫达西到几十个毫达西。其中，2010010-3的油田占这些低渗透油藏总数的60%，20110-3的占30%，少数低于110-3，约占5%。2.1.2 国外低渗透油田的主要特点从国外报道的情况看，对低渗透油田大体上可以归纳出以下几个特点：（1）储层物性差，渗透率低。由于颗粒细、分选差、胶结物含量高，经压实和后生成岩作用使储层变得十分致密，渗透率一般小于0.1 ，少数
15、低于0.001 (统计北美172个低渗透砂岩油藏的数据)。（2）储层孔隙度一般偏低，变化幅度大。大部分为7%20%，个别高达28%。（3）原始含水饱和度较高，原油物性较好。一般含水饱和度30%40%，个别高达60%（美国东堪顿油田），原油比重多数小于0.85，地层油黏度多数小于3mPas。（4）油层砂泥交互，非均质性严重。由于沉积坏境不稳定，砂层的厚薄变化大，层间渗透率变化大，有的砂岩泥质含量高，地层水电阻率低，给油水层的划分带来很大困难。（5）天然裂缝相对发育。由于岩性坚硬致密，多存在不同程度的天然裂缝系统，一般受区域性地应力的控制，具有一定的方向性，对油田开发的效果影响较大，裂缝是油气渗透的通道，也是注水窜流的条件，且人工裂缝又多与天然裂缝的方向一致，因此，天然裂缝是低渗透砂岩油田开发必须认真对待的问题。（6）油层受岩性控制，水动力联系差，边底水驱动不明显，自然能量补给差，多数靠弹性和溶解气驱采油，油层产能递减快，一次采收率低，只能达到8%12%，采用注水保持能量后，二次采收率可提高到25%30%。（7
