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低渗透油田压裂液返排规律研究

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专 业: 石油工程 批 次：

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摘 要

水力压裂是低渗透油气藏开发评价和增产增注必不可少的技术措施，而油气井压后的压裂液返排又是水力压裂作业的重要环节。目前，对压裂液返排的控制，大多采用经验方法，没有可靠的理论依据。本文对压裂液的返排过程和压后井底压力的确定进行了较为系统的研究，旨在为压裂液返排控制提供理论依据。

本文在以压裂液的滤失量计算的基础上，运用流体力学和数值模拟的相关理论以及物质平衡原理，针对返排期间裂缝闭合的过程，考虑了启动压力梯度的影响，建立了压裂液返排的数学模型，给出了压裂液返排数学模型的数值解法。研究表明，为了减少压裂液对储层的伤害，低渗透储层中的压裂井应采用停泵后立即返排的方式，使裂缝强制闭合。实测井口压降曲线与计算值的比较结果表明，建立的模型能够比较准确地预测裂缝闭合过程和压裂液返排过程。

最后，对返排的过程进行了室模拟实验研究，通过岩心实验，发现了返排过程中的一些特定规律。然后以滤失机理研究为基础，通过了建立裂缝壁面上的渗流模型，编制了返排参数预测程序，可通过对压裂返排效果的预测来指导压裂液返排作业。

关键词：水力压裂；裂缝闭合；压裂液返排；数学模型；井底压力

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目 录

第1章 绪论 ..................................................................................................................... 1

1.1 压裂液返排规律研究的目的和意义 .......................................................... 1 1.2 目前关于压裂液返排规律研究存在的不足 .............................................. 2

第2章 低渗透油田特点及压裂液返排规律研究现状 ................................................. 3

2.1 国外低渗透油田储量分布及特点 .............................................................. 3 2.1.1 国外低渗透油田储量分布 .............................................................................. 3 2.1.2 国外低渗透油田的主要特点 .......................................................................... 3 2.1.3 国低渗透油田储量分布 .................................................................................. 4 2.1.4 国低渗透油田的主要特点： .......................................................................... 4

2.2 压裂液返排规律研究现状 .......................................................................... 5 2.2.1 国外压裂液返排的推荐做法 .......................................................................... 5 2.2.2 国压裂液返排的研究现状 .............................................................................. 7

2.3 裂缝形态的数学模型 .................................................................................. 8

第3章 裂缝闭合期间压裂液返排模型 ......................................................................... 9

3.1 裂缝闭合过程中模型的假设条件 .............................................................. 9 3.2 压裂液返排的二维数学模型 ...................................................................... 9 3.2.1 压裂液从地层返排的数学模型 ...................................................................... 9 3.2.2 初始条件及边界条件 .................................................................................... 13

3.3 模型的数值解法 ........................................................................................ 14 3.3.1 返排模型的离散 ............................................................................................ 14 3.3.2 求解方法 ........................................................................................................ 17

3.4 裂缝闭合时间及压裂液返排量的确定 .................................................... 18 3.4.1 裂缝闭合时间确定 ........................................................................................ 18 3.4.2 压裂液返排量的计算 .................................................................................... 18 3.4.3 停泵后裂缝体积变化量的计算 .................................................................... 19

3.5 实例计算与分析 ........................................................................................ 20 3.6 室实验模拟研究 ........................................................................................ 22 3.6.1 实验方法 ........................................................................................................ 22 3.6.2 实验数据及处理 ............................................................................................ 23 第4章 压裂液返排的实验研究 ................................................................................... 26

4.1 实验仪器材料 ............................................................................................ 26 4.2 实验步骤 .................................................................................................... 26 4.3 实验数据处理与结果分析 ........................................................................ 26 4.3.1 采用瓜胶压裂液进行压裂实验 .................................................................... 26 4.3.2 采用田菁胶压裂液进行实验的结果 ............................................................ 29 图4-6 累计流量与渗透率恢复值.......................................................................... 30

4.4 结论与建议： ............................................................................................ 30

第5章 压裂过程中的滤失与返排效果预测 ............................................................... 31

5.1 压裂液滤失理论 ........................................................................................ 31 5.1.1 受压裂液黏度控制的滤失系数C1 ............................................................... 32 5.1.2 受地层流体压缩性控制的滤失系数C2 ...................................................... 32 5.1.3 压裂液造壁性控制的滤失系数C3 ............................................................... 34

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5.1.4 综合滤失系数C ............................................................................................ 34

5.2 一维总滤失体积计算 ................................................................................ 35 5.3 压裂液返排数学模型 ................................................................................ 36 5.3.1 饱和度呈线性分布 ........................................................................................ 36

5.4 实例计算 .................................................................................................... 37 5.5 影响压裂液造壁性滤失系数实验 ............................................................ 38

结 论 ............................................................................................................................. 39 参考文献 ........................................................................................................................ 40

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第1章 绪论

1.1 压裂液返排规律研究的目的和意义

压裂工艺是油、气藏增产和提高采收率的最有效的措施之一[1-2]。随着水力压裂技术在低渗透油气田勘探、开发及其它工业生产领域中的广泛使用，其在理论方法、工艺、设备及工具方面都得到了迅速的发展。水力压裂具有多学科性，它是与岩石力学（控制着裂缝几何形态）、流体力学（控制着液体流动与支撑剂的铺置和回流）以及化学（控制着施工的材料性能，如压裂液）密切地联系着的。由于这种多学科交叉的复杂性，人们对水力压裂工艺整个过程的研究还有许多不完善的地方，有些水力压裂的指导方法或控制程序到目前为止还只是建立在现场工程师的经验之上。所以，结合这些学科的知识对指导水力压裂工艺的理论基础进行深入的探讨，具有很大的现实意义，即可引导工程技术人员设计出更合理的水力压裂工艺控制程序。

压裂是重要的油气井增产措施，而压裂液的返排是压裂施工中的一个主要的步骤。压裂液能否顺利、及时地排出对施工效果影响非常明显，特别是对于低渗低压地层，由于返排困难，残液可能造成地层再次伤害，影响增产效果。研究表明：施工结束后，为了防止残液长期滞留地层造成二次伤害，一般说来应将残液尽可能地快速排出。在实际施工过程中常常由于对地层客观认识不足，对工作液、添加剂选择不当，或施工工艺不合理，使返排率低，造成对储层的伤害。可见，返排在压裂、酸化工艺中占有非常重要的位置，如果不能及时排完、排净会给地层带来再次伤害，返排效果的好坏直接影响措施效果。由于这一过程是在裂缝闭合期间进行的，因而，适当的返排程序通常是保持裂缝良好导流能力的关键所在，压后油气田的生产能力在很大程度上取决于裂缝导流能力。在压裂液返排过程中，工程技术人员往往希望通过对返排流量的控制使支撑剂在产层区获得较好的铺置，继而使裂缝具有较高的导流能力。但是，由于对压后关井期间或返排过程中裂缝闭合情况、支撑剂运移情况、压裂液滤失及流体性质的变化情况不能很好地把握，所以对返排流量的控制经常显得无据可依。到目前为止，工程现场反馈了很多问题，其中的一些问题导致了严重的后果。对于油气层压力低的井，返排困难的问题十分突出；而当油气层压力较高时，油气井产量大时，对于油井，过大的放喷速度会使支撑剂回流；对于气井，过大的放喷速度会产生气窜，使气体将残液分割在地层中不能排出，因此仍然存在排液速度控制的问题。

这些问题主要有两大方面[3-4]：一是没有选择合理的时机对支撑剂的运移进行控制，导致大量的支撑剂回流到井筒（吐砂），或在近井筒带破碎，从而使产层区的支撑剂很少或分布不合理。这在很大程度上降低了裂缝的导流能力，严重的会导致压裂施工的失败；二是返排流量控制不好，使回流的支撑剂冲出井口，刺坏放喷油嘴以及破坏其他设备。而且，往往发现这些问题时，施工基本完成，想进行挽救为时已晚。在低渗透储层中，一般都要进行大型水力压裂作业，压后返排出现的这些问题就更加突出了。