压裂排液求产一体化关键技术及理论研究

论文摘要

压裂在油气资源的勘探开发上起着重要的作用。目前大庆油田外围探井多为低渗透油层（渗透率小于50×10-3μm2）,具有单层厚度较小、层数较多的特点,通常一口井中含有二个或二个以上需要压裂的油层,现有的压裂工艺是:压完第一层后,上提管柱逐层对第二层、第三层进行压裂,然后起出压裂管柱,再下入测试求产管柱,这样不仅劳动强度大,施工周期长,测试压力资料不连续,而且上提管柱过程中,油管内喷出的压裂液污染地面,不利于地面环保,同时也会影响压裂液反排量的准确计量。为此,本文针对压裂施工中存在的这些难题,采用理论分析与现场试验相结合的方法,设计了一整套不动管柱两层压裂、排液求产、测井温一体化管柱。主要取得如下研究成果:（1）机械设计根据现场生产实际,结合机械设计原理研制出了一整套压裂、排液求产、测井温一体化管柱,并研究设计、加工试制了上封隔器、控制开关、下封隔器、密封接头、同心大通径压力计托筒等八种二十余件新型井下工具。使其实现了一趟管柱并且在不动管柱的情况下完成两层压裂、压后排液求产以及压后测井温等工艺,达到了缩短施工周期、降低储层的损害程度、减轻工人的劳动强度、实现绿色施工的目的。（2）理论研究及应用根据不同储层特点,优选了与油气层配伍的压裂液,添加剂及配方,确保油气田增产、增注的效果。应用岩石破碎力学原理,建立了射孔完井条件下岩石破裂压力理论模型,计算了大庆油田海拉尔、古龙等区块的地层破裂压力,确保在不动管柱两层压裂排液求产一体化施工中压开地层而又不致产生窜层,同时井下工具具有足够的承压能力,保证安全施工。为验证管柱设计的合理性,以压裂管柱为研究对象,充分考虑影响管柱屈曲行为的主要因素,建立了描述管柱屈曲行为的一般性方程。通过对该方程的分析,揭示了管柱几何尺寸、物理特性参数、载荷等因素对管柱在三维弯曲井眼中屈曲行为的影响规律。应用现代数学分析方法求解管柱屈曲方程,得到三个不同状态（正弦、螺旋弯曲及自锁）的解和临界屈曲载荷以及弯曲管柱与井壁接触的正压力,分析了弯曲管柱与井壁之间的库仑摩擦力对管柱在井下的屈曲行为及轴力分布的影响。在准确认识井下管柱屈曲行为的基础上,进行井下管柱载荷、应力和变形的分析与计算。在实际计算时,考虑了管柱上有封隔器等井下工具,为生产参数的合理选择提供了理论依据。从理论上研究了具有启动压力影响的低渗储层垂直裂缝油井的产能预测方法,计算时考虑了启动压力梯度对产能衰减规律的影响,绘制了油井在定流压下生产时产量随时间变化曲线和不同生产时间下的IPR曲线（不稳定IPR曲线）,得出如下结论,一是表皮系数越大,裂缝井初期产量就越低,随生产时间增长,表皮效应的影响逐渐消失。二是启动压力梯度越大,储层流动所需的生产压差越大。启动压力梯度对压裂井的初期产能影响不大,在生产后期,启动压力越大产量下降越快。三是对于不同的生产时间,当启动压力梯度较小时,它对产量的影响也较小;但随着启动压力梯度的增大,其对产量的影响程度增强,产量下降幅度显著。实现了对低渗、特低渗透储集层压后产能的准确评价。（3）现场试验在大庆油田有限责任公司采油工程研究院分层开采实验室模拟井上进行了室内试验。通过地面打压,验证水力锚锚定可靠,封隔器座封到位,底部开关销钉剪切值准确。通过油套管正反打压,验证了封隔器的密封性以及封隔器的可反洗功能,达到了设计的目的,证明了方案设计的合理性。在大庆油田探井及开发评价井上,共进行了31口井的现场应用,工艺成功率100%。实现了一趟管柱并且在不动管柱的情况下完成两层压裂、压后排液求产以及压后测井温等工艺;减少了作业费用,减轻了作业人员的劳动强度,实现了安全环保施工,可在油田范围内（3000米以浅井）普遍推广。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 压裂技术的发展情况
• 1.2.2 压裂液的研究情况
• 1.2.3 压裂工艺的研究情况
• 1.2.4 压裂液返排工艺的研究情况
• 1.2.5 压裂井产能评价技术研究情况
• 1.2.6 以往研究的局限性
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 不动管柱压裂及排液一体化关键技术研究
• 2.1 整体管柱的研制
• 2.2 主要井下工具的研制
• 2.2.1 上封隔器
• 2.2.2 控制开关
• 2.2.3 下封隔器
• 2.2.4 密封接头
• 2.2.5 同心大通径压力计托筒
• 2.2.6 底部开关
• 2.2.7 打捞头
• 2.2.8 二十余件各种变换、配合接头
• 2.3 不同井况下管柱的研制
• 2.4 压裂后排液求产工艺技术
• 2.4.1 压裂后油嘴控制放喷排液技术
• 2.4.2 压裂后求产工艺
• 2.5 本章小结
• 第3章 压裂液的优选及岩石破裂压力分析
• 3.1 压裂液的优选
• 3.1.1 对压裂液性能的要求
• 3.1.2 压裂液的优选原则
• 3.1.3 大庆地区压裂液的优选
• 3.2 岩石强度破坏准则
• 3.2.1 裂隙尖端及其附近应力
• 3.2.2 格里非斯强度准则
• 3.3 地应力的测试及其与压裂设计参数的关系
• 3.3.1 地应力测试技术
• 3.3.2 水力裂缝产状与地应力的关系
• 3.3.3 压裂施工排量与地应力
• 3.3.4 支撑剂的选择与地应力
• 3.3.5 水力裂缝的几何尺寸的模拟与地应力
• 3.4 岩石破裂压力
• 3.4.1 射孔完井条件下地层产生垂直裂缝的岩石破裂压力
• 3.4.2 射孔完井条件下地层产生水平裂缝的岩石破裂压力
• 3.4.3 不同地区破裂压力情况表
• 3.5 孔眼摩阻计算
• 3.6 井口施工泵压
• 3.7 本章小结
• 第4章 井下压裂管柱力学理论分析及其应用
• 4.1 井下压裂管柱在井眼中力学行为的影响因素分析
• 4.2 井下压裂管柱拉力—扭矩模型
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 几何方程
• 4.2.3 运动平衡方程
• 4.2.4 本构方程
• 4.2.5 管柱拉力—扭矩微分方程
• 4.2.6 管柱与井眼摩擦系数的处理
• 4.2.7 边界条件
• 4.3 井下压裂管柱的稳定性
• 4.3.1 斜直井中管柱屈曲的微分方程
• 4.3.2 斜直井段管柱正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷
• 4.3.3 无重管柱的几何非线性螺旋屈曲
• 4.4 井下油管柱力学分析
• 4.4.1 油管温度分布的数学模型
• 4.4.2 油管内及环空水力计算
• 4.4.3 封隔器的活塞效应产生的轴向阻力
• 4.4.4 油管下入过程的受力与变形分析
• 4.4.5 油管起出过程的受力与变形分析
• 4.4.6 施工作业过程中油管的受力与变形分析
• 4.5 油管柱优化设计
• 4.5.1 压裂过程
• 4.5.2 排液过程
• 4.5.3 打捞过程
• 4.6 井下压裂管柱力学分析实例
• 4.6.1 苏41－51 井压裂井下管柱力学分析报告
• 4.6.2 古龙267-斜233 井压裂井下管柱力学分析报告
• 4.7 本章小结
• 第5章 低速非达西渗流储层压裂井产能评价方法
• 5.1 物理模型
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 基本方程
• 5.2.2 渗流方程的建立
• 5.3 数学模型的求解
• 5.3.1 网格类型
• 5.3.2 网格剖分在数值计算中的重要地位
• 5.3.3 网格生成方法
• 5.3.4 网格生成的步骤
• 5.3.5 方程的离散
• 5.3.6 块状三对角矩阵求解
• 5.4 具有启动压力影响的低渗储层压裂井不稳定产能曲线
• 5.4.1 不稳定产能预测理论曲线
• 5.4.2 产能曲线分析
• 5.4.3 应用实例
• 5.5 本章小结
• 第6章 现场试验
• 6.1 室内模拟井试验
• 6.1.1 模拟井概况
• 6.1.2 模拟井试验过程
• 6.2 现场试验及应用情况
• 6.2.1 苏41-51 井地质概况
• 6.2.2 苏41-51 井试验过程
• 6.2.3 苏41-51 井试验结果
• 结论
• 附录 符号说明
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介