固体颗粒发散剂让页岩储层裂缝均匀生长

时间:2022-10-21 15:40 来源:《石油与装备》 作者:编译 李晓生
为了改进不均匀的流体和支撑剂分散进入每个预放置的储层集群,采用数值模型来研究一种颗粒发散体系在特定井下条件下优化储层刺激或促产策略的有效性。正如对不同非传统储层多口井的统计分析那样,近三分之一计划的储层集群可能并不活跃,无法返流碳氢化合物,原因是这些储层集群水力压裂的效率太低。对于那些非生产性储层集群,不能形成水压裂缝或裂缝无法完全传播到更远的区域,因此裂缝发育的数量和程度远小于预期。

这一异常现象主要归结于井筒附近水压裂缝的萌生和延伸情况。为了充分了解这一意想不到的现象、最大程度地提高裂缝波及率、使投入的资产获得最大产能,各石油公司一直在寻找切实可行的解决方案。裂缝潜能的变化是多种地质力学和储层特性的复杂函数,这种变化可以改变裂缝的萌生和延伸。

固体颗粒发散剂

现场观察和三维(3D)数值模拟建议可以在近井筒区域冲洗出一种复杂的水力冲击裂缝形状。为了实现这些目标,采用固体颗粒发散剂来有效阻断现有的流体进入,引导非传统储层在压裂和再压裂处治过程中的流体分布。一种先进的颗粒发散体系已获得成功开发,并被广泛用于井内流体的发散处治,包括水力压裂和储层基质酸化。与现有技术和发散剂不同,下一代的颗粒发散剂可适当地进行设计,用于具有时间效率的阶段性发散和紧密间隔的裂缝的形成,而且,其自降解能力可省去一些暂时密封处理的成本和时间。

压裂和再压裂作业过程中,为了确保固体颗粒发散剂成功发散,需根据储层和井筒情况对颗粒发散剂进行优化。为了实现这一目标,建议要充分了解挤进和堵塞的基本机理,这会最终有益于所选颗粒发散剂的设计和泵入策略。基于物理学和发散的力学特性,以下介绍一种综合设计的工作流程,意在指导颗粒发散剂的设计和使用。

挤进和堵塞过程

在前人工作的基础上,工程师们重点研究了固体颗粒设计对挤进和堵塞过程的影响以及相关的压裂效率。新的分析表明,新兴的发散剂能在惰性储层集群中产生额外的流道,从而在流体发散处理时可以增加储层疏通的体积。

方法和工作流程。为了评价和优化颗粒发散在再压裂过程中的应用,进行了全面的地质力学分析。工程师们利用计算流体力学/离散单元法建模,简称CFD-DEM,以及一种3D裂缝模拟装置来模拟颗粒的运移、流体发散和相关的再压裂过程。预测了附近储层和井筒状况下总的储层疏通体积和相关产能,比较了不同的设计方案。采用CFD-DEM对颗粒浆液在注液过程中的运移情况和流体发散过程中逐次堵塞的效果进行了建模。

几个相关联的CFD-DEM模型能够模拟颗粒—颗粒、颗粒—流体和颗粒—张开的相互作用,其作用决定了发散浆液的位移和堵塞现象。图1为实验验证的CFD-DEM模型。这几个模型已根据实验数据进行了校准,包括不同颗粒的表征、张开的形状、流体的流变学及泵入的条件。校准的CFD-DEM引擎可以被定制,以优化特定场所实施时所需的流量条件和发散特性。

一种3D水压裂缝传播模拟装置,加之采用了与其它建模程序的组合方案,确定了动态流体流动和伪静态颗粒沉积两种形态都参与了流体的发散过程。考虑到建模工具的基本机理和可用的复杂性,提出了一种工程设计工作流程和颗粒发散应用的综合分析,图2示意了设计流程和综合分析,由四个主要步骤组成。
 
图2

颗粒设计

服务提供商决定专注于筛目颗粒设计,以确定这些设计是否会对再压裂应用过程中的促产效率有影响。在带有固体颗粒的流体发散处理中,发散剂应与地面设施携带的流体进行混合。然后,入井的混合浆液被泵入井筒,浆液可流入其通过的任何打开的流道。当通过这些流道的开口时,颗粒发散剂会从携带的浆液中沉淀下来,在流道开口处形成塞满或卡住的结构。在此基础上,额外的固体颗粒层可逐渐地从含颗粒的浆液中沉降,形成过桥流道,限制刺激液或促产液的通过。
这样,促产液会被迫进入具有挑战性的储层区域,这些区域促产液通常是不会进去的。动态流体流动和颗粒聚集都参与了浆液的散流过程。从广泛的调研中,我们对挤进和堵塞机理的理解在本节中进行了总结。根据我们的发现,一种固体双颗粒可降解体系可被选择为浆液发散的临时发散剂。在本研究中,两种不同大小的颗粒包含有憩室药丸。见图3,自降解颗粒发散剂的二元体。
  
图3
在新的实验中,这些颗粒的混合物被证明能有效堵塞裂缝的开口,形成一种具有承受重新定向压裂液、暂时密封储层所需压力的健全能力。从实验和数值分析中观察到,为了使浆液发散,基础物理学决定了双颗粒浆液体系对通道开口挤进和后续堵塞的机理。在这一渐进的封堵过程中,相对较大的颗粒主要用于堵塞开口,形成一个稳定的阻塞结构。随后,较小的颗粒可以在较大颗粒之间的空隙空间内滞留和聚集,以降低阻塞结构的孔隙度和渗透率。这样,就可以建立一个限制流体流动通过开口的临时堵塞。

工程师们研究了创建一个稳定阻塞结构的概率,这是后续封堵过程的先决条件。图4为颗粒大小和形状对挤进效率的影响,球形对柱形的实验测试以及不同开口尺寸的数值分析,表明颗粒大小和形状决定了挤进过程的稳定性和效率,一旦建立起成功的阻塞结构,就可以形成密封,用于预期的压力积累和流体发散。
 
图4
为了评价相关的密封效率,采用不同的数据源来确定挤进和密封过程的效率,并在双颗粒发散体系的工程设计中对颗粒的聚集状态进行了评价。二元混合物可以有效阻塞开口,积累流体压力,减弱因其最佳颗粒塞满的流体流动,其中小颗粒成分起到了重要作用。对于实际情况而言,可通过运行相关联的CFD-DEM模拟和分析模型来生成设计建议,这些建议定义了与机械稳定性(挤进)和压力积累(密封)有关的有利条件。根据所需的压差和开口的形状,可以掌控和优化所提出的发散体系的工程设计,以确保流体发散的有效性。

案例研究

根据选定的颗粒设计,采用了一种3D裂缝模拟装置对压裂过程进行建模。预测了总的储层疏通体积和相应的产量,对比不同设计方案之间的压裂效率。根据从一口水力压裂的水平井获得的一组数据建立了一个地质力学模型。该井位于南美洲的一个致密气田,是在最小水平应力方向(325°)的情况下钻成的,这口井所钻地层的平均渗透率为0.1mD(毫达西),孔隙压力梯度为0.5psi/ft。在最初的完井设计中,以每级9个储层集群进行10级分步完井,图5示意了完井设计。

图5
研究中,我们分析了6级分步射孔压裂作业。最初在原先的设计(基本案例)中,采用65 bpm(桶/分钟)的速率、以每级注入60min的时长进行了即封堵即射孔压裂作业。每一级,由于采用了即封堵即射孔 + 压裂发散的方法,我们观察到压力略有增加,图6示意了各级射孔之间的常规机械隔离。
 
图6
为了量化完井设计和泵入策略对促产效率及总的储层疏通体积的影响,我们对其进行了敏感性分析。在敏感性分析中,为使颗粒发散所采取的机械隔离方法(即封堵即射孔)被下一代颗粒发散剂所取代。在每一级的压裂促产时(级内发散),工程设计用来计算这些发散剂的浓度。比较两种情况预测的压力响应,很明显,采用下一代颗粒发散剂可更有效地促成颗粒发散,见图7所示,图7示意了级内的颗粒发散。
 
图7
与传统的机械隔离技术相比,由于颗粒发散剂的出现,每一级的压力增加都更高了。为了了解裂缝的生成和促产效率,我们分析了每个储层集群中分布的流体体积,这将有助于我们了解每个案例总的储层疏通体积。图8示意了压裂促产效率。
 
图8
图8比较了不同设计方案6个促产分级射孔之间压裂液总的体积分布。与采用了工程设计的案例(增产案例)相比,非工程设计的案例(基本案例),从初始储层集群的第2、3和5级压裂的情况来看,所产生的裂缝较少。对于改进的案例(增产案例),从第2级压裂的三个储层集群的情况来看,裂缝可能最初就得以形成且得到了延伸。这种工程设计是基于发散体系和井筒状况的特征提出的。只有少量流体通过放置的发散包才能产生显著的压差和有效的流体散流。因此,所有的流体都能扩散到非活性的储层集群中,使未被刺激的区域产生裂缝。如果所有的能量都能得到适当的利用,就能产生更多的裂缝,最大限度地增大储层的疏通体积,从而增加产量。
改进的设计(对18个储层集群进行5级分步射孔压裂作业)。工程团队研究了将两级合并为一级射孔压裂的效果,以减少分级射孔压裂的总数(每个合并的级以65bpm的速率注液2小时),但储层集群的总数与初始设计保持不变,见图9所示。
 
图9
为了提高堵塞和射孔技术的效率,工程团队采用下一代颗粒发散剂和预测的压力响应来“提高效率”。图10示意了两种设计方案:堵塞 + 射孔 + 向储层压裂下一代颗粒发散剂;堵塞 + 射孔 + 下一代颗粒发散剂压裂作业 + 级内的下一代颗粒发散剂压裂作业。
 
图10
检查显示,采用下一代颗粒发散剂,发散获得了更有效的实施。为了了解裂缝的形成和压裂效率,工程师们分析了每个储层集群中分布的流体体积,这有助于确定每个案例总的储层疏通体积。
 
图11
图11示意了堵塞 + 射孔 + 下一代颗粒发散剂压裂作业的促产效率。比较了两种不同设计方案6级分步促产射孔压裂之间压裂液总的体积分布。与改进的、采用工程设计的颗粒发散剂的方案相比(增加效率的案例),非工程设计(基本案例)的案例, 从第1、2、3和4级分步压裂的情况来看,产生的裂缝较少。从改进的设计案例(提高效率的案例)的情况来看,从增加的流体体积的分布推断,产生了更多的裂缝。这一工程设计是根据颗粒发散体系和井筒状况的特征提出的。只有少量流体通过放置的发散包才能产生显著的压差和有效的流体散流。因此,所有的流体都能扩散延伸到非活性的储层集群中,使未被刺激的区域产生裂缝。
 
图12
图12示意了堵塞 + 射孔 + 下一代颗粒发散剂 + 级内的下一代颗粒发散剂压裂作业的促产效率。比较了两种不同设计方案6级分步促产射孔压裂之间压裂液总的体积分布。与组合设计的案例相比,非工程设计的案例(基本案例), 从第2和第3级分步压裂的情况来看,产生的裂缝较少。而组合设计的案例,从增加的流体体积的分布推断,产生了更多的裂缝。
这一工程设计是根据颗粒发散体系和井筒状况的特征提出的。只有少量流体通过放置的发散包才能产生显著的压差和有效的流体散流。因此,所有的流体都能扩散延伸到非活性的储层集群中,使未被刺激的区域产生裂缝。如果所有的能量都能得到适当的利用,就能产生裂缝处治案例研究表明,颗粒设计可以工程化进行,以提高颗粒的发散效率,优化发散剂的使用。本文提出的设计流程和分析方法将会更好地让石油公司或作业者设计和定制固体颗粒,实现有效的流体发散。最后,工程设计工作流程还可以前瞻性地扩展到再压裂以及用于储层酸化的酸液分散。
战略合作
战略合作 全球石油化工网 世伟洛克 北京石油展 API 斯伦贝谢