水力压力波动注入压裂增产工艺的力学原理

为了提高水力压裂的改造增产效果, 解决连续油管环空水力压裂作业中高泵压的难题, 提出了一种新的水力压力波动注入压裂增产工艺。基于水力压裂原理, 解释了水力压力波动注入条件下井筒压力系统变化规律; 根据流体力学、弹性力学及波动力学理论, 建立了水力压力波动注入压裂增产工艺的基础力学原理。分析结果表明, 水力压力波动注入条件下, 井筒内流动流体发生了能量转换, 在井底附近产生了不稳定的压力波动, 这种由于不稳定注入排量产生的不稳定的压力波动在储层裂缝内以压力波的形式传播; 水力压力振动波沿缝长方向传播时并不是以恒定压力振幅传播, 而是呈现压力振幅衰减的规律; 水力裂缝的长度和宽度随着压裂泵工作转速的增大而增加。研究结果表明, 水力压力波动注入压裂增产工艺可以提高水力压裂的改造效果和油气井的产量, 建议将该工艺方法应用到现场水力压裂作业中。     

波动注入水力压裂诱发微地震的力学机制及其对压裂效果的影响

水力压裂岩石裂缝的扩展诱发天然微地震。传统水力压裂区微地震引起的应力重新分布范围有限,小震级地震波的作用也有限,这些微地震不可能触发较远储层的地震,一定程度上限制了水力压裂改造效果。为此,提出了波动注入水力压裂诱发较大范围“微地震”的想法。根据流体力学理论建立了波动注入水力压裂井筒不稳定流动的压力振动模型,分析了人为诱发“微地震”的井底压力振动源和岩石损伤断裂机制;研究了波动注入水力压裂人为诱发的“微地震”震源特性和力学机制,分析了微地震对水力压裂效果的影响机制。分析结果表明,波动注入水力压裂人为诱发的微地震震源破裂信号频率随裂缝长度的增加而降低;对于断层和天然裂缝发育较多的储层,波动注入水力压裂导致岩石破裂诱发微地震的力学机制主要是储层中断层或天然裂缝的剪切滑移;对于非裂缝性储层,波动注入水力压裂导致岩石破裂诱发微地震的力学机制是人为地震效应和损伤—断裂效应。研究结果表明,波动注入水力压裂能够人为诱发“微地震”,增加储层的“微裂缝”,扩大自然微地震的波及面积,增强压裂作业的增产效果。     

水力波动注入压裂下连续管的动态力学行为

为了解水力波动注入压裂作业中连续管的动态力学行为,根据流体力学和弹性力学理论,建立了水力波动注入压裂下连续管在井下的动态载荷及其应力强度模型,分析了波动排量、工作转速、井深及注入时间对连续管环空动态压力及动力强度安全性的影响。分析结果表明:与稳定排量注入方式相比,采用波动注入方式可以降低连续管井口环空最高压裂作业压力;水力波动注入压裂工艺虽对井下连续管的动力强度有一定的影响,但是仍可确保压裂作业中全井段连续管处于安全状态;水力波动注入压裂过程中,井下连续管的力学行为呈现出复杂的动态力学特征。分析结果为水力波动注入压裂作业过程中连续管的失效机理研究提供了理论依据。     

不稳定流体注入时裂缝内压力和尖端应力分析

为了解不稳定流体注入时水力裂缝内压力和尖端应力变化规律,采用流体力学理论建立了不稳定流体注入条件下井筒内波动压力的计算模型,根据波动力学理论建立了水力压力振动波在裂缝内的传播方程,运用断裂力学理论分析了水力压力振动波在裂缝内传播时裂缝尖端的应力变化。分析结果表明:不稳定流体注入条件下,裂缝内的波动压力随时间呈明显的衰减现象;相同裂缝长度下,随波长的增加,裂缝内的波动压力衰减幅度加剧,压力能量损失加快;随着裂缝长度的增加,裂缝尖端的应力强度因子、峰值应力和总势能均相应地增加;采用不稳定流体的注入方式可以提高水力压裂的改造效果;水力压力振动波沿缝长方向传播时呈现出压力振幅衰减的规律;考虑水力压力振动波效应,裂缝一旦开启和扩展后,裂缝只需在较小的净压力作用下延伸更长的距离。研究结果可为变排量压裂工艺的提出和科学设计提供理论依据。     

井筒协调条件下多裂缝的相继开启模型

长期以来,人们认识到水力压裂过程中存在多裂缝现象,然而对于多条裂缝形成的机理认识不清。通过建立考虑裂缝延伸、井筒内流体压缩性的井口压力升高模型,模拟计算了井口压力升高的过程;同时考虑多条裂缝之间开启压力的差别,建立了多条裂缝相继开启的条件。分析表明,井口压力升高的机理是：由于井底流体不能很快扩散出去,因而在井筒内造成憋压;与此同时,流体在裂缝内流动的延伸阻力与射孔摩擦阻力一起与井底压力平衡。多个裂缝开启的条件是,井底压力的升高程度达到了次级裂缝的开启压力,其内在机理是井口液体的注入能力大于已经开启裂缝接纳液体的能力,多裂缝起裂指数Cm大于1。     

深井水力喷射压裂可行性分析及设计计算

常规深井压裂面临井底破裂压力大、地面施工泵压高、井下封隔器高温失效等问题,需要探索新的增产改造技术。介绍了水力喷射压裂技术及水力喷砂射孔机理、水力喷射压裂机理、水力喷射压裂工具组合。同时分析了其技术特点,分析认为,该技术具有射孔孔眼直径大、射孔深度长、可降低井底破裂压力、无需机械封隔等优点。在进行深井水力喷射压裂可行性分析的基础上,计算了某深井水力喷射压裂工艺技术参数,校核了深井压裂管柱强度,计算了油管排量、环空排量、油管压力和环空压力等水力喷射压裂水力参数及井口压力。分析和计算结果表明,深井水力喷射压裂切实可行。      

同心双管分注CO2井筒流动模型及影响因素

针对CO₂ 笼统注入过程中效率低、效果差等问题,提出了同心双管分注CO₂技术。根据热量传递原理和流体流动理论,建立了考虑CO₂相态变化的同心双管井筒流动与传热的数学模型,利用该模型研究了CO₂沿内外管环空和内油管的温度和压力分布规律,分析了井口注入量、注入温度、注入压力、内外管组合、注入层间距对CO₂在内外管环空和内油管中的流动压力和温度的影响。结果表明,在内外管井口注入参数相同的条件下,外管直径越大,内外管环空温度越高;当外油管直径不变时,内油管直径减小,内外管环空压力增加,内油管直径大小对内外管环空温度影响小;当内外管直径一定时,井口注入量、注入温度、注入层间距对内外管环空和内油管的温度、压力分布影响较大,而井口注入压力影响幅度较小。     

酸性天然气侵入井筒不稳定流动规律研究

考虑地层渗流与井筒流动耦合、井筒温度压力耦合及酸性流体与水基钻井液间的相互作用,建立酸性天然气侵入井筒不稳定流动计算模型.通过数值计算,得到钻遇相同地层条件下,硫化氢和二氧化碳侵入井筒后的环空压力及物性变化规律.结果表明,在钻遇地层及工作参数相同时,二氧化碳、硫化氢和甲烷分别侵入,在相同的溢流时间,酸性流体对井底压力的改变小,相对于普通天然气,更难于检测.二氧化碳和硫化氢侵入的质量流量较普通天然气大,且溢流时间短,井控难度相应加大.井口回压对不同酸性流体环空密度剖面和侵入量的影响很大,在条件允许的情况下,适当提高井口回压,可以有效降低井底侵入量,同时使酸性天然气密度在近井口处密度变化较小或避免突变.     

欠平衡钻井安全钻进控制参数评价

欠平衡钻进过程中,气体侵入井筒后,环空出现多相流动状态。由于气体具有可压缩性,环空压力场随着气体的侵入及侵入量的改变而呈现复杂的变化．整个井筒压力剖面将出现波动。、为使地层气体可控制地侵入井筒．需要及时调节控制回压和钻井液排量,保证井底压力在安全密度窗口内,维持合理的井底欠平衡状态,以实现安全钻进。、文中根据欠平衡钻进井筒压力平衡关系,建立了井底压力控制模型。通过分析影响井底压力的参数．建立了影响井底压力控制的安全钻进控制参数模型．并以控制回压为例给出了具体的求解流程。以新疆某井为例．说明控制参数对井底压力和环空压力场的影响、研究结果表明：地层出气后,能够通过增加控制回压,采用正常循环排出的方式,将侵入气体排出井筒,实现安全钻进;增加钻井液排量,气液混合速度增大,环空摩阻增大．导致井底压力增加。     

碳酸盐岩油气藏气侵早期识别技术

针对海相碳酸盐岩油气藏钻井过程中钻遇裂缝孔洞发育储层时,井筒流体与地层流体置换效应形成的复杂流动造成的气侵识别困难,从钻井过程中气体侵入方式研究入手,探讨了各种气侵方式的侵入机理、发生工况及其相互联系,提出了直接侵入方式下含硫天然气侵从定性研究到定量化研究的思路和方法,研究了气体沿井筒的运移、膨胀规律,即气体在上升过程中越接近井口气体膨胀越剧烈。在此基础上,通过对气侵发生时的井筒环空气液两相流动井底压力变化特征进行模拟,揭示了气侵初期在深井小井眼段井底压力会出现小幅上升后下降的变化规律,提出了以井下实时环空压力随钻测量仪器监测井底压力变化对比正常趋势线来识别和预警气侵的方法。利用该方法,可以在气侵第一时间实现预警,为碳酸盐岩复杂油气井安全钻井提供了有效保障。     

煤层气降滤失工艺技术研究

目前煤层气开发主要是通过水力压裂[1]制造一条高渗通道,然后排水降压,当地层压力降低到煤层气解析压力以下的时候,气体从煤岩中解析出来通过裂缝流入井筒而被开采出来[2]。煤层气能否高效的采出来,关键是看裂缝造得好不好,可见水力压裂对于煤层气开采起着非常重要的作用。其中较关键的技术就是降滤失[3],只要解决好这个问题,就能造出满意的裂缝。本文主要针对煤层气压裂过程中压裂液滤失问题提出了一些工艺技术方面的改进,经过HC区块煤层气压裂现场试验研究表明此方法对于微裂缝较发育的煤层来说具有非常好的实用效果。     

玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩裂缝扩展形态

玛南斜坡上乌尔禾组致密砾岩储集层岩相复杂,非均质性强,水力压裂裂缝扩展形态复杂,压裂设计优化缺乏理论依据。以玛南斜坡上乌尔禾组颗粒支撑砾岩为研究对象,通过纳米压痕实验,分别测定了砾石和基质的岩石力学性质。在此基础上,开展水力压裂实验,明确了不同压裂液下的裂缝扩展形态和压力曲线特征。研究结果表明：纳米尺度下,砾石受载后为弹塑性变形,基质为塑性变形,砾石的弹性模量、硬度、断裂韧性和储存的弹性能比例均高于基质;在砾石和基质较大的力学性质差异下,颗粒支撑砾岩裂缝扩展受砾石主导,绕砾延伸是主要的裂缝扩展形式;滑溜水压裂在井筒处趋于多点起裂,形成辐射状多裂缝扩展形态;胍胶压裂趋于形成迂曲双翼垂直缝,但裂缝遇砾石易分支,形成水平缝和垂直缝相互沟通的迂曲裂缝;井底压力曲线未见明显破裂压力,但胍胶压裂的延伸压力较滑溜水高且波动更加剧烈。     

双重介质有限导流垂直裂缝井压力动态分析

低渗透双重介质地层压裂后可形成有限导流垂直裂缝。结合沃伦-鲁特模型,利用质量守恒和椭圆流法建立了双重介质油藏椭圆流新模型,求得在拉普拉斯空间的井底压力表达式,并对井底压力动态的主要影响因素进行了分析。研究表明,其压力动态最显著的影响因素是井筒储集系数、裂缝表皮系数和无因次导流能力,井筒储集系数还极大地影响基岩向裂缝窜流出现的时间,并对碳酸盐岩油藏一口垂直裂缝井进行了实例解释。     

水力压裂基础研究进展及发展建议

中国低渗透、页岩、致密等难开采油气资源比较丰富,高效开发这类油气资源已成为保障国内油气供给的重要举措之一。水力压裂在难开采油气储层改造中得到了广泛应用,取得了显著的增储增产效果。为了更好地研究和发展水力压裂技术,介绍了国内外近年来水力压裂新工艺和水力裂缝起裂与扩展理论研究、数值模拟、物理模拟等基础研究成果,指出目前研究中存在的不足,分析认为工程与地质的匹配性、稳定与非稳态注入方式的选择性、水力压裂物理模拟与现场原型的相似性,是有效实施水力压裂新工艺的关键所在,并对未来循环注入和波动注入水力压裂研究方向提出了重点研究内容建议,包括非稳态注入流体形成机制研究、井筒压力波动行为研究、储层岩石起裂与扩展机理研究、压裂物理模拟试验与先导性试验、井下管柱动力学及控制技术研究等,以期尽快形成适合中国低渗透、页岩、致密等储层岩性的非稳态水力压裂工艺基础理论及配套技术,并制定非稳态水力压裂设计准则与施工规范。     

二氧化碳无水蓄能压裂参数优化

二氧化碳无水蓄能压裂技术在形成地层高导流裂缝的同时,通过与原油相互作用表现出了一系列有别于常规压裂的增产特性,包括降黏、体积膨胀和混相等。因此其优化设计过程也不同于常规压裂优化设计。首先利用地层原油取样进行室内二氧化碳与原油相互作用实验,获取最小混相压力;利用液态二氧化碳压裂时裂缝长度与储层物性参数关系模板,确定裂缝参数;以最小混相压力为条件,以裂缝参数和井底注入压力为基础,利用三维油藏数值模拟方法预测二氧化碳波及范围、混相带范围,最后确定最优的二氧化碳用液量。利用FracProPT拟三维压裂裂缝模拟软件,结合沿程摩阻损失,以保证井口和井下管柱结构安全稳定为设计前提,从水马力效率和经济效益角度优化施工排量;建立压后地层温度压力计算模型,模拟关井后混相带面积,确定最优关井时间为混相带面积最大时即压后井底压力大于最小混相压力的时间。吉林油田二氧化碳无水蓄能压裂技术已成功应用于致密油井,二氧化碳无水蓄能压裂后产油量均较压前有显著提高,6口井压后平均日产油是同区块常规重复压裂的2.7倍。研究结果表明,该二氧化碳无水蓄能压裂参数优化设计方法是合理可行的。      

水力压裂水平裂缝井产能预测新方法

针对水力压裂后形成有限导流能力水平裂缝的油层．应用有2个圆形渗流区域的双区模型来描述;根据平面径向不稳定渗流方程和双区界面连续条件,建立流体以恒定流量流入井筒条件下的压力降落数学模型．并应用Laplace变换和Stehfcst数值反演技术求解不同生产时间下的无因次井底压力．根据无四次井底压力。计算当井底流压为饱和压力时的产量和采油指数．应用IPR曲线相关式,确定油井不稳定生产流入动态和某个井底流动压力下的产量递减预测。给出了一口井的计算实例．预测产量与油井的实际产量基本一致．且后期误差较小,说明所提出的方法是可行的。     

提高深层页岩裂缝扩展复杂程度的工艺参数优化

埋深大于3 500 m的深层页岩储层具有高水平主应力差、发育层理裂缝、低脆性指数等特点,在压裂改造时难以形成复杂裂缝。为了充分认识其水力裂缝扩展规律,采用三维离散格子方法对四川盆地下志留统龙马溪组深层层理性页岩12 MPa水平主应力差下的真三轴压裂物理模拟实验结果开展了离散元数值模拟分析,其结果与发育单一层理的页岩露头室内压裂物理模拟的裂缝扩展规律相吻合;进而对发育多层理的深层页岩储层开展排量、压裂液黏度、层理强度和压裂液交替注入等影响下的裂缝扩展规律数值模拟。研究结果表明:①高排量注入和提高压裂液黏度能够增强深层页岩储层裂缝深穿透改造能力,当排量达到90 mL/min或压裂液黏度达到60 mPa·s时,水力裂缝可连续穿过4条层理并贯穿整个试样;②在高水平主应力差下,低黏度压裂液倾向于激活水平层理,而高黏度压裂液则倾向于直接穿过层理形成垂直主缝。结论认为:①采用前置高黏度/后置低黏度压裂液交替注入压裂工艺可以最大限度地提高深层页岩储层压裂裂缝复杂程度;②当井筒附近存在薄弱层理时,应及时调整压裂工艺和压裂参数,比如尽可能地增加施工排量、采用瓜胶压裂液等,以使水力裂缝突破近井薄弱层理抑制进而实现深穿透改造。     

裂缝转向对低渗地层水平井压裂的影响

水力裂缝转向作为压裂过程中的一种重要现象,可造成近井筒裂缝的弯曲,对于裂缝中支撑剂的传输和流体的流动规律具有很大影响,可最终影响水力压裂的成败和人工裂缝的导流能力。统计了长庆油田水平井压裂施工的部分资料,分析了长庆油田水平井压裂的特点。结合二维裂缝的平面应变模型,建立了裂缝转向的曲率半径与地层物性参数和压裂施工参数的关系,并针对性地分析了不同参数对于裂缝曲率半径的影响。结果表明,水平应力差对裂缝的转向距离有决定性的影响,压裂施工排量对水力裂缝高度的增长贡献显著,控制排量、延长注液时间能有效增加裂缝长度。结论对于压裂参数优化设计和水力压裂施工具有参考意义。     

深水控制泥浆帽钻井水力参数设计与计算

深水控制泥浆帽钻井技术可以应对严重漏失地层和高压、高含硫地层的钻井问题,但钻井水力参数的设计与计算较为困难。为此,结合深水钻井工艺流程,建立了深水控制泥浆帽钻井井底压力计算模型,给出了深水钻井不同工况下的钻井液密度确定准则和钻井液当量循环密度计算方法,并基于井筒内循环压耗分析得到了水面泵和水下泵的泵压计算方法;针对严重漏失地层和高压、高含硫地层的井筒压力分布特点,给出了该工况下的泥浆帽高度计算方法;结合井眼清洁准则和漏失量与漏失压差的关系,给出了牺牲流体排量计算方法,并以此为基础提出了深水控制泥浆帽钻井水力参数设计流程。以一口深水井为例,对控制泥浆帽钻井水力参数进行了算例分析,结果表明:泥浆帽高度主要由井底压力的大小决定,钻井液密度与排量的大小可对其产生一定影响,所以通过调节泥浆帽高度可以控制井筒压力。