压裂液返排技术现状docx

  油气增产理论与技术（论文） 题 目压裂液返排技术探讨研究现状学生姓名王旦丹学 号4教学院系石油与天然气工程学院专业年级油气田开发工程2015级指导教师 胡永全职 称教授单 位石油与天然气工程学院 完成日期：2016年4月 压裂液返排技术现状 摘要：作为压裂增产作业最重要的环节之一，压后返排工艺将直接影响水力压裂效果。目前，压后返排存在诸多的复杂问题还未解决，返排工作制度的确定多依赖于经验，至今并未形成一套成熟的压后返排理论。压后返排主要面临着以下问题：气井压后返排时机、排液模式、压后返排工作制度快慢难以确定。针对以上问题，通过调研相关文献资料，尝试提出了一种优化返排工作制度的思路。 关键词：压裂液；返排技术；工作制度 1 压裂液返排工艺研究现状 压后返排是水力压裂作业的重要环节。优化合理的返排程序可使滤失到地层的压裂液最大限度地返排出来，减少地层的伤害，提高裂缝导流能力和近井地带油气层的渗透率，改善压裂增产效果。近年来，国内外研究人员对压裂液返排工艺进行了一定研究，大多分布在在通过实验对压裂液返排影响因素的分析、助排压裂液的研制和压裂返排技术方面的研究。 Robinson等人在1988年讨论了采用小油嘴排液以减小裂缝闭合应力的优点，提出了“小排量早期返排”的观点。他们都以为低渗透储层压裂后常常要较长的闭合时间，在此之前压裂液已完全破胶，支撑剂已大量沉降，排液初期经过控制返排速度的办法，尽可能减小地层闭合应力，让支撑剂留在裂缝内，由此减少支撑剂的破碎和回流，实现有效的支撑缝长。 基于以上认识,Robinson等人提出了控制返排的推荐做法: (1)水力压裂前,应有地层闭合应力预测值或测定值,这是选择支撑剂、确定排液程序的基础。 (2)获取本地区裂缝闭合所需的时间。如压裂液破胶时间大于裂缝闭合时间,应当用0.8～ 1.6mm的小油嘴,以19～ 38(L/min)的小排量返排,使裂缝降压。待裂缝闭合后立即关井等待压裂液破胶。即使这样仍会有部分支撑剂倒流入井筒。 (3)如果施工井作业后有自流能力,应当使用2.4mm～ 3.2mm的小油嘴返排,并控制回压至最低(即降低近井筒带的压降)。 (4)关停井、生产井决不能用大油嘴瞬时开井,推荐以每次0.8mm的放大量逐步放大油嘴开井。 (5)油气井生产期间,应定期测定或计算井底流压(BHFP)。当井底流压持续回落,或者当地层净闭合应力接近所用支撑剂的最大允许应力时,就不能再放大油嘴,除非万不得已。 与Robinson等人观点相反，Ely等人1990年提出用强制裂缝闭合工艺，配以较高的支撑剂浓度和严格的压裂液质量控制措施，能极大地改善低渗透油气井支撑裂缝的导流能力。这种“强制裂缝闭合”其实就是一种强化返排方式。强化返排减少了压裂液在地层中的停留时间，由此减少了液体伤害，有助于改善裂缝的导流能力。这种返排程序很适合特低渗地层，能极大地改善低渗透油气井的返排效果，但不具普遍性。而且这种强制裂缝闭合工艺通常会使支撑剂形成严重的“砂堤”(Prop-pant Banking),并且由于大量支撑剂的运移,液体滤失加重,在近井筒带形成“裂缝尖端”(Pinch-Point)。另外,这种返排方式不适合易出水地层。仔细分析造成支撑剂运移和沉积的重要的因素,水力压裂作业的目的无非就是要在泵入结束时使支撑剂在裂缝内完全桥堵形成支撑缝,从这个意义上说,任何强制裂缝闭合的努力都是无意义的,虽然在高渗透地层里需要较高的支撑导流能力,但在低渗 透地层里支撑缝长比支撑缝导流能力更需要,试图保留较高的铺砂浓度就显得不经济。 图1.1 XX井放喷返排曲线 Barree和Mukherjee1995年使用全三维裂缝几何模拟器，系统研究了裂缝闭合期间支撑剂的沉降规律，讨论了返排速度、射孔段位置、最终铺砂浓度、裂缝几何形态对保持闭合后裂缝内铺砂浓度的影响，提出了“反向脱砂”工艺。这种工艺其实就是一种快速返排加井筒脱砂的方式。Barree和Mukherjee使用全三维裂缝几何模拟器,系统研究了裂缝闭合期间支撑剂的沉降规律,讨论了返排速度、射孔段位置、最终铺砂浓度、裂缝几何形态对保持闭合后裂缝内铺砂浓度的影响,诠释了“强制裂缝闭合”与“反向脱砂”在返排程序设计上的区别,并且深入到多个射孔段之间的交叉流动对支撑剂运移规律的影响,至今仍是水力压裂作业返 排设计的指导性原则。Barree和Mukherjee认为,井筒内液体的膨胀性、液体滤失、支撑剂的对流、停泵期间水击效应引起的压力波动、关井后裂缝的延伸和泵送结束时剩余压力梯度的消解、不同闭合应力的层段间的交叉流动,是引起支撑剂运移与沉降的6个重要的因素。他们针对不一样的裂缝形态,分别就对称裂缝、向上延伸裂缝、向下延伸裂缝、层内延伸裂缝、高滤失下的对称裂缝、端部脱砂压裂及多层限流压裂做了模拟研究,给出了以下推荐做法: ①以高填砂强度、小液量脱砂设计,比依赖压后返排保持裂缝导流能力更可行。 ②只有当层内裂缝保持良好延伸,或者有较高应力差的上下层遮挡时,才有通过适当的返排程序改善最终铺砂浓度的可能,而必须的返排程序是施工结束立即开始返排,并且返排速度要高于裂缝内液体的滤失速度。如果是多层裂缝,返排速度还必须大大超过层间交叉流动的速度。 ③在向上延伸的裂缝或裂缝高度过快发育的情况下,从加强胶体残渣返排的角度讲,有控制的返排或许有益。此时裂缝闭合期间聚合物胶体聚积于滤失带,很小的返排速度避免了裂缝过快闭合,使得胶体残渣排出的同时,支撑剂通过沉降或滤失的方式向下运移,有助于减小有效缝高(即支撑缝高)。 ④裂缝向下延伸时,无论泵送期间还是裂缝闭合期间,支撑剂都是沉降的,此时再大的返排速度也不足以影响裂缝体积,支撑剂可能填充在射孔眼处,但不可能覆盖整个裂缝段。 ⑤在向上延伸的裂缝里,裂缝闭合期间支撑剂的沉降将大幅度提升裂缝内铺砂浓度,强制裂缝闭合方式会使裂缝过早闭合。此时不宜用强化排液法。 ⑥在层内裂缝延伸良好的情况下,大于地层滤失速度的返排速度有助于支撑剂向射孔眼方向运移,这是有控制的返排方式的最佳应用。 ⑦当高滤失地层厚度比整个裂缝高度相对薄时,利用地层的天然滤失性能比返排更有效地使支撑剂向高滤失带运移。此时也不宜采用强化返排法。 ⑧有较大应力差的多层水力压裂作业,压后返排速度必须快于层间交叉流动的速度,以免低应力层支撑剂过剩而高应力层支撑剂不足,而且必须在停泵后立即开始返排。 Fathima Mohammed等在2015年提出了一种润湿反转提高压裂液返排率的方法，这种方法利用不同的表面活性剂对致密砂岩做处理，并测量处理前后的接触角以及吸水量，得出了polytetrafluoroethylene即聚四氟乙烯是最适合的用于砂岩润湿反转的表面活性剂，这为研发新型低滤失低伤害压裂液提供了一种新思路。 图1.2 润湿反转实验流程 国内学者在压裂液返排方面也进行了一定研究。中科院的汪翔对裂缝闭合过程中压裂液返排机理进行了较为详细的叙述并建立了相应的模型，得到了裂缝自然闭合和强制闭合两种不同情况下裂缝闭合的时间，为现场工程师判断裂缝何时闭合从而选择正真适合的油嘴放喷返排提供了一定的参考，但该模型忽略了压裂液在井筒中的流动，难以直接用于指导排液控制。 中国石油勘探开发研究院廊坊分院的蒋廷学和西南石油大学的郭建春等人分别利用施工结束后的压降数据，计算了裂缝的闭合时间，其弊端是必须利用施工结束后的压降数据才能求取相应的参数。 2 支撑剂回流和沉降规律研究现状 支撑剂的回流量和沉降距离等因素必然的联系到支撑剂在人工裂缝中的铺置情况和人工裂缝导流能力的大小。因此，很多人员从各个不同的角度对此进行了研究。 1994年，Asgian,M.I.和Cundall,P.A等人对支撑剂颗粒在支撑剂充填层中的受力和运动情况做了分析，并利用离散单元法???出了模拟结果。1994年，左涟漪，马久岸提出了新型树脂涂层支撑剂，能在很大程度上减少支撑剂的回流量。1995年，Barree,R.D.和Mukherjee,H使用API线性流动岩芯夹持器来观察和测量支撑剂回流受应力条件的影响情况，能够模拟得出人工裂缝层位的温度和裂缝的闭合应力，还能得出不同裂缝宽度和流速条件下支撑剂发生回流的临界条件。1995年，G.L.Gidley,G.S、D.D.Sparlin和R.W.Hagen分别对支撑剂回流的原因进行了分析和研究，G.L.Gidley,G.S认为缝内流体流速的不断改变以及自由砂的不断侵蚀支撑剂充填层是造成支撑剂充填层失稳并发生回流的根本原因，而D.D.Sparlin和R.W.Hagen认为支撑剂的大量回流是由于支撑剂在支撑剂充填层的移动和沉降使支撑剂充填层产生了很多不规则的流动通道，当流体流速变大时，支撑剂就会沿着这些通道流出充填层。1997年，孙喜寿、刘伟和张静分别对热塑性薄膜支撑剂和玻璃短切纤维支撑剂类型及其防止支撑剂回流的原理和办法来进行了介绍。1998年，Andrew和Kj?rholt建立了支撑剂回流的计算模型，并分析了影响支撑剂回流的重要的因素，并对支撑剂在何时何种情况下易发生回流给出了具体的建议。1999年，Batenburg,D.V和Weaver,J、NavalGoel、MarkParker等人通过物理模型实验对支撑剂的回流过程进行了模拟。Batenburg,D.V和NavalGoel采用的狭槽模型能够很好地得出不同地层闭合压力、不同裂缝宽度和不同支撑剂颗粒尺寸条件下压裂液临界流速。MarkParker采用的圆管—射孔模型操作最简单，也是用于模拟支撑剂开始回流时的临界流速的，但是具有较大的局限性，不能测试出不同地层闭合压力和不同裂缝宽度对临界流速的影响。1999年，Parker,M.和Weaver,J.采用数值的方法建立了支撑剂回流的数学模型，人为的把裂缝区域分为支撑剂回流区和支撑剂填充区，并利用概率统计的原理对其区域稳定型进行了分析；2000年，明尼苏达大学通过研究支撑剂的回流理论，采用边界元方法研制了Trubal软件，该软件能够对支撑剂的回流现象进行模拟。2003年，Javier,M.在分析Stimlab经验模型和“最小流动化速度”理论模型的基础上，提出了一种半力学稳定性支撑剂回流模型，确定了由压差决定的支撑剂充填层的稳定性准则，据此能够判断支撑剂是否发生了回流。2005年，张绍彬，谭明文等人通过一系列分析纤维增强加砂压裂技术理论及其在川西低渗致密气藏的实践应用，指出了纤维增强加砂压裂技术在控制支撑剂回流方面具有很大的优势；2006年，陈冬林、高旺来、傅英等人分别对支撑剂的回流控制技术进行了研究，陈冬林等人具体介绍了纤维防砂技术、可变形支撑剂(DIP)防砂技术、树脂包层支撑剂(RCP)防砂技术和热塑性薄膜(TFS)防砂技术和的原理、使用条件和工艺流程。高来旺等人介绍了一种既能抗高闭合压力又能防止支撑剂回流的新型树脂包衣支撑剂。傅英在气井压裂支撑剂回流方面做了很多工作，并通过模型验证和实验研究对影响支撑剂回流的单因素进行了分析。2008年，辛军、王雷、胡景宏等人都对支撑剂的回流理论和应用工艺技术进行了讨论分析，从不同的角度给出了自己的认识，对研究支撑剂的回流现象有一定的参考价值。2009年，黄建宁以苏里格气田为例对防支撑剂回流的快速返排工艺技术进行了研究，其中指出了加纤维防支撑剂回流在返排施工中的适应性，并对纤维在提高裂缝导流能力和裂缝渗透率方面所起的作用进行了分析。吴亚红等在2012年给出了支撑剂返排模型，认为支撑剂的沉降速度可按下式计算 Up=ndp2n+1[（ρs-ρ）gdp6K]1n （1） 式中：Up为支撑剂在幂律流体中的沉降速度，m/s；n 为压裂液的流变指数，反映偏离牛顿流体的程度；dp为支撑剂颗粒直径，mm；ρs为支撑剂颗粒密度，kg/m3；ρ为压裂液密度，kg/m3；K 为裂缝中流动的压裂液稠度系数，Pa·sn。 压裂施工中，多颗粒在沉降时会相互干扰，并且支撑剂在沉降过程中还受到裂缝壁面的影响。 支撑剂在这种情况下的沉降与单颗粒的自由沉降是不同的。 考虑到砂浓度和垂直裂缝中壁面的影响， 修正后的支撑剂沉降速度 Up′的计算公式为 Up′= fcfwUp （2） 其中 fc =（1-fp）m 式中：fc为砂浓度校正系数；fw为壁面校正系数；fp为混砂液中支撑剂所占体积百分数；m为与雷诺数相关的经验常数。 根据支撑剂沉降速度和预测出的裂缝闭合时间，可

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