裂缝高度延伸诊断与控制技术
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p n / ( R1 - R2 ) = 01636 9sin- 1 (H 0 /h0 ) ( 2) 除了施工排量、施工泵压等施工参数对裂缝高度
的控制至关重要以外, 施工规模也是缝高控制的重要
因素之一。因为随着裂缝的不断延伸, 裂缝前端的净
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
压力由于裂缝摩阻的存在也将不断降低, 当净压力低
于岩石的抗张强度时, 裂缝将不再继续延伸, 如果此 时继续泵注, 将导致裂缝高度失控。因此, 针对具体
评价和进一步措施的制定与实施。因此, 加强压裂酸
基金项目: / 油气藏地质及开发工程 0 国家重点实验室基金项目 ( PLN 0138 ) 的部分研究成果。 收稿日期: 2007-08-18 作者简介: 李年银 ( 1979- ), 男, 在读博士, 现从事采油采气工程理论与技术研究。
# 82#
大庆石油地质与开发 P1G1O1D1D1
在压裂酸化施工中, 由于遮挡层的好坏以及不同 液体流变性能的不同, 裂缝在高度方向的扩展存在穿 层与不穿层两种情况。
在缝长方向将裂缝分为无数个相互独立的垂直剖
2008年 10月
李年银等: 裂缝高度延伸诊断与控制技术
# 83#
面 (图 1) , 每个垂 直剖面均 可看成二 维线性裂 纹,
设产层厚度为 H, 缝高为 h, 对于线弹性材料, 由断
China; 21R esearch Institu te of N atura l G as, Sou thw est O ilf ield Branch Company, Chengdu 610500, China; 31Chem ical Eng ineering School, Yang tze University, J ingzhou 434102, China; 41R esearch Institu te of E ng ineering T echnology, Sou thw est P etroleum Bureau, SINOPEC, D eyang 610500, Ch ina)
摘要: 缝高控制是压裂酸化改造成功的关键因素之一, 而缝高控制又与裂缝高度延伸诊断密切相关,
影响裂缝高度延伸的因素主要归结为可控和不可控因素两类, 从地层应力、岩石物性和施工参数等方
面对裂缝高度延伸的主要影响因素进行分析, 提出了根据裂缝延伸 k 判据、裂缝净压力与储层应力差
的比值、裂缝净压力双对数曲线形态等三种裂缝高度延伸诊断方法。结合压裂酸化工艺特点, 从降低
第 27卷 第 5期
化过程中裂缝高度延伸诊断及控缝高理论与技术研究 对压裂方案的制定与实施具有重要意义。
1 裂缝高度延伸影响因素分析
影响裂缝高度延伸的因素主要可归结为两类, 一 类是不可控因素, 包括地层应力、岩石物性, 其中产 层与遮挡层之间的最小水平主应力差是酸压裂缝高度 延伸的最主要的 影响因素 [ 1-6 ] ; 另一类是可控因 素, 即施工参数, 包括泵注速率、幂律压裂液的流变学参 数 (流态指数、稠度 系数 ) 、滤失 系 数、施 工排 量 ( 或泵注时间 )。 111 地层应力对裂缝高度延伸的影响
第 27 卷 第 5 期 大庆石油地质与开发 P1G1O1D1D1
文章编号: 1000-3754 ( 2008) 05-0081-04
2008年 10月
# 81#
裂缝高度延伸诊断与控制技术
李年银1, 赵立强 1, 张 倩 2, 杨 欢 3, 刘 萍 4
( 11 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610500; 21 西南油气田分公司 天然气研究院, 四川 成都 610500; 31 长江大学 化学工程学院, 湖北 荆州 434102; 41 中国石化 西南石油局工程技术研究院, 四川 德阳 610500 )
Abstract: Controlling the fracture he igh t is one o f the key facto rs that determ ine fracturing / ac id- fracturing successful or not1The diagnosis of art ific ial fracture vertical extension is interdependent to the con tro l technique1 In these aspects, researcher m ade se ldom work1The dom inant factors that affect fracture height m ay inc lude contro llab le factor and uncontro llab le factor1 In th is paper, analysis is conducted in aspects of in-situ stress inf luences, rock physica l property and treatm ent param eters1T he paper presen ts the diagnosis of fracture vertica l extension, inc lude fracture extension / k 0 criter ion, the ratio of fracture net pressure and in-situ stress d ifference, fracture net pressure double logarithm ic curve1Comb in ing w ith fracturing / acid-fracturing treatm ent characterist ics, d iscussions are conducted a lso from perspect ives of control fracture he igh t by reducing stra tum bursting pressure, art ific ial insulat ion, flu id loss con tro,l as w ell as from the liquid system, the w e ll comp letion plan optim izat ion, the treatm ent pressure m on itoring and so on1 K ey w ord s: ac id- fracturing; fracture extension; fracture height contro;l diagnosism e thod; influent ial factor
裂施工, 影响裂缝高度延伸的动态因素只有施工排量
和施工压力。
11311 施工排量的影响
施工排量与裂缝高度的关系是排量越大, 裂缝越
高。不同地区由于地层情况不同, 施工排量对裂缝高
度的影响也不相同。根据各个区块压裂施工前后测得
的井温数据并参照综合测井图, 确定实际压开缝高,
根据所得资料采用回归分析的方法, 确定各区块排量
岩石物性包括地层岩石的刚性、韧性、塑性等, 以及遮挡层与油层界面的结合强 度、岩石性 质差异 等。就岩石物性来讲, 对垂向裂缝的延伸影响较大的 是岩石的塑性、韧性以及层间是否存在滑移现象。遮 挡层的塑性表现为泊松比, 此值越大, 对裂缝延伸幅 度的影响越大。对于某个遮挡层来说, 当泊松比达到 一定的值后完全可以阻止裂缝的垂向延伸。但泊松比 都有一定的数值范围, 因此, 只靠泊松比限制裂缝延 伸是不可靠的。
地层破裂压力、人工隔层控缝高、降滤失控缝高、工作液体系控制、平衡酸压工艺、完井方案优化、
施工压力监控等方面讨论了压裂酸化过程中的各种裂缝高度控制技术。
关 键 词: 压裂酸化; 裂缝延伸; 缝高控制; 诊断方法; 影响因素
中图分类号: TE35711
文献 标识码: A
D iagnosis m ethod of artificial fracture vertical exten sion and the control techn ique of fracture height in fracturing or acid fracturing
在酸化压裂施工期间, 隔层与产层是否存在滑移 现象, 表现为隔层与产层结合是否牢固衡量标准是钝 化系数, 此系数越大, 遮挡层与产层界面结合越不牢 固, 在施工时越容易产生滑移现象, 裂缝的垂向延伸 就越不容易。 113 施工参数对裂缝高度延伸的影响
影响裂缝几何形状的施工参数, 包括流体的粘度 和密度, 施工排量和射孔孔眼的布置。射孔孔眼的布 置可以确保裂缝在油层内产生。压裂液粘度无论对大 型压裂或常规压裂都是非常重要的。理论和实践证明 粘度对缝高延伸的影响要比排量大的多。然而, 对于 形成一定压裂规模的油田, 其压裂液的性能和使用具 有相当的稳定性, 故压裂液粘度对裂缝高度延伸的影 响可看作是一个定量。这样, 针对某一区块的酸化压
碳酸盐岩的酸压施工缝高控制, 施工排量就要控制在 合理范围内, 建议在 510 m 3 /m in以内, 特别是压裂
液的排量。
11312 施工泵压的影响
施工泵压直接决定井底裂缝延伸压力。假设目的
层裂缝端点的有效应力为 R1, 而遮挡层的有效应力 为 R2, H 0 为油层厚度, 则延伸压力 pn 与垂向高度 h0 有如下关系:
的储层情况, 对施工规模的优化也显得尤为重要。
2 裂缝垂向延伸诊断技术
裂缝在垂向上的过度延伸将会在压裂酸化过程中 产生不利的后果, 这就要求对施工前后裂缝沿垂向上 的延伸进行诊断。施工前, 可以根据裂缝延伸 k 判据 以及裂缝净压力 p net与储 层应力差 $D的比值来预测 裂缝的高度延伸情况, 施工之后可根据施工过程中裂 缝净压力与时间的双对数曲线形态来诊断裂缝沿高度 方向的延伸。 211 根据裂缝延伸 k 判据诊断 [ 3]
有人指出产层与遮挡层之间的最小水平主应力差 为 210~ 3145 MP a时, 足以将裂缝的垂向延伸控制在 产层内。但是, 当产层很薄, 或上下隔层为 弱应力 层, 或存在其他复杂情况时, 压开的裂缝高度往往容 易压破产层。断裂力学表明裂缝延伸的形状取决于裂 缝尖端处的应力强度 因子 ( 应力强度 因子的计算见 下文 )。在裂缝向前延伸的过程中, 水平方向有一个 应力强度因子, 垂直方向有两个应力强度因子, 这三 个应力强度因子的对比, 决定了裂缝的几何形状。 112 岩石物性对裂缝高度延伸的影响
L I N ian-y in1, ZHAO L -i qiang1, ZHANG Q ian2, YANG H uan3, L IU P ing4 ( 11StateK ey Laboratory of O il /G as R eservoir and D evelopm ent, Sou thw est P etroleum University, Chengdu 610500,
与缝高的关系:
h = a ebQ
( 1)
式中 h ) ) ) 裂 缝 高 度, m; Q ) ) ) 施 工 排 量, m3 /
m in; a、 b) ) ) 回归系数。
在液体粘度一定的条件下, 施工排量增加一倍,
缝宽仅仅增加 18% 左右。在施工排量一定的条件下, 液体粘度增加一倍, 缝宽增加达到 80% 左右; 对于
压裂酸化是油气藏增储上产的主要技术手段, 当 油气层很薄或产层与遮挡层之间最小水平主应力差较
小时, 压开的裂缝很容易进入遮挡层, 不仅阻碍裂缝 按要求在水平方向上延伸, 而且当邻层为水层时 ( 底水油藏 ) 既起不到预期的增产作用, 还会引起水 淹。对于存在气顶的油藏, 也同样存在引气入井的危
险。而且, 裂缝在垂直方向上的过分延伸势必引起裂 缝沿水平方向延伸的缩短, 造成压裂后产量低、递减 快、增产有效期短。要使裂缝长度达到设计的缝长, 必须增加压裂液和支撑剂的用量, 但将提高压裂施工 的成本、降低增产效果。压后出水也影响压后效果的
的控制至关重要以外, 施工规模也是缝高控制的重要
因素之一。因为随着裂缝的不断延伸, 裂缝前端的净
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
压力由于裂缝摩阻的存在也将不断降低, 当净压力低
于岩石的抗张强度时, 裂缝将不再继续延伸, 如果此 时继续泵注, 将导致裂缝高度失控。因此, 针对具体
评价和进一步措施的制定与实施。因此, 加强压裂酸
基金项目: / 油气藏地质及开发工程 0 国家重点实验室基金项目 ( PLN 0138 ) 的部分研究成果。 收稿日期: 2007-08-18 作者简介: 李年银 ( 1979- ), 男, 在读博士, 现从事采油采气工程理论与技术研究。
# 82#
大庆石油地质与开发 P1G1O1D1D1
在压裂酸化施工中, 由于遮挡层的好坏以及不同 液体流变性能的不同, 裂缝在高度方向的扩展存在穿 层与不穿层两种情况。
在缝长方向将裂缝分为无数个相互独立的垂直剖
2008年 10月
李年银等: 裂缝高度延伸诊断与控制技术
# 83#
面 (图 1) , 每个垂 直剖面均 可看成二 维线性裂 纹,
设产层厚度为 H, 缝高为 h, 对于线弹性材料, 由断
China; 21R esearch Institu te of N atura l G as, Sou thw est O ilf ield Branch Company, Chengdu 610500, China; 31Chem ical Eng ineering School, Yang tze University, J ingzhou 434102, China; 41R esearch Institu te of E ng ineering T echnology, Sou thw est P etroleum Bureau, SINOPEC, D eyang 610500, Ch ina)
摘要: 缝高控制是压裂酸化改造成功的关键因素之一, 而缝高控制又与裂缝高度延伸诊断密切相关,
影响裂缝高度延伸的因素主要归结为可控和不可控因素两类, 从地层应力、岩石物性和施工参数等方
面对裂缝高度延伸的主要影响因素进行分析, 提出了根据裂缝延伸 k 判据、裂缝净压力与储层应力差
的比值、裂缝净压力双对数曲线形态等三种裂缝高度延伸诊断方法。结合压裂酸化工艺特点, 从降低
第 27卷 第 5期
化过程中裂缝高度延伸诊断及控缝高理论与技术研究 对压裂方案的制定与实施具有重要意义。
1 裂缝高度延伸影响因素分析
影响裂缝高度延伸的因素主要可归结为两类, 一 类是不可控因素, 包括地层应力、岩石物性, 其中产 层与遮挡层之间的最小水平主应力差是酸压裂缝高度 延伸的最主要的 影响因素 [ 1-6 ] ; 另一类是可控因 素, 即施工参数, 包括泵注速率、幂律压裂液的流变学参 数 (流态指数、稠度 系数 ) 、滤失 系 数、施 工排 量 ( 或泵注时间 )。 111 地层应力对裂缝高度延伸的影响
第 27 卷 第 5 期 大庆石油地质与开发 P1G1O1D1D1
文章编号: 1000-3754 ( 2008) 05-0081-04
2008年 10月
# 81#
裂缝高度延伸诊断与控制技术
李年银1, 赵立强 1, 张 倩 2, 杨 欢 3, 刘 萍 4
( 11 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610500; 21 西南油气田分公司 天然气研究院, 四川 成都 610500; 31 长江大学 化学工程学院, 湖北 荆州 434102; 41 中国石化 西南石油局工程技术研究院, 四川 德阳 610500 )
Abstract: Controlling the fracture he igh t is one o f the key facto rs that determ ine fracturing / ac id- fracturing successful or not1The diagnosis of art ific ial fracture vertical extension is interdependent to the con tro l technique1 In these aspects, researcher m ade se ldom work1The dom inant factors that affect fracture height m ay inc lude contro llab le factor and uncontro llab le factor1 In th is paper, analysis is conducted in aspects of in-situ stress inf luences, rock physica l property and treatm ent param eters1T he paper presen ts the diagnosis of fracture vertica l extension, inc lude fracture extension / k 0 criter ion, the ratio of fracture net pressure and in-situ stress d ifference, fracture net pressure double logarithm ic curve1Comb in ing w ith fracturing / acid-fracturing treatm ent characterist ics, d iscussions are conducted a lso from perspect ives of control fracture he igh t by reducing stra tum bursting pressure, art ific ial insulat ion, flu id loss con tro,l as w ell as from the liquid system, the w e ll comp letion plan optim izat ion, the treatm ent pressure m on itoring and so on1 K ey w ord s: ac id- fracturing; fracture extension; fracture height contro;l diagnosism e thod; influent ial factor
裂施工, 影响裂缝高度延伸的动态因素只有施工排量
和施工压力。
11311 施工排量的影响
施工排量与裂缝高度的关系是排量越大, 裂缝越
高。不同地区由于地层情况不同, 施工排量对裂缝高
度的影响也不相同。根据各个区块压裂施工前后测得
的井温数据并参照综合测井图, 确定实际压开缝高,
根据所得资料采用回归分析的方法, 确定各区块排量
岩石物性包括地层岩石的刚性、韧性、塑性等, 以及遮挡层与油层界面的结合强 度、岩石性 质差异 等。就岩石物性来讲, 对垂向裂缝的延伸影响较大的 是岩石的塑性、韧性以及层间是否存在滑移现象。遮 挡层的塑性表现为泊松比, 此值越大, 对裂缝延伸幅 度的影响越大。对于某个遮挡层来说, 当泊松比达到 一定的值后完全可以阻止裂缝的垂向延伸。但泊松比 都有一定的数值范围, 因此, 只靠泊松比限制裂缝延 伸是不可靠的。
地层破裂压力、人工隔层控缝高、降滤失控缝高、工作液体系控制、平衡酸压工艺、完井方案优化、
施工压力监控等方面讨论了压裂酸化过程中的各种裂缝高度控制技术。
关 键 词: 压裂酸化; 裂缝延伸; 缝高控制; 诊断方法; 影响因素
中图分类号: TE35711
文献 标识码: A
D iagnosis m ethod of artificial fracture vertical exten sion and the control techn ique of fracture height in fracturing or acid fracturing
在酸化压裂施工期间, 隔层与产层是否存在滑移 现象, 表现为隔层与产层结合是否牢固衡量标准是钝 化系数, 此系数越大, 遮挡层与产层界面结合越不牢 固, 在施工时越容易产生滑移现象, 裂缝的垂向延伸 就越不容易。 113 施工参数对裂缝高度延伸的影响
影响裂缝几何形状的施工参数, 包括流体的粘度 和密度, 施工排量和射孔孔眼的布置。射孔孔眼的布 置可以确保裂缝在油层内产生。压裂液粘度无论对大 型压裂或常规压裂都是非常重要的。理论和实践证明 粘度对缝高延伸的影响要比排量大的多。然而, 对于 形成一定压裂规模的油田, 其压裂液的性能和使用具 有相当的稳定性, 故压裂液粘度对裂缝高度延伸的影 响可看作是一个定量。这样, 针对某一区块的酸化压
碳酸盐岩的酸压施工缝高控制, 施工排量就要控制在 合理范围内, 建议在 510 m 3 /m in以内, 特别是压裂
液的排量。
11312 施工泵压的影响
施工泵压直接决定井底裂缝延伸压力。假设目的
层裂缝端点的有效应力为 R1, 而遮挡层的有效应力 为 R2, H 0 为油层厚度, 则延伸压力 pn 与垂向高度 h0 有如下关系:
的储层情况, 对施工规模的优化也显得尤为重要。
2 裂缝垂向延伸诊断技术
裂缝在垂向上的过度延伸将会在压裂酸化过程中 产生不利的后果, 这就要求对施工前后裂缝沿垂向上 的延伸进行诊断。施工前, 可以根据裂缝延伸 k 判据 以及裂缝净压力 p net与储 层应力差 $D的比值来预测 裂缝的高度延伸情况, 施工之后可根据施工过程中裂 缝净压力与时间的双对数曲线形态来诊断裂缝沿高度 方向的延伸。 211 根据裂缝延伸 k 判据诊断 [ 3]
有人指出产层与遮挡层之间的最小水平主应力差 为 210~ 3145 MP a时, 足以将裂缝的垂向延伸控制在 产层内。但是, 当产层很薄, 或上下隔层为 弱应力 层, 或存在其他复杂情况时, 压开的裂缝高度往往容 易压破产层。断裂力学表明裂缝延伸的形状取决于裂 缝尖端处的应力强度 因子 ( 应力强度 因子的计算见 下文 )。在裂缝向前延伸的过程中, 水平方向有一个 应力强度因子, 垂直方向有两个应力强度因子, 这三 个应力强度因子的对比, 决定了裂缝的几何形状。 112 岩石物性对裂缝高度延伸的影响
L I N ian-y in1, ZHAO L -i qiang1, ZHANG Q ian2, YANG H uan3, L IU P ing4 ( 11StateK ey Laboratory of O il /G as R eservoir and D evelopm ent, Sou thw est P etroleum University, Chengdu 610500,
与缝高的关系:
h = a ebQ
( 1)
式中 h ) ) ) 裂 缝 高 度, m; Q ) ) ) 施 工 排 量, m3 /
m in; a、 b) ) ) 回归系数。
在液体粘度一定的条件下, 施工排量增加一倍,
缝宽仅仅增加 18% 左右。在施工排量一定的条件下, 液体粘度增加一倍, 缝宽增加达到 80% 左右; 对于
压裂酸化是油气藏增储上产的主要技术手段, 当 油气层很薄或产层与遮挡层之间最小水平主应力差较
小时, 压开的裂缝很容易进入遮挡层, 不仅阻碍裂缝 按要求在水平方向上延伸, 而且当邻层为水层时 ( 底水油藏 ) 既起不到预期的增产作用, 还会引起水 淹。对于存在气顶的油藏, 也同样存在引气入井的危
险。而且, 裂缝在垂直方向上的过分延伸势必引起裂 缝沿水平方向延伸的缩短, 造成压裂后产量低、递减 快、增产有效期短。要使裂缝长度达到设计的缝长, 必须增加压裂液和支撑剂的用量, 但将提高压裂施工 的成本、降低增产效果。压后出水也影响压后效果的