壓裂防砂數(shù)值模擬技術(shù)研究及應(yīng)用

1、壓裂防砂數(shù)值模擬技術(shù)研究及應(yīng)用摘要：本文論述了疏松砂巖油藏壓裂防砂機理、大鍵理論技術(shù)，重點進行了數(shù)伉模擬研究，并以 mfrac, gohfcr> fracpro軟件為例，進行丫裂縫形狀及參數(shù)預(yù)測、壓后效果分析、射孔層段/排最/ 液呈優(yōu)化組合、加轉(zhuǎn)向劑縫高控制模擬等，數(shù)模結(jié)果在眾多區(qū)塊、油井的現(xiàn)場應(yīng)用中取得了良好 效果，為該類汕藏防砂和髙效開發(fā)提供了借鑒。關(guān)鍵詞：疏松砂巖汕藏壓裂防砂數(shù)值模擬現(xiàn)場應(yīng)川效果分析一、概述在疏松砂巖油藏在開發(fā)過程中，由干出砂嚴重及鉆井污染得不到解除，嚴重影響油外正常生 產(chǎn)，主要表現(xiàn)在：疏松砂巖滲透層不僅在近并地帶普遍存在污染帶，地層深部的滲透率也會因生 產(chǎn)過程屮的

2、微粒移動不斷卜'降，奮的還相當嚴重。常規(guī)解堵方法不僅奮效期短，而且不能解決地 層深部傷害的解除和防范問題。常規(guī)防砂方法如化學(xué)防砂、機械防砂會造成汕井產(chǎn)能進一步降低。w此利用防膨穩(wěn)砂劑作為預(yù)先處理液，采取適當?shù)膲毫殉涮畲胧?，能夠在很大程度上緩解?述矛盾或徹底解決科關(guān)問題?；伊逊郎凹夹g(shù)可在地層屮形成高導(dǎo)流能力裂縫，從而防止汕層深部 巖石微粒運移，實現(xiàn)近井地帶解堵及深部穿透污染帶，形成冇效的防砂帶，降低生產(chǎn)壓差和近井 地帶壓降漏斗，改變徑14流動為雙性流動模式，緩解或解除出砂趨勢。壓裂防砂工藝技術(shù)主要包括防膨穩(wěn)砂、端部脫砂壓裂技術(shù)（tso）和壓裂充填技術(shù)。目前壓 裂防砂是國外首選的防砂工藝

3、技術(shù)，在中國也f1益受到重視，應(yīng)用范圍不斷擴大。二、壓裂防砂機理及關(guān)鍵技術(shù)分析研究（一）壓裂防砂機理壓裂是低滲透汕藏幵發(fā)的主導(dǎo)丄藝。壓裂防砂之所以能夠防砂，是由于裂縫的存在而形成了 典型的雙線性流動形式，而支撐帶對地層微粒又具有橋堵作用。1、壓后地層流體的雙線性流動模式地層流體向井底的流動必然沿若肌力最小的通道。對于均質(zhì)未壓裂地層，流體流入井底的模 式為標準徑向流，不m的等壓線為大小不ml的以井底為圓心的同心圓。油井壓裂以后，流體沿著具有高導(dǎo)流能力裂縫的流動m力非常小。-般簡化為垂直于裂縫的 直線流和裂縫內(nèi)的直線流，稱為“雙線性流動模式”（見圖1）。物麗nntn圖1壓前徑向流及壓后典徹雙線性流

4、動校堺2、裂縫對緩解或避免巖石破壞的作用對于疏松砂巖而言，成功的壓裂吋使油井的產(chǎn)能提高2-3倍；井底污染堵塞嚴重的井，壓裂增 產(chǎn)倍數(shù)還會更高。如果保持壓裂前后相同的產(chǎn)量，壓p生產(chǎn)壓差可以降低2倍以上，液體流動壓 力梯度會有更人幅度的降低?？梢?，其有高導(dǎo)流能力的壓裂裂縫在穿透井底污染堵塞帯的同吋，將地層流體原來的徑向流 形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡p線流形式，不但可以達到增產(chǎn)ii的，而且可以適當降低生產(chǎn)壓差和較大幅度地降低 壓力梯度，從而緩解或避免了巖石骨架的破壞，緩解了出砂趨勢和出砂程度。3、裂縫對降低流體攜帶微粒能力的作用對于壓前徑向流動，隨著流體向井底的積聚，流動速度越來越米越大。壓后雙線性流動形式 決定了

5、具有較人的裂縫面，對流體有很好的分流作用，從而人人降低流速。壓后和壓前流速的定量比例關(guān)系見表1。表1壓p和壓前流速比例關(guān)系v/vrq/qr=1q/qr-2q/qr=3lf=30m40mlf=30m40mlf=30m40mr=0.1 m0.00520.00390.01040.00780.01560.0117r=1.0m0.0520.0390.1040.0780.1560.117r=5.0m0.26().1950.520.390.780.585由表1可以看出，當灰p產(chǎn)朵是灰前產(chǎn):w:的2倍時，壓r流體流h'd裂縫的速度比樂前井壁出 （r=o.lm）的流速降低了 100倍以上，比壓前r=1.

6、0m處的流速降低了 10倍以上，比壓前r=5.0m出 的流速降低r 2倍以上。很明顯，裂縫導(dǎo)致的雙線流動形式發(fā)揮丫很好的分流作用，從而大大降 低了流動對地層微粒的沖刷攜帶作用。4、裂縫支撐帶對地層微粒的橋堵作用裂縫支撐帶對地層微粒的橋堵作用類似井底礫石充填層的防砂作用。根據(jù)地層微粒的粒徑分 布規(guī)律和礫石充填中選擇礫石大小的準則，同樣對以選擇壓裂砂粒徑規(guī)格。必要時還吋以設(shè)計完 全充填涂料砂或在近井的縫口段充填涂料砂，以提高裂縫對地層砂的橋堵作川。由以上所述，壓 裂產(chǎn)生的高導(dǎo)流能力裂縫對地層出砂趨勢的控制作川表現(xiàn)在三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上：防止減緩巖石結(jié)構(gòu) 的破壞，降低流體對地層微粒的沖刷和攜帶能力以及裂縫

7、填砂帶對地層微粒的橋堵作用。三種作 川機理的結(jié)合形成壓裂裂縫的綜合防砂機理。（二）壓裂防砂關(guān)鍵技術(shù)分析研究壓裂技術(shù)作為一項常規(guī)增產(chǎn)增注措施工藝¥已在低滲油氣藏得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)十分成熟。 而將壓裂工藝人規(guī)模應(yīng)用于高滲透膠結(jié)疏松的軟地屋作為防砂完井措施卻是二十世紀九十年代的 事。smith等人首次發(fā)表了以充填寬裂縫為主要目的的“端部脫砂壓裂”技術(shù)，使得中、高滲油藏 的壓裂防砂進入了一個工業(yè)應(yīng)用階段。n前，在全世界范圍內(nèi)，壓裂充填防砂施工井數(shù)與日俱增, 而且，施工井數(shù)已占它各類防砂井總數(shù)的5（）%。1、端部脫砂壓裂技術(shù)形成其有a導(dǎo)流能力的“短寬裂縫”是巾a滲透油藏壓裂防砂成功的關(guān)健。因此

8、，不論足壓 裂充填還是防砂壓裂,都必須采用可產(chǎn)生“短寬裂縫”的壓裂工藝方法_ “端部脫砂壓裂” o常規(guī)壓裂要求泵注足夠的前置液充分造縫，施 工結(jié)朿時縫內(nèi)砂漿前緣接近或恰好到達裂縫前緣；端部脫砂壓裂要求在泵注攜砂液過程中，縫a砂漿 前緣提前到達裂縫周邊，限制縫長的進一步增長，圖2縫內(nèi)砂漿狀態(tài)示意圖促使縫寬較快增大，w此成功的端部脫砂壓裂應(yīng)該 是裂縫周邊脫砂（閣2）。（1）施工參數(shù)及泵注特點a）端部脫砂壓裂液粘度應(yīng)低于常規(guī)壓裂，以適時脫砂；b）泵注排m低于常規(guī)壓裂，以減緩裂縫伸長速度，控制縫a和便于脫砂;c) 前置液川g比常規(guī)壓裂少，以使砂漿前緣迕停泵前到達裂縫周邊;d) 砂比通常比常規(guī)壓裂大，以

9、提高裂縫支撐效率。(2)裂縫延仲規(guī)律及施工壓力特點常規(guī)壓裂在整個施工過程中，裂縫長、寬、高一 般都足不斷增k的，因而井底hi力是某本穩(wěn)定的；端 部脫砂壓裂在脫砂前裂縫增長規(guī)律及壓力特征同常 規(guī)壓裂，岀現(xiàn)脫砂后，縫長縫高不再婚長，只有縫 寬增長較快，井底壓力丌始按一定速率穩(wěn)步升高。2、壓裂充填技術(shù)壓裂充填技術(shù)就是利用脫砂壓裂優(yōu)化軟件優(yōu)化設(shè)計，在地層屮形成-條高異流能力裂縫，卯 井筒形成砂柱，從而達到防砂的fi的。它的特點：一是可以在地層中形成一條高導(dǎo)流能力裂縫； 二是可以對近井地帶進行解堵，增加柯效滲透帶，提窈產(chǎn):ft:三是通過在井筒屮形成砂柱，阻榜 地層沙的遷徙流動起到了防砂作用；四是可減少作

10、業(yè)措施，降低作業(yè)風(fēng)險。三、壓裂防砂軟件模擬研究0前應(yīng)川的壓裂軟件以國外開發(fā)的較多，如：gohfer、fraepro、mfrac、stimplan等，人部分 都拗加了針對疏松砂巖的端部脫砂壓裂及壓裂充填防砂欖擬功能。卜面以mfrac、gohfer、fraepro 為代表結(jié)合具體的模擬應(yīng)用進行分析。1、z139-x1 #用cnhfw歛件倣的裂棬擬圖net pressure (osi)time: 25.03 minutesls«00m«w0,< 1鴒 14,00m，麵嚷ftim4ifracture width (initim: 2s.03 minutestwo*-mmmbc

11、”助 111o>4)44)w13 moo 1x71mrm900003j«2t3 mm1.13ml110(一)裂縫形狀及參數(shù)模擬預(yù)測eww-loylh(b)z406井川fracpro模擬圖5(二)壓裂后效果分析m120-5-x4 井用 mfrac 模擬 施i:結(jié)柬時鋪砂濃度剖而和裂縫寬度剖而圖4施工結(jié)束吋縫內(nèi)凈壓力剖面及裂縫寬度剖面2、用fraepro、mfrac對z406和m120-5-x4井做的壓裂模擬圖coflonlnaio® area (eoj).wi ah c onioure (eoj)3w-flow rate timecumul.itivc producti

12、on vs timeu<e 80 coipnpoipo1、m120-5-x4井用mfrac軟件做的壓后效果預(yù)測2、y6-8井用gohfer軟件做的壓后效果預(yù)測（三）射孔層段、排量、液遷法化醒充填刖后產(chǎn)量預(yù)測對比圖1、z139-x7井用mfrac軟件進行射孔層段優(yōu)化研究方案井段斜深井段垂深厚度射孔層段，m槍型、孔密12117.5-2152.41638.1-1644.434.9/25.521202130127槍彈、16孔/米22117.5-2152.41638.1-1644.434.9/25.521232133127槍彈、16孔/米32117.5-2152.41638. m 644.434.

13、9/25.52126-2136127槍彈、16孔/米$*飫areqk>ibhk»itdhmto方案一模擬圖方案二模擬圖方案三模擬圖圖8mfrac軟件射孔層段優(yōu)化模擬圖通過以上模擬，優(yōu)選了方案3的射孔方案。2、qk108井用gohfei軟件進行射孔層段及排量方案優(yōu)化研究qk108井不同射孔及排兒方案縫高對比方案射孔方式射孔井段，m水層，m動態(tài)縫高，m支撐縫高，m排s，m3/min1全射2642.6-2651.02661.52631.9-2661.82632.9-2659.03.02避射2642.6-2645.12661.52626.3-2656.42626.3-2652.73.0

14、3避射2642.6-2645.12661.52626.4-2656.72626.0-2656.04.0proooantctimeconcentration (11)2) 40.00 minutesconcemntion 4000mlnuie$m10rproooantctl»e2mc0.湖fl，09a710a«£stxi >»1 sm ims2313am isma3 ms 32mi*期i，proowrt coxtfltrmicfl (iwira tine: moo minuies通過以上模擬，優(yōu)選了方案2。3、z411井用mfrac軟件進行排量、液量

15、優(yōu)化研究z41丨井不同液量及排量方案縫高對比方案射孔方式水層前置液螢m3施工排量m3/min1全射上部水層1532全射上部水層152.53全射上部水層102.5方案一模擬圖方案二模擬圖方案三模擬圖圖10 mfrac軟件排量、液量優(yōu)化模擬通過優(yōu)化排量及前s液景，方案3可以不壓開上部水層。（四）加轉(zhuǎn)向劑縫高控制模擬xx509 井壓裂層段 3256.6-3264.0m,與上部 3244.8-3246.6m、3250.4-3252.0m 油水同層間隔 4.6m，并旦產(chǎn)層應(yīng)力高于上下隔層，通過優(yōu)化工藝參數(shù)并加入了上、下轉(zhuǎn)向劑hcm-1,井溫測井 表明壓裂造縫層段3253.6-3264.0m。net pr

16、essure (psi) time: 35.00 minutes13727.0191355$19682w閣11xx509井壓裂凈壓力剖而（未加轉(zhuǎn)向劑）圖12xx509井壓前后井溫測井曲線（加轉(zhuǎn)向劑）四、現(xiàn)場應(yīng)用效果分析1、勝利油田139塊主力含油砂s組為ng h7，油層埋深1600m1650m，滲透率高，原油粘度大，膠結(jié)疏松，出砂嚴重，常規(guī)防砂工藝不能滿足開發(fā)要求，研究p決定采用壓裂防砂+繞絲篩管礫石充填， 在實際應(yīng)用中取得了良好效果。如：139井常規(guī)防砂v；注汽試油熱采不出，采用壓裂充填技術(shù)注前 置液38.6m3,攜砂液:25m3,加入石英砂10m3,涂料砂1.4m3，平均砂比50%,最髙砂

17、比120%, 壓裂充填后注汽熱采，液40m3/d,汕24m3/d, 3個多月后產(chǎn)景基本不降，效果顯著。wn區(qū)塊是勝利油iii發(fā)現(xiàn)的較大型油iii,主要含油層系為ng、s1和s3段。儲層埋藏淺、產(chǎn) 層膠結(jié)疏松、原油黏度高，產(chǎn)層敏感性強、非均質(zhì)性嚴重，生產(chǎn)過程中出砂嚴重，不能保證汕井 的正常生產(chǎn)。通過在t822、z406等井s3段采用壓裂充填防砂技術(shù)，實現(xiàn)7超稠油汕藏儲fi的冇 效動川，為此類汕藏的開發(fā)提供了技術(shù)支持。y13塊以含礫砂巖、礫狀砂巖為主，膠結(jié)疏松，生產(chǎn)過程出砂嚴重，嵐于“雙低”單元。針對 這種情況對部分汕井采川了壓裂充填技術(shù)，取得了較好的防砂增汕效果。例如 y13-3措施前停產(chǎn), 措

18、施后產(chǎn)油10.0t/d, y13-x95措施前().8t/d,措施后產(chǎn)油14.4t/d，效果顯著。此外，l90井射孔層段與上部水層隔層僅2.5m,通過分層應(yīng)力剖而研究和壓裂施丄方案優(yōu)化， 采用排解:2.6m3/min樂裂，加砂10m3, frdl噴排液，17t/d，不含水。xx509灰裂層段與汕水同 層間隔4.6m，并且產(chǎn)層應(yīng)力高于上卜隔層，通過優(yōu)化工藝參數(shù)并加入了上、卜轉(zhuǎn)向劑，井溫測井 表明壓裂造縫層段沒有穿透隔層，壓后自噴油10t/d,不含水。2、江蘇油田江蘇汕田qk108井壓裂井段下部10.5m處為高含水層。為控制裂縫下延，避免壓開水層， 通過優(yōu)化射孔井段、施工排量，順利完成作、ik。壓后初期產(chǎn)量22.46t/d,不含水。3、吐哈油田y6塊地層膠結(jié)強度較低，平均滲透率16.8x105m?,為典型的疏松砂巖低滲汕藏，低產(chǎn)低效 井占油井總數(shù)的47%,為了提高整體開發(fā)效果，進行了壓裂充填試驗。6-8井壓前產(chǎn)油4.8t/d，含水2%，壓裂充填防砂后初期產(chǎn)汕fi 14.6t/d,3個多j1后產(chǎn)油s 12.1t/d， 含水3%,不含砂，這表明壓裂充填防砂效果顯著，該技術(shù)是提高區(qū)塊開發(fā)效果的冇效途徑。五、主要認識及結(jié)論1、端部脫砂理