水力壓裂裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化

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1、水力壓裂裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化與影響因素分析邢振輝圣戈班陶粒中國(guó)公司水力壓裂工藝技術(shù)作為油氣增產(chǎn)的主要手段，已經(jīng)在石油工業(yè)中牢牢確立了自己的地位。在水力壓裂引入石油工業(yè)的頭40年中，它主要應(yīng)用于低滲透油氣藏的開(kāi)發(fā)當(dāng)中，然而，在最近的20年來(lái)，水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用逐步擴(kuò)展到了中-高滲油氣藏的開(kāi)發(fā)中來(lái)，同目前最先進(jìn)的鉆井、完井工藝結(jié)合在一起，在壓裂解堵、薄層改造、壓裂防砂、水平井增產(chǎn)改造等方面發(fā)揮著重要作用。水力壓裂的主要目的在于提供一條連通地層與井筒的高導(dǎo)流能力通道，改變地層流體的滲流方式，以最大限度的提高油氣的生產(chǎn)指數(shù)（PI）。

2、因此，裂縫導(dǎo)流能力的好壞以及其與地層滲流能力的良好匹配，無(wú)論對(duì)于低滲透致密油氣藏還是低壓中--高滲儲(chǔ)層，都是影響其壓裂增產(chǎn)改造效果的重要因素。裂縫導(dǎo)流能力的定義裂縫導(dǎo)流能力定義為：平均支撐裂縫的寬度wf與支撐裂縫滲透率kf的乘積。公式表示如下:(1)其物理意義是支撐裂縫所能提供的供液體流動(dòng)的能力大小。其中，kf應(yīng)為就地應(yīng)力條件下的支撐裂縫滲透率。通常在壓裂設(shè)計(jì)中，支撐劑滲透率參數(shù)常來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，這是因?yàn)閷?shí)際就地應(yīng)力條件下的支撐劑滲透率數(shù)據(jù)很難獲得。然而，實(shí)驗(yàn)室條件同真實(shí)的地層條件相比存在很大差別，支撐劑在地層條件下所

3、遭受的破壞可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們的想象，同時(shí)由于非達(dá)西流以及多相流的影響，支撐裂縫的滲透率將大大降低。因此，在壓裂設(shè)計(jì)中，常將實(shí)驗(yàn)室獲得的支撐劑滲透率數(shù)據(jù)乘以一個(gè)傷害系數(shù)進(jìn)行修正。油氣井經(jīng)過(guò)壓裂改造后，其增產(chǎn)效果取決于兩個(gè)方面的因素，即地層向裂縫供液能力的大小和裂縫向井筒供液能力的大小。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)裂縫導(dǎo)流能力與地層供液能力的良好匹配，引入了無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力的概念。其公式表示如下：（2）式中：CfD為無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力Xf為裂縫半長(zhǎng)K為地層滲透率。Cf為裂縫導(dǎo)流能力無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力CfD的物理含義是裂縫向井筒中

4、的供液能力與地層向裂縫中的供液能力的對(duì)比。（2）式中，除地層滲透率K外，裂縫支撐寬度wf，裂縫支撐半長(zhǎng)Xf以及支撐裂縫滲透率kf都可以通過(guò)對(duì)壓裂施工規(guī)模，施工參數(shù)和支撐劑的選擇進(jìn)行調(diào)控。因此，CfD是進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)主要變量，它對(duì)壓后的增產(chǎn)效果有著重要的影響。無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力CfD的評(píng)價(jià)與優(yōu)化無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力是我們進(jìn)行壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到最佳壓后增產(chǎn)效果的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于具有不同的儲(chǔ)層系數(shù)（kh）和地層壓力的油氣藏，壓裂設(shè)計(jì)時(shí)所要求的無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力是不同的。1因此，如何針對(duì)具體的儲(chǔ)層特點(diǎn)，正確地進(jìn)行

5、無(wú)因次裂縫導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)與優(yōu)化就顯得十分重要。通常，在油藏中的一口生產(chǎn)井，其泄流面積都是有限的。在其生命周期的大多數(shù)時(shí)間當(dāng)中，油氣井都是以所謂擬穩(wěn)態(tài)的流態(tài)在生產(chǎn)，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，是以有邊界控制的流動(dòng)狀態(tài)在生產(chǎn)。在此期間，我們定義單位生產(chǎn)壓降的產(chǎn)量為生產(chǎn)指數(shù)（PI），即：（（（3）））如果我們假設(shè)一口在泄流面積中央的直井存在兩條裂縫，那么，能夠提供越大的生產(chǎn)指數(shù)（PI）的裂縫無(wú)疑越好。為了更好地進(jìn)行比較，又引入了無(wú)因次生產(chǎn)指數(shù)的概念，其定義為：（4）式中，JD:無(wú)因次生產(chǎn)指數(shù)；α1：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)換常數(shù)B:地層體積因子；μ:地層流體

6、粘度h：產(chǎn)層厚度；k:地層滲透率J：生產(chǎn)指數(shù)對(duì)于未壓裂井來(lái)說(shuō)，公式（5）即為非常著名的無(wú)因次生產(chǎn)指數(shù)的表達(dá)式：（5）考慮到鉆井完井過(guò)程中對(duì)地層的傷害，（5）式中加入了表皮系數(shù)S項(xiàng)。對(duì)于壓裂改造井來(lái)說(shuō)，JD主要受到以下幾方面因素的影響：產(chǎn)層中的鋪砂量濃度、支撐裂縫滲透率與地層滲透率之比，以及裂縫的幾何形態(tài)。所有這些因素都可以歸結(jié)為兩個(gè)無(wú)因次變量Cfd和和和Ix.其中Ix為裂縫穿透率，定義為：（6）其中，Xf為裂縫半長(zhǎng)，Xe為泄流區(qū)長(zhǎng)度或直徑。為了確定最大無(wú)因次生產(chǎn)指數(shù)下的最佳無(wú)因次導(dǎo)流能力CfD,McGuire和Sikor

7、a在1960年將JD作為CfD的函數(shù)，同時(shí)將Ix作為參考變量，繪制了著名的McGuire-Silora無(wú)因次生產(chǎn)指數(shù)與無(wú)因次導(dǎo)流能力CfD的半對(duì)數(shù)曲線圖。如圖1所示。該圖過(guò)去常作為確定施工規(guī)模和裂縫尺寸的有效工具。圖中，當(dāng)CfD為10時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的不同裂縫長(zhǎng)度（Ix）的曲線均達(dá)到或接近其對(duì)應(yīng)的最大JD值。這也是為什么過(guò)去我們?cè)趬毫言O(shè)計(jì)時(shí)，常將CfD=10作為優(yōu)化裂縫導(dǎo)流能力的設(shè)計(jì)依據(jù)的原因。圖1McGuire-Silora無(wú)因次生產(chǎn)指數(shù)與無(wú)因次導(dǎo)流能力半對(duì)數(shù)曲線2然而，該圖版并不能清楚地告訴我們，當(dāng)CfD為10時(shí)，選擇哪

8、一條Ix曲線最佳，或者在一條指定的曲線上，哪一點(diǎn)是最佳點(diǎn)。原因是該圖版忽略了創(chuàng)造一條支撐裂縫的成本因素。同時(shí)，對(duì)低滲儲(chǔ)層和中-高滲儲(chǔ)層，該圖版也沒(méi)有指出在無(wú)因次導(dǎo)流能力優(yōu)化時(shí)二者之間的差別。為此，Valko與Economides在1998年首次提出了“無(wú)因次支撐劑數(shù)”的概念，取代Ix以更恰當(dāng)?shù)孛枋瞿炒螇毫咽┕さ南鄬?duì)施