水力压裂效果评价技术,2008年9月,西南石油学院,0 概 述,水力压裂效果评价的意义,效果评价(3个方面)：实际的裂缝状况？几何尺寸、导流能力、有关参数。 压后产量情况？经济效益？,0 引 言,水力压裂效果评价的意义,评价的意义(3个方面)： 主压裂前（小型压裂）：获取参数、用以指导主压裂设计 施工结束后：确定裂缝的几何尺寸，便于与设计对比，同时为预测压后产量提供输入参数 产量评价：计算经济指标、优化压裂规模,0 引 言,水力压裂效果评价的意义,评价的结果可以验证或修正水力压裂中使用的模型、选择压裂液、确定加砂量、加砂程序、采用的工艺以及开发方案等，进而降低压裂成本和提高油气采收率，达到合理高效开发油气田的目的。,水力压裂效果评价内容,依赖于所采取的模型和方法，主要评价以下参数： 裂缝的长、宽、高 裂缝的导流能力（短期、长期） 压裂液的滤失系数 预测产量 计算压裂收益,水力压裂效果评价的手段,关于裂缝几何尺寸（水力裂缝参数）直接测量的裂缝绘图技术如：裂缝高度的测试间接测量分析包括：压裂压力分析、压裂试井分析、压后产量历史拟合, 温度测井,压裂施工期间，压裂液使地层冷却，由压前和压后的井温剖面对比，确定压裂裂缝的高度。,压前和压后的井温测量, 伽玛射线测试, 监测压裂液和支撑剂中的放射性示踪剂，确定压裂施工期间压裂液和支撑剂所到达的区域。 使用不同的放射性同位素可以确定不同的施工阶段。要求：放射性同位素应不发生自然扩散。,伽玛射线测井与温度测井对比(Dobkins,1981), 井下闭路电视(Simith,1982),测试结果清楚地显示出留在井筒处的裂缝面。 井筒内含有透光的液体，可以通过观察裂缝的张开与闭合，确定井筒处裂缝的高度。对井筒处的裂缝高度提供真实的评估。, 井下三维地震,使用地下声波遥测技术，利用震源的压缩波和剪切波先后到达的时间差，确定震源到各检波器之间的距离。利用井下三维的地震声波和震动记录，可确定裂缝方位，以及在目标层上、下邻近层内的裂缝延伸状况。,主要讲解的内容,单井压裂： 压裂压力分析压裂试井分析压裂井产能分析 井组压裂： 油藏整体压裂模拟与评价,第一部分 压裂压力分析,分析的数据：施工(泵注期间)或停泵后井底或井口压力与时间的变化关系曲线 基本思想：裂缝起裂和延伸等均与施工压力有关净压力：井底压力与闭合压力之差,一、闭合压力确定方法二、泵注期间的压力分析三、压裂压力递减分析四、微裂缝储层滤失问题,第一部分 压裂压力分析,定义： 使已存在的裂缝张开的最小缝内压力（已有裂缝闭合时的流体压力）理想的情况下（地层均质），pc= min（最小就地主应力）即：在整个裂缝高度上出储层的最小应力在大小和方向都没任何改变时， pc= min,一、闭合压力（Pc）确定方法,实际： 由于储层岩性的变化 、天然裂缝等使得min在整个产层段内的大小及方向通常变化较大 pc 由整个裂缝高度上min平均值确定，此时， pc取决于裂缝几何形状和方向 地应力是局部参数、闭合压力是裂缝（无支撑剂条件下）自由闭合的整体特性参数。,一、闭合压力（Pc）确定方法,一、闭合压力（Pc）确定方法,1、矿场测试2、理论计算, 评估局部应力需要形成较小的裂缝（注入排量相对较低）； 确定Pc则要求在整个产层厚度上形成水力裂缝，则排量相对较高 形成的裂缝较小时，则净压力亦较小，井底关井压力即为主应力或闭合压力； 如果净压力较高时，关井压力差异较大，必须进行分析计算Pc,1、Pc 矿 场 测 试,阶梯注入测试,阶梯注入测试：各阶段持续时间相等 (12min，排量改变、维持恒定且进行压力记录) ，注液增量大致相同。如还继续进行回流测试，则注入的最后一个阶段的持续时间应较长(510min)以确保形成一定尺寸的裂缝。,阶梯注入测试的压力与注入速率分析,基质注入压力： 斜率较大,裂缝延伸压力： 较平缓,一般地，裂缝延伸压力比Pc高50200psi (1psi7kPa),C,点C：测试前的井底压力；如此前无大量液体注入，则为储层压力,Rutqvist室内测试验证了该方法的可靠性(1996),即使未出现斜率较大的基质注入压力直线，裂缝延伸压力直线在Y轴上的截距，也近似代表了 Pc。,回 流 测 试,在阶梯注入测试后，以最后注入速率的 1/61/4 的恒定速率回流一段时间 关键：压力下降期间，保持稳定的回流速度,裂缝闭合,闭合后,两直 线交点,测定Pc的首选方法：阶梯注入测试与回流测试的结合,回流测试曲线：（时间平方根图） G曲线：,导数,斜率变化点,两条曲线的斜率发生变化点：闭合压力值 导数曲线：放大斜度的变化并增强对斜率变化点的识别 说明：平方根曲线或G曲线，可能没有明显的斜率变化，或显示多重斜度变化,小型压裂（测试压裂）确定Pc,通过小型压裂施工，测试停泵后的压降曲线，绘制压力随时间的平方根曲线，也可确定Pc。由于小型压裂形成的裂缝比阶梯注入/返排法形成的裂缝更长更宽，得到的Pc的精度不太高。,Pc测试建议 (Talley,1999),对于气井，宜在开采前进行测试，以尽可能减少井筒中气体膨胀对压降数据的影响； 对于深井或高温储层中，随着压力下降和温度升高，井筒内液体会膨胀（井筒存储效应），尽量需安装井下仪表进行测试。 考虑到压力数据受裂缝表面和滤饼持续固化（挤压）的影响，小型压降测试的关井时间至少为总闭合时间的45倍。,为判断闭合压力的准确性和客观性，可预先估算出地层压力。地层压力的估算方法：a. 测得的稳定井底压力b. 测得的稳定地面压力c.依据油田建立的精确地层压力梯度,2、Pc 的理论计算,二、泵注期间的压力分析,压裂施工压力曲线图PF破裂压力 PE 延伸压力 PS 地层压力,压力,时间,排量不变，提高砂比，压力升高反映了正常的裂缝延伸,裂缝闭合压力（静）,裂缝延伸压力（静）,净裂缝延伸压力,管内摩阻,地层压力（静）,破裂,前置液,携砂液,裂缝闭合,加砂,停泵,b,a,a致密岩石 b微缝高渗岩石,F,E,C,S,二、泵注期间的压力分析,1、施工压力与时间的关系 2、典型施工压力分析 3、由施工压力确定裂缝几何参数, 二维裂缝模型简介,Cater模型,(1)在缝长和缝高方向，缝宽度相等且不随时间变化(2)压裂液从裂缝壁面线性地渗入地层(3)裂缝内某点的滤失速度取决于该点接触液体的时间：(4)裂缝内各点压力相同，且等于井底延伸压力,Cater模型假设,KGD 与 PKN 模型的比较,(1)裂缝形状：KGD: 垂直剖面为矩形; PKN: 垂直剖面为椭圆形 (2)净压力变化：KGD: 随时间降低; PKN:随时间增加 (3)适用范围：KGD: 浅层或块状厚油气层; PKN: 目的层较薄且上下有致密页岩、泥岩等作为遮挡层或油层较深、层间的摩擦力较大不易产生滑动的情况 实际观察表明：KGD:长高比较小 PKN:长高比较大。,KGD二维裂缝延伸模型,1、施工压力与时间的关系,三个方程：裂缝宽度方程裂缝内压力方程连续性方程 三维模型多一个方程： 缝高方程,裂缝宽度方程,缝内压力梯度取决于压裂液的流变性、液体流速、缝宽,沿缝长的压力梯度：,压 力 方 程,连续性方程 (质量守恒),水基或油基压裂液，液体体积变化相对裂缝弹性应变很小忽略液体的压缩性，使用体积平衡代替质量守恒（例外：泡沫压裂液、酸压中CO2产生）,由上述方程可得到，施工过程中净压力方程：,PKN： L则 pnet、 KGD: L则 pnet径向模型： R则 pnet,极限压裂液效率下的净压力:,极限压裂液效率下的净压力:,在双对数坐标中净压力与时间关系为一直线，其斜率等于各自的指数：对于PKN为正值，对KGD和径向情况为负值对于通常所用压裂液(n=0.5)，PKN情况的斜率都小于1/4，且随液体效率下降而下降, Pnet t 双对数斜率的应用(判断裂缝延伸模型),已知： n=0.4 双对数坐标系下净压力的斜率为-0.11 问：属于哪类裂缝延伸模型？,由压裂液效率极限关系式的理论分析斜率,2、典型的施工压力分析,：较小的正斜率(0.1250.2)，与PKN模型一致，裂缝正常延伸，表明裂缝在高度方向受阻。,：斜率 1，裂缝端部受阻，缝内砂堵或端部脱砂。,2、典型的施工压力分析,：斜率 0，缝高增加、压开多条裂缝、或遭遇大规模裂缝体系。,2、典型的施工压力分析,：压力不变，意义不明确。可能：注入与滤失平衡、裂缝几乎不延伸。若后面压力下降，则可能是缝高增加；若后面压力升高，则可能是二次缝隙使滤失增大。,泵注压降的导数分析,压力导数对压力变化的敏感度提高了，用于量化缝高延伸至高应力遮挡层的程度；并实现端部脱砂的早期发现,整个压力数据无显著的变化，压力导数在50min时快速增加(25min时的压力导数增加，由于支撑剂加入粘度增加),3、由施工压力确定裂缝几何参数,基本思想：二维模型：缝长、缝宽、连续性方程联立，调整参数使计算压力与实际施工压力较为接近。三维模型：拟合计算时间较长，压力拟合确定参数（PT软件）。,拟合原理,实测压力数据,拟合递减数据,根据设定参数，计算机自动求解一系列在不同裂缝几何尺寸以及相关参数下获取的拟合曲线，并对比实测压降数据与所有的拟合曲线的误差平方和，误差函数最小的拟合曲线即是最佳的拟合效果：,拟合目标函数,三、压裂压力递减分析,G函数分析方法（图版拟合或曲线拟合） 无因次参数：,G函数图版,三、压裂压力递减分析,分析步骤： 根据矿场压裂数据，作 图版拟合确定拟合压力 P* 计算相关参数压裂液滤失系数 、裂缝闭合时间 、裂缝最大宽度和平均宽度 、停泵时裂缝长度 、压裂液效率,四、微裂缝储层滤失问题,第二部分 垂直裂缝试井分析,通过一定的测试工艺和测试手段测试产量、压力、温度等数据。再由一定的数学模型来解释裂缝参数。试井分析的实质是反问题，解不唯一,第二部分 垂直裂缝试井分析,一、压后流体流动方式二、试井分析步骤三、分析实例,一、压后流体流动方式,1、以井筒存储为主的流动 2、裂缝线性流动 3、双线性流 4、地层线性流 5、拟径向流,有限导流垂直裂缝模型,xf,xf,w,井,裂缝,基本假定:,（1）、只压开一条裂缝，与井筒对称，半长为Xf； （2） 裂缝具有一定的渗透率，沿着裂缝存在压降； （3）裂缝的宽度为W； （4）裂缝渗透率Kf比油层渗透率K大得多。,几个重要的无因次参数：,曲线特征，特种识别曲线,无因次导流能力：,无因次压力：,无因次时间 ：, 由于井筒内含有可压缩液体，关井初期的可引起明显的井筒存储效应； 井筒存储效应持续时间的长短，主要取决从井筒体积和井筒内流体的压缩性。 井底关井可明显减小井筒效应。,1、以井筒存储为主的流动（关井早期 ）,lg p,lg t,m=1,双对数曲线特征(诊断曲线),1、以井筒存储为主的流动,2、裂缝线性流动,产生条件：井筒存储效应很小,裂缝线性流的时间很短，在不能忽略井筒存储的情况下，通常被掩盖，因此很难进行这种不稳定特性的分析,2、裂缝线性流动,3、双线性流,存在两个线性流动结构，裂缝中的流动主要取决于导流能力，常用双线性流阶段来确定导流能力。,裂缝和地层的双线性流,3、双线性流,曲线特征： 1.6：曲线尾部上翘0 ：近井带的导流能力伤害0：近井带导流能力增强,曲线斜率：计算裂缝导流能力，与缝长无关,