1、第十三章,油水井增产增注措施,第一节 水力压裂,第二节 酸 化,第十三章 油水井增产增注措施,定义：当地面高压泵组将液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中时，在井底附近蹩起超过井壁附近地层的最小地应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。随带有支撑剂的液体注入缝中，裂缝逐渐向前延伸，这样，在地层中形成了具有一定长度、宽度及高度的填砂裂缝。,第一节 水力压裂,增产原理：径向流,作用,在压裂中，了解裂缝的形成条件，裂缝形态及方向对有效地发挥压裂在增产，增注中的作用是极为重要的。但由于地下条件的复杂性，虽然进行了大量的研究，但仍未得到较好的解决。,地层中造缝的影响因素,井底附近的地应力及其分
2、布,岩石力学性质及压裂液渗滤性质,注入方式,一、 造缝机理, 一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态。作用在地下某单元体上的力有垂向主应力 及水平主应力 (其中又分为互相垂直 的和 )。 (1) 应力垂向应力：作用在单元体上的垂向应力来自上覆岩层的重量，其数值约为,1. 地应力及其分布,有效垂向应力,岩石的有效水平应力为：,推导：单元体在x轴方向上的应变为,侧向应变为0，令,则得,如果岩石单元体是各向同性材料，岩石破裂时的裂缝方向总是垂直于最小主应力轴。,(2) 地质构造对应力的影响,(3) 井壁上的应力,1) 井筒对地应力及其分布的影响,圆孔周向的应力分布 ：,A）当r=a且x=y=H时，=
3、2x=2y=2H,B) 当r=a, x y 时，,c) 当r=, =2H , 破裂压力大于延伸压力,简化：根据拉梅公式, 当厚壁筒外边界半径re，厚壁筒外边界压力Pe=0时，井壁上r=a处的周向应力:,2) 井眼内压所引起的井壁应力,由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了一个附加应力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为：,岩石骨架压缩系数,岩石体积压缩系数,其中：,3) 压裂液径向渗入地层所引起的井壁应力,总周向应力：,总垂向应力：,4) 井壁上的总应力, 为使地层破裂，必须使井底压力高于井壁上的总应力及岩石的抗张强度。,条件：如果地层的破裂属于
4、纯张力破坏，那么随井内注入压力 的不断增加， 当 达到或超过井壁附近地层的最小周向应力及岩石水平方向的抗张强度 时，在垂直于水平周向应力的方向上产生垂直裂缝，即：,2. 造缝条件,(1) 形成垂直裂缝,其中：,即：,1）当有滤失时：,2）无滤失时：,条件：当注入压力达到或超过井壁附近地层的最小垂向应力及岩石的垂向抗张强度时，在垂直于垂向应力的方向上产生水平裂缝，其条件为：,(2) 形成水平裂缝,1）存在滤失时：,2）无滤失时：, 压裂液是为造缝与携砂使用的液体，是水力压裂的关键组成部分。压裂液是一个总称，根据其在压裂过程中的任务不同可分为前置液、携砂液和顶替液。,二、 压裂液,1）前置液：作用
5、是破裂地层并造成一定几何尺寸的裂缝以备后面的携砂液进入，它还起到一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在一部分前置液中加细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失。2）携砂液：作用是将支撑剂带入裂缝中并将砂子放到预定位置上去。在压裂液的总量中，这部分占的比重较大。有造缝及冷却地层的作用。3）顶替液：作用是打完携砂液后，用于将井筒中全部携砂液替入裂缝中。中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有预防砂卡的作用。,压裂液分类及作用,前置液及携砂液必须具备的性能要求： 1) 滤失少 压裂液的滤失性主要取决于它的粘度与造壁性，粘度高则滤失少。在压裂液中添加防滤失剂，能改善造壁性并大大减少滤失量。 2
6、) 悬砂能力强 压裂液的悬砂能力主要取决于粘度，压裂液只要有足够高的粘度，砂子即可完全悬浮，这对砂子在缝中分布是非常有利的。 3) 摩阻低 压裂液的摩阻愈小则在设备功率一定的条件下，利用造缝的有效功率愈大。摩阻过高不仅降低了有效功率的利用，且由于井口压力过高，排量降低。,性能要求,4) 稳定性 压裂液应具有热稳定性，不能由于温度的升高而使粘度有较大的降低；液体还应有抗机械剪切的稳定性，不因流速的增加而发生大幅度的降解。 5) 配伍性 压裂液进入地层后与各种岩石矿物及流体相接触，不应产生不利于油气渗滤的物理化学反应。 6) 低残渣 要尽量降低压裂液中水不溶物的数量，以免降低岩石及填砂裂缝的渗透率
7、。 7) 易反排 施工结束后大部分注入液体反排出井外，排液愈完全，效果愈好。 8) 货源广 便于配制，价钱便宜。,性能要求, 随着水力压裂技术的发展，压裂液由最初的原油和清水逐步发展为目前经常使用的水基、油基、酸基压裂液及多相压裂液等。(1) 水基压裂液水基压裂液主要是用水溶胀性聚合物作为成胶剂，制成能悬浮支撑剂的稠化溶液，具有粘度高、摩阻低及悬砂能力强的优点。 缺点：但热稳定性和机械剪切稳定性较差。为了克服这一缺点，又发展了交链压裂液和延迟交链压裂液。,1. 压裂液的类型,a.矿场原油或炼厂粘性成品油 b.稠化油 ，稠化油 =油（原油、汽油、柴油、煤油、凝析油 ）+稠化剂（脂肪酸铝皂、磷酸酯
8、铝盐,压裂液的类型,(3) 酸基压裂液用植物胶或纤维素稠化酸液得到稠化酸或用非离子型聚丙烯酰胺在浓盐酸溶液中，以甲醛交链而得到酸冻胶。 酸基压裂液适宜于碳酸盐类油气层的酸压。,(2) 油基压裂液,1）泡沫压裂液 外相： 水、水基溶胶或水基冻胶 内相：气体 优点：对地层伤害小、携砂能力和造缝能力强、易于反排、摩阻低等特点。 缺点：所需注入压力高。 2) 乳化压裂液 乳状液是用表面活性剂稳定的两相非混相液的一种分散体系 。 优点：携砂能力强、粘度高、热稳定性好、对地层损害小、排液快 。 缺点：摩阻大、成本高,(4) 多相压裂液,压裂液滤失是指在裂缝与储层的压差作用下压裂液向储层中的滤失。,压裂液的
9、粘度 地层岩石及流体的压缩性 压裂液的造壁性。,2. 压裂液的滤失性,主要受三种因素的控制,当压裂液的粘度大大超过地层油的粘度时（即：）时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，压裂液在多孔介质中的实际渗流速度va为：,(1) 受压裂液粘度控制的滤失系数,代入达西公式：,令,则得：,受压裂液粘度控制的滤失系数,当压裂液的粘度接近于地层流体的粘度时，即（ ）时，压裂液的滤失主要取决于地层流体的压缩性。这是因为流体受到压缩，让出一部分空间，压裂液才得以滤失进来。q 以为因压力降低p 所引起的液体的膨胀dV(忽略岩石的体积膨胀 ),则单元地层体积内液体的体积V为:,(2) 受地层流体压缩性控制的滤
10、失系数,对无限地层，边界压力为常数的解为：,上式对x求导得缝壁面上的压力梯度值：,滤失系数, 有的压裂液具有很好的造壁性，其中添加有防滤失剂(硅粉或沥青粉等)，能在壁面上形成滤饼，有效地降低滤失速度，其滤失系数由实验方法确定 。 （4）综合滤失系数 C 根据水电相似原理 有,(3) 具有造壁性压裂液的滤失系数C3, 支撑剂：储层形成裂缝后,由携砂液输送、携带充填至裂缝中的具有一定强度与圆球度的固体颗粒。作用：泵注停止且缝内液体排出后保持裂缝处于张开状态，地层流体可通过支撑剂由裂缝流向井底。,三、 支撑剂及支撑剂输送,1. 支撑剂 (1) 支撑剂类型,支撑剂按其力学性质分为两大类： 1）脆性支撑
11、剂(如石英砂、玻璃珠等)，特点是硬度 大，变形小； 2）韧性支撑剂(如核桃壳、铝球等)，特点是变形大，承压面积随之加大，高压下不易破碎。,1) 粒径均匀。支撑剂粒径均匀可提高支撑剂的承压能力及渗透性。目前使用的支撑剂直径多半是0.420.84 mm(4020目)，有时也用少量直径为0.842 mm(2010目)的。2) 强度高。支撑剂组成不同，其强度也不同，强度越高，承压能力越大。3) 杂质含量少。压裂砂中的杂质是指混在砂中的碳酸盐、长石、铁的氧化物及粘土等矿物质。常用酸溶解度来衡量存在于压裂砂中的碳酸盐、长石和氧化铁含量；用浊度来衡量存在于压裂砂中的粘土、淤泥或无机物质微粒的含量。 ,(2)
12、 对支撑剂的要求,4) 砂子圆球度要好。砂子的球度是指砂粒与球形相近的程度，圆度表示颗粒棱角的相对锐度。支撑剂颗粒圆且大小大致相同时，颗粒上应力分布比较均匀，可承受的载荷比较大。 5) 密度小。若密度大，在压裂液中悬浮及在裂缝中充填较困难。 6) 来源广、价廉。,(2) 对支撑剂的要求,填砂裂缝的导流能力：是裂缝闭合后，支撑剂充填带对储层流体的通过能力。值为：,(1) 导流能力确定1）在室内模拟地层条件下测得 ；2）不稳定试井方法求得 ；3）数值模拟方法加以估计 。,2. 填砂裂缝导流能力,1) 根据油层性质和埋藏深度经室内试验确定能满足压裂增产效果的石英砂粒径及浓度。 一般在低闭合压力下浅层
13、可选用大颗粒支撑剂；在高闭合压力下，选用粒径较小的支撑剂；裂缝面积上高浓度的支撑剂比低浓度的支撑剂有较高的导流能力。 2) 根据实际需求量选货源广又符合要求的砂产地，做到既经济，又来源充足。 3) 选择合适的加砂方式，不同加砂方式要选择不同的支撑剂。,(2) 支撑剂的选择,支撑剂在压裂液中的沉降规律直接影响到填砂裂缝的几何尺寸、支撑剂在缝中的分布规律及填砂裂缝的导流能力。 (1) 单颗粒支撑剂在静止压裂液中的自由沉降斯托克斯利用浮力与阻力相等的原理，得出了无限、静止牛顿液体中颗粒以稳定匀速沉降的基本关系。作用在颗粒上的重力：,3. 支撑剂输送,1)当 时，,颗粒稳定匀速沉降时的阻力：,由F1=
14、F2,2)当,3)当,时，,时，,对于非牛顿幂律压裂液以 代 则：,(2) 支撑剂在裂缝中的沉降此时压裂液受到两种剪切效应，即砂子沉降剪切和液体水平流动的剪切。因此，压裂液受到的总剪切速率为 ：,由于砂子在缝中并不是孤立的单一颗粒，而是在一定的浓度下，此时，一颗砂子的沉降，受到其它砂子的影响，这种条件下的沉降称为干扰沉降。常用的干扰沉降速度的计算式为：,其中：,式中 干扰沉降速度， ms； 携砂液中液体所占的体积百分数。地面砂浓度，指单位体积携砂液中支撑剂的质量，kgm3 。,液体中多颗粒沉降时，由于粒间相互干扰作用，使多粒中的单颗粒沉降速度低于多颗粒的沉降速度。,1）单颗粒支撑剂的沉降引起周
15、围液体的向上流动，阻尼了周围颗粒的下沉，砂比愈高阻尼作用愈大； 2）混有砂子的液体混合物的密度、粘度都有所增加，其结果是增大了颗粒的浮力及沉降的阻力，这都使沉降速度变缓。 3）当支撑剂在裂缝中沉降时，壁面使颗粒沉降速度变缓。,相互干扰包括,(3) 影响颗粒沉降的因素,建立压裂裂缝延伸模型是个相当复杂的课题，对压裂裂缝延伸的研究经历了一个逐步发展和完善的过程，由最初的线性模型发展为二维、拟三维及全三维模型。,四、 裂缝扩展模型, 最初研究裂缝扩展的模型是假设裂缝被限制在储层内，即压裂过程中，裂缝始终具有与储层厚度相同的高度，只在长度和宽度两个方向延伸。具有代表性的二维模型有卡特面积公式、PKN和
16、KGD模型。,裂缝扩展模型示意图, 卡特(Carter)利用霍华德(Howard)和法斯特(Fast)假设的裂缝形态，考虑液体滤失而导出了裂缝面积公式。基本假设为： 1）裂缝等宽； 2）压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层； 3）地层中某点的滤失速度取决于该点暴露于液体中的时间； 4）地层中各点的速度函数都是相同的； 5）裂缝中各点压力相同，等于井壁储层处的注入压力。,1. 卡特面积公式,以排量 Q 注入到裂缝中的压裂液，一部分滤失于地层，一部分使裂缝体积增加。,1) 滤失于地层的液量因为滤失量是从两个缝面滤失出去的，所以：面积是时间的函数，上式可写为：,式中:压裂液到达裂缝中某点所需的时间，
17、s； 压裂液到达缝中某点的时刻起的滤失速度，m/s； t注入时间， s；裂缝的单面面积。,2) 使裂缝体积增加的液量,因此,用拉氏变换处理，解得：其中 ；erfc()可以查表或近似计算对于垂直裂缝 ：对于水平裂缝 ：,裂缝半径,缝高,缝长, 珀金斯(Perkins)和克恩(Kern)1966年建立了垂直缝扩展模型，诺尔准(Nordgren)1972年做了进一步改进，考虑了流量沿裂缝的变化。 该模型的假设条件是： 1）缝高为常量;2）岩石具有弹塑性性质；3）裂缝纵向、横向呈椭圆型；4）垂向上无流动，裂缝垂直截面中压力恒定；5）沿裂缝长度某点处的应力状态与其它位置的压力分布无关。,2. PKN模型
18、,缝宽方程 压力方程 连续性方程,藕合迭代求解,在计算过程中, 吉尔兹玛(Geertsma)和德克拉克(Deklerk)利用克里斯丹诺维奇(Khristianovitch)和姚尔托夫(Zheltov)提出动平衡裂缝的概念，提出了裂缝扩展和延伸模型，简称KGD模型 。 动平衡裂缝：由于水力作用裂缝慢慢地扩展，而作用在缝壁上的液体正压力会使裂缝边界处的壁面光滑地闭合 。,3. KGD模型,假设（除了与PKN相同之外）： 1）裂缝以矩形断面从一个线源向外线性地延伸；2）沿缝长的压力分布遵循层流牛顿液在窄的矩形缝中的流动方程；3）采用英格兰(England)与格林(Green)提出的平面应变条件下的岩
19、石破裂方程；4）考虑液体的滤失。 求解： 在实际压裂过程中，裂缝的高度、长度和宽度同时增加，因此二维模型与此不相符合。要真实地模拟垂直裂缝在垂向和横向上的扩展，应按三维空间求解。,3. KGD模型, 水力压裂优化设计是以获得最大经济净现值为目标的压裂设计，一般包括三项内容： 1) 不同缝长及裂缝导流能力下的油、气日产量； 2) 确保上述缝长及裂缝导流能力的作业设计（压裂液用量、支撑剂用量及加砂程序）； 3) 综合1)与2)可获得最高净现值条件下的缝长。,五、 水力压裂优化设计,进行这样的经济优化设计，必须以油藏模拟、裂缝模拟与经济模型等为基本手段。优选出最高经济净现值的设计方案。,优化压裂设计
20、概念图,压裂设计参数分为不可控制参数和可控制参数。不可控制参数是指无法进行调整的储层特征参数，包括：储层渗透率和孔隙度；储层净厚度；储层应力状态；储层压力和温度；储层流体特性及其饱和度；邻近遮挡层的厚度及其延伸范围和应力状态。可控制参数是指可以加以调整来进行优化压裂设计的完井特征参数，包括：井筒套管、油管及井口状况；井下设备；射孔位置和射孔数；压裂液和支撑剂；施工排量等。,1. 压裂设计所需参数,1) 普拉兹(Platz)认为如果裂缝的导流能力及填砂裂缝的长度是有限的，裂缝相当于增加了井的有效半径。如果井半径较小，填砂裂缝又具有较高的导流能力，井的有效半径可按缝长的14来计算。压裂后井的增产倍
21、数可表示为：,压裂前的稳定产量,压裂后的稳定产量,2. 压裂井的产量预测,(1) 垂直裂缝,2) 如裂缝的单翼缝长小于供油半径的110，即时 ，可采用下式计算,3) 麦克奎尔(McGuire)与西克拉(Sikora)作出了电模拟曲线，如图13-6；该曲线的拟合方程为：,其中,3) 麦克奎尔与西克拉法,*（1）低渗层（K10-3um2），因为容易得到较高的裂缝导流能力比值，欲提高压裂效果，应以增加裂缝长度为主。这是压裂低渗、特低透层采取大型压裂技术增加缝长的根据。 *（2）高渗层，不容易得到较高的裂缝导流能力比值，欲提高压裂效果，应提高(Kb)f，片面追求长Lf得不到好的效果。 *（3）对一定缝
22、长，存在一个最佳裂缝导流能力，超过该值而增加裂缝导流能力的效果甚微。 *（4）无伤害井的最大增产比为13.6倍。,增产倍数曲线意义, 比尔登(Bearder)认为如果压出的是对称的水平裂缝，则可用下述两种方法预测产量。,(2) 水平裂缝,1) 相当于扩大的井径 压裂后的稳定生产能力，相当于将井径扩大到裂缝的半径，此时利用径向流动公式：,2) 相当于在地层中存在不连续的径向渗透率如果在裂缝半径内的压降为 ，供油半径至裂缝半径处的压降为 ，则从供油半径到井底的总压降为 ，平均渗透率 为：,增产倍数可近似的表示为：,增产倍数,压裂设计所需裂缝参数是缝高、支撑缝长和平均支撑缝宽、或者支撑缝宽度剖面。如
23、前所述，缝高是用目前技术只能做粗略测量的一个参数。,3. 裂缝几何尺寸的确定, 砂子在缝中的移动，主要受重力与液流携带力的控制。重力企图使砂子沉降下来，携带力则将砂子送至裂缝深处。压裂液粘度高，砂子在液体中呈悬浮状态，在相当长的施工过程中，砂子很少或基本上没有沉降，液体所到之处，皆有砂子。由于液体的滤失，离井轴愈远，该处的砂子浓度愈高。若压裂液粘度不足以使砂子悬浮，砂子进入裂缝后，逐渐沉降下来。,4. 砂子在裂缝中的运移及分布, 裂缝中砂子的理论分布主要有全悬浮式和垂直缝沉降式两种。1) 全悬浮式砂子分布压裂的要求：停泵时支撑剂在缝中仍呈悬浮状态，缝内各处都有一定的导流能力。 若加砂浓度不变，
24、由于压裂液的滤失，缝中的砂分布就会出现缝端部砂浓度(砂比)过高，甚至在缝内发生砂卡，而在近井地带的缝内砂浓度又不足以造成足够的导流能力。,(1) 砂子的理论分布,因为砂子粒径不是均等，流速在裂缝中是变化的，粘度也不能保持恒定，这样就出现了复杂的布砂现象。有的砂沉下来，有的砂还被携带着往远处流动，直到流速低于该粒径的平衡流速，砂子即下沉。,(2) 砂子的实际分布,压裂是靠在地层中造出高渗透能力的裂缝，从而提高地层中流体的渗流能力。从一口井的增产来说，压裂主要解决有一定能量的低渗透地层的产量问题或井底堵塞而影响生产的井。选井要求：有足够的地层压力、油饱和度及适当地层系数的井；另外选井要注意井况，包
25、括套管强度，距边水、气顶的距离，有无较好的遮挡层等。在选井层的基础上，还要妥善地解决一些工艺技术的问题，保证压裂设计的顺利执行。,六、 压裂工艺,压裂施工现场,压裂施工现场,对多油层的油井压裂，在多层情况下，要进行分层压裂。利用封隔器的机械分层方法、暂堵剂的分层方法、限流法或填砂法都可以进行分层压裂作业。,1. 分层压裂,(1) 堵球法分层压裂 方法：堵球法分层压裂是将若干堵球随液体泵入井中，堵球将高渗透层的孔眼堵住，待压力蹩起，即可将低渗层压开。 特点：可在一口井中多次使用，一次施工可压开多层。施工结束后，井底压力降低，堵球在压差的作用下，可以反排出来。 优点：是省钱省时，经济效果好。,(1
26、) 堵球法分层压裂,使用封隔器一次多层压裂的施工方法已被广泛采用。共有三种方法，即憋压分层压裂、上提封隔器分层压裂、滑套分层压裂。憋压分层压裂 是用几个封隔器隔开欲压的各个层段，在每个上封隔器的下面接一个单流凡尔球座，在球座下面的封隔器上安一个带喷嘴的短节，喷嘴用铜皮封隔。压裂时，先压最下面一层，然后投球封闭底层，再憋压将第二层压开，依次将各层压开。憋压法压裂一次可压3层。,(2) 封隔器卡分法分层压裂,上提封隔器分层压裂是用封隔器预先按施工设计卡开井下需要压裂的最下12个层段，压完后停泵使封隔器胶筒收缩，然后再按预先设计好的上提深度起出部分油管，启泵再进行上一个层段的压裂施工。 滑套分层压裂
27、自下而上进行，首先压裂最下层，压完后不停泵，用井口投球器投一钢球，使之坐在最下面喷砂器的上一级喷砂器的滑套上，憋压剪断销钉后，滑套便会落入下一级喷砂器上，使出液通道封闭，从而压裂第二层，依次类推，可实现多层压裂。,封隔器卡分法分层压裂,管柱,喷嘴型压裂管柱,分卡型压裂管柱,采用由导压喷砂封隔器、滑套喷砂器、压裂喷砂器、水力锚、安全接头等工具组成的压裂管柱与限流、炮眼球分级限流、投球法压裂、选择性压裂及常规上提单卡压裂等方法相结合，实现多油层压裂。, 限流法分层压裂：当一口井中具有多层而各层之间的破裂压力有一定差别时，通过严格控制各层的孔眼数及孔径的办法，限制各层的吸水能力以达到逐层压开的目的，
28、最后一次加砂同时支撑所有裂缝。特点：是在完井射孔时，按照压裂的要求设计射孔方案(包括孔眼位置、孔密度及孔径)，从而使压裂成为完井的一个组成部分。由于严格限制了炮眼的数量和直径以及层内局部射开和层间同时压开，使得该工艺对套管和水泥环的损害较小，一般不会导致串槽。,(3) 限流法分层压裂,（1）工艺原理采取低密度射孔，大排量施工，依靠压裂液通过射孔炮眼时产生的摩阻，大幅度提高井底压力，从而使压裂液自动转向，以相继压开破裂压力相近的各个目的层。这项技术的关键是：根据目的地层的物性、砂岩厚度、纵向相邻油层情况及平面上的连通关系，确定合理的布孔方案，确定每个目的层所射孔炮眼数量及直径，以此来控制不同油层
29、的处理强度，获得所需要的产液剖面。,(3) 限流法分层压裂,用途适用油层多、夹层薄的低渗透新井压裂完井。通过低密度射孔、大排量供液，造成足够高的炮眼摩阻使井筒内保持相对较高的压力，从而连续压开破裂压力相近的目的层。,(3) 限流法分层压裂, 高砂比、端部脱砂及重复压裂方式都与增加缝中的铺砂浓度有关，都属于高砂比压裂的范畴，但是它们在施工工艺及理论上还有一定差别。 (1) 高砂比压裂所谓高砂比压裂是指裂缝内砂浓度大于10 kg/m3的压裂。主要用于高渗油气层的压裂和重复压裂。 目的：是要造成高导流能力的裂缝，从而提高压裂的增产效果。,2. 高砂比、端部脱砂及重复压裂,1) 大粒径高砂比压裂。大粒
30、径高砂比压裂基本思想是先压入大量前置液，使地层形成较宽的裂缝，然后泵入携带有高浓度大粒径支撑剂的高粘携砂液，充满裂缝各处，形成具有较高导流能力的裂缝。 2) 超高砂比压裂。超高砂比压裂程序是在压裂前首先对油井及附近地层进行酸化预处理，以清除堵塞及井底附近钙质沉淀物，同时扩大压裂井段孔眼直径，加密孔眼数以防止注入的高砂比携砂液在井底形成砂堵。通过增加前置液量产生较宽的裂缝，使高砂比携砂液在缝内形成高浓度支撑缝段，提高裂缝导流能力。,高砂比压裂方法分类,端部脱砂压裂工艺技术的特点是有意在一定缝长的端部(周边)形成砂堵，阻止裂缝向前延伸，同时以一定的排量继续泵入不同支撑剂浓度的压裂液，迫使裂缝“膨胀
31、”获得较宽的裂缝和较高的砂浓度，达到提高导流能力的目的。,(2) 端部脱砂压裂,经初次压裂的井层，其增产能力在有效的年限内将会失效，为恢复或提高初次压裂井的生产能力，要采用重复压裂技术。重复压裂限于已经压裂地层的重复，不是指采用各种分层压裂措施，将井中的其它小层压开。在一定条件下，由于初次压裂的裂缝引起了近井地带孔隙压力的重新分布和支撑的裂缝使地应力场改变。应力场的变化在一定范围内有可能使复压裂缝垂直于或不同于初压裂缝的方位。,(3) 重复压裂,人造阻挡控制缝高是指在压裂液中加入一种固体添加剂，在裂缝的上部形成一个人工阻挡条带，用以起到阻挡层的作用。该工艺方法的基础是裂缝中的流体流动遵守沿阻力
32、最小的流道流动的法则。如果要防止裂缝向下延伸，则使用较重的支撑剂输入到新生的裂缝底部，此后压裂液就能导向向裂缝上部流动。利用比重小的固体颗粒在裂缝的液体中靠浮力自动进入裂缝的高部位形成一条人造阻挡带，以控制裂缝向上延伸。这种固体添加剂在泵入支撑剂之前泵入使它聚集在新生缝的顶部。由于这种人工阻挡条带部分阻挡了缝内高压向上部地层的传递，因此可以适当地提高处理压力而不会招致裂缝向上延伸的风险。,3. 用人造阻挡层控制裂缝高度,酸化：是靠酸液的化学溶蚀作用以及向地层挤酸时的水力作用来提高地层渗透性能的工艺措施。 酸化有两种基本类型： 1）常规酸化（孔隙酸化）：注酸压力低于地层破裂压力的酸化，简称酸化；
33、酸液主要发挥其化学溶蚀作用，扩大与之接触岩石的孔、缝、洞； 2）酸化压裂 (压裂酸化)：注酸压力高于油(气)层破裂压力的酸化，简称酸压；酸液将同时发挥化学作用和水力作用来扩大、延伸、压开和沟通裂缝，形成延伸远、流通能力高的油气渗流通道。,第二节 酸 化,油水分离装置,预置保护膜,挤前置液+酸,挤替挤液,关井反应,排酸,酸化工艺过程, 储层：碳酸盐地层、砂岩层。碳酸盐地层：储集空间为孔隙、裂缝；矿物成分是方解石(CaCO3)和白云石CaMg(CO3)2，碳酸盐地层的酸处理，就是要解除孔隙、裂缝中的堵塞物质，扩大沟通地层原有的孔隙、裂缝，提高地层的渗透性能。砂岩由砂粒（石英和长石）和胶结物（硅酸盐
34、和碳酸盐类）构成。,一、 酸化增产原理,2HCl+CaCO3=CaCl2+H2O+CO273 100 111 18 441m3,28% 320 438 486 79 193 (kg)液重1140kg,相当于0.162m3体积,(1) 酸岩化学反应（以CaCO3为例说明其反应过程）,1.碳酸盐岩地层的盐酸处理,酸处理后，地层的渗透性能否得到改善，不仅取决于所溶解的碳酸盐岩，还取决于反应生成物的状态。如果反应生成物都沉淀在孔隙里或裂缝里，或者即使不沉淀，但粘度很大，在现有工艺条件下排不出来，那么，即使岩石被溶解掉了，但对于地层渗透性的改善仍是无济于事的。,1）反应生成物的状态,假设反应生成物氯化钙
35、全部溶解于水，则此时氯化钙的重量浓度35%当温度为30时，氯化钙的溶解度为52%，此值大大超过了35%。不会沉淀,氯化钙,193kg的CO2 在标准状态下的体积为98m3。设地层温度为75，地层压力为20 MPa，则1m3残酸液中只能溶解5m3 (标准)，剩下93m3 (标准)则仍为气态，在该地层条件下，约为0.59m3，主要呈小气泡分散在残酸水中。,CO2, 生成物氯化钙：全部溶解于残酸中，其密度和粘度都比水高。 这种粘度较高的溶液：有利：携带固体微粒的能力较强，能 把酸 处理时从地层中脱落下来的微粒带走，防止堵塞；不利：流动阻力增大，对渗流不利。 CO2气泡：从相渗和饱和度来作具体分析。,
36、2）反应生成物对渗流的影响, 其他：残酸液一般都具有较高的界面张力，有时残酸液和地层油还会形成乳状液。这种乳状液有时 相当稳定，对地层渗流非常不利。油气层中含有Al2O3，Fe2O3，FeS等杂质，在盐酸与碳酸盐反应的同时，也会生成AlCl3 ,FeCl3 。再经过水解反应产生Fe(OH)3，Al(OH)3沉淀，这些胶状物是很难从地层中排出来的，形成了所谓二次沉淀，堵塞地层裂缝，对渗流极为不利。,残酸:当酸浓度降低到一定程度(如2%3%)，基本上已失去溶蚀能力的酸液。, 盐酸溶解碳酸盐岩的过程，就是盐酸被中和或被消耗的过程。这一过程进行的快慢，可用盐酸与碳酸盐岩的反应速度（酸岩反应速度）来表示
37、。酸岩反应(固液相反应)是复相反应，其特点是反应只能在相接触界面上进行。把与酸液接触的岩石看成为一个壁面。,(2) 酸-岩化学反应速度,三个步骤组成：（ 1）酸液中的H+传递到碳酸盐岩表面，（2）H+在岩面上与碳酸盐岩进行反应，（3）反应生成物和气泡离开岩面。,表面反应：酸液里的H+在岩面上与碳酸岩的反应。 在恒温、恒压下，酸岩反应速度的数学表达式:,1)酸岩表面反应,盐酸与石灰岩地层的表面反应速度非常快，几乎是H+一接触岩面，立刻就反应完了。 H+在岩面上反应后，就在接近岩面的液层里堆积起生成物、气泡。岩面附近这一堆积生成物的微薄液层为扩散边界层。,溶液垂直于岩面的方向上，没有离子浓度差；而
38、边界层垂直于岩面的方向上，则存在有离子浓度差，由于在边界层内存在着上述的离子浓度差，反应物和生成物就会在各自的离子浓度梯度作用下，向相反的方向传递。,这种由于离子浓度差而产生的离子传递，称为离子的扩散作用。,扩散作用,a) 自然对流作用：由于因密度差异而产生的离子移动。 b) 强迫对流作用：由于裂隙壁面十分粗糙，极不规则，容易形成旋涡，所以，将会产生离子的强迫对流作用 。,对流作用,酸液中的H+是通过对流(包括自然对流和强迫对流)和扩散二种形式， 透过边界层传递到岩面的。H+的传质速度：H+透过边界层达到岩面的速度。,复相反应中， H+的传质速度、表面反应速度和生成物离开岩面的速度，均对总反应
39、速度有影响，但起主导作用的是其中最慢的一个过程。,H+的传质速度表面反应速度。,整个复相反应中，主要取决于H+的传质速度。,酸岩复相反应速度主要取决于H+的传质速度，用表示离子传质速度的菲克定律导出表示酸岩反应速度和扩散边界层内离子浓度梯度的关系式：,2) 酸-岩复相反应速度表达式,面容比：岩石反应表面积与酸液体积之比当其它条件不变时，面容比越大，单位体积酸液中H+的传递到岩面的数量越多，反应速度就越快。地层中的裂缝越宽，面容比越小，则酸岩反应速度越慢。,3) 影响酸-岩复相反应速度的因素,酸液的流速,流速增大，反应速度加快。 低速时，流速对反应速度并无显著的影响； 高速时，由于酸液液流的搅拌
40、作用，离子的强迫对流作用大大加强， H+的传质速度显著增加，致使反应速度随流速增加而明显加快。,提高注酸排量可以增加活性酸深入地层的距离。,酸液的流速,各种类型的酸液，其离解度相差很大。分析：若近似认为边界内H+浓度呈线性变化，酸溶液内部H+浓度c，岩面上H+浓度Cs，边界层厚度，则,对酸与石灰岩反应来说，由于表面反应速度极快，故可认为Cs=0，则上式,反应速度与酸溶液内部H+浓度正比。因此，采用强酸时反应速度快，采用弱酸时反应速度慢。,酸液的类型,实线：各种浓度的鲜酸的初始反应速度； 虚线：各种不同初始浓度的鲜酸在反应过程中，其反应速度的变化规律 。 由实线有： 1）当盐酸浓度 24%后,浓
41、度增加则初始反应速度反而下降。,酸浓度,由虚线可知：浓酸的初始反应速度虽然较快，但当其变为15%浓度的余酸时，其反应速度就比15%浓度的鲜酸反应速度慢得多，初始浓度越高，余酸的反应速度越慢。 这说明浓酸的反应时间比稀酸的反应时间长，有效作用距离远。,当鲜酸变为余酸时，由于已存在有大量的生成物CaCl2，这将使酸液中的Ca2+、Cl-浓度增大，从而使溶液中HCl分子的电离平衡发生移动， 致使H+浓度下降，反应速度变小。,酸液生成物,其它因素(温度、压力等)：温度升高，H+的热运动加剧，H+的传质速度增大，不仅使离子碰撞更加频繁，而且增加了活化离子的百分数，使有效碰撞的次数增加，更趋向于发生化学反
42、应。反应速度随压力增加而减慢。试验指出，总的说来，压力对反应速度的影响不大。,酸压时，酸液沿裂缝向地层深部流动，酸浓度逐渐降低。 残酸:当酸浓度降低到一定程度(如2%3%)，基本上已失去溶蚀能力的酸液。活性酸的有效作用距离:酸液由活性酸变为残酸之前所流经裂缝的距离。 有效作用距离的确定：主要由浓度变化求出Le,由数学模型求出 ，由物理模型求出,然后求出 ，C为2%3%时的Le.,(3) 酸液的有效作用距离, 酸压时，较多形成垂直裂缝，为了简化，把裂缝视作等宽度和等高度的理想垂直裂缝。,设裂缝入口处： C0 ， V0 =常数，存在漏失；C 在高度方向上， =0。,1) 数学模型,故酸液只沿裂缝长
43、度方向和垂直壁面方向流动。这样，可把酸液沿垂直裂缝的三维流动反应简化为酸液在渗透性平行岩板间的二维流动反应，如图13-20所示。,基本假设：恒温恒压下，酸沿裂缝呈稳定层流状态；酸液为不可压缩流体；酸密度均一；H+传质系数与浓度无关。对流扩散偏微分方程为 :,根据H+质量守恒定律，可建立描述以上酸液沿裂缝流动反应的对流扩散偏微分方程。,此偏微分方程的解c(x,y)，就是酸液在裂缝中流动反应时的酸浓度分布规律。,对流扩散偏微分方程,假设裂缝入口: 端酸浓度为C0， 裂缝壁面处，对盐酸与石灰岩反应来说，表面反应速度H+传质速度; 故壁面上的酸浓度c0。 在裂缝中心位置且垂直于壁面的方向上，酸浓度梯度
44、为零。因此，盐酸与石灰岩反应，其边界条件组为:,盐酸与白云岩反应，表面反应速度有限，故边界条件组与这三式不同，做出的图版亦不同，不可混淆。,2) 酸浓度分布规律及计算图的应用,图中纵坐标为贝克来数：,横坐标为无量纲距离数：,计算图的应用,注意：必须选用实际产层温度条件下的曲线，岩性不同，所得的DH+值不同。, 用产层岩石做室内流动模拟实验，确定出 DH+值(H+有效传质系数)。,3) H+有效传质系数的确定,实验条件：恒温，恒压，壁面无漏失，稳定流动。,砂岩组成：砂粒+粒间胶结物砂粒：石英和长石胶结物：硅酸盐类和碳酸盐类。砂岩地层的酸处理，就是通过酸液溶解砂粒之间的胶结物和部分砂粒，或者溶解孔
45、隙中的泥质堵塞物，或其它结垢物以恢复、提高井底附近地层的渗透率。砂岩地层的酸处理多采用土酸进行处理。,2. 砂岩地层的土酸处理,土酸：由10%15%浓度的盐酸和3%8%浓度的氢氟酸与添加剂按不同比例所组成的混合液, 通常之称为土酸(Mud Acid)。,土酸中的氢氟酸(HF)是强酸， HF对砂岩中的一切成分(石英、粘土、碳酸盐)都有溶蚀能力，但不能单独用氢氟酸，而要和盐酸混合配制成土酸，其主要原因有下述两个方面： 氢氟酸与硅酸盐类以及与碳酸盐岩反应。氢氟酸与碳酸钙的反应为：,氢氟酸与硅酸钙铝(钙长石)的反应为：,(1) 土酸处理原理,对CaF2，当酸浓度高时，处于溶解状态，当酸浓度低时，处于沉
46、降状态。 做法：酸液中包含有HCl时，依靠HCl维持酸液较低的pH值，以提高CaF2的溶解度。,氢氟酸与石英的反应为,反应生成的氟硅酸(H2SiF6)在水中可解离为H+和SiF62-，而后者又能和地层水中的Ca+、Na+、NH4+等离子相结合。生成的CaSiF6易溶于水，不会产生沉淀，而Na2SiF6为不溶物质会堵塞地层。 做法：在酸处理过程中，应先将地层水顶替走，避免与氢氟酸接触。,2) 氢氟酸与砂岩中各种成分的反应速度各不相同，氢氟酸与碳酸盐的反应速度最快，其次是硅酸盐(粘土)，石英最慢。VHF-碳酸盐VHF-硅酸盐VHF-石英,VHCl碳酸盐VHF-碳酸盐,因此土酸中的盐酸成分可先把碳酸
47、盐类溶解掉，从而能充分发挥氢氟酸溶蚀粘土和石英成分的作用。,依靠土酸液中的 HCl 成分溶蚀碳酸盐类，并维持酸液较低的pH值，依靠 HF 溶蚀石英和泥质成分，恢复和增加近井地带的渗透率。,2) 氢氟酸与砂岩中各种成分的反应速度各不相同，氢氟酸与碳酸盐的反应速度最快，其次是硅酸盐(粘土)，石英最慢。V碳酸盐V硅酸盐V石英,因此当HF进入砂岩地层后大部分HF首先消耗在与碳酸盐的反应上，不仅浪费了大量价值昂贵的HF ，并且妨碍了它与泥质成分的反应。但是 VHCl碳酸盐VHF-碳酸盐 因此土酸中的盐酸成分可先把碳酸盐类溶解掉，从而 能充分发挥氢氟酸溶蚀粘土和石英成分的作用。,总之依靠土酸液中的盐酸成分
48、溶蚀碳酸盐类，并维持酸液较低的pH值，依靠氢氟酸恢复和增加近井地带的渗透率,溶蚀石英和泥质成分。, 砂岩酸化过程中，影响反应速度的主要因素是HF浓度、HCl浓度、温度、矿物组成等。 1) 氢氟酸浓度：酸岩反应速度除蒙脱石外大多数砂岩矿物都与氢氟酸浓度成正比，因此，为了防止疏松地层破碎，应该用低浓度(1.5%)的氢氟酸进行酸处理。 2) 盐酸浓度：酸岩反应速度一般在强酸介质中加快，高浓度的余酸的反应速度小于同浓度的鲜酸，盐酸的主要作用是保持低pH值，防止二次沉淀。 3) 温度：矿物的溶解是一种热活化现象，因此，反应速度随温度增加而明显增加，对石英矿物，每增加25，速度增加约1倍，但活性酸的穿透深
49、度相应地减小。,(2) 影响土酸反应速度的因素,4) 压力：压力增加，总溶解反应速度略微加快，因为溶解的六氧化硅可以部分变为酸性六氟化硅(H2SiF6)且能迅速引发进一步反应。 5) 矿物组成及可接触表面积：酸岩反应过程中，要接触岩石的矿物性质和总可接触表面积将决定总反应速度。粘土反应速度比长石快，长石反应速度则比石英基质快。接触表面积越大，反应速度越快。,酸液及添加剂的合理使用，对酸处理效果起着重要作用。随着酸化工艺的发展，国内外现场使用的酸液种类和添加剂类型越来越多。,二、 酸液及添加剂,(1) 盐酸盐酸是一种强酸，它与许多金属、金属氧化物、盐类和碱类都能发生化学反应。由于盐酸对碳酸盐岩的溶蚀力强，反应生成的氯化钙、氯化镁盐类能全部溶解于残酸水，不会产生沉淀；酸压时对裂缝壁面的不均匀溶蚀程度高，裂缝导流能力大，成本较低。 缺点: 与石灰岩反应速度快，特别是高温深井，由于地层温度高，盐酸与地层作用太快，因而处理不到地层深部;盐酸会使金属坑蚀成许多麻点斑痕，腐蚀严重;H2S含量较高的井，盐酸处理易引起钢材的脆性断裂。,
