二氧化碳泡沫压裂理论及工艺技术研究

论文摘要

常规水力压裂技术对低压、低渗、水敏性地层的增产增注效果不是很理想,甚至会失败。由于CO2泡沫液具有降粘、防膨、降阻、助排及携砂能力强、滤失量低、返排快、对地层伤害小等多种特性,所以适合低压、低渗、水敏性等复杂岩层的压裂,而对油层污染严重,含水率较低,相对稠油的新井或初压层,其压裂效果比常规压裂效果要好。关于二氧化碳泡沫压裂方面研究在我国还处于探索阶段,还存在许多问题和差距。主要表现在:机理研究相对薄弱,特别是对常温常压下的泡沫压裂液的流变模式还没有一个统一的认识,对高温高压下的泡沫压裂液的流变性更是没有研究;没有关于泡沫压裂较完整的裂缝延伸模型报道;泡沫压裂技术也有待尽快发展和完善。因而有必要对二氧化碳泡沫压裂的理论及工艺技术进行研究。在前人研究的基础上,本文主要对以下几个方面进行了研究并得到了相应的结论:1.利用大型高参数泡沫压裂液流动回路研究了高温高压下CO2泡沫压裂液的流变模式;研究了剪切速率、泡沫质量、温度、压力等参数对CO2泡沫压裂液的流变参数的影响规律;拟合了CO2胍胶泡沫压裂液的流变参数计算式。并取得了以下结论:（1）当泡沫质量小于0.9时,CO2泡沫压裂液的流变模型可用幂律模型描述;在泡沫质量大于0.9时,CO2泡沫压裂液的流变模型可用宾汉模型描述。（2）CO2泡沫压裂液是一种剪切变稀和温度变稀流体。（3）泡沫质量和温度以指数规律影响着CO2泡沫压裂液流变参数,而压力的影响不是很大。（4）随着泡沫质量的增大,流变指数减小,稠度系数增大;随着温度的升高,稠度系数减小,流变指数增加。2.研究了CO2泡沫压裂液在井筒中的流动,根据CO2泡沫压裂液的特点建立了泡沫压裂液在井筒中流动时的静液柱和摩阻模型,并进行了实例计算。计算表明:随着泡沫质量的增大,油管中的摩擦压降增大,但在泡沫质量较大时,增大速度是逐渐减小的;在泡沫质量较低时,增大速度是逐渐增加的。泡沫质量越大,泡沫的重位压降就越小,重位压降的变化趋势减小。3、在井筒温度场的计算中考虑了由摩擦产生的热量的影响。并分析了泡沫质量、排量等参数对裂缝尺寸的影响规律。计算表明,温度对CO2在井筒中的状态有显著影响。泡沫压裂设计中,泡沫压裂液的压缩性不可忽略。4.根据泡沫压裂的特殊性,建立了泡沫压裂液表现为幂律流体时的拟三维裂缝延伸模型,该模型主要由缝中流体流动的压降方程、裂缝宽度方程、裂缝高度方程、连续性方程、状态方程组成。5.推导了CO2泡沫压裂液表现为赫巴流体时在缝内的压降方程,建立了CO2泡沫压裂液表现为赫巴流体时的二维裂缝延伸模型,给出了详细的解法,并进行了实例计算。6、评价分析了压裂常用支撑剂性能及其工程应用工艺方法,开展了储层岩心的岩石力学试验与岩心微观物性研究,建立了泡沫压裂工程实验方法;模拟分析了压裂液敏感参数对泡沫压裂设计的影响,建立泡沫压裂设计方法和现场质量控制系统;形成了增产机理清楚、选井选层原则明确,工艺完善、适应性强的二氧化碳泡沫压裂工艺技术7、形成的二氧化碳泡沫压裂工艺技术分别在吉林油田低渗油藏、辽河高凝油藏及中石化东北局气藏等油气藏得到应用,共试验了22口井26层,成功率95%以上,增产效果明显。8、利用建立的二氧化碳泡沫压裂模型和设计方法,编制了界面友好、操作简单易行的二氧化碳泡沫压裂工程设计软件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 泡沫压裂发展概况
• 1.2.2 泡沫压裂液流变性研究现状
• 1.2.3 泡沫压裂摩阻预测
• 1.2.4 井筒及裂缝温度场分布研究现状
• 1.2.5 裂缝延伸模型现状
• 1.2.6 二氧化碳泡沫压裂的工艺技术与现场试验研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 主要研究成果
• 1.5 本文的发展与创新
• 2 二氧化碳泡沫压裂液特性及其增产机理
• 2.1 二氧化碳基本性质
• 2泡沫压裂液组成'>2.2 CO₂泡沫压裂液组成
• 2.3 泡沫压裂液的特性
• 2.3.1 泡沫流体的物理及渗流性质
• 2.3.2 泡沫流体的稳泡机理
• 2.4 泡沫压裂液基本参数计算
• 2.4.1 泡沫质量
• 2.4.2 泡沫压裂液的密度
• 2.4.3 泡沫压裂液的传热系数
• 2热物性参数计算'>2.4.4 CO₂热物性参数计算
• 2泡沫压裂的增产作用'>2.5 CO₂泡沫压裂的增产作用
• 3 二氧化碳泡沫压裂液流变性研究
• 3.1 非牛顿流体分类
• 3.2 泡沫流体简介
• 3.2.1 泡沫流体的产生及其分类
• 3.2.2 泡沫的结构
• 3.3 泡沫流变性研究方法及实验设备
• 3.3.1 实验设备简介及主体流程
• 3.3.2 测试原理
• 3.3.3 实验流程
• 2泡沫压裂液流变性测试'>3.4 CO₂泡沫压裂液流变性测试
• 3.4.1 胍胶泡沫压裂液的流变模型研究
• 2泡沫流变性影响因素研究'>3.4.2 CO₂泡沫流变性影响因素研究
• 2泡沫压裂液流变参数模型的建立'>3.5 CO₂泡沫压裂液流变参数模型的建立
• 3.5.1 模型建立思想
• 2泡沫压裂液流变参数模型'>3.5.2 CO₂泡沫压裂液流变参数模型
• 4. 二氧化碳泡沫压裂的井筒摩阻与井筒温度场研究
• 4.1 泡沫液柱压力与摩阻压降计算
• 4.1.1 井筒静液柱压力预测
• 4.1.2 井筒摩阻压力预测
• 4.1.3 计算方法及计算步骤
• 4.1.4 实例计算
• 4.2 井筒温度场计算
• 4.2.1 井筒温度场模型
• 4.2.2 计算实例
• 5. 二氧化碳泡沫压裂裂缝延伸模型研究
• 5.1 幂律型泡沫压裂液裂缝延伸模型
• 5.1.1 缝中流体流动的压降方程
• 5.1.2 质量守恒方程
• 5.1.3 状态方程
• 5.1.4 宽度方程
• 5.1.5 应力强度因子计算
• 5.1.6 裂缝高度方程
• 5.1.7 裂缝温度场模型
• 5.1.8 模型的解法
• 5.1.9 计算实例
• 5.2 二氧化碳泡沫压裂裂缝延伸HB模型
• 5.2.1 缝中流体流动的压降方程
• 5.2.2 裂缝宽度方程
• 5.2.3 缝中流体流动的连续性方程（质量守恒方程）
• 5.2.4 状态方程
• 5.2.5 HB二维延伸的数值算法
• 5.2.6 实例计算
• 5.3 泡沫压裂影响因素分析
• 5.3.1 泡沫质量的影响
• 5.3.2 排量的影响
• 5.3.3 滤失系数的影响
• 6 二氧化碳泡沫压裂的工艺技术与现场试验研究
• 6.1 二氧化碳泡沫压裂工艺技术
• 2泡沫压裂工艺技术新进展'>6.1.1 CO₂泡沫压裂工艺技术新进展
• 2泡沫压裂选井选层技术'>6.1.2 CO₂泡沫压裂选井选层技术
• 2泡沫压裂施工技术'>6.1.3 CO₂泡沫压裂施工技术
• 2泡沫压裂施工工艺流程'>6.1.4 CO₂泡沫压裂施工工艺流程
• 6.2 二氧化碳泡沫压裂现场试验研究
• 6.2.1 岩心物性分析
• 6.2.2 岩石力学试验
• 2压裂液评价与优选'>6.2.3 CO₂压裂液评价与优选
• 2压裂支撑剂评价与优选'>6.2.4 CO₂压裂支撑剂评价与优选
• 2压裂的工程条件与设计方法'>6.3 CO₂压裂的工程条件与设计方法
• 2相态特征'>6.3.1 CO₂相态特征
• 2起泡条件分析'>6.3.2 压裂过程中CO₂起泡条件分析
• 6.3.3 泡沫流体敏感参数对压裂设计的影响
• 6.3.4 设计方法
• 2压裂现场实施与评估'>6.4 CO₂压裂现场实施与评估
• 6.4.1 现场施工与质量控制技术
• 2压裂在吉林油田的应用'>6.4.2 CO₂压裂在吉林油田的应用
• 2泡沫压裂现场应用'>6.4.3 低渗透气藏 CO₂泡沫压裂现场应用
• 2降粘压裂现场应用'>6.4.4 高凝稠油地区CO₂降粘压裂现场应用
• 7. 二氧化碳泡沫压裂工程设计软件
• 7.1 软件研制开发的基本思路
• 2泡沫压裂软件界面'>7.2 CO₂泡沫压裂软件界面
• 7.2.1 开始界面
• 7.2.2 菜单界面
• 7.2.3 数据输入界面
• 7.2.4 计算结果界面
• 8. 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献