降低压裂井底地层破裂压力的措施.pdf

2 0 0 5年 1 月 断 块 油 气 田 F A U I JT B L 0 C K O I LG A S兀E L D 第 1 2卷第 1 期 降低 压 裂井底地层破 裂压 力的措 施 黄 禹忠(中国石化股份公司西南分公司井下作业处)摘要在进行水力加砂压裂前，能否破开地层是压裂施工的关键。目前的井越来越向 深层发展，地层破裂压力越来越高，施工难度越来越大，在现有地面施工设备能力下，如何降低 破裂压力显得尤为重要。采用酸化技术、高能气体压裂、喷砂射孔、优化射孔参数等压前预处 理措施能有效地降低地层本身的破裂压力；优化泵注方式降低沿程摩阻、降低射孔孔眼摩阻及 研究低粘度、高密度的压裂液体等措施能间接地降低破裂压力，增加破开地层的机会。关键词破裂压力 预处理摩阻压力 措施分析 引言 地层破裂压力(P )定义为使地层产生水力 裂缝或张开原有裂缝时的井底压力，要实现水力 加砂压裂的前提条件是应该有足够的地面泵压使 井底 目的层地层开裂。实际生产中通常用破裂压 力梯度 G (地层破裂压力 P 与地层深度 H的比 值)表示破裂压力的大小，破裂压力梯度值 G 一 般由压裂实践统计得出。通常的浅、中层地层破 裂压力不高，地面设备能满足要求，但是深井、超 深井的地层破裂压力很高，对压裂施工设备的功 率和承载能力提出了更高的要求，在施工安全上 也存在一定的隐患。而破开地层是压裂改造的前 提，只有将地层破裂开后才能考虑压裂过程的造 缝、加砂，文章从如何降低地层本身破裂压力和降 低施工压力两个方面对在压裂改造中如何降低破 裂压力的有效措施进行了综述。1 降低地层本身的破裂压力 由于井底地层破裂压力受地应力及岩石性质 的控制，要降低地层本身的破裂压力就必须破坏 地层应力。破坏地层本身应力的方法也称为压前 预处理，目前广泛应用的压前预处理措施主要有：酸化、喷砂射孔、高能气体压裂以及优化射孔参数 等措施。1 1酸化技术预处 理 酸化预处理技术就是在地面用高压泵车，从 7 4 油管向目的层注人一定浓度的酸液体，通过酸液 体与地层中钻井液、滤液和地层中的可酸蚀成分 发生化学反应，达到清除地层孔隙中污染和扩大 孔隙的作用，从而为后续的加砂压裂施工降低难 度。由于酸化作用破坏了井眼附近地层岩石的结 构，因此可以降低地层本身的破裂压力。作为预 处理的酸化技术的主要作用在于解堵，即解除渗 人钻井液和滤失液渗人气层产生的伤害堵塞。1 2喷砂射孔预处理 喷砂射孔技术是根据水动力学动量 一冲量原 理，砂体颗粒受水载体加速(速度达到 2 6 0 m s 以 上)，高速冲击套管和岩石，产生切割作用。其 基本原理是通过油管将高压喷砂射孔枪送到 目的 产层，通过地面高压泵车，从油管内高速注人低砂 比的液体，形成高压后从喷嘴高速射出，对产气层 段进行喷射。在高速带砂液体 的冲腐蚀作用下，套管、水泥环和岩石被冲腐蚀形成很深的孔眼。喷砂射孔技术作为压裂前的预处理技术，可以有 效地降低地层破裂压力，保证高破裂压力地层的 压开和压裂施工。收稿 日期2 0 0 4 0 91 9 作者简介黄禹忠，1 9 7 2年生，1 9 9 6年毕业于西南石油 学院化学工程专业，曾在 中石油吐哈油 田公司工作；2 0 0 4 年获西南石油学院化学工艺专业硕士学位，现主要从事油 气增产工艺技术研究，曾经在国内期刊上公开发表过文章 l O余篇，地址(6 1 8 0 0 0)：四川省德阳市淮河街 1 1 号，E ma i l：h y zs i n o p e c s i n s t o mo 维普资讯 http:/ 第 l 2卷第 1 期 黄禹忠 降低压裂井底地层破裂压力的措施 2 0 0 5年 1 月 1 3 高能气体压裂预处理 高能气体压裂的基本原理是利用火药或推进 剂在油气井中有控制地燃烧，产生大量超过油气 层最大就地应力值的高温高压气体以脉冲加载方 式作用于油气层，使井筒周围油气层岩石发生破 裂，形成不受地应力控制的多条径向裂缝。由于 高能气体压裂能使井筒周围的岩石发生破裂，改 变了地应力大小，可 以将地层破裂压力较大幅度 地降低，降低了因破裂压力高造成 的压裂施工难 度。因此，高能气体压裂预处理在降低地层破裂 压力方面起了很好的作用。1 4 优化射孔参数处理 射：f L：f L 眼是沟通井筒和地层的通道，在压裂 目的层段射孔可以有效地 降低地层的破裂压力。射孔参数主要包括射孔密度、射孔方位角、射孔直 径和射：f L：f L 眼长度等，然而射孔参数 的选择对于 破裂压力有何种影响，这一问题的研究尚不充分，原因是射孔井筒 的几体形状 和边界条件十分复 杂，要得到解析解十分困难。文献 2 利用有限元模型结合岩石 的抗拉破 坏准则，探讨了射孔影响地层破裂压力的力学解 释，研究了射孔各个参数对于地层破裂压力的影 响，认为直接影响地层本身破裂压力 的主要射孔 参数是射孔密度和射孔方位角，孔眼直径对地层 本身破裂压力基本无影响(对施工过程的摩阻有 影响，见后)。一般认为射孔密度越大，破裂压力 越小；当孔眼不位于最佳平面时，由于孔眼不位于 最佳平面，孔眼方向与最佳平面有一定夹角，即射 孔方位角，该夹角越大，井底破裂压力越高，同时，夹角越大，裂缝从孔眼处起裂的机会就越小，那么 就有可能产生多条裂缝，即小裂缝不能全部连通 起来而形成一条宽而长的高渗裂缝，这将严重影 响压裂井效果。实际上由于当地主应力方向和大 小的不可预知性，以及射孔枪定向射孔的困难较 大，孔眼通常不能位于最佳平面的机会较多。因 此，射孔参数和枪弹的适 当选择成 了影响压裂施 工成功的重要 因素。因此，为了降低地层破裂压力应适当考虑增 加射孔密度，建议采用四相位、大孔密射孔，适 当 地选择射孔枪弹，此外尽可能降低射孔方位角，并 且增加有效射孔的数 目，这对破开深井、超深井尤 为重要。2 通过施工压力降低破裂压力 通过施工压力降低破裂压力是指在地面设备 能力一定的情况下，通过降低阻碍压力传输的不 利因素，从而增加地面压力传输到压裂 目的层段 的压力值，从而增加使地层破裂的机会。一般来说，压裂施工过程地面最高泵压与地 层破裂压力的关系可以用式(1)表示：Pw+PH=P B+PF+P M (1)式中，P w为 地面井 口泵压力，MP a；P 为井筒液 柱静压力，M P a；P B 为井底地层破裂压力，M P a；P F 为管柱沿程摩阻压力，M P a；P 为射孔孔眼摩阻 压 力，MP a。从公式 中可以看出，在一定的地面泵压力 P w 下，通过降低压裂管柱沿程摩 阻压力 P F、射孔孔 眼摩阻压力 P 及增加井筒液柱压力 P 等方式 可以降低破裂压力(更容易压开地层)。2 1 降低摩阻压力损失 这里的摩阻损失主要包括压裂管柱沿程摩阻 P 和射：f L：f L 眼摩阻压力 P ，下面分别加以讨论。2 1 1 压裂管柱沿程摩阻 P F 压裂管柱沿程摩阻 P 损失的值可 以通过压 裂液流体力学公式(2)、(3)来计算：p一 ，、r g d 、。A=R e)(3)受压裂施工安全及储层岩石 的影响，要求有 较高的排量才能压开、压好储层，以便于顺利加 砂，因此要求有较高的施工排量 Q。所 以要降低 管柱沿程摩阻压力 的方法主要体现在增加管 柱直径 d上，可以采用大油管、油套环空或套管注 人。建议对中、浅层压裂井用 6 7 3 r ll n l 油管注人，深、超深层压裂井用,1,8 8 9 n L r n油管或 3 m m 油管与 6 1 3 9 7 m m套管的环空注人，而单纯的套 管注人 由于施工过程中不易返排等不利因素不宜 采用。另外，还应该研究适合压裂液体性能要求的 低粘度压裂液体，采用低摩阻特征的羟丙基胍胶 作为稠化剂，并优化其浓度，控制压裂液的粘度，或者在压裂液体 中加人降阻剂，以尽可能 的减少 管柱沿程摩阻。2 1 2 孔眼摩阻损失 P 如果压裂 目的层所射孔数有限或孔眼直径甚 7 5 维普资讯 http:/ 2 0 0 5年 1月 断 块 油 气 田 第 l 2卷第 1 期 小，应充分考虑压裂流体通过孔眼时产生的孔眼 摩阻损失；若压裂 目的层所射孔眼数 目甚多或孔 眼直径甚大，则孔眼摩阻值趋于零，可以忽略。射孔孔眼摩阻压力 P 通常采用公式(4)来 表示 引：p一：Q：巳 ，d、一(D )c：式中，Q为泵注排量，m ra i n；p为压裂液流体密 度，g e m ；D 为孔眼密度，L m；h为施工层段打 开厚度，m；d 为孔眼直径，e m；C d 为孔眼流量系 数。公式中孔眼流量系数 C 在压裂施工过程 中 的变化较大，对孔眼摩阻的影响也大。当泵人混 砂液时，由于孔 眼被冲蚀，C 值通 常为 0 6 0 0 9 5 L 4 J。C 值的变化将大大影响孔 眼摩阻的大 小，因为孔眼摩阻与 C 的平方成反比。但不管怎 样，孔眼密度(D。)越高，射开程度越高，施工层段 内孔眼数(D h)越多，则孔眼摩阻就会越低；孔眼 直径越大，孔眼摩阻也将越小。同时，孔径的大小 直接影响支撑剂尺寸和浓度，孔径应足够大，以避 免支撑剂在通过孔眼时发生桥堵。如果孔径太小，压裂液通过孔眼时，由于高速将产生很高的剪切速 度使压裂液降解，严重影响压裂液性能，影响压裂 效果。另一方面，可以通过控制孔密、孔径和射开 程度将孔眼摩阻控制在合理范围内，以达到限流压 裂的目的。对于常规压裂来说，射孔以选大孔密，大孔聚能弹，全部射开施工油气层段为佳。2 2增 加井简液柱压 力 压裂液体在井筒内的液柱压力(P )表示为 p一2：墨 ，H一 1 0 0 0 式中，日为井筒深度，m。从公式中可以看出，对井筒内液柱压力产生 影响的只有压裂液的密度，密度越大，液柱压力也 7 6 越大。因此，研究压裂液体时在满足各项性能要 求的前提下，尽量提高液体的密度。3 结论 在压裂施工设计过程 中，应从多方面考虑影 响地层破裂压力的因素，综合考虑压前预处理措 施和施工设计上直接或者间接降低破裂压力的措 施：(1)酸化技术、高能气体压裂、喷砂射孔等预 处理措施破坏了井 眼附近地层岩石的结构，改变 了岩性应力大小和方向，在降低地层本身破裂压 力方面具有很好的效果。(2)增大射孔密度、控制射孔方位角、增大射 孔孔眼直径能增加有效射孔数，破坏井筒附近的 岩性，减小压裂液在近井带的弯曲摩阻和压裂液 体流过孔眼时的摩阻压力，从而直接或间接的降 低地层破裂压力。(3)施工过程采用大油管、油套环空注入，条 件允许情况下降低施工注入排量，以降低施工过 程的沿程摩阻，进而增加破开地层的机会。(4)研究适合压裂液体性能要求 的低粘度、高密度压裂液体，优化稠化剂浓度，控制压裂液的 粘度，尽可能的减少管柱沿程摩阻。同时提高液 体密度，增加井筒液柱压力，以间接的方式降低破 裂压力。参考文献 1 李根生，牛继磊 水力喷砂射孔机理及实验 石油大学学报，2 0 0 2，2 6(2)：3 l一 3 4 2 张广清，陈勉，殷有泉等 射孔对地层破裂压力的影响研究 岩石力学与工程学报，2 0 0 3，2 2(1)：4 0 4 4 3 万仁溥，罗英俊主编 采油技术手册(修订本)第九分册 压裂酸化工艺技术 北京：石油工业 出版社，1 9 9 8 1 6 3 4 李海涛，王永清，李洪 建等 压裂施工井的射孔优化设 计方 法 天然气工业，1 9 9 8，1 8(2)：4 3 4 6 (编辑赵卫红)维普资讯 http:/ V0 1 1 2 N o 1 A B A C T J A N2 0 0 5 T h e s o u t h b l ock o f l i n l 3 E s i s a s t r a t i fie d a n d f a u l t e d r e ser v o i 1 8 w i t h h i gh r e s e r v e a b u n d a n c e D u r i n g t h e e a r l y p r o d u c t i o n p e ri o d，the l a y e r s e rie s o f d e v e l o p me n t wa s mu s h，t h e t e c h n o l o g y o f f u l l z o n e i n j ect i o n d e v e l o p me n t w as a p p l i e d Du e t o t h e i n fl u e n c e o f t h e h e t e r o g e n e i t y，t h e s i t u a t i o n of wa t e r d r i v i n g i s n o n e q u i l i b riu m i n the i n t e r l a y e r a t t h e f n l e we l l p a t t e r n S i n c e 2 0 o 0t h e c o mp o s i t e wa t e r c u t o f thi s b l o c k was h i g h e rt h an 9 0 an dthe c o nfl i c t o f thei n t e r l a y e r b e c a me a g g r a v a t ed 1 1 1 e o rig i n a l s t r a t u m of p r o d u c t i o n an d w e ll p a t t e rn w o uld n o t a d j u s t t o t h e d e m a n d o f t a p p i n g p o t e n t i a l p r o d u c t i o n I n 2 0 o 2the wo r k of the fi n e r e s e r v o i r d e s e r i p t i o n and t h e s u b d i v i s i o n d e v e l o p me n t h a d b e e n d o n e i n t h e s o u t h b l ock o f L i n 1 3 E s an d a c h i e v ed a v e r y g o o d r e s ult Af t e r t h e wo r k t h e c o mp o s i t e wa t e r c u t was d e s c r e ase d b y 4 6 an d t h e r a t e o f o i l p r o d u c t i o n was i n c r e ase d b y 0 4 1 an d o i l r e c o v e ry e f f i c i e n c y was i n c rease d b y 6 3 Th e p r a t i c e o f s u bd i v i s i o n i n t h e sou t h b l ock o f l i n l 3 Es p rov i d e s u s e f ul r e f e r e n c e f o r t h e d e v e l o p me n t o f t h e s a me k i n d Ke y W O r d s：S t r a t i fi e d an d f a ult ed r e s e r v o i r s F i n e r e s e rvo i r d e s c ri p t i o n，H i gh w a t e r c u t，S t u d y o f r e s i d u a l o i l d i s t rib u t i o n S u b d i v i s i o n d e v e l o p me n t R e s u l t a n d U n d e r s t a n d i n g o f Ad j u s t i n g and T r e a t i n g 0 f Pl l 5 3 Bl o c k o f S o u t h S 2 x Re s e r v o i r i n Pu c h e n g伽 矗e i d Z h a n g Yanp i n g(1 n b e N o 2 Oi l P r o d u c t i o n P l ant。Zh o n g y u a n 0i l f i dd Co mp an y，S I NOPEC Pu y a n g 4 5 7 5 0 6，C h i n a)，Wu F e n g y i n g and Qu Yu b i n g e t a L F a ult B l ock伽&Ga s F i e l d 2 伽l5。1 2(1)：6 2 6 4 Th e P u 5 3 b l oc k of S o u t h S 2 x r e s e rvo i r i n P u c h e n g o i l fie l d i s a h e t e r o g e n e i t y an d ma n y o i l s tra t u ms r e s e rvo i r B eca u s e o f e x i s t i n g s h a r p l y h e t e rog e n e o u s an d h u g e r a t i o o f p e n e t r a b l e i n l o n g we l l s e c t i o ni t r e s ult ed t h a t t h e fi rst t y p e o f ma i n for c e o i l s t r a t u m s a p p e a r ed h i gh p r o d u c t i o n e x t e n t and seri o u s w a t e r flo o d i n g Bu t t h e s e c o n d o r thi r d t y p e of o i l s tra t u ms a p p e ared l o w l e v e l o f h y d r a uli c d r i v i ng e x t e n t an d p r o d u c t i o n e x t e n t B y s t u d y i n g and a n a l y z i n g the s t r u c t u r e o f r e s e rvo i r，c h ara c t e ris ti c o f r e s e rvo i r l a y e r s an d t h e d i s t r i b u t e d l a w o f s u r p l us o i l。d e pe n d i n g o n p o l y b asi c c o mp l e t e set of the t ech n o l o g y for d i g pot e n t i al an d s t r a t i fi c a t i o n of the r e s e rvo i r。the we ll n e t s of t h e first t y p e o f ma i n f o r c e o i l s tra t u ms and the s e c o n d o r t h i r d t y p e o f o i l s t r a t u m s w e re s u b d i v i d e d，the i n j ect i o n w a t e r s p r e a d o v e r v o l u me w a s b r o a d e n ed，the q u an t i t y o fthe c o n t r o l an d u s e o f w a t e r fl o o d i ng o i l we r e i mp rov e d F i n a l l y，t h e r a t i o of p r o d u c t i o n o f t h e b l ock w a s i mp rov e d Ke y W o r d s：He t e rog e n e i t y an d many o i l s t rat u ms，F i n e d e s c ri p t i o n，1 1 1 e w e l l n e ts o f i n j e c t i o n and p r o d u c t i o n D i g p o t e n t i al，P u c h e n g o i l fi e l d M ul t i-S e p a r a tio n Te c h n o l o g y o f Un d e r b a l an c e d Dr i l l i n g F I uld s Da i A i g u o(Ya n g t z e Un i v e rsi t y，J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3，Ch i n a)L i u Ga n g and Z h u Z h o n g xi e t a L F a ult B l ock 0噎 l&Gas F i e I d。2 0 o 5。1 2(1)：6 5I Th e c a p abi l i t y o f d rill i n g fl u i d s h as b i g i nfl u e n c e o n d ril l i n g s p e e d，wa l l q u ali t y an d the l i f e s p a i of d r i lli n g p u mp an d o t h e r h y dra u l i c ma c h i n e s Un d e r b alan c e d d ri lli n g h as mu c h h i g h e r d e man d t h an o r d i n a r y d r i lli n g Dril l i n g fl u i d s mult i-s e p ara t i o n t ec h n o l o gy i 8 o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s Th i s p a per i n t r o du c ed s e v e r a l ma i n me tho d s o f d r i ll i n g fl u i d s mu l ti s e p ara t i o n an d the i r d e v e l o p me n t，an d p o i n t e d o u t tha t h y d r o c y c l o n e s e p ara t i o n t e c h n o l o gy i s the b e s t sep a r a ti o n t e c h n o l o gy for d r i l l i n g flu i d s sep ara t i o n a t p r e s e n t，and the n d i s c u s s e d t h e f u t u re s t u d y d i r e c t i o n o f d r i ll i n g flu i d s s e p ara t i o n Ke y W o r d s：Un d e r b alan c e d d r i ll i n g，D rill i n g flu i d s，Oi l wa t e r S e p ara t i o n Th e An a l y s i s o f PDM wi th Do u bl e Be nt Al l g l e Run n i n g i n t o Ca s i n g We i Z e n g j i e(S t a t e Ke y L a b o r a tor y o f Oi l and Gas Re s e r v o i r Ge o l o g y an d Ex p l o i tati o n，So u thwe s t Pe t r o l e u m I n s t i t u te。Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0，Ch i n a)，F u J i a n h o n g and Li u Yo n g h ul e t a L Fa ult Bl o c k 伽&Gas ndd，2 0 0 5，1 2 (1)：6 8 7 O Be c a u s e the b u i l d r a t e s o f s i d e t r a c k e d me d i u m s h o r t r a d i u s h o ri z o n t a l w e l l s are h i ghe r than c o n v e n t i o n a l me d i u m 1 o n g r a d i u s h o riz o n t al w e ll s，the i r ben t an g l e s o f p o we r d o w n h o l e m o t o rs(P D M)are v e ry h i ghI t i s v e ry i m p o r t ant t o d e t e r mi n e the p o s s i b i l i t y o f r u n n i ng P DM w i th d o u b l e be n t an g l e i n t o t h e h o l e Th i s p a p e r u s 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也，S 0P EC，Do n g y i n g 2 5 7 0 6 8，C h i n a)F a ult-B l ock Oi l&Gas F i e l d，2 0 0 5，1 2(1)：7 17 3 I n s u per h i gh p r e s s u re i ecti o n w e ll，i t b e c o mes m o re dif fic ult t o b r e a k d o wn b l oc k r e s ulti n g f r o m the c h ang i n g o f fl o w t h r o u gh p o rou s medi a c a u s e d b y the c h angi n g o f p res s u re c o n d i t i o n。an d h e a v i l y a c c u mula t i ng mec h an i c al i mp u rit i e s an d b a c t e rial p l u g g i n g as w e l1 I n t e r ms o f the f o llo w i n g c h ara c t e rs，l o w per m e abi l i t y，d eep-b u r i e d f o rma ti o n，h i gh f o rm a t i o n t e mpe r a t u r e，wa t e r sen s i t i v i t y an d a c i d s e n s i ti v i t y。w i d e l y res e a r c h h as be e n i mp l e me n t ed o n i n e ff e c t i v e l y o r g a n i c p l u g r e mo v i n g b y c o n v e n t i o n a l ac i d i z i n g On t h e b ase o f t e c h n o l o gy b l ock r e mo v i n g b y C1 02，the t echn o l o gy o f b l ock r e mo v i n g b y s t r o n g o x i d i z e r i s d e v e l o p e d t o a p p l y i n l o w perm e ab l e res e rvo i r i n Xi a n h e o i l p l ant，w h i c h h as be e n p r o v e d t o be mo r e e ff e c t i v e Ke y W o r d s：L o w pe rm e ab l e r e s e rvo i r，B l ock r e mo v i n g b y s t r o n g o x i d i z e r，S u per h i gh p res s u r e，I n j ect i o n w e ll，Be n e fi t e v alu a t o n M e a s u r e o n Re du c i n g Fo r m a ti o n Fr a c t u r i n g Pr e s s u r e o fW dl Bo t t o m V 维普资讯 http:/ J A N2 0 0 5 F A U T B L OC K OI L G A S F I E L D V0 I 1 2 N o 1 Hu a n g Yu z h o n g(Do wn h o l e S e r v i c e Di v i s i o n o f S o u t h we s t C o mp a n y，S oP E C，De y a n g6 l 8 0 o o，C h i n a)F a u l t-Bl o c k Oi l&Ga s F i e l d，2 0 0 5，1 2(1)：7 4 7 6 Wh e t h e r t h e s t r a t u m f r a c t u r i n g c a n b e f o r me d i s t h e k e y p o i n t f a c t o r i n t h e h y d r a u l i c f r a c t u rin g t r e a t me n t s o f o i l an d g a s w e ll s i n p e t r o l e u m an d g a s i n d u s t r y T h e h y d r a u l i c f r a c t u r e t rea t me n ts c h an g e s mo re d i ff i c u l t b y t h e rea s o n o fthe h i gh f o rma t i o n f r a c t u ri n g p r e s s u r e w h e n th e w e l l s g o m o r e d e e p Ho w t o r e d u c e t h e f o rm a t i o n f r a c t u rin g p res s u r e s ee m t o b e p a r t i c u l a r l y i mpo r t a n c e u n d e r e x i s t i n g a b i l i t y o f g r o u n d po we r f a c i l i t y T h e f o rm a t i o n f r a c t u rin g p r e s s u r e c a n be r e d u c e d e ffe c t i v e l y b y s o me p r e t r e a t me n t s s u c h a s s o u r t r e a t me n t，h i g h-e n e r g y g a s f r a c t u rin g t r e a t me n t s，a b r a s i v e w a t e r j e t per f o r a t i o n and o p t i mi z ed perf o r a t i o n p ara me t e r s e t c I t a l s o c a n be r e d u c e d b y s o me i n d i r e c t me asu r e s：d e c rease t h e p i p e l i n e f ri c t i o n t h r o u g h o p t i mi z i n g i n j e c t w a y，d e c rea s e t h e pe rf o r a t i o n e y e l e t f ri c t i o