油氣開采第十一章知識課件

第十一章注水

注水是通過注入井將水注入油層，保持油層壓力，提高采油速度和采收率的一種措施。本章主要內(nèi)容：水質(zhì)；水處理措施；分層注水工藝；并對注聚合物工藝做了簡單介紹。

第一節(jié)水質(zhì)與水處理一、

注入水水質(zhì)標準1.水質(zhì)的基本要求

對油田注入水除要求水量穩(wěn)定、取水方便、經(jīng)濟合理外，其水質(zhì)還必須符合以下基本要求：1)水質(zhì)穩(wěn)定與油層水相混不產(chǎn)生沉淀；2)水注入地層后不使粘土產(chǎn)生水化膨脹或產(chǎn)生混濁；

第一節(jié)水質(zhì)與水處理一、

注入水水質(zhì)標準1.水質(zhì)的基本要求

3)不得攜帶大量懸浮物，以防注水井滲濾端面堵塞；4)對注水設施腐蝕性??；5)當一種水源量不足，需要第二種水源時，應首先進行室內(nèi)試驗，證實兩種水的配合性好，對油層無傷害。2.水質(zhì)推薦指標

1)懸浮物固體含量及顆粒直徑、腐生菌、硫酸鹽還原菌、膜濾系數(shù)(MF)值見表12-1。2)含油量指標，當?shù)貙訚B透率≤0.1μm2時,含油量≤5.0mg/l；當?shù)貙訚B透率＞0.1μm2時,含油量≤10.0mg/l；3)總鐵含量應小于0.5mg/l；4)溶解氧含量地層水總礦化度＞5000mg/l時溶解氧≤0.05mg/l；總礦化度≤5000mg/l時溶解氧≤0.5mg/l；

目前礦場常用膜濾系數(shù)（MF）分析來衡量水對濾膜的細微孔道堵塞程度，借以分析水對巖石孔道的堵塞。MF值是在一定的濾膜直徑、平均孔徑、過濾壓力和過濾水體積的條件下，水通過濾膜所需時間的函數(shù)。在SY5329-88標準規(guī)定的條件下，使1000ml水通過濾膜所需的時間為MF值，用下式計算:MF=1000/20t;式中t——過濾1000ml水樣所需時間，min；MF——膜濾系數(shù)，無量綱。相同條件下測定水的值，若MF值降低說明水質(zhì)變差了。二、

注水水源與地層適應性的評價1.分析資料

分析注入水與油層水各種離子濃度的主要分析項目有：陽離子：鈉、鉀(或鈉與鉀總量)、鈣、鎂、鋇、鍶、三價鐵、二價鐵、鋁等；陰離子：氯、碳酸根、重碳酸根、二價硫、硫酸根等；其它：可溶性二氧化硅、游離二氧化碳、硫化氫；pH值及水的總礦化度；2.一般儲層的評價方法1）含鋇、鍶、鈣離子的水與含有硫酸根離子的水混合注入時，必須考慮硫酸鹽結(jié)垢問題，經(jīng)試驗或計算認為不能生成沉淀時才可注入，否則應進行處理。2)二價硫離子含量高的水與含有二價鐵離子的水混注時，應考慮硫化亞鐵結(jié)垢的問題，應經(jīng)處理才可注入。3)當碳酸氫根和碳酸根離子含量較高的水與鈣、鎂、鋇、鍶、二價鐵等離子含量較高的水相混合時，應考慮碳酸鹽結(jié)垢的問題。4)若水中有游離二氧化碳逸出時往往使水的pH值升高，易產(chǎn)生碳酸鹽沉淀，故用此種水源時應重視碳酸鹽結(jié)垢問題。5)按化學溶度積理論，可初步判斷各種離子在水中的穩(wěn)定性。6)CEC值大于0.09(按一價離子計算)時，就不能忽略粘土的水化膨脹問題。7)室內(nèi)進行天然巖心注水試驗，一般情況下，水測滲透率下降值應小于20%。三、

常用水處理措施1.沉淀

沉淀是讓水在沉淀池或罐內(nèi)停留一定時間，使其所含懸浮固體顆?？恐亓Τ两迪聛恚瑢τ诩毿〉膽腋」腆w顆粒，常需要足夠的時間才能沉淀下來。

在水中加入聚(絮、混)凝劑，通過中和表面電性而使水中固體懸浮物聚集，加速沉淀。2.過濾過濾是用容器(過濾設備)除去水中懸浮物和其它雜質(zhì)的工藝過程。過濾罐(或池、器)自上而下裝有濾料，支撐介質(zhì)等。濾料一般為石英砂、大理石、無煙煤屑及硅藻土等，支撐介質(zhì)常用礫石。水自上而下經(jīng)過濾層、支撐層，而后從罐底部排出清水。按過濾速度濾罐可分為慢速和快速兩種。慢速濾罐一般在0.1～0.3m/h，快速濾罐可達15m/h；按工作壓力濾罐又可分為重力式、壓力式濾罐。重力式濾罐：濾罐的水面與大氣相連通，利用進出口水位差過濾的；壓力式濾罐濾罐完全密封，水在一定壓力下通過濾罐。濾罐的工作強度：指在單位時間內(nèi)從單位面積濾罐通過的水量(過濾速度)。3.殺菌

地面水中多含有藻類、鐵菌或硫酸鹽還原菌和其它微生物等，注水時需將這些微生物除掉以防止堵塞地層和腐蝕管柱。油田常用的殺菌劑有甲醛、氯氣、次氯酸鹽類、季胺鹽類液體藥劑、過氧乙酸、戊二醛等。一般交替使用兩種以上的殺菌劑，以防細菌產(chǎn)生抗藥性。4.脫氧

地面水源與空氣接觸常溶有一定量的氧，有的水源水中還含有碳酸氣和硫化氫氣體，這些氣體對金屬和混凝土均有腐蝕性，因此注水前要用物理法或化學法除去注入水中所溶解的O2、CO2、H2S等氣體。

(1)化學法脫氧

脫氧劑Na2SO3、N2H4等可脫除水中的氧。常用Na2SO3的價格低、使用方便，其原理為：

特點：占地面積小，處理工藝較簡單，一次投資較低，但日常消耗化學藥劑費用較高。(2)物理法脫氧

物理法脫氧主要有真空脫氧和氣提脫氧。1)真空脫氧。國內(nèi)多用射流泵，以水或蒸汽為介質(zhì)實現(xiàn)真空塔內(nèi)抽真空。國外用真空泵。2)氣提脫氧。多用天然氣或氮氣作為氣提氣對水進行逆流沖刷，可除去水中的氧，但不易達到較高的最終脫氧指標，有時要用化學脫氧來彌補。

當水源水含有大量的過飽和碳酸鹽，如重碳酸鈣和重碳酸鎂鈣及重碳酸亞鐵等，因其化學性質(zhì)都不穩(wěn)定，注入地層后因溫度升高可能產(chǎn)生碳酸鹽沉淀而堵塞孔道。因此，在注入地層前用曝曬法使其沉淀除去。

此法常在露天的沉淀池中進行。

5.曝曬

四、

水處理工藝1.地面淡水處理

地面淡水主要是河流、湖泊水，常常含有少量的機械雜質(zhì)、細菌等，需要沉淀、過濾與殺菌等，經(jīng)處理的水沿輸水管道送到注水泵站。2.地下水處理由于地下水常含有鐵質(zhì)，主要為二價鐵，常以Fe(HCO3)2的形式存在，二價鐵極易水解，生成Fe(HO)2，氧化后生成Fe(HO)3，易堵塞地層，對用地下水為水源的注水井，需要先除鐵。除鐵方法主要有：自然氧化法(石英砂過濾)適用于pH＜6.8的含重碳酸亞鐵的地下水，但效率極低；接觸催化法(天然錳砂過濾)適用于pH≥6.0，水中含鐵不超過30mg/L的地下水，應用較普遍；人工石英砂法利用在石英砂表面人工制成的活性濾膜，可加快三價鐵氧化，效果與天然錳砂相近。3.含油污水處理(1)含油污水處理方法

含油污水處理目的是除去水中的油及懸浮物，處理方法主要有：1)自然沉降法?？课鬯性皖w粒自身的浮力實現(xiàn)油水分離，除去浮油及顆粒較大的分散油。2)絮凝分離法含油污水中油粒小于10μm以下時，自然沉降難以分離。通常油粒帶有負電荷，若選擇在水中溶解后產(chǎn)生正電荷的絮凝劑就能使油滴聚集上浮達到油水分離的目的。實驗證明，氯化亞鐵、硫酸亞鐵作絮凝劑，有較好效果。含油污水處理工藝流程

1-污水沉降罐；2-污水泵；3-除油罐；4-單閥過濾罐；5-清水罐；6-外輸水泵；7-污油罐；8-污油回收泵；9-污水回收泵；10-地下回收水池；11-加藥泵；12-加藥池(或罐)4.海水處理

海水處理可分為凈化及脫氧兩大部分。凈化部分目前一般采用多級過濾凈化處理，依次為砂濾器、硅藻土濾器和金屬網(wǎng)狀筒式過濾器三級過濾。砂濾器普遍用石英砂，也有用石榴石、活性炭、無煙煤、聚苯乙烯發(fā)泡小球作為濾料的。脫氧部分主要用真空、氣提和化學脫氧。第二節(jié)分層注水

注水工藝按注入通道可分為：

油管注水(正注)、油套環(huán)空注水(反注)油套管同時注水(合注)；按是否分層又可分為：

籠統(tǒng)注水分層注水：分層注水是在進行非均質(zhì)多油層開采中，為加強中、低滲透層并控制高滲透層注水，按配注要求，在注水井中實現(xiàn)分層控制注入的注水方式。一、

分層注水方法1.分層注水原理將所射開的各層按油層性質(zhì)、含油飽和度、壓力等相近，層與層相鄰的原則，按開發(fā)方案要求劃分幾個注水層段，通常與采油井開采層段對應，采用一定的井下工藝措施，進行分層注水，以達到保持地層壓力提高油井產(chǎn)量的目的。常規(guī)分層注水各層之間應具有相對穩(wěn)定的隔層，隔層厚度一般要求在2m左右。細分層注水的隔層厚度一般可控制在1.2m以上。

分層注水工藝主要包括分層注水工具、管柱、配水技術、測試技術和增注技術。分層注水是通過分層注水管柱來實現(xiàn)的。分層注水管柱一般分二類：同心式注水管柱和偏心式注水管柱。

2.分層注水工藝活動式(1)同心式注水管柱

擴張式封隔器固定式配水器測試球座擴張式封隔器空心活動配水器循環(huán)閥篩管固定式同心式注水管柱固定式注水管柱：管柱技術要求是各級配水器啟動壓力必須大于和等于封隔器坐封壓力，以保證封隔器坐封。由于是固定式配水器，所以換水嘴時需要起管柱?；顒邮阶⑺苤浩渑渌煅b在配水器芯子上，各級配水器的芯子直徑自上而下，從大到小，故應從下而上逐級投送，打撈配水器芯子時相反。由于配水器芯子與管柱軸線同心，為保證每級投送順利受油管內(nèi)通徑限制不可能分級過多，一般為三級，最多為四級。換水嘴時只需打撈配水器芯子，不需起管柱。偏心配水器由堵塞器和偏心工作筒組成,由專用投撈器投撈,堵塞器(其中裝有水嘴)可調(diào)本層位注水量。偏心式注水管柱按其所用封隔器類型又分為可洗井、不可洗井兩種管柱。

(2)偏心注水管柱配水器芯子堵塞器與油管軸線不同心，故稱偏心。二、

分層注水指示曲線及其應用1.分層吸水能力研究的基本概念(1)注水指示曲線

定義：注水指示曲線是表示注水井在穩(wěn)定流條件下，注入壓力與注入量之間的關系曲線。分為分層指示曲線和全井指示曲線。分層注水指示曲線：表示各分層(小層)段注入壓力(指經(jīng)過井下水嘴后的)與分層注水量之間的關系曲線。

(2)吸水指數(shù)

吸水指數(shù)是指單位注水壓差下的日注水量，是反映注水井(或油層)吸水能力的指標，其表達式為：

吸水指數(shù)的大小表示地層吸水能力的好壞，其數(shù)值等于注水指示曲線斜率的倒數(shù)。因此，只要測得注水井指示曲線(或分層指示曲線)就可得到注水井吸水指數(shù)。生產(chǎn)中不可能經(jīng)常關井測注水井地層靜壓，因此采用測指示曲線的辦法，取得在不同流壓下的注水量，求吸水指數(shù)，即：(3)比吸水指數(shù)

比較不同地層的吸水能力時，為了消除油層厚度的影響，常用每米油層有效厚度的吸水指數(shù)即比吸水指數(shù)來表示

用吸水指數(shù)進行動態(tài)分析時，需要對注水井測試取得流壓資料之后進行。日常動態(tài)分析中，為及時掌握注水井地層吸水能力變化，常用日注水量與井口注水壓力之比所求得的視吸水指數(shù)對比吸水能力。在籠統(tǒng)注水情況下，若用油管注水，則式中取套管壓力；若采用套管環(huán)空注水，則取油管壓力，以消除管柱摩阻影響。(4)視吸水指數(shù)(5)相對吸水量

相對吸水量是指在同一注入壓力下，某分層吸水量占全井吸水量的百分數(shù)，是用來衡量各分層相對吸水能力的指標。用途：有了各分層的相對吸水量，就可由全井指示曲線繪制出各分層指示曲線，不必分層測試。測吸水剖面就是在一定的注入壓力下測定沿井筒各射開層段吸收注入量的多少（即分層吸水量）。有放射性同位素測法和投球測試法。2.分層指示曲線的壓力校正

在實際生產(chǎn)中由于注入水通過油管、水嘴和打開節(jié)流器閥時產(chǎn)生壓力損失，因此在同一井口壓力下各層段真正有效的注水壓力并不相同，因此需要進行層段注水壓力校正，以消除井下注水管柱結(jié)構的影響。有效注入壓力表示為：有效注入壓力實測井口注入壓力靜水柱壓力過油管的摩擦壓力損失

——注入水通過配水嘴的壓力損失——注入水打開配水器閥的壓力損失3.典型注水指示曲線(1)正常指示曲線正常指示曲線分為直線遞增式、上翹式和折線式。1）直線遞增式指示曲線如圖中Ⅰ所示。它反映了地層吸水量與注入壓力成正比，典型的注水指示曲線。線上任取兩點可求出吸水指數(shù)。當用指示曲線求吸水指數(shù)時，應當用有效注入壓力繪制的曲線。Iw=(Q2-Q1)/(P2-P1)2)上翹式曲線如圖中Ⅱ所示。這種上翹式曲線除與設備儀表有關外，還與油層性質(zhì)有關。如在斷層蔽擋或連通較差的“死胡同”油層中，注入水不易擴散，油層壓力升高，注入水受到的阻力越來越大，造成曲線上翹。3)折線式指示曲線如圖中Ⅲ所示。壓力較低時隨壓力增加注入量增加，而壓力較高時，隨壓力增加曲線偏向注入量軸，說明低滲油層部位隨壓力增大由不吸水轉(zhuǎn)為吸水；或有新的油層在較高壓力下開始吸水；或因較高壓力下地層產(chǎn)生微小裂縫使吸水量突然增大。(2)不正常指示曲線

不正常指示曲線有下述幾種情況：1)垂直式指示曲線如圖中的曲線Ⅳ所示，注水壓力增加，注水量不增。產(chǎn)生此種指示曲線可能是設備發(fā)生故障(如井下水嘴堵塞、流量計失靈)或是油層滲透性極差所造成的。2)直線遞減式指示曲線如圖中的曲線Ⅴ，說明設備或儀表有問題，曲線不能用。3)曲拐式指示曲線如圖中的曲線Ⅵ，主要反映設備、儀表有問題，曲線不能用。4)嘴后有汽穴。圖中的曲線Ⅶ是注水量很大時，通過水嘴的液流速度過高，水嘴喉部可能產(chǎn)生汽穴現(xiàn)象，這一特性可運用到液流的流量自動控制上。

4.分層指示曲線的應用

因正確的指示曲線變化反映了地層吸水能力或井下工具工作狀態(tài)的變化，因此可用來判斷地層吸水能力的變化與井下工具的工作狀況。

（1）指示曲線右移，斜率變小在相同注入壓力下，注入量增加。主要原因有：1)地層吸水能力增強。如實施洗井或酸化、壓裂等作業(yè)。2)井下配水嘴脫落。分層(段)注水失去控制，指示曲線明顯偏向注水量軸，至使全井指示曲線突然向右偏移，且斜率變小。通?？筛鶕?jù)井下水嘴性能(是否易脫落)及分層測試資料驗證，即可發(fā)現(xiàn)。3)水嘴刺大。由于長期注水或水中可能含有砂及其它固體微粒，將水嘴刺大，某分層配水失控，亦可出現(xiàn)指示曲線向右偏移，且斜率變小。每測一次曲線逐漸向注水量軸偏移，與水嘴脫落不同之處在于其變化不是突然的，實際中可通過分層測試曲線對比分析。4)底部閥不密封。造成注入水自油管末端進入油套環(huán)形空間，使油套壓基本平衡(或相等)，封隔器不密封，控制注水量段失控，分層注水量大大小于全井注水量，可用分層測試或洗井后測試來確定。

(2)指示曲線左移，斜率變大在相同注入壓力下，注入量下降，其原因可能為：1)井下有污染，地層有堵塞。因注入水不合格或濾器失效使井底污染，地層堵塞，地層吸水能力下降，使指示曲線左移，斜率變大；相同注水壓力下注水量由下降到，而要達到原注水量需提高注水壓力到。處理方法：洗井或酸化解堵。2)水嘴堵塞。因注入水不合格或井下結(jié)垢、腐蝕等產(chǎn)物堵塞水嘴，使有效注入壓力降低，沒達到設計注水量。水嘴堵塞的層位可從分層測試資料看出。從經(jīng)驗上看水嘴堵塞比油層污染要快些，有時二者兼有。(3)指示曲線平行上移或下移上移：地層壓力上升下移：地層壓力下降（4）判斷封隔器的密封性可用指示曲線的變化來判斷其密封性。封隔器失效主要是因膠筒變形或破裂無法密封，或由于配水器彈簧失靈及管柱底部閥不嚴造成封隔膠筒密封失效。

封隔器失效的主要表現(xiàn)：油套壓平衡，分層配注失效，注水量上升；注水壓力不變(或下降)，而注入量上升(封隔器失效后上下層串通，使吸水量高的控制層段注水量增加)。三、

分層配水嘴的選擇與調(diào)配

水嘴直徑、通過水嘴的配水量及節(jié)流壓力損失三者之間的關系曲線，稱為嘴損曲線，如圖12-11所示。嘴損曲線常通過室內(nèi)模擬試驗確定。分層配水的實質(zhì)是在井口壓力相同的情況下，利用不同水嘴的過流能力及產(chǎn)生的壓力損失的大小，對各層段注水量進行控制，達到分層段定量配水的目的，因此通過水嘴需要降低的壓力值，可求得配水嘴尺寸。1.確定層段注水量

當油層不裝水咀注水時，注水量和注入壓力之間關系：（無控制注水）當油層裝水咀時

（控制注水）2.水嘴選擇

(1)新投注井水嘴選擇

新投注井進行水嘴選擇步驟如下：1)下入分層測試管柱，并進行分層測試。根據(jù)分層測試資料整理出分層與全井指示曲線(按實測井口注入壓力繪制)，如圖12-12所示。2)用各分層段配注量在分層指示曲線上查得各層的配注壓力。

3)確定井口注入壓力，。4)求層段井口嘴損。用已確定的井口注入壓力減去各層段達到配注量時井口配注壓力，得各層段的井口嘴損壓力。5)根據(jù)各層段所需的配注量與井口嘴損，在相應嘴損曲線版(圖12-11)上查得應選水嘴的大小及個數(shù)。(2)水嘴調(diào)配指示曲線法：圖12-13水嘴調(diào)配1)按井下配水管柱(常用偏心管柱)進行分層測試，并整理測試資料，實測井口壓力繪制各層段指示曲線；2)根據(jù)分層配注量要求，在層段指示曲線上求出相應的井口分層配注壓力；3)按實際情況確定井口注入壓力；4)求出井口水嘴損失5)由嘴損曲線求需新調(diào)配水嘴直徑與個數(shù)，方法如圖12-13所示，在嘴損曲線上，先由目前注水量作一垂線與目前已下水嘴直徑線相交，由此交點作一水平線交嘴損壓力軸于A點；當需將水嘴調(diào)小時(＞)，向上量取線段長得B點，過B點作一水平線與過的垂線相交，交點處的水嘴直徑與個數(shù)，即為新調(diào)配的水嘴。當需將水嘴調(diào)大時(＜)，則應向下量取線段長。經(jīng)驗法調(diào)配水嘴用下式求水嘴直徑式中，——分別為目前注水量和新調(diào)配注水量，，d——分別為目前水嘴直徑與新調(diào)配水嘴直徑，mm；b——層段系數(shù)，一般加強層取1.1，控制層取0.9。四、

檢查配注準確程度與分配層段注水量

注水井投注后，還要定期進行分層測試，用所得資料檢查配注的準確程度，并為正確地分配層段注水量提供依據(jù)。1.檢查配注準確程度

注水井的配注準確程度用配注誤差表示，配注誤差等于實際注水量與設計配注量之差同設計配注量比值的百分數(shù)。誤差為正說明未達到注入量，稱欠注；誤差為負則說明注入量大于配注量，稱超注。

2.分配層段注水量

①根據(jù)該井近期分層測試資料整理層段指示曲線。②在曲線上求出目前正常注水壓力下各層注水量及全井注水量。③然后再算出注入壓力下某層段的相對注水量(某層段注水量與全井注水量之比)。④最后將目前實測全井注水量按上面計算的比例分配給各層段。

注水井分層測試主要是測吸水剖面與測分層(段)指示曲線。一、

放射性同位素測吸水剖面的原理與方法測吸水剖面就是在一定注入壓力測定沿井筒各射開層段吸收注入量的多少。其目的是掌握各層段的吸水能力。1.基本原理及測試工藝第三節(jié)注水井分層測試用固相載體(如：醫(yī)用骨質(zhì)活性炭、氫氧化鋅或二者的混合物)吸附已溶解好的放射性同位素(如：、等)離子，再與水配制成一定濃度帶放射性的活化懸浮液。將懸浮液按正常注水注入井內(nèi)后，利用放射性儀器在井筒內(nèi)沿吸水剖面測量放射性強度。吸水量越大的層段，巖層表面濾積固相載體的量就越多。因巖石本身具有不同的自然放射性，在注入活化懸浮液前，必須先測出巖石本身的自然伽馬曲線作為基線，如圖12-15所示。2.吸水剖面資料解釋1)曲線深度校正。由于放射性測井曲線的滯后及電纜的誤差，將引起放射性曲線深度與地層實際深度有誤差，所以必須進行校正，盡可能使曲線深度與地層深度相符，曲線的放射性異常與地層相對應。2)消除污染、確定疊合線。凡是活化懸浮液經(jīng)過的井段均有不同程度的放射性沾污，它使同位素曲線的基值抬高甚至造成假異常，影響資料的準確性。3)繪制疊合圖。先繪出自然伽馬曲線(基線)，然后把經(jīng)過深度、幅度校正的同位素曲線與自然伽馬曲線進行疊合，使泥巖段及不吸水井段重疊在一起，即得到了疊合圖。

4)確定吸水層位。凡吸水層段在疊合圖上均有明顯的異常，曲線異常超過泥巖井段疊合圖的1.5倍都為吸水段。同時參考其它電測曲線，如自然電位曲線。5)確定相對吸水量。由于對應于各層的自然γ曲線與同位素曲線未重疊部分所包圍的面積(圖中陰影部分)與各層吸水量成正比，因此各層相對吸水量為：式中：——第i層段的相對吸水量；——第i層段同位素曲線異常面積。二、

分層指示曲線測試

目前國內(nèi)大多數(shù)油田主要用偏心管柱測注水井分層指示曲線，當無法用偏心管柱時則可用投球法測注水指示曲線。1.偏心管柱測分層指示曲線(1)測試原理

在偏心管柱測試中主要采用106浮式井下流量計測試流量，利用與測試管柱配套的密封及定位裝置將流量計密封并定位于被測層段配水器上，使注入地層的全部液體通過流量計的錐管，沖動錐管內(nèi)的浮子，浮子產(chǎn)生位移并帶動記錄筆，而記錄筆與彈簧相連接，當液流沖動浮子向下位移，彈簧被拉長時，筆尖隨之下移。當沖擊力與彈簧扭力平衡時筆尖穩(wěn)定于這一位置，同時，時鐘帶動裝有記錄卡的記錄紙筒旋轉(zhuǎn)，這樣筆尖就可以在記錄卡片上畫出一定高度的臺階。不同流量，所劃臺階的高度不同，可記錄出流量變化。然后根據(jù)預先在室內(nèi)做出的浮子位移與流量關系校對曲線，從記錄卡上求出流量值。（2）測試方法由下而上逐層測試，儀器在各個層段停留3～5min，所測流量等于包括本層在內(nèi)的以下各層注水量之和。用某一個層段處記錄的流量減去下一個層段處記錄到的流量，即為本層的注水量。向井內(nèi)下一次儀器，可不停注同時連續(xù)測完所有層段的注水量。(3)繪制層段指示曲線

根據(jù)測得的流量計卡片(圖12-16)上浮子的位移(即彈簧的應變值)，查流量計校對曲線(圖12-17)求出視流量，然后自下而上逐層計算：設::第四層段的注水量；:第三、四層段的注水量；:第二、三、四層段的注水量；:全井的注水量。則：第四層段注水量第三層段注水量第二層段注水量第一層段注水量在進行井下流量測試時，采用相同壓降，降壓法測試。壓力間隔一般為0.5～1.0Mpa，每層至少測3～4個壓力點(含正常注水壓力)。繪制各層段在不同注水壓力下相應的注水量與注水壓力關系曲線，即該層段指示曲線。2.投球法測分層指示曲線除偏心注水管柱外，我國采用的同心注水管柱均可采用投球法進行分層測試。②向管柱中投入第一個小球，小球座在最下一級球座上，封堵最下一個層段，同樣再測4～5個不同注入壓力下的注水量，每個控制點的注入壓力應與全井測試時相同；③再向管柱中投入第二個小球，封堵最下兩個層段，進行類似測試，直至結(jié)束。④如果有五個層段，則需從下至上逐級投入由小直徑到大直徑的四個球。采用與偏心管柱測試相同的方法處理所測得的資料，即可繪出分層指示曲線。①先測4～5個不同注入壓力下的全井注水量；三、

井下流量計測試成果及應用

對于偏心配水管柱常用106井下浮子式流量計配合測試，可得到測試卡片，如圖12-18所示。通過分析卡片曲線的形狀能比較準確地判斷井下管柱或儀器存在的問題。圖12-18(a)表明，測第三層水量時，該層水嘴被臟物堵死或裝死水嘴停注。對此，應先洗井，待注水穩(wěn)定后再測試或撈出第三層段水嘴解堵。圖12-18(b)表明，第二或第三段水嘴直徑過大，造成嘴損壓差過小，第二級封隔器失效；若縮小水嘴后依然如此，則說明第二級封隔器已壞。對此，應按嘴損曲線選擇水嘴，保證封隔器密封或換封隔器。圖12-18(c)表明，第三、四段吸水能力差，水嘴過大，造成第三級封隔器不密封，應按嘴損曲線縮小水嘴。圖12-18(d)表明，油壓低或大部分層段水嘴過大，造成全井封隔器都不密封。對此，應提高注水壓力或檢查水嘴，并重新選水嘴。圖12-18(e)表明，管柱洗井閥嚴重漏失或脫落，或撞擊筒以下管柱脫落。需投死水嘴驗漏，如果水量不變化應起管柱檢查。

如圖12-18(f)所示，測第三層段時，流量計未坐入工作筒內(nèi)，管柱有油污；或第三層工作筒通道被腐蝕直徑變大，對此，應大排量(大于25m3/h)洗井、帶加重桿使流量計坐工作筒的速度加快，或起管柱更換工作筒。

第十二章

油水井增產(chǎn)增注措施第一節(jié)水力壓裂定義：當?shù)孛娓邏罕媒M將液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中時，在井底附近蹩起超過井壁附近地層的最小地應力及巖石抗張強度的壓力后，即在地層中形成裂縫。隨帶有支撐劑的液體注入縫中，裂縫逐漸向前延伸，這樣，在地層中形成了具有一定長度、寬度及高度的填砂裂縫。增產(chǎn)原理：油氣向井的徑向流從地層裂縫從裂縫井底作用由徑向流變?yōu)閮蓚€單相流，節(jié)約了能耗。連通地層深處解除近井地帶污染一、

造縫機理

在壓裂中，了解裂縫的形成條件，裂縫形態(tài)及方向?qū)τ行У匕l(fā)揮壓裂在增產(chǎn)，增注中的作用是極為重要的。但由于地下條件的復雜性，雖然進行了大量的研究，但仍未得到較好的解決。地層中造縫的影響因素井底附近的地應力及其分布巖石力學性質(zhì)及壓裂液的滲濾性質(zhì)注入方式1.地應力及其分布

一般情況下，地層中的巖石處于壓應力狀態(tài)。作用在地下某單元體上的力有垂向主應力及水平主應力(其中又分為互相垂直的和)。(1)應力

①垂向應力：作用在單元體上的垂向應力來自上覆巖層的重量，其數(shù)值約為H：地層深度；φ：孔隙度；由于油氣層中均有一定的孔隙壓力pp(即地層壓力或流體壓力)，部分上覆巖層的壓力σz被多孔介質(zhì)中的流體壓力支持。②故有效垂向應力可表示為：

③根據(jù)廣義虎克定律，則可求出巖石的有效水平應力為：=

推導：在σxe,σye,σze作用下，單元體在x軸方向上的應變?yōu)椋阂驗榇嬖趥?cè)向應力的限制，側(cè)向應變?yōu)?，令得(2)地質(zhì)構造對應力的影響受地質(zhì)構造影響發(fā)生很大的變化，各個方向的應力也彼此不等。如果巖石單元體是各向同性材料，巖石破裂時的裂縫方向總是垂直于最小主應力軸。

(3)井壁上的應力1)井筒對地應力及其分布的影響

在地層中鉆井以后，破壞了原始應力的平衡狀態(tài)，使得井壁上及其周圍地層中的應力分布發(fā)生變化。為了簡化，將地層中的三維應力問題用二維方法來處理，并近似地直接采用彈性力學中雙向受力的無限大平板中鉆有一個圓孔時的應力計算公式來分析井壁應力，圓孔周向的應力分布：A）當r=a且σx=σy=σH時，σφ=2σx=2σy=2σH

說明圓孔壁上各點的周向應力相等，與φ值無關。B)當r=a,σx>

σy時，隨著r的增加，周向應力迅速降低，如圖13-2(b)所示。大約在幾個圓孔直徑之外，即降為原地應力值，孔壁上的應力比遠處的大得多，這就是在壓裂中地層破裂壓力大于延伸壓力的一個重要原因。即：

2)井眼內(nèi)壓所引起的井壁應力

壓裂過程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快升高，井筒內(nèi)壓必然產(chǎn)生井壁上的周向應力。簡化：若把井筒周圍的巖石看作是一個具有無限壁厚的厚壁圓筒，假設材料是彈性的，根據(jù)彈性力學中的拉梅公式(拉應力取負號),當厚壁筒外邊界半徑re→∞，厚壁筒外邊界壓力Pe=0時，井壁上r=a處的周向應力:

式中——注入時的井底壓力。

即井筒內(nèi)壓引起的井壁周向應力與內(nèi)壓大小相等，符號相反。3)壓裂液徑向滲入地層所引起的井壁應力

由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周圍地層中，形成了一個附加應力區(qū)，它的作用是增大了井壁周圍巖石中的應力。增加的周向應力值為：巖石骨架壓縮系數(shù)巖石體積壓縮系數(shù)其中：4)井壁上的總應力顯然在地層破裂前，井壁上(=0°和=180°處)總周向應力：總垂向應力：2.造縫條件

為使地層破裂，必須使井底壓力高于井壁上的總應力及巖石的抗張強度。

(1)形成垂直裂縫條件：如果地層的破裂屬于純張力破壞，那么隨井內(nèi)注入壓力的不斷增加，當達到或超過井壁附近地層的最小周向應力及巖石水平方向的抗張強度時，在垂直于水平周向應力的方向上產(chǎn)生垂直裂縫，即：其中：即：1）當有濾失時：用

代入上式有：2）無濾失時：有垂直裂縫產(chǎn)生于井筒相對應的兩點上(=0°和180°)，這就是為什么在理論上假定垂直裂縫以井軸為對稱的兩條縫的原因。實際上多數(shù)情況是不對稱的。

(2)形成水平裂縫

條件：當注入壓力達到或超過井壁附近地層的最小垂向應力及巖石的垂向抗張強度時，在垂直于垂向應力的方向上產(chǎn)生水平裂縫，其條件為：1）存在濾失時：2）無濾失時：***有濾失時小于無濾失時的。二、

壓裂液

壓裂液是為造縫與攜砂使用的液體，是水力壓裂的關鍵組成部分。壓裂液是一個總稱，根據(jù)其在壓裂過程中的任務不同可分為前置液、攜砂液和頂替液。1）前置液：作用是破裂地層并造成一定幾何尺寸的裂縫以備后面的攜砂液進入，它還起到一定的降溫作用。有時為了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加細砂以堵塞地層中的微隙，減少液體的濾失。2）攜砂液：作用是將支撐劑帶入裂縫中并將砂子放到預定位置上去。在壓裂液的總量中，這部分占的比重較大。有造縫及冷卻地層的作用。3）頂替液：作用是打完攜砂液后，用于將井筒中全部攜砂液替入裂縫中。中間頂替液用來將攜砂液送到預定位置，并有預防砂卡的作用。

對于占總液量絕大多數(shù)的前置液及攜砂液，必須具備如下的性能要求：1)濾失少壓裂液的濾失性主要取決于它的粘度與造壁性，粘度高則濾失少。在壓裂液中添加防濾失劑，能改善造壁性并大大減少濾失量。2)懸砂能力強壓裂液的懸砂能力主要取決于粘度，壓裂液只要有足夠高的粘度，砂子即可完全懸浮，這對砂子在縫中分布是非常有利的。3)摩阻低

壓裂液在管道中的摩阻愈小則在設備功率一定的條件下，利用造縫的有效功率愈大。摩阻過高不僅降低了有效功率的利用，且由于井口壓力過高，排量降低。4)穩(wěn)定性壓裂液應具有熱穩(wěn)定性，不能由于溫度的升高而使粘度有較大的降低；液體還應有抗機械剪切的穩(wěn)定性，不因流速的增加而發(fā)生大幅度的降解。5)配伍性壓裂液進入地層后與各種巖石礦物及流體相接觸，不應產(chǎn)生不利于油氣滲濾的物理—化學反應。6)低殘渣要盡量降低壓裂液中水不溶物的數(shù)量，以免降低巖石及填砂裂縫的滲透率。7)易反排施工結(jié)束后大部分注入液體反排出井外，排液愈完全，效果愈好。8)貨源廣便于配制，價錢便宜。1.壓裂液的類型

隨著水力壓裂技術的發(fā)展，壓裂液由最初的原油和清水逐步發(fā)展為目前經(jīng)常使用的水基、油基、酸基壓裂液及泡沫壓裂液等。(1)水基壓裂液

水基壓裂液主要是用水溶脹性聚合物作為成膠劑，制成能懸浮支撐劑的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及懸砂能力強的優(yōu)點。缺點：但熱穩(wěn)定性和機械剪切穩(wěn)定性較差。為了克服這一缺點，又發(fā)展了交鏈壓裂液和延遲交鏈壓裂液。(2)油基壓裂液

a.礦場原油或煉廠粘性成品油

b.稠化油，稠化油=油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油）+稠化劑（脂肪酸鋁皂、磷酸酯鋁鹽）(3)多相壓裂液1）泡沫壓裂液外相：水、水基溶膠或水基凍膠內(nèi)相：氣體優(yōu)點：對地層傷害小、攜砂能力和造縫能力強、易于反排、摩阻低等特點。缺點：所需注入壓力高。2)乳化壓裂液

乳狀液是用表面活性劑穩(wěn)定的兩相非混相液的一種分散體系。優(yōu)點：攜砂能力強、粘度高、熱穩(wěn)定性好、對地層損害小、排液快。缺點：摩阻大、成本高

(4)酸基壓裂液

用植物膠或纖維素稠化酸液得到稠化酸或用非離子型聚丙烯酰胺在濃鹽酸溶液中，以甲醛交鏈而得到酸凍膠。酸基壓裂液適宜于碳酸鹽類油氣層的酸壓。2.壓裂液的濾失性

壓裂液濾失是指在裂縫與儲層的壓差作用下壓裂液向儲層中的濾失。主要受三種因素的控制壓裂液的粘度地層巖石及流體的壓縮性壓裂液的造壁性。

(1)受壓裂液粘度控制的濾失系數(shù)

當壓裂液的粘度大大超過地層油的粘度時（即：）時，壓裂液的濾失速度主要取決于壓裂液的粘度，壓裂液在多孔介質(zhì)中的實際滲流速度va為：代入達西公式：令則(2)受地層流體壓縮性控制的濾失系數(shù)

當壓裂液的粘度接近于地層流體的粘度時，即（）時，壓裂液的濾失主要取決于地層流體的壓縮性。這是因為流體受到壓縮，讓出一部分空間，壓裂液才得以濾失進來。Δq以為因壓力降低Δp所引起的液體的膨脹dV(忽略巖石的體積膨脹),則單元地層體積內(nèi)液體的體積V為:對無限地層，邊界壓力為常數(shù)的解為：上式對x求導得縫壁面上的壓力梯度值：(3)具有造壁性壓裂液的濾失系數(shù)C3

有的壓裂液具有很好的造壁性，其中添加有防濾失劑(硅粉或瀝青粉等)，能在壁面上形成濾餅，有效地降低濾失速度，其濾失系數(shù)由實驗方法確定。(4)綜合濾失系數(shù)

C根據(jù)水電相似原理

有3.壓裂液對地層滲透性的傷害及防止措施

1）對地層情況了解不夠2）對壓裂液選擇不當3）用于改善壓裂液性能的添加劑針對性不強壓裂效果不理想或失敗造成壓裂液對地層滲透性的傷害主要有下述原因。(1)壓裂液與地層及其中液體的配伍性差

壓裂液配伍性：指壓裂液與巖層和流體接觸時，無不利于油、氣滲流的物理化學反應。壓裂液對巖石、膠結(jié)物等固體物質(zhì)的溶解粘土膨脹小顆粒脫落堵塞孔隙與地層流體相遇后產(chǎn)生沉淀傷害措施對粘土地層，應添加防粘土膨脹劑用水基壓裂液壓裂油層時，使用活性劑來防止乳狀液的形成。

(2)壓裂液在孔隙中的滯溜

若高粘油基壓裂液進入地層后，反排不完全或水基壓裂液破膠不好，均發(fā)生對地層孔隙的滯溜損害。為了便于排液及減少乳狀液，要保持地層巖石、小顆粒及壓裂砂的親水性降低液體的界面張力注入氮或二氧化碳，以增加液體的反排能力。措施基液或成膠物質(zhì)中的不溶物防濾失劑或支撐劑的微粒由于壓裂液對地層巖石的浸泡作用而脫落下來的微粒。殘渣的來源措施

在制備過程中要使用低殘渣或無殘渣壓裂液；在基液、管線、液罐中不準有固形物；支撐劑的粒徑范圍要求應嚴格；要注意交鏈劑與金屬離子鈣、鎂的沉淀作用及防濾失劑的不利作用。(3)殘渣及其它堵塞作用三、

支撐劑及支撐劑輸送支撐劑：儲層形成裂縫后,由攜砂液輸送、攜帶充填至裂縫中的具有一定強度與圓球度的固體顆粒。作用：泵注停止并且縫內(nèi)液體排出后保持裂縫處于張開狀態(tài)，地層流體可通過高導流能力的支撐劑由裂縫流向井底。支撐劑按其力學性質(zhì)分為兩大類：

1）脆性支撐劑(如石英砂、玻璃珠等)，特點是硬度大，變形小；2）韌性支撐劑(如核桃殼、鋁球等)，特點是變形大，承壓面積隨之加大，高壓下不易破碎。

1.支撐劑(1)支撐劑類型

(2)對支撐劑的要求

對支撐劑的要求主要有下述幾方面。

1)粒徑均勻。支撐劑粒徑均勻可提高支撐劑的承壓能力及滲透性。目前使用的支撐劑直徑多半是0.42～0.84mm(40～20目)，有時也用少量直徑為0.84～2mm(20～10目)的。2)強度高。支撐劑組成不同，其強度也不同，強度越高，承壓能力越大。3)雜質(zhì)含量少。壓裂砂中的雜質(zhì)是指混在砂中的碳酸鹽、長石、鐵的氧化物及粘土等礦物質(zhì)。常用酸溶解度來衡量存在于壓裂砂中的碳酸鹽、長石和氧化鐵含量；用濁度來衡量存在于壓裂砂中的粘土、淤泥或無機物質(zhì)微粒的含量。4)砂子圓球度要好。砂子的球度是指砂粒與球形相近的程度，圓度表示顆粒棱角的相對銳度。支撐劑顆粒圓且大小大致相同時，顆粒上應力分布比較均勻，可承受的載荷比較大。5)密度小。若密度大，在壓裂液中懸浮及在裂縫中充填較困難。6)來源廣、價廉。

2.填砂裂縫導流能力

填砂裂縫的導流能力：是裂縫閉合后，支撐劑充填帶對儲層流體的通過能力。值為：填砂裂縫滲透率

裂縫寬度

(1)導流能力確定1）在室內(nèi)模擬地層條件下測得；2）不穩(wěn)定試井方法求得；3）數(shù)值模擬方法加以估計

。

(2)支撐劑的選擇

支撐劑的選擇如下所述。

1)根據(jù)油層性質(zhì)和埋藏深度經(jīng)室內(nèi)試驗確定能滿足壓裂增產(chǎn)效果的石英砂粒徑及濃度。一般在低閉合壓力下淺層可選用大顆粒支撐劑；在高閉合壓力下，選用粒徑較小的支撐劑；裂縫面積上高濃度的支撐劑比低濃度的支撐劑有較高的導流能力。2)根據(jù)實際需求量選貨源廣又符合要求的砂產(chǎn)地，做到既經(jīng)濟，又來源充足。3)選擇合適的加砂方式，不同加砂方式要選擇不同的支撐劑。3.支撐劑輸送

支撐劑在壓裂液中的沉降規(guī)律直接影響到填砂裂縫的幾何尺寸、支撐劑在縫中的分布規(guī)律及填砂裂縫的導流能力。(1)單顆粒支撐劑在靜止壓裂液中的自由沉降斯托克斯利用浮力與阻力相等的原理，得出了無限、靜止牛頓液體中顆粒以穩(wěn)定勻速沉降的基本關系。作用在顆粒上的重力：顆粒穩(wěn)定勻速沉降時的阻力：由F1=F21)當時，2）當時，3）當時，對于非牛頓冪律壓裂液以代則：

(2)支撐劑在裂縫中的沉降此時壓裂液受到兩種剪切效應，即砂子沉降剪切和液體水平流動的剪切。因此，壓裂液受到的總剪切速率為：由于砂子在縫中并不是孤立的單一顆粒，而是在一定的濃度下，此時，一顆砂子的沉降，受到其它砂子的影響，這種條件下的沉降稱為干擾沉降。常用的干擾沉降速度的計算式為：其中：式中——干擾沉降速度，m／s；——攜砂液中液體所占的體積百分數(shù)?！孛嫔皾舛?，指單位體積攜砂液中支撐劑的質(zhì)量，kg／m3。(3)影響顆粒沉降的因素

液體中多顆粒沉降時，由于粒間相互干擾作用，使多粒中的單顆粒沉降速度低于多顆粒的沉降速度。1）單顆粒支撐劑的沉降引起周圍液體的向上流動，阻尼了周圍顆粒的下沉，砂比愈高阻尼作用愈大；2）混有砂子的液體混合物的密度、粘度都有所增加，其結(jié)果是增大了顆粒的浮力及沉降的阻力，這都使沉降速度變緩。3）當支撐劑在裂縫中沉降時，壁面使顆粒沉降速度變緩。相互干擾包括四、

裂縫擴展模型

建立壓裂裂縫延伸模型是個相當復雜的課題，對壓裂裂縫延伸的研究經(jīng)歷了一個逐步發(fā)展和完善的過程，由最初的線性模型發(fā)展為二維、擬三維及全三維模型。

最初研究裂縫擴展的模型是假設裂縫被限制在儲層內(nèi)，即壓裂過程中，裂縫始終具有與儲層厚度相同的高度，只在長度和寬度兩個方向延伸。具有代表性的二維模型有卡特面積公式、PKN和KGD模型。圖13-4裂縫形態(tài)理論模型示意圖1.卡特面積公式

卡特(Carter)利用霍華德(Howard)和法斯特(Fast)假設的裂縫形態(tài)［圖13-4(a)］，考慮液體濾失而導出了裂縫面積公式?；炯僭O為：1）裂縫等寬；2）壓裂液從縫壁垂直而又線性地滲入地層；3）地層中某點的濾失速度取決于該點暴露于液體中的時間；4）地層中各點的速度函數(shù)都是相同的；5）裂縫中各點的壓力相同，等于井壁儲層處的注入壓力。以排量Q注入到裂縫中的壓裂液，一部分濾失于地層，一部分使裂縫體積增加。1)濾失于地層的液量因為濾失量是從兩個縫面濾失出去的，所以：面積是時間的函數(shù)，上式可寫為：式中：δ——壓裂液到達裂縫中某點所需的時間，s；——壓裂液到達縫中某點的時刻δ起的濾失速度，m／s；t——注入時間，s；——裂縫的單面面積。2)使裂縫體積增加的液量

因此用拉氏變換處理，解得：其中；erfc(α)可以查表或近似計算對于垂直裂縫：對于水平裂縫：裂縫半徑

縫高

縫長

2.PKN模型

珀金斯(Perkins)和克恩(Kern)1966年建立了垂直縫擴展模型，諾爾準(Nordgren)1972年做了進一步改進，考慮了流量沿裂縫的變化。該模型的假設條件是：1）縫高為常量;2）巖石具有彈塑性性質(zhì)；3）裂縫縱向、橫向呈橢圓型；4）垂向上無流動，裂縫垂直截面中壓力恒定；5）沿裂縫長度某點處的應力狀態(tài)與其它位置的壓力分布無關。

縫寬方程壓力方程連續(xù)性方程藕合迭代求解在計算過程中

3.KGD模型吉爾茲瑪(Geertsma)和德克拉克(Deklerk)利用克里斯丹諾維奇(Khristianovitch)和姚爾托夫(Zheltov)提出動平衡裂縫的概念，提出了裂縫擴展和延伸模型，簡稱KGD模型。動平衡裂縫：由于水力作用裂縫慢慢地擴展，而作用在縫壁上的液體正壓力會使裂縫邊界處的壁面光滑地閉合。假設：除了與PKN相同之外，還有：1）裂縫以矩形斷面從一個線源向外線性地延伸；2）沿縫長的壓力分布遵循層流牛頓液在窄的矩形縫中的流動方程；3）采用英格蘭(England)與格林(Green)提出的平面應變條件下的巖石破裂方程；4）考慮液體的濾失。

在實際壓裂過程中，裂縫的高度、長度和寬度同時增加，因此二維模型與此不相符合。要真實地模擬垂直裂縫在垂向和橫向上的擴展，應按三維空間求解。五、

水力壓裂優(yōu)化設計

水力壓裂優(yōu)化設計是以獲得最大經(jīng)濟凈現(xiàn)值為目標的壓裂設計，一般包括三項內(nèi)容：

1)不同縫長及裂縫導流能力下的油、氣日產(chǎn)量及總產(chǎn)量；2)確保上述縫長及裂縫導流能力的作業(yè)設計（壓裂液用量、支撐劑用量及加砂程序）；3)綜合1)與2)可獲得最高凈現(xiàn)值條件下的縫長。這一概念模型如圖13-5所示。進行這樣的經(jīng)濟優(yōu)化設計，必須以油藏模擬、裂縫模擬與經(jīng)濟模型等為基本手段。優(yōu)選出最高經(jīng)濟凈現(xiàn)值的設計方案。壓裂設計基本過程：1）收集壓裂設計所需參數(shù)————預測產(chǎn)量；2）優(yōu)選壓裂材料(壓裂液和支撐劑)及施工方式和規(guī)模（包括尺寸，砂分布，壓裂液和支撐劑用量）；3）確定壓裂效果和最佳縫長。（在最小風險和費用下能得到最大收益的最佳縫長）。1.壓裂設計所需參數(shù)壓裂設計參數(shù)分為不可控制參數(shù)和可控制參數(shù)。

不可控制參數(shù)是指無法進行調(diào)整的儲層特征參數(shù)，包括：儲層滲透率和孔隙度；儲層凈厚度；儲層應力狀態(tài)；儲層壓力和溫度；儲層流體特性及其飽和度；鄰近遮擋層的厚度及其延伸范圍和應力狀態(tài)。

可控制參數(shù)是指可以加以調(diào)整來進行優(yōu)化壓裂設計的完井特征參數(shù)，包括：井筒套管、油管及井口狀況；井下設備；射孔位置和射孔數(shù)；壓裂液和支撐劑；施工排量等。

1)普拉茲(Platz)認為如果裂縫的導流能力及填砂裂縫的長度是有限的，此時裂縫相當于增加了井的有效半徑。如果井半徑較小，填砂裂縫又具有較高的導流能力，井的有效半徑可按縫長的1／4來計算。壓裂后井的增產(chǎn)倍數(shù)可表示為：壓裂前的穩(wěn)定產(chǎn)量壓裂后的穩(wěn)定產(chǎn)量

2.壓裂井的產(chǎn)量預測(1)垂直裂縫2)如裂縫的單翼縫長小于供油半徑的1／10，即時，可采用下式計算3)麥克奎爾(McGuire)與西克拉(Sikora)作出了電模擬曲線，如圖13-6；該曲線的擬合方程為：其中***（1）低滲層（K<10-3um2），因為容易得到較高的裂縫導流能力比值，欲提高壓裂效果，應以增加裂縫長度為主。這是壓裂低滲、特低透層采取大型壓裂技術增加縫長的根據(jù)。***（2）高滲層，不容易得到較高的裂縫導流能力比值，欲提高壓裂效果，應提高(Kb)f，片面追求長Lf得不到好的效果。***（3）對一定縫長，存在一個最佳裂縫導流能力，超過該值而增加裂縫導流能力的效果甚微。***（4）無傷害井的最大增產(chǎn)比為13.6倍。(2)水平裂縫

比爾登(Bearder)認為如果壓出的是對稱的水平裂縫，則可用下述兩種方法預測產(chǎn)量。

1)相當于擴大的井徑壓裂后的穩(wěn)定生產(chǎn)能力，相當于將井徑擴大到裂縫的半徑，此時利用徑向流動公式：2)相當于在地層中存在不連續(xù)的徑向滲透率如果在裂縫半徑內(nèi)的壓降為，供油半徑至裂縫半徑處的壓降為，則從供油半徑到井底的總壓降為，平均滲透率為：增產(chǎn)倍數(shù)可近似的表示為：3.裂縫幾何尺寸的確定

壓裂設計所需裂縫參數(shù)是縫高、支撐縫長和平均支撐縫寬、或者支撐縫寬度剖面。如前所述，縫高是用目前技術只能做粗略測量的一個參數(shù)。4.砂子在裂縫中的運移及分布

砂子在縫中的移動，主要受重力與液流攜帶力的控制。重力企圖使砂子沉降下來，攜帶力則將砂子送至裂縫深處。壓裂液粘度高，砂子在液體中呈懸浮狀態(tài)，在相當長的施工過程中，砂子很少或基本上沒有沉降，液體所到之處，皆有砂子。由于液體的濾失，離井軸愈遠，該處的砂子濃度愈高。若壓裂液粘度不足以使砂子懸浮，砂子進入裂縫后，逐漸沉降下來。(1)砂子的理論分布

裂縫中砂子的理論分布主要有全懸浮式和垂直縫沉降式兩種。

1)全懸浮式砂子分布壓裂的要求：停泵時支撐劑在縫中仍呈懸浮狀態(tài)，縫內(nèi)各處都有一定的導流能力。若加砂濃度不變，由于壓裂液的濾失，縫中的砂分布就會出現(xiàn)縫端部砂濃度(砂比)過高，甚至在縫內(nèi)發(fā)生砂卡，而在近井地帶的縫內(nèi)砂濃度又不足以造成足夠的導流能力。措施：1）應順序地改變地面加砂濃度(砂比)，以滿足縫中砂濃度的分布；

2）將攜有砂子的液體的總體積分成若干個單元體積(相當于分若干批加砂)，改變每個單元體積的砂濃度，就可以大體上保證縫中出現(xiàn)近似相同的砂濃度。

2)垂直縫沉降式砂子分布

水平方向攜帶力重力浮力砂子受力若低粘液體重力>>浮力則砂沉降形成砂堤攜砂液的過流斷面

提高了流速

顆粒停止沉降平衡狀態(tài)在砂堤上面的混砂液流速為在此流速下顆粒的沉積與被卷起處于動平衡狀態(tài)當達到使砂懸浮時

平衡流速減少達到(2)砂子的實際分布

因為砂子粒徑不是均等，流速在裂縫中是變化的，粘度也不能保持恒定，這樣就出現(xiàn)了復雜的布砂現(xiàn)象。有的砂沉下來，有的砂還被攜帶著往遠處流動，直到流速低于該粒徑的平衡流速，砂子即下沉。5.壓裂液與支撐劑的選擇（1）壓裂液的選擇（應考慮的五個技術因素）即粘度、液體摩阻損失、濾失、返排及其與儲層巖石和流體的配伍性，另需考慮的兩個因素是費用和來源。

（2）支持劑基本要求：是要能得到高導流能力。國內(nèi)常用的支撐劑有石英砂和陶粒，可按壓裂設計要求選擇。6.油藏(區(qū)塊)總體經(jīng)濟優(yōu)化設計與評估

低滲油藏總體優(yōu)化壓裂設計是在某一設置的縫長情況下，研究該縫長對掃油效率的影響，最大限度地延長無水采油期，獲得較長期的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。它的要點是：把油藏總體作為一個工作單元(而不是以單井作為工作單元)，優(yōu)化的目標函數(shù)是達到油藏總體的最高經(jīng)濟效益。對實際上在地層中形成的裂縫是否達到優(yōu)化設計的預期結(jié)果進行量化分析，并評估一二次采油期的產(chǎn)量(注入量)是否達到優(yōu)化設計的預測結(jié)果。顯然，具體的油藏應有其具體的優(yōu)化方案，不存在一個通用的總體優(yōu)化模式。對低滲油藏，壓裂設計的基礎應立足并滿足油田開發(fā)方案的各項要求。如在吐哈鄯善油田，低滲油藏的總體壓裂研究就是基于已有的五點法開發(fā)井網(wǎng)系統(tǒng)，使油藏總體在注水開發(fā)期取得最高的經(jīng)濟效益，滿足最大限度地提高水驅(qū)油藏的掃油效率，達到較長時期的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。其設計步驟是：①對油藏地質(zhì)資料進行壓前地層評估與材料選擇取得優(yōu)化設計計算的基本輸入數(shù)據(jù)；②再使用油藏模擬、水力壓裂模擬與經(jīng)濟模型進行一次采油期的經(jīng)濟優(yōu)化縫長設計與產(chǎn)量預測；③然后根據(jù)優(yōu)化縫長(包括已確定的導流力)使用黑油模型進行二次采油期的掃油效率及其產(chǎn)量預測，若取得優(yōu)化結(jié)果則可完成最終報告。但若處理后發(fā)現(xiàn)掃油效率下降，不能獲得持續(xù)較長時間的無水采油期與長期的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。7.特殊的壓裂設計考慮以上介紹的壓裂設計是一種針對常規(guī)均質(zhì)油藏設計方法，人們可以此為基礎，對所有的井進行施工設計。但對天然裂縫性油藏，不希望的縫高延伸和蔬松儲層的壓裂有許多限定條件，需特殊考慮。(1)天然裂縫性油藏許多天然裂縫性油藏有很高產(chǎn)量，因而無需進行水力壓裂即可增加開采量。但對有些具有中等的天然裂縫密度的油藏，為了經(jīng)濟開發(fā)，依然需要壓裂。天然裂縫性油藏對加砂壓裂施工有顯著的影響，這些天然裂縫可大大增加壓裂液濾失速度，從而導致砂堵。為了成功地進行泵注作業(yè)，需泵入足夠量的前置液，從而產(chǎn)生大于支撐劑體積的裂縫體積，或有足夠大的排量以彌補濾失掉的液體。(2)不理想的縫高延伸有時縫高的延伸并非是人們所希望的。有些壓裂層段附近存在氣或水，一旦與延伸的裂縫相遇就會被產(chǎn)出。另外，由于縫高增加，縫長受損，使作業(yè)費用增加。此時，為減少不希望的縫高延伸，可降低施工排量和井底施工壓力。(3)疏松油層的壓裂在松軟或松散的巖層中壓裂，由于支撐劑的嵌入或與油藏物質(zhì)相混，使支撐縫導流能力下降。為減少這種可能性，可使用較高的支撐劑濃度，或者鋪置一個平衡堤，以產(chǎn)生最大的支撐縫寬。另一種方法是使用環(huán)氧樹脂涂層的石英砂，通過形成一個真正牢靠的支撐劑堤來保證裂縫的完整性。如果不可能出現(xiàn)垂向縫高延伸，可利用低粘液體來形成平衡的支撐砂提，獲得更寬的支撐縫。六、

壓裂工藝

壓裂是靠在地層中造出高滲透能力的裂縫，從而提高地層中流體的滲流能力。從一口井的增產(chǎn)來說，壓裂主要解決有一定能量的低滲透地層的產(chǎn)量問題或井底堵塞而影響生產(chǎn)的井。

選井要求：有足夠的地層壓力、油飽和度及適當?shù)貙酉禂?shù)的井；另外選井要注意井況，包括套管強度，距邊水、氣頂?shù)木嚯x，有無較好的遮擋層等。在選井層的基礎上，還要妥善地解決一些工藝技術的問題，保證壓裂設計的順利執(zhí)行。1.分層壓裂

對多油層的油井壓裂，在多層情況下，要進行分層壓裂。利用封隔器的機械分層方法、暫堵劑的分層方法、限流法或填砂法都可以進行分層壓裂作業(yè)。(1)堵球法分層壓裂方法：堵球法分層壓裂是將若干堵球隨液體泵入井中，堵球?qū)⒏邼B透層的孔眼堵住，待壓力蹩起，即可將低滲層壓開。特點：可在一口井中多次使用，一次施工可壓開多層。施工結(jié)束后，井底壓力降低，堵球在壓差的作用下，可以反排出來。優(yōu)點是省錢省時，經(jīng)濟效果好。(2)封隔器卡分法分層壓裂使用封隔器一次多層壓裂的施工方法已被廣泛采用。共有三種方法，即憋壓分層壓裂、上提封隔器分層壓裂、滑套分層壓裂。憋壓分層壓裂是用幾個封隔器隔開欲壓的各個層段，在每個上封隔器的下面接一個單流凡爾球座，在球座下面的封隔器上安一個帶噴嘴的短節(jié)，噴嘴用銅皮封隔。壓裂時，先壓最下面一層，然后投球封閉底層，再憋壓將第二層壓開，依次將各層壓開。憋壓法壓裂一次可壓3層。

上提封隔器分層壓裂是用封隔器預先按施工設計卡開井下需要壓裂的最下1～2個層段，壓完后停泵使封隔器膠筒收縮，然后再按預先設計好的上提深度起出部分油管，啟泵再進行上一個層段的壓裂施工?；追謱訅毫炎韵露线M行，首先壓裂最下層，壓完后不停泵，用井口投球器投一鋼球，使之坐在最下面噴砂器的上一級噴砂器的滑套上，憋壓剪斷銷釘后，滑套便會落入下一級噴砂器上，使出液通道封閉，從而壓裂第二層，依次類推，可實現(xiàn)多層壓裂。(3)限流法分層壓裂

限流法分層壓裂工藝是當一口井中具有多層而各層之間的破裂壓力有一定差別時，通過嚴格控制各層的孔眼數(shù)及孔徑的辦法，限制各層的吸水能力以達到逐層壓開的目的，最后一次加砂同時支撐所有裂縫。特點：是在完井射孔時，按照壓裂的要求設計射孔方案(包括孔眼位置、孔密度及孔徑)，從而使壓裂成為完井的一個組成部分。由于嚴格限制了炮眼的數(shù)量和直徑以及層內(nèi)局部射開和層間同時壓開，使得該工藝對套管和水泥環(huán)的損害較小，一般不會導致串槽。2.高砂比、端部脫砂及重復壓裂高砂比、端部脫砂及重復壓裂方式都與增加縫中的鋪砂濃度有關，都屬于高砂比壓裂的范疇，但是它們在施工工藝及理論上還有一定差別。(1)高砂比壓裂

所謂高砂比壓裂是指裂縫內(nèi)砂濃度大于10kg/m3的壓裂。主要用于高滲油氣層的壓裂和重復壓裂。目的：是要造成高導流能力的裂縫，從而提高壓裂的增產(chǎn)效果。高砂比壓裂方法主要有：1)大粒徑高砂比壓裂。大粒徑高砂比壓裂基本思想是先壓入大量前置液，使地層形成較寬的裂縫，然后泵入攜帶有高濃度大粒徑支撐劑的高粘攜砂液，充滿裂縫各處，形成具有較高導流能力的裂縫。2)超高砂比壓裂。超高砂比壓裂程序是在壓裂前首先對油井及附近地層進行酸化預處理，以清除堵塞及井底附近鈣質(zhì)沉淀物，同時擴大壓裂井段孔眼直徑，加密孔眼數(shù)以防止注入的高砂比攜砂液在井底形成砂堵。通過增加前置液量產(chǎn)生較寬的裂縫，使高砂比攜砂液在縫內(nèi)形成高濃度支撐縫段，提高裂縫導流能力。超高砂比壓裂方法的應用，使縫內(nèi)支撐劑濃度由常規(guī)壓裂的小于10kg/m3增加到35kg/m3。高砂比壓裂設計的關鍵是要造成高導流能力的裂縫。要達到這個目的，除了要有良好的壓裂設備和工藝條件外，還要根據(jù)高滲地層的特點，確定合適的加砂濃度、攜砂液、支撐劑和前置液用量以及地面加砂程序(防止砂堵)，以保證施工的順利進行。(2)端部脫砂壓裂

端部脫砂壓裂工藝技術的特點是有意在一定縫長的端部(周邊)形成砂堵，阻止裂縫向前延伸，同時以一定的排量繼續(xù)泵入不同支撐劑濃度的壓裂液，迫使裂縫“膨脹”獲得較寬的裂縫和較高的砂濃度，達到提高導流能力的目的。

在高滲層中進行壓裂的原則應是縫相對較短而導流能力要求很高。在一定閉合壓力下，選擇適當?shù)闹蝿╊愋?、粒徑，并選用閉合后對填砂裂縫傷害最小的壓裂液體系，有可能得到需要的填砂滲透率。如果考慮到支撐劑的嵌入、破碎及微粒遷移等各種因素增加支撐劑的層數(shù)，亦即增加縫內(nèi)支撐劑的濃度，這將是保證高滲透率的有效措施，但此時必然會導致縫寬增大。因此提高填砂裂縫導流能力必然是縫寬與填砂裂縫滲透率同時提高的結(jié)果。當縫長延伸到設計長度時，也正是前置液完全濾失于地層的時刻。后到的攜砂液到達此處后，由于液體的迅速濾失，形成難以流動的砂堆，隨即發(fā)生砂堵。繼續(xù)泵入攜砂液，由于縫端被堵沒有出路，致使裂縫加寬、膨脹，并在縫中填滿了支撐劑。圖13-10是比較典型的端部脫砂壓裂過程中壓力的變化。隨著地層破裂，裂縫延伸，壓力不斷升高之后，接著是壓力下降，這是由于隨著長度的增加，造成過多的濾失所致。前置液完全濾失后在端部形成砂堵，圖上出現(xiàn)在施工后期壓力迅速上升即描述此過程，此時形成的動縫寬可能有常規(guī)壓裂的2倍。常規(guī)開采的出砂井，由于井底附近徑向流所引起的巨大壓降，使液流作用在砂粒上的拖曳力超過砂子之間的粘著力而進入井中，砂層被破壞。這種不穩(wěn)定性會導致井底附近滲透率變差、產(chǎn)量減少、作業(yè)工作量加大等一系列問題。端部脫砂技術能降低井底附近的壓降梯度，也能收到礫石充填支撐砂層的作用。端部脫砂技術的使用條件是被深度污染且酸化不可能有效解除的中高滲地層；不適于采用酸化處理的地層；存在底水、氣頂或靠近注水井的地層或由于縫高及縫長的限制，不可能進行大規(guī)模壓裂的油井；膠結(jié)疏松的易出砂地層。

(3)重復壓裂

經(jīng)初次壓裂的井層，其增產(chǎn)能力在有效的年限內(nèi)將會失效，為恢復或提高初次壓裂井的生產(chǎn)能力，要采用重復壓裂技術。重復壓裂限于已經(jīng)壓裂地層的重復，不是指采用各種分層壓裂措施，將井中的其它小層壓開。在一定條件下，由于初次壓裂的裂縫引起了近井地帶孔隙壓力的重新分布和支撐的裂縫使地應力場改變。應力場的變化在一定范圍內(nèi)有可能使復壓裂縫垂直于或不同于初壓裂縫的方位。1)水力裂縫誘發(fā)的應力場垂直于最小主應力的裂縫在兩個水平主應力方向上都誘發(fā)壓應力。最大的誘發(fā)應力的大小等于裂縫閉合后作用在支撐劑上的凈壓力(超出閉合壓力的值)并垂直于縫面。裂縫的存在對應力場的影響，隨著遠離縫面而迅速減小。為了使復壓裂縫與初壓裂縫在方位上有差別，應使誘發(fā)的壓應力足夠大，致使兩個水平應力分量發(fā)生變化，導致原最小主應力變成最大主應力。此時重復壓裂的裂縫方位則垂直于初壓裂縫方位。如果作用在支撐劑上的凈壓力不大，上述機制只能在兩個主應力差值相差不大的情況下才能發(fā)生。由于壓應力離開裂縫后，隨距離的增加迅速減小，有可能使新生的裂縫又重新轉(zhuǎn)向，平行于初壓裂縫。2)生產(chǎn)誘發(fā)的應力場

由于從初次壓裂的裂縫中產(chǎn)出液體，在裂縫周圍油藏中的壓力梯度發(fā)生變化，也影響到應力場。如果應力場的某點單元巖石受到限制，該點應力的降低值與該點的壓降成正比。在裂縫附近，平行或垂直于縫面上都會有由于孔隙壓力的變化而誘發(fā)出來的張應力。但此張應力被稍遠于裂縫的壓應力所抵銷，如果由于孔隙壓力誘發(fā)的應力差大于原先存在的兩個平面上的最大與最小主應力差，那么這兩個應力就要換向。此時的復壓裂縫將垂直于初壓裂縫。如果生產(chǎn)時的井底流壓不變，隨著生產(chǎn)的繼續(xù)，受壓力影響的地區(qū)，將離裂縫向遠處擴展。同時隨著張應力在水平面上影響距離的增加，在縫面上誘發(fā)的應力，先是增加，然后減少。應力差改變所需的時間幅度取決于距井眼的距離與地層的性質(zhì)。在誘發(fā)張應力影響區(qū)域之外，重復壓裂的裂縫還要平行于初次壓裂的裂縫延伸。隨后壓應力影響的范圍已擴展到遠離裂縫的地區(qū)，在裂縫轉(zhuǎn)向平行于初壓裂縫之前，已經(jīng)延伸到相當遠的位置。在以后的時間里，誘發(fā)的張應力可能已無力超過原先在離井某距離的最大最小主應力差，在此位置上復壓裂縫的方位將開始稍有轉(zhuǎn)向。因此可以說原先兩個主應力差比較小時，復壓裂縫在垂直于初壓裂縫的方向上得到最大延伸。在初次壓裂后的3.5～5年是復壓裂縫轉(zhuǎn)向的有利時機，此時壓力差達到了改變符號的最大值，復壓裂縫在轉(zhuǎn)向前一般可達90m長。從孔隙壓力垂向分布上看，復壓裂縫的端部已穿透到高孔隙壓力區(qū)，這是提高產(chǎn)量的有利保證。3.用人造阻擋層控制裂縫高度

人造阻擋控制縫高是指在壓裂液中加入一種固體添加劑，在裂縫的上部形成一個人工阻擋條帶，用以起到阻擋層的作用。該工藝方法的基礎是裂縫中的流體流動遵守沿阻力最小的流道流動的法則。如果要防止裂縫向下延伸，則使用較重的支撐劑輸入到新生的裂縫底部，此后壓裂液就能導向向裂縫上部流動。利用比重小的固體顆粒在裂縫的液體中靠浮力自動進入裂縫的高部位形成一條人造阻擋帶，以控制裂縫向上延伸。這種固體添加劑在泵入支撐劑之前泵入使它聚集在新生縫的頂部。由于這種人工阻擋條帶部分阻擋了縫內(nèi)高壓向上部地層的傳遞，因此可以適當?shù)靥岣咛幚韷毫Χ粫兄铝芽p向上延伸的風險。

第三節(jié)高能氣體壓裂

高能氣體壓裂(HighEnergyGasFracturing,簡稱HEGF)是繼爆炸壓裂、水力壓裂之后發(fā)展起來的一項油水井增產(chǎn)增注技術。它是利用特制火藥或火箭推進劑在井筒中油層部位快速燃燒所產(chǎn)生的高溫高壓氣體，將油層壓出輻射狀徑向多裂縫體系，從而有效地穿透井筒附近的污染帶，勾通天然微裂縫，改善近井地帶滲透性能，達到油水井增產(chǎn)增注的目的。高能氣體壓裂具有施工簡便、成本低廉、污染小的顯著優(yōu)點，它的發(fā)展為低產(chǎn)能井的改造提供了新手段。一、

高能氣體壓裂增產(chǎn)機理高能氣體壓裂的增產(chǎn)機理主要基于下述四方面的作用。1.機械作用當高能氣體發(fā)生器在井下燃爆時，產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體，在0.1～0.2ms即達到峰值壓力。這種較高的加載速率導致在地層中形成輻射狀的徑向多裂縫體系，不僅穿透近井地帶污染區(qū)，而且溝通了地層的天然微裂縫，如圖13-24所示，使導流能力顯著提高。2.熱作用一般井溫可達230～600℃。井溫變化的結(jié)果將產(chǎn)生兩方面的作用效應：一方面，燃氣熱量汽化部分壓井液體，并在液相中傳導建立不均勻分布的溫度場；另一方面，燃氣通過套管及射孔炮眼將熱量傳遞給地層，使其溫度升高。壓井液及地層溫度的升高，對清除蠟質(zhì)、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)的堵塞起了重要的作用。3.化學作用高能氣體壓裂的化學作用是指燃氣中的CO、CO2、HCl及H2S成分遇水形成酸液對巖層的作用。