了得網工業技術_異常高應力儲層改造理論與技術

編輯推薦

儲集層，油層改造，研究

內容簡介

《異常高應力儲層改造技術與理論》繫統介紹異常高應力儲層改造項目所建立的異常高應力儲層改造理論和技術框架，總結異常高應力儲層改造的關鍵技術，以及研發的適用於異常高應力儲層改造的原創性工藝技術。其研究成果對我國異常高應力儲層的高效開發和開采將提供強有力的技術保障，同時也將為我國異常高應力儲層改造理論的發展和進步奠定堅實的科學基礎。

作者簡介

**章緒論1
**節異常高應力儲層改造研究的意義1
第二節異常高地應力儲層基本概念2
一、地應力的基本概念2
二、異常高應力儲層的概念5
第三節異常高應力儲層油氣資源概述6
一、國外異常高應力儲層油氣資源
二、國內異常高應力儲層油氣資源9
第四節異常高應力儲層改造面臨挑戰10
一、異常高應力儲層改造面臨的主要難題10
二、異常高破裂壓力儲層的成因分析11
第五節異常高應力儲層改造關鍵理論與技術20
參考文獻22
第二章異常高應力儲層改造深部岩體力學基礎理論23
**節深部岩體力學的概述及特征23
一、深部岩體概述23
二、深部岩體國內外開采狀況24
第二節深部岩體的力學特征26
一、深部岩體的力學環境特征26
二、深部岩石力學的特性28
第三節深部岩石本構關繫30
一、彈性本構模型31
二、非線性本構模型33
三、節理岩體的本構模型41
四、裂隙岩體的損傷本構模型44
五、和性岩體的本構模型51
第四節深部岩體強度準則55
一、Mohr-Coulomb強度準則(胡小榮等，2004)55
二、Drucker-Prager強度準則(周鳳主等，2008)57
三、三剪強度準則(胡小榮等，2003)57
四、格裡菲斯(Griffith)強度理論(Hills，1996)58
五、Walsh-Brace各向異性拉伸破壞準則(McLamore，etal，1967)62
六、各向異性剪切破壞準則63
七、Hill各向異性失效準則65
八、Hoek-Brown強度準則(宋建波等，1999)66
參考文獻68
第三章深部高應力儲層破裂壓力預測理論69
**節深部儲層射孔井岩石起裂準則69
一、斷裂力學基本理論69
二、射孔井岩儲層石起裂準則70
第三節射孔井破裂壓力預模型72
一、彈性基本方程72
二、射孔井破裂壓力預模擬74
第三節深部高應力射孔井破裂壓力預測83
一、物理模型及邊界條件83
二、射孔參數優化降低破裂壓力85
參考文獻89
第四章深部裂縫性儲層水力裂縫擴展研究91
**節深部裂縫性儲層水力裂縫擴展難點91
一、常規對稱雙翼水力裂縫模擬現狀91
二、裂縫性儲層水力裂縫模擬現狀94
第二節裂縫性儲層水力裂縫擴展模擬理論97
一、擴法概述97
二、水力載荷等放加載101
三、模擬模型中天然裂縫的表征105
四、水力裂縫與天然裂縫相互作用準則107
第三節裂縫性儲層水力裂縫擴展規律模擬110
一、水平主應力差110
二、逼近角大小112
三、天然裂連“楊氏模量”113
四、天然裂縫“泊松比”114
五、天然裂縫條數的影響114
參考文獻118
第五章酸損傷降低砂岩儲層破裂壓力理論120
**節碎屑岩儲層及岩石強度特征120
一、礦物碎屑儲層岩石礦物特征120
二、碎屑岩儲層岩石強度特征122
第二節酸損傷降低碎屑岩強度機理實驗研究126
一、實驗流程與參數獲取127
二、和土礦物與酸反應研究128
三、骨架礦物與酸反應研究143
四、酸損傷降低岩石強度實驗研究150
第三節碎屑岩儲層酸損傷定量預測理論162
一、酸損傷變量預測基礎理論162
二、砂岩酸損傷變量預測模型166
三、酸損傷預測模型驗證及應用176
第四節碎屑岩儲層酸損傷破裂壓力定量預測181
一、破裂壓力預測基礎參數181
二、酸損傷降低破裂壓力影響因素分析182
第五節酸損傷降低碎屑岩儲層破裂壓力優化設計190
一、DY1井基本情況190
二、酸損傷降低儲層破裂壓力政液及施工參數優化194
三、現場實施199
參考文獻200
第六章酸損傷降低碳酸鹽岩儲層破裂壓力理論201
**節碳酸鹽岩儲層及岩石強度特征201
一、基本類型201
二、結構組分202
三、破酸鹽岩與砂岩差異204
四、岩石強度205
第二節酸損傷降低碳酸鹽岩強度實驗205
一、實驗準備206
二、實驗結果208
第三節酸損傷變量定量預測理論(郭建春等，2007)218
一、基本假設218
二、數學模型218
三、政岩反應動力學參數測定221
四、酸損傷模型的驗證225
第四節酸損傷降破裂壓力優化設計及應用227
一、塔可油田TP16井概況227
二、異常高破裂壓力原因分析228
三、酸損傷降低地層破裂壓力預測229
四、TP16井酸壓施工分析231
參考文獻232
第七章斜井定向射孔降低儲層破裂壓力物理模擬及現場應用233
**節射孔參數對斜井水力壓裂影響實驗模擬233
一、射孔完井水力壓裂模擬實驗裝備233
二、射孔完井水力壓裂模擬實驗步驟235
第二節射孔參數對斜井壓裂破裂壓力影響結果分析236
一、實驗方案236
二、實驗數據結果238
三、實驗結果分析239
第三節斜井定肉射孔優化設計246
一、走向射孔原理246
二、定向配套儀器248
三、定向射手L工藝優化250
四、定向射孔參數優化253
第四節斜井定肉射孔工藝現場應用256
一、基本井況256
二、施工設計257
三、現場施工257
四、效果分析258
參考文獻259
第八章燃爆誘導壓裂降低高應力儲層破裂壓力理論260
**節燃爆誘導壓裂降低高應力儲層破裂壓力可行性260
一、燃爆誘導壓裂作用原理260
二、爆燃氣體壓裂國內外研究現狀261
三、爆燃氣體壓裂研究及發展趨勢264
四、多級燃這可控誘導壓裂的作用特點分析265
五、深層應用多級燃速可控誘導壓裂可行性分析267
第二節燃爆誘導壓裂藥劑體繫研制268
一、火藥綜合性能要求268
二、復合藥的選擇與匹配及理論計算269
第三節控制繫統及點火藥實驗研究273
一、點火藥的選擇設計273
二、點火藥靜態點火實驗274
三、延時控制點火技術研究274
第四節多級燃速可控誘導壓裂技術裝置結構設計276
一、多級燃速可控誘導壓裂裝置結構設計276
二、洩氣管強度計算277
三、井筒內多級燃速可控裝直爆燃壓力計算278
四、壓裂裝直火藥爆燃壓力持壓時間的確定279
五、模擬裝直地面實驗281
第五節多級燃速可控誘導壓裂爆燃氣體流動理論分析282
一、爆燃氣體在射孔預裂縫內流動模型283
二、半解析求解氣體壓力分布284
三、數值迭代法求解氣體壓力分布291
第六節多級燃速可控誘導壓裂驅動裂縫擴展耦合作用分析296
一、基本假定與分析模型建立297
二、準靜態裂縫擴展理論分析298
三、考慮裂尖動態響應的裂縫擴展理論分析309
第七節影響多級燃速可控爆燃誘導的因素分析313
一、儲層埋深314
二、岩層性質315
三、爆燃氣體升壓率317
四、裝藥量318
五、射孔深度319
六、儲層岩石彈性模量320
第八節CG561井多級燃爆誘導壓裂優化設計及現場應用322
一、基礎參數322
二、爆燃壓裂優化設計324
三、現場實施及放果分析325
參考文獻327
第九章異常高應力儲層改造配套措施328
**節加重壓裂液體繫優化328
一、加重壓裂液適應性分析328
二、加重壓裂液體繫性能優化329
第二節壓裂管柱結構優化332
一、管柱安全評價332
二、滿足高應力儲層改造管柱優化337
第三節超高壓壓裂裝備344
一、壓裂泵車344
二、地面流程優化348
三、超高壓施工質量保障控制技術350
四、超高壓壓裂施工安全控制技術352
五、超高壓大型壓裂實例357
第四節網絡裂縫酸化工藝優化359
一、網絡裂縫酸化工藝適用性分析359
二、網絡裂縫酸化實驗評價361
三、網絡裂縫政化優化設計及效果分析364
參考文獻367
索引368

前言

媒體評論

在線試讀

**章緒論
**節異常高應力儲層改造研究的意義
石油天然氣行業在國民經濟發展乃至國家能源安全中具有十分重要的地位，持續高位的石油和天然氣對外依存度已經對我國經濟社會可持續發展和能源安全構成威脅。勘探實踐證明，在組成地殼的沉積岩、岩漿岩和變質岩中都發現有油氣田，而99%以上的油氣儲量集中在沉積岩中，其中又以砂岩和碳酸鹽岩儲集層為主。隨著石油、天然氣勘探和開發程度的提高，低滲透油田儲量所占的比例越來越大，在探明未動用石油地質儲量中，低滲透儲量所占比例高達60%以上。低滲、致密油氣藏已成為我國油氣產量增長的主要接替，而且探明的低滲透儲量儲層比例還在逐年增加。在這類儲層中，有相當比例為異常高破裂壓力儲層。壓裂、酸化壓裂是實現此類儲層勘探評價、試油試采和有效開發的關鍵工程技術。但“地層壓不開，液體注不進”一直是部分深層、致密、低滲透儲層改造的工程技術難題(郭建春等，2011)。
部分深層、致密、低滲透儲層改造破裂失敗典型的井的統計見表1-1。在異常高應力儲層的改造過程中普遍表現出以下特征：①壓裂井段屬於深井或超深井，深度一般為3000～7000m，儲層的埋藏深度跨度大；②岩性多樣，不僅僅在砂岩儲層中出現，同時在碳酸鹽岩儲層中也有出現；③儲層物性差、滲透率低，需要通過壓裂酸化改造形成高速的人工裂縫流動通道，纔能獲得經濟開發的產量；④壓裂改造過程中排量低、井底流體壓力高，難以有效破裂和撐開儲層；⑤改造過程中高應力儲層的井廣泛分布於我國多個盆地，尤其以四川盆地、塔裡木盆地*為突出。
表1-1部分深層、致密、低滲透儲層改造破裂失敗典型的井
為了實現對異常高應力儲層的有效改造，必須針對異常高應力儲層改造過程中的深部岩體力學基礎、儲層岩石破裂機理、深部儲層裂縫性儲層水力裂縫擴展機理、降低儲層破裂壓力技術以及改造的配套措施進行深入研究，提高異常高應力儲層改造的成功率和有效率。
第二節異常高地應力儲層基本概念
一、地應力的基本概念
地應力是指存在於地殼中未受工程擾動的天然應力，包括由重力﹑地球自轉速度變化﹑地熱及其他因素產生的應力，也可以理解為地下某深度處岩石受周圍岩體的擠壓力。地應力是由岩體種類和地質構造運動等綜合作用形成的，當地應力形成後，許多局部因素又使其發生變化，導致地應力的分布十分復雜，使得局部應力和區域應力之間有很大差別。
(一)地應力的概念
沉積盆地中的岩層處於三軸應力狀態下。“應力狀態”是指應力的大小和方向，通常采用三個法向應力來表示的應力環境：σ1、σ2、σ3，分別代表**、中間、*小三個主應力；相應的使用σV、σH、σh，分別代表垂向、水平**、水平*小主應力。
現今地應力是相對古應力而言，是指地層目前的應力狀態。古地應力是地質歷史時期中某時間的應力狀態(包括岩石變形時的應力)。目前地應力一般是岩層在地質歷史中經過多期變形、破裂後(應力集中、釋放過程)到目前還“剩餘”的應力。由於現今構造還在不斷活動，現今地應力隨時間不斷變化；但是對於大部分沉積盆地，在相當長一段時間內，由於變化速度小，通常認為其是相對“穩定”的。正確認識地應力的來源及組成對於異常高應力儲層的壓裂改造具有重要意義。
(二)地應力的來源
地應力的來源較復雜，一般包括上覆岩層重力、地層壓力、構造活動力。
1.上覆岩層重力及“誘導”的水平應力
地殼上部岩體由於受地心引力而引起的應力稱為自重應力。岩體自重作用不僅產生垂向應力，而且由於岩石的泊松效應和流變效應也會產生水平應力。在研究過程中，通常可以把岩體視為連續、均勻且各向同性的彈性體，因此通常可以采用連續介質力學原理來研究岩體的自重應力(瀋明榮等，2006)。
圖1-1的自重應力狀態
如圖1-1所示，在岩體中距地面深度為H處體的垂直應力體上覆岩體的重量，即
考慮到地層孔隙流體壓力作用，部分上覆岩層重力被孔隙流體壓力所支撐。但由於顆粒間膠結作用，孔隙壓力並未全部支撐上覆岩層壓力，於是有效垂向應力為
式中，pp——地層孔隙壓力，MPa；
α——Biot繫數，即孔隙彈性常數，無因次。
當把岩體視為各向同性的彈性體時，由於岩體在各個方向都受到與其相鄰岩體的約束，不能產生橫向變形，即εx=εy=0，而相鄰岩體的約束就相當體施加了側向應力，根據胡克定律，於是有
式中，x，y——分別為地層水平面x、y方向的有效應力，MPa；
E——岩石楊氏模量，MPa；
μ———岩石泊松比，無因次。
E和μ是反映地層岩石的力學特征參數，與岩石類型及所處的環境有關。
假設水平方向應力場是均勻的，則有
地層岩石的泊松比一般為0.20～0.35，泊松比越大，水平應力就越接近垂向應力。考慮孔隙流體壓力後的地層水平應力為
因此，岩體自重引發的應力可以表示為
2.構造應力
地殼形成之後，在漫長的地質年代中經歷了多次構造運動。由於地質構造、板塊運動、地震活動等地殼動力學因素所造成的附加應力分量稱為構造應力。構造應力存在著明顯的各向異性，因此原地應力也是各向異性的，其**水平主應力方向常常與構造應力的合矢量方向一致。由於構造運動所引發的應力是構造應力的主要組成部分，而構造應力往往以矢量形式疊加在水平應力之上，使得水平方向的應力場不均勻。
當存在構造應力作用時，由於在兩個水平主方向上所附加的有效應力不相等，因此構造應力是導致水平方向上兩個主應力不相等的根本原因。設水平方向的構造應力分別為σx2和σy2，假設水平方向的兩個構造應力繫數為定值，σx2和σy2隨深度均勻變化，用有效上覆岩體壓力來表示水平構造應力的大小，於是有
式中，σx2——地層水平面x方向的構造應力，MPa；
σy2——地層水平面y方向的構造應力，MPa；
ξx——地層水平面x方向的構造應力繫數，MPa-1；
ξy——地層水平面y方向的構造應力繫數，MPa-1；
除構造應力會影響原地應力外，溫度變化以及岩層軟化等也會影響岩層地應力。
3.溫度變化引起的熱應力
在油氣藏開發過程中，火燒油層、注熱水和注蒸汽熱采可以改變儲層乃至整個油藏的應力的大小和方向：在熱采過程的有限受熱條件與穩定狀態下，會產生高切向和徑向應力；在地質條件允許產生熱膨脹的岩石中，受熱過程會產生明顯的張應力。考慮岩石為各向同性體，在溫度改變時，地層能很快傳遞消耗由於溫度引起的垂向應力改變，使垂向主應力保持與上覆岩層重力的平衡。由於油藏邊界可視為無窮大，其側向變形受到約束，可將溫度改變引起的側向應變視為零，則
式中，Δσh——地層水平面x方向的由於溫度變化引起的誘導應力，MPa；
ΔσH——為地層水平面y方向的由於溫度變化引起的誘導應力，MPa；
T——為地層溫度，℃；
ΔT——地層溫度的變化量，℃；
4.其他應力
地應力的其他來源主要有塑性泥岩、鹽岩、石膏的“流動”可能使地應力“軟化”，造成地應力狀態“趨同”，並可能達到與岩層靜壓力相當；岩石中的礦相變化引起的局部應力變化，如礦物體積的改變等。
二、異常高應力儲層的概念
近年來，隨著經濟的發展，交通隧道、水電站地下廠房、井巷坑道等地下工程迅速發展，其“長、打、深、群”的特點日趨明顯，而由於它們所處的復雜地質環境往往易於形成高地應力區，並經常引發岩爆、大變形等相關地質災害。高地應力及其對地下工程圍岩穩定性的影響問題已經引起世界岩石力學和工程地質學界的廣泛重視。但由於岩體的復雜性和受地質環境條件影響，高地應力問題研究尚不健全，目前高地應力含義至今也無統一認識。
例如，工程實踐中通常將超過20～30MPa的硬質岩體內初始應力稱為高地應力；法國隧道協會、日本應用地質協會和蘇聯頓巴斯礦區等則采用岩石單軸抗壓強度(R1)和**主應力σ1的比值R1/σ1(即岩石強度應力比)來劃分地應力級別(表1-2)。這樣劃分和評價的實質是反映岩體承受壓應力的相對能力。陶振宇(1900)對高地應力給出了一個定性的規定，是指其初始應力狀態，特別是水平初始應力分量大大超過其上覆岩層的岩體重量。這一定性規定強調了水平地應力的作用。天津大學薛璽成等(1987)則建議用式(1-9)來劃分地應力量級：
表1-3地應力分級方案(薛璽成，1987)
說明n=1時為純自重應力場在應力場中有30%～50%是構造應力產生，其餘為重力場應力50%以上的地應力由構造應力產生
可以看出，不同學者和機構對於高地應力的定義有很大區別，目前還沒有形成一個統一的方案。
事實上，高地應力是一個相對的概念，並且與岩體所經受的應力歷史和岩體強度、彈性模量等諸多因素有關。在強烈構造作用地區，地應力水平與岩體強度有關；輕緩構造作用地區，岩體內地應力大小與岩石彈性模量相關，即彈性模量大的岩體內地應力高，彈性模量小的岩石內地應力低。以上是針對地下工程埋藏深度距離地面較淺時關於高地應力的定義。而在深層油氣藏資源的改造過程中，一般是從油氣藏埋藏深度和壓裂工程特點出發來定義高地應力儲層。在本書中，界定高地應力儲層是指儲層埋藏深、地層溫度高、地層壓力高、部分儲層發育有天然裂縫的儲層，在目前國內常規壓裂裝備能力下(地面限壓95MPa)不能有效壓開的地層；或者是壓開儲層後由於施工排量低不能有效實現壓裂酸化改造的儲層。
根據地應力的來源分析、異常高應力儲層的描述可以看出，高地應力儲層一般可能會出現在兩類地層中：一是儲層埋藏深度大，由於垂向應力產生的誘導水平主應力高導致異常高地應力；二是由於儲層岩石受擠壓產生斷層導致構造應力強而形成的異常高地應力。
異常高地應力儲層由於普遍具有埋藏深、構造應力強、儲層滲透低的特點，使得絕大多數的油氣藏鑽完井投產後沒有經濟產量，一般均需要通過壓裂、酸化改造纔能獲得經濟產能，因此針對異常高地應力儲層改造理論與技術的研究就顯得迫切重要。
第三節異常高應力儲層油氣資源概述
近年來，世界各大主力油田經過近半個世紀開發，淺層油氣的發現已經呈下降趨勢。世界各國為了滿足能源安全和能源供給，紛紛將勘探目標層轉向深層。
一、國外異常高應力儲層油氣資源
美國地質調查局新一輪深層油氣資源評價表明，全球待發現的深層常規天然氣達23.9×1012m3，占所有天然氣資源的17%。以美國為例(王宇等，2012)，僅美國就有20715口鑽井深度超過4.5km，其中有11522口井產出了石油或天然氣；深度超過6000m的生產井有968口，共有52口鑽探深度超過7500ｍ的超深井，27口井在不同層段產出油或氣，超深井鑽探成功率達到了50%。美國西內盆地阿納達科凹陷米爾斯蘭奇氣田7663～8083m的下奧陶統碳酸鹽岩內發現了世界上*深的氣藏；在美國灣岸(Gulf Coast)

商品搜索

商品分类

【醫學】

【各大出版社】