压裂水平井产能影响因素的实验研究

(3) 定义了压裂水平井增产系数的概念 ,准确 表征了油藏条件下压裂水平井相对于直井的增产幅 度 ,既体现了压裂水平井的产能特性 ,又避免了实验 中电导率值不确定所引起的误差 。
符号说明
A —电流传导的截面积 , m2; I—电流 , A; J —电流密度 , A /m2; K—渗透率 ,μm2; p—压力 , Pa; q—流体流量 , m3 / s; U —电压 , V; v—渗流速度 , m / s; ρ—电导率 , 1 / (Ω ·m ) ; μ—粘度 , Pa·s。
第 4期 高海红等 : 压裂水平井产能影响因素的实验研究
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0. 300、0. 200和 0. 150的曲线形状与 0. 750的曲线 形状一致 ,均为直线关系 。因此 ,水平井压裂时 ,要 尽可能增大裂缝与水平井筒的夹角 。
图 2 压裂水平井增产系数与 α的关系曲线 (无因次长度 0. 75)
参考文献 :
[ 1 ] Soliman M Y. Fracturing aspects of horizontal wells[ J ].
JPT, August 1990: 960 - 973. [ 2 ] 孙福街 ,韩树刚 ,程林松 ,等. 低渗气藏压裂水平井渗
流与井 筒 管 流 耦 合 模 型 [ J ]. 西 南 石 油 学 院 学 报 , 2005, 27 (1) : 32 - 36. [ 3 ] 刘想平. 水平井筒内与渗流耦合的流动压降计算模型 [ J ]. 西南石油学院学报 , 2000, 22 (2) : 36 - 39. [ 4 ] 李晓平 ,赵必荣. 水平井压力动态分析 [ J ]. 西南石油 学院学报 , 1994, 16 (2) : 35 - 40. [ 5 ] 贾振歧 ,李虎君 ,宋新辉. 水平井压力分布电模拟研究 [ J ]. 大庆石油学院学报 , 1994, 18 (4) : 27 - 30. [ 6 ] B rown J E, Econom ides M J. An analysis of hydraulically
表 1 渗流场和电流场的模拟对应关ຫໍສະໝຸດ Baidu表
渗流场
电流场
拉普拉斯方程 达西定律 渗流速度
2p = 0
v
=-
K μ
p
v
拉普拉斯方程 欧姆定律 电流密度
2U = 0 i =-ρ U
J
流体流量
q
电流
I
流度
K μ
电导率
ρ
给定几何相似系数 Cl、压力相似系数 Cp 、流量 相似系数 Cq 和电导率相似系数 Cρ ,当它们满足条 件 Cq = Cp CρCl ,测量电模拟实验中的电压和电流密 度就可以得到油藏条件的压力分布和渗流速度大
2 压裂水平井的压力分布
利用电模拟实验装置测量了裂缝与水平井筒
成 30°和 60°的压裂水平井模型周围的电压 ,绘制了 等压线分布图 ,如图 1所示 。等压线的比较主要是 形状和变化趋势的比较 。均质油藏 、稳态流动条件 下 ,裂缝形状是影响等压线形状和变化趋势的主要 因素 。由于裂缝的不对称分布 ,其等压线与水平井 筒并不对称 ; 在水平井筒与裂缝的夹角处 ,等压线 随裂缝角度而发生扭转 ,严格随裂缝角度而变 ,到 缝端因径向流效应等压线发生弯曲 ;沿水平井筒分 布的等压线变化平缓 ,到井筒两端又因径向流等压 线发生弯曲 ,在裂缝和井筒两端等压线分布相对密 集 ;远离水平井筒处 ,等压线又逐渐接近供液边界 的形状 。对比 30°和 60°压裂水平井的等压线 ,随夹 角增加 ,相同压力等压线控制的泄油面积增加 。因 此 ,在其他参数一致的情况下 ,随夹角的增加 ,电模 拟实验中所测的电流密度是增加的 ,在产能影响因 素研究中将讨论这一点 。
图 1 压裂水平井等压线分布示意图
3 压裂水平井增产系数
4 压裂水平井产能影响因素研究
电模拟实验中液体介质的电导率值不稳定 ,利 用相似系数将实验数据变换到油藏参数计算压裂水 平井产能的误差很大 [ 13 ] 。
因此 ,定义压裂水平井增产系数为单位电压差 下压裂水平井模型与同等条件下直井模型的电流密 度比 。
图 5 压裂水平井增产系数与无因次裂缝间距的关系曲线
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西南石油大学学报 (自然科学版 ) 2008年
5 结 论
(1) 裂缝角度是影响压裂水平井等压线形状和 变化趋势的主要因素 。等压线随裂缝角度而发生扭 转 ,严格随裂缝角度而变 ,相同压力的等压线所控制 的泄油面积增加 ,电模拟实验中压裂水平井增产系 数表示了压裂水平井的产能随角度的增加而增大 。
图 4 压裂水平井增产系数与无因次裂缝长度的关系曲线 (α = 90°)
4. 4 裂缝间距 定义无因次裂缝间距为裂缝间距 /水平井筒长
度 。3条裂缝 ,固定一裂缝间距变化另一裂缝间距 , 观察压裂水平井增产系数的变化 ,分析裂缝间距对 产能是否存在影响 ,如图 5 所示 。压裂水平井增产 系数随无因次裂缝间距的增大而增大 ,超过 0. 3 后 增产趋势明显增大 。说明增大裂缝间距 ,裂缝间的 干扰减小 ,水平井压裂时应尽量增大裂缝间的距离 。
小 ,因此可以利用电场来研究压裂水平井的渗流场 和产能 [ 12 ] , 为 压 裂 水 平 井 的 基 础 理 论 研 究 提 供 依据 。
3 收稿日期 : 2007 - 03 - 06 基金项目 : 国家自然科学基金项目“水平井压裂改造及砾石充填防砂技术研究 ”(50274055) 。 作者简介 : 高海红 (1975 - ) ,女 (汉族 ) ,山东商河人 ,工程师 ,博士 ,主要从事油气田开发研究工作 。
文章编号 : 1000 - 2634 (2008) 04 - 0073 - 04
压裂水平井产能影响因素的实验研究 3
高海红 1 ,曲占庆 2 ,赵 梅 3
(1. 中国石化国际石油勘探开发有限公司 ,北京 100083; 2. 中国石油大学石油工程学院 ,山东 东营 257061; 3. 中国石化胜利油田有限公司地质研究院 ,山东 东营 257061)
摘 要 : 压裂缝改变了水平井周围的渗流场 ,是影响压裂水平井产能的主要因素 ,压裂前需研究裂缝参数对压裂水平 井产能的影响趋势 。利用电模拟实验研究了水平井筒与压裂缝成不同夹角的压裂水平井的等压线分布特点及压裂 缝各参数对压裂水平井产能的影响 。结果表明 :夹角改变了压裂水平井等压线的形状 ,等压线因夹角而发生了扭转 , 随夹角增大相同压力的等压线所控制的泄流面积增加 ,且产能随夹角 α的增大而增大 ,与 sinα成明显的线性关系 ; 在具体的油藏地质条件下 ,存在裂缝夹角 、裂缝数 、裂缝长度 、水平井筒长度及裂缝间距的最优匹配关系 。电模拟实 验结果为压裂水平井的施工设计和其产能预测提供了理论依据 。 关键词 : 压裂水平井 ;电模拟 ;裂缝 ;等压线 ;增产系数 中图分类号 : TE355. 6 文献标识码 : A DO I: 10. 3863 / j. issn. 1000 - 2634. 2008. 04. 018
(2) 水平井筒均匀分布裂缝时 ,最优的裂缝数 为 3～5条 ,且无因次裂缝长度和无因次裂缝间距超 过 0. 3后产能增加的趋势加强 ;裂缝总长度一定时 , 裂缝数应尽可能少 ,减少缝间干扰 ,发挥长裂缝的增 产优势 。为提高压裂水平井的产能 ,压裂设计应寻 求最优的裂缝夹角 、裂缝数 、裂缝长度 、水平井筒长 度及裂缝间距的最佳匹配 。
本文讨论的裂缝垂向上是垂直的 ,水平方向上 裂缝与水平井筒的夹角用 α表示 ,不考虑裂缝的倾 角 。单裂缝水平井 ,裂缝半长为 15 cm ,变化 α,得到 压裂水平井增产系数与 sinα的关系曲线 ,结果如图 2所示 。
压裂水平井增产系数与 sinα成明显的线性关 系 ,随 sinα值的增大而增大 , sinα = 1 (即 90°)时最 大 。变化水平井筒长度 , 不同无因次长度 0. 375、
引 言
水平井压裂后可以在储层中打开新的流体流 动通道 ,更大范围地沟通未动用的油气层 ,大幅度 增加油气产量 ,极大地提高油藏的采出程度 [ 1 - 2 ] 。 裂缝的存在改变了水平井附近的压力分布 [ 3 - 5 ] ,是 影响压裂水平井产能的主要因素 ,因此在压裂施工 设计中 , 要充分考虑裂缝参数的优化设计 。文献 [ 5 - 10 ]研究了横向裂缝水平井的等压线分布特点 及裂缝的长度 、位置 、间距和裂缝数对产能的影响 , 但没有考虑裂缝与水平井筒成不同角度时等压线 的变化规律和裂缝角度对压裂水平井产能的影响 。 本文利用经典的电模拟实验研究了压裂水平井的 渗流场和影响其产能的主要裂缝参数 ,利用压裂水 平井增产系数表征产能的增产幅度 ,为压裂水平井 的优化设计提供了理论依据 。
压裂水平井增产系数
J压裂水平井 =
/U压裂水平井
(1)
J直井 /U直井
压裂水平井增产系数表示油藏中相同条件的压 裂水平井与直井的产能比 ,准确表征了压裂水平井 产能增产情况 ,避免了电导率值不确定带来的实验 误差 。
研究裂缝的参数 ,如裂缝与水平井筒的夹角 、裂 缝数目 、裂缝长度及裂缝间距等对产能的影响 。定 义无因次长度为裂缝半长 /水平井筒长度 。 4. 1 裂缝与水平井筒夹角
(1) 当固定水平井筒长度 ,变化裂缝长度时 ,随
无因次长度增大 ,压裂水平井增产系数增加 ,超过 0. 3后增加的幅度变大 。因此 ,水平井压裂时 ,无因 次裂缝长度尽可能超过 0. 3,以保证水平井压裂后 的增产优势 。
(2) 固定裂缝的长度 ,变化水平井筒长度 ,研究 无因次长度与压裂水平井增产系数的关系 ,如图 4 所示 。随无因次长度增加 ,水平井筒长度减小 ,压裂 水平井增产系数下降并趋于平缓 。当 α = 30°、45°、 60°和 75°时 ,曲线变化趋势与 90°一致 。相同无因 次长度 ,长裂缝的增产系数高于短裂缝 ,说明裂缝长 度对压裂水平井的增产有重要作用 。对某些特殊油 藏 ,裂缝长度受压裂工艺限制 ,这时要在产能预测基 础上优化水平井筒长度 ,使裂缝长度和井筒长度在 最优组合下发挥水平井的增产优势 。
图 3 压裂水平井增产系数与裂缝数的关系曲线 (α = 60°)
总裂缝长度和水平井筒长度固定 ,随裂缝数增 加 ,每条裂缝长度减小 ,增产系数下降 ,说明裂缝数 增加导致裂缝间的干扰加剧 ,使产能下降 。同时 ,增 加裂缝数使压裂的成本升高 。因此 ,缝间干扰是压 裂施工设计中不能忽视的重要方面 ,为减少缝间干 扰 ,应尽可能增加裂缝长度 、减少裂缝数 ,保证压裂 水平井经济有效地开发油藏 。 4. 3 裂缝长度
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1. 2 实验装置及模型设计 电模拟实验装置主要包括油藏模拟系统 、测量
系统和电路系统 。油藏模拟系统为一装有电解液 的长 、宽 、高分别为 1 500 mm ×1 500 mm ×350 mm 的有机玻璃槽 。测量系统可使测针作三维移动 ,即 可以测量平面上和纵向上各点的电压和电流密度 。 电路系统提供的是低压交流电 。模型设计采用铜 棒模拟水平井 、薄铜片模拟裂缝 ,将铜棒和薄铜片 以不同角度焊接在一起模拟压裂水平井 。实验中 以自来水作电解液模拟油层 ,良导体铜片作供给边 界 ,以水深模拟地层厚度 ,将模型放在水的中央模 拟位于地层中部的压裂水平井 。
1 电模拟理论
1. 1 电模拟原理 电模拟的直接理论基础就是水电相似原理 ,即
描述渗流场和电流场的数学方程相似 。渗流场中 ,
不可压缩的地下流体通过多孔介质的稳定渗流符 合达西定律及拉普拉斯方程 ;而电流场中 ,电流在 导电介质中的流动满足欧姆定律及拉普拉斯方程 。 当两场的几何形状和边界条件相似时 ,稳态渗流场 与稳态电流场相似 [ 11 ] 。表 1 为渗流场和电流场的 模拟对应关系 。
第 30卷 第 4期 西南石油大学学报 (自然科学版 ) Vol. 30 No. 4
2008年 8月 Journal of Southwest Petroleum University ( Science & Technology Edition) Aug. 2008
4. 2 裂缝数目 (1) 水平井筒均匀分布多条裂缝时 ,随裂缝数
增加 ,压裂水平井增产系数增加 ,但裂缝数超过 5条 后 ,由于缝间的干扰加剧 ,压裂水平井增产系数增加 的趋势平缓 ,因此最优的裂缝数为 3 ～5 条 。比较 30°、60°和 90°的增产系数 , 90°最高 。
(2) 2条裂缝的总长度为 90 cm ,裂缝总长度不 变时 ,裂缝数为 2、3、4、5、6条时 ,压裂水平井增产系 数的变化趋势如图 3所示 。