页岩气井复合暂堵泵压数学模型及影响因素.pdf

收稿日期:改回日期:基金项目:中国石化科技部“十三五”重点规划项目“川西中浅层致密砂岩气藏体积压裂关键技术”()国家自然科学基金“超深裂缝地层溢流多相流动机理及气体侵入类型识别研究”()校企合作项目“压裂靶向暂堵关键施工参数优化设计技术及现场试验”()作者简介:孔祥伟()男副教授 年毕业于黑龙江科技大学信息与计算科学专业 年毕业于西南石油大学油气井工程专业获博士学位现从事油气井力学及储层改造方面的教学与科研工作 通讯作者:李亭()男副教授 年毕业于石油大学(华东)石油工程专业 年毕业于成都理工大学油气田开发工程专业获博士学位现从事油气藏增产方面的教学与研究工作:/页岩气井复合暂堵泵压数学模型及影响因素孔祥伟卾玄吉齐天俊陈 青任 勇王素兵李 亭刘 宇(长江大学石油工程学院湖北 武汉 长江大学油气钻完井技术国家工程研究中心湖北 武汉 中国石油川庆钻探工程有限公司四川 成都)摘要:目前页岩气井压裂的泵压预测主要依靠商业软件拟合预测暂堵剂用量与泵压的数学模型较少 为此考虑暂堵剂运移终速度、缝宽、暂堵剂阻力等因素提出了复合暂堵泵压预测数学模型分析了复合暂堵参数对泵压的影响 结果表明:随复合暂堵剂用量增大泵压升高复合暂堵剂同单一暂堵剂相比复合暂堵剂用量对泵压影响更敏感随暂堵粒径增大泵压峰值呈现增大趋势复合暂堵剂的起压及升压时间较单一暂堵剂明显减小暂堵效果更佳复合暂堵剂用量为 时升压时间为 泵压峰值可达到 与粒径为 的暂堵剂相比升压时间缩短 泵压峰值增大 升压速度增大 室内实验和现场应用表明泵压计算值与实测值最大误差分别为 和 复合暂堵泵压预测数学模型对暂堵剂用量设计以及暂堵效果评价具有指导意义关键词:深层页岩气复合暂堵泵压暂堵剂中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.第 期孔祥伟等:页岩气井复合暂堵泵压数学模型及影响因素 .:引 言四川盆地深层页岩储层非均质性强目前主要采用长段多簇的复合暂堵转向压裂技术进行开发复合暂堵转向压裂技术通过由不同粒径暂堵颗粒配制的复合暂堵剂封堵孔眼或裂缝从而获取较大的储层改造体积 目前国内外学者针对暂堵泵压开展了较多研究张健等通过对无围压、有围压的真三轴页岩试样分析测试了试样泵压峰值描述了不同地应力条件下裂缝的扩展规律 吕刚等制订了压裂施工中泵压的控制措施优化了压裂泵的性能 陈波等、孔祥伟等针对不同类型暂堵剂进出口缝宽条件分析了不同质量分数暂堵剂的暂堵压力随时间变化关系 蔡依娜等利用炮眼暂堵实验装置探究了温度对暂堵段承压能力和渗透率的影响规律 吴宝成等提出了绳结式暂堵剂运移及暂堵规律实验证实了绳结式暂堵剂比球形暂堵剂的暂堵效果更好 等通过真三轴暂堵模拟实验装置开展了单一粒径和多粒径暂堵剂的裂缝暂堵实验 等利用真三轴水力压裂物模实验系统研究了小粒径暂堵剂对三维裂缝的暂堵效果明确了裂缝形态对暂堵效果的影响 等研发了由可降解颗粒/粉末与支撑剂复配而成的暂堵剂复合暂堵剂能够提高暂堵效果但暂堵颗粒的粒径需要与暂堵空间适配 前人研究主要集中在实验测试暂堵泵压、裂缝形态及粗糙度、暂堵剂固液比及温度等因素对暂堵效果的影响而关于复合暂堵泵压预测数学模型的研究较少 为此考虑暂堵剂运移终速度、缝宽、复合暂堵剂平均密度等因素提出了复合暂堵泵压预测数学模型可为深层页岩气藏暂堵压裂设计提供技术指导 复合暂堵泵压数学模型假设沿井筒轴线两侧裂缝为对称双翼缝为简化研究过程只以上半部裂缝暂堵过程为研究对象 图 为上半部裂缝缝口受力示意图 模型建立思路为:计算上半部裂缝暂堵材料用量计算暂堵剂运移终速度暂堵剂运移的惯性力(暂堵剂终速度)转换为暂堵阻力建立暂堵段塞两端压差数学模型考虑井筒摩阻、暂堵段阻力、孔眼摩阻等因素建立复合暂堵泵压数学模型图 上半部裂缝缝口受力示意图 复合暂堵剂用量数学模型上半部裂缝复合暂堵剂用量的计算公式为:()式中:为上半部裂缝复合暂堵剂的用量为复合暂堵剂的密度/为复合暂堵剂的体积用量复合暂堵剂密度计算公式为:()()式中:、分别为不同粒径暂堵剂(暂堵剂、)的密度/、分别为暂堵剂 和 的体积分数复合暂堵剂的体积用量为:()()()考虑裂缝壁面的摩擦阻力暂堵段塞两端压力差公式为:()式中:为上半部裂缝的有效高度 为暂堵剂堆积长度 为平均裂缝宽度 为暂堵剂 特 种 油 气 藏第 卷在裂缝中的总高度 为压裂液进入裂缝的流量/为暂堵剂运移终速度/为暂堵段塞两端压力差为暂堵剂阻力 暂堵剂运移终速度数学模型暂堵剂运移终速度方程为:()式中:为单个暂堵剂的(可以将暂堵剂看成小单元球体)质量为暂堵剂的重力为暂堵剂的浮力为暂堵剂的阻力为暂堵剂的 力为暂堵剂的虚拟质量力为暂堵剂运移时间暂堵剂的阻力表达式为:()()式中:为阻力系数为暂堵剂直径为压裂液密度/为压裂液流速/阻力系数 计算方程为:/()()()式中:为雷诺数 为压裂液的黏度暂堵剂的重力表达式为:()式中:为重力加速度/暂堵剂的浮力表达式为:()暂堵剂与压裂液因速度差产生的 力表示为:()()式中:为关于贝塞尔积分的时间参数为暂堵剂运移速度/当暂堵剂在流体中作加速运动时暂堵剂产生的虚拟质量力可以表示为:()()将井筒划分为若干个网格应用龙格库塔公式对每个网格迭代求解可得到暂堵剂终速度 井口初始网格基本关键参数包括:井口暂堵剂初速度、压裂液排量、泵压、管径等参数按照网格划分顺序迭代求解式()可得沿井筒暂堵剂终速度 暂堵剂阻力数学模型考虑暂堵剂惯性力暂堵剂阻力数学模型为:()泵压预测数学模型考虑井筒摩阻、暂堵段阻力、孔眼摩阻等因素泵压预测数学模型为:()式中:为泵压为井筒摩阻为孔眼摩阻 泵压数学模型验证利用 型暂堵模拟实验装置测试了复合暂堵泵压实验基础参数与数学模型基础参数保持一致:暂堵缝宽为 地层温度为 压裂液总体积为 排量为 /暂堵剂分别为粒径为 、的暂堵剂以及由两者按照质量比为 配制的复合暂堵剂(为表述简单简称为暂堵剂、暂堵剂、复合暂堵剂)暂堵剂用量均为 图 为计算泵压与实验泵压的对比曲线 由图 可知:计算泵压与实验泵压变化趋势一致实验泵压与计算泵压最大误差为 说明上述复合暂堵泵压计算模型是适用的图 计算泵压与实验泵压对比曲线 第 期孔祥伟等:页岩气井复合暂堵泵压数学模型及影响因素 复合暂堵参数对泵压的影响 复合暂堵剂粒径对泵压影响计算参数为:暂堵剂排量为 /缝宽为 温度为 压裂液用量为 暂堵剂分别为粒径为 、的暂堵剂以及复合暂堵剂(两者按照质量比为 配制)后续实验用暂堵剂与此相同暂堵剂用量为 种暂堵剂施工时的泵压数据见图、表(图 中起压区间和升压区间泵压变化值与对应时间的比值分别定义为起压斜率和升压斜率)由图、表 可知:对于单一粒径的暂堵剂随粒径增大泵压峰值呈现增大趋势相比单一粒径的暂堵剂复合暂堵剂的起压时间和升压时间均缩短泵压峰值也相对增大复合暂堵剂起压斜率为 升压斜率为 起压时间为 泵压峰值为 与单一粒径暂堵剂相比起压时间缩短了 升压时间缩短了 泵压峰值增大了 说明复合暂堵剂暂堵效果更显著图 粒径对暂堵泵压影响的变化曲线 表 暂堵剂粒径对泵压峰值影响 暂堵剂起压时间/升压时间/泵压峰值/起压斜率升压斜率暂堵剂 暂堵剂 复合暂堵剂 复合暂堵剂用量对泵压的影响计算参数为:暂堵剂排量为 /缝宽为 温度为 压裂液用量为 暂堵剂用量为、图 为暂堵剂用量对泵压的影响曲线 由图 可知:暂堵剂用量越大升压能图 复合暂堵剂加量对泵压影响 力越好复合暂堵同单一暂堵对比暂堵剂用量对泵压的影响更显著表 为暂堵剂用量对升压时间及泵压峰值的影响 由表 可知:暂堵剂用量越大升压能力越好 暂堵剂用量为 时复合暂堵剂的升压时间为 泵压峰值可达到 与暂堵剂 相比升压时间缩短了 泵压峰值增大了 升压速度增大了 特 种 油 气 藏第 卷表 暂堵剂用量对泵压峰值的影响 暂堵剂暂堵剂用量/起压时间/升压时间/泵压峰值/起压斜率升压斜率暂堵剂 暂堵剂 复合暂堵剂 缝宽对复合暂堵泵压影响计算参数为:缝宽为、暂堵剂排量为/暂堵剂用量为 温度为 压裂液用量为 图 为缝宽对暂堵泵压的影响由图 可知:对于同一暂堵剂裂缝宽度越小暂堵升压能力越好暂堵剂暂堵裂缝效率越高同单一暂堵剂相比复合暂堵剂升压效果显著图 缝宽对暂堵泵压的影响 表 为缝宽对暂堵剂泵压峰值的影响 由表 可知:随缝宽增大泵压峰值下降 以复合暂堵剂为例暂堵 裂缝时的起压时间为 升压时间为 泵压峰值为 与暂堵 裂缝对比起压时间延长 升压时间延长 泵压峰值降低 表 缝宽对泵压峰值的影响 缝宽/暂堵剂暂堵剂用量/起压时间/升压时间/泵压峰值/暂堵剂 暂堵剂 复合暂堵剂 现场实验水平井 井位于川中古隆平缓构造区威远龙女寺构造群开发层系为龙马溪组地层完钻井深为 试气井段位于龙马溪组优质页岩段底部有机碳含量较高脆性矿物含量高利于水力压裂压裂暂堵思路为:采用“长段短簇暂堵匀扩控液增砂”压裂模式增加水力裂缝面积提升裂缝改造效果采用复合暂堵剂保证裂缝均匀扩展采用纤维伴注携砂工艺改善缝内支撑剂铺置剖面针对裂缝发育、套变风险及狗腿度较大段适当控制规模保证加砂成功 第 期孔祥伟等:页岩气井复合暂堵泵压数学模型及影响因素 压裂设计参数为:压裂主体段长度为 平均长度为 压裂段数为 段至 段采用单段 簇射孔方式单簇长度为 单簇射孔数为 孔 至 段采用单段 簇射孔方式单簇长度为 单簇射孔数为 孔 选择粒径为 和 暂堵剂配制的复合暂堵剂 在压裂暂堵过程中实测了 至 压裂段的复合暂堵泵压实测值与计算值最大误差为 平均误差为 说明复合暂堵泵压预测方法是适用的(表)表 井复合暂堵剂泵压数据 段号压裂段长度/排量/()暂堵剂用量/泵压/实测预测泵压误差/结 论()针对深层页岩气藏多簇暂堵压裂技术建立了复合暂堵剂泵压计算数学模型该模型具有计算简单、结果精度高等优点不仅适用于页岩储层也适用于碳酸盐岩、砂岩等储层的复合暂堵剂用量设计()暂堵效率可以利用暂堵泵压曲线斜率法判断该方法将暂堵升压效率评价区间划分为起压区间及升压区间起压区间越短暂堵升压越快暂堵能力越强()随裂缝宽度减小、暂堵剂用量及粒径增大暂堵升压性能越好暂堵效率越高复合暂堵剂同单一暂堵剂对比暂堵剂用量对暂堵泵压的影响更显著参考文献:陈作刘红磊李英杰等 国内外页岩油储层改造技术现状及发展建议 石油钻探技术():():刘均一柴金鹏李光泉等 准噶尔盆地硬脆性页岩强化致密封堵水基钻井液技术 石油钻探技术():():田伟志 威远构造 井区龙马溪组页岩气储层微观孔隙结构特征 录井工程():():周博成熊炜赖建林等 武隆区块常压页岩气藏低成本压裂技术 石油钻探技术():():孙欢朱明明王伟良等 长庆页岩油水平井华 井超长水平段防漏堵漏技术 石油钻探技术():():苏良银庞鹏达引朋等 低渗透油田暂堵重复压裂堵剂用量优化与现场试验 断块油气田():():杨恒林吕嘉昕谭鹏等 基于三维扫描技术的页岩暂堵压裂物理模拟实验 断块油气田():():王海涛仲冠宇卫然等 降低深层页岩气井压裂施工压力 特 种 油 气 藏第 卷技术探讨 断块油气田():():方裕燕冯炜张雄等 炮眼暂堵室内实验研究 钻采工艺():():张健张国祥王金意等 基于真三轴压裂实验的页岩损伤研究 合肥工业大学学报(自然科学版)():.()():吕刚王凯 压裂施工中泵压的控制措施 化学工程与装备():():陈波李勇明刘福建等 聚酯纤维多粒径暂堵剂裂缝暂堵试验 长江大学学报(自然科学版)():()():孔祥伟刘祚才靳彦欣 川渝裂缝性地层自动压井环空多相压力波速特性研究 应用数学和力学():():蔡依娜彭雪飞肖洒等 炮眼暂堵实验及数值模拟研究 中国石油和化工标准与质量():.():吴宝成周福建王明星等 绳结式暂堵剂运移及暂堵规律实验研究 钻采工艺():.():():():/():吴国涛薛世杰王永贤等 复合暂堵剂暂堵技术 油气井测试():():周双君朱立鑫杨森等 吉木萨尔页岩油区块防漏堵漏技术 石油钻探技术():():于欣张振郭梦扬等 抗高温油基钻井液堵漏剂的研制与应用 以龙马溪组页岩气井 为例 断块油气田():():咸玉席陈超峰封猛等 页岩油藏裂缝网络多相渗流数值模拟研究 石油钻探技术():():刘嘉 纤维颗粒复合暂堵转向技术优化研究 北京:中国石油大学(北京):()韩慧芬孔祥伟 页岩气储层暂堵转向压裂直井段暂堵球运移特性研究 应用力学学报():():编辑 孟凡勤