海上压裂液体系综合评价方法研究与应用.pdf
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1、天然气与石油742023年8 月NATURALGAS ANDOIL海上压裂液体系综合评价方法研究与应用张启龙12王晓鹏董平华张超包骁敏1中海石油(中国)有限公司天津分公司海洋石油高效开发国家重点实验室,天津2中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京10 2 2 49摘要:压裂液体系的选择是否合理对压裂作业的成功与否至关重要,人为经验选择无法保证选择结果的合理性和客观性,易对压裂作业效果产生负面影响。综合考虑压裂液摩阻性能、携砂性能和储层保护性能,提出了以基液表观黏度、交联时间、滤失系数等9大评价指标为基础的综合评价体系,利用层次分析法得到各个因素对压裂液选择的影响权重,以此为基础
2、利用模糊物元的方法形成了压裂液体系定量评估方法。利用该方法成功指导了渤海X1等7 井次压裂液体系的选择,助力X1井产量达到配产的1.5 1.8 倍,证明了该选择方法的合理性和可靠性,有望在渤海及其他油田推广应用。关键词:海上压裂;压裂液体系;综合评价;层次分析;现场应用D0I:10.3969/j.issn.1006-5539.2023.04.011Research and application of comprehensive evaluation method forZHANG Qilong2,WANG Xiaopeng,DONG Pinghua,ZHANG Chao,BAO Xiaomi
3、n1.State Key Laboratory of Ofshore Oil Exploitation,CNOOC China Ltd.,Tianjin Bracnch,Tianjin,300459,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing,102249,Chinaoperation.The selection of artificial experience could not guarantee the rationali
4、ty and objectivity of theselection result,which could easily pose a negative impact on the fracturing operation effect.Consideringthe friction resistance performance,sand carrying performance and reservoir protection performance of thefracturing fluid,a comprehensive evaluation system was proposed b
5、ased on 9 evaluation indicators such asthe apparent viscosity of the base fluid,cross-linking time and filtration coefficient.The weight of eachfactor in the selection of the fracturing fluid was obtained using the Analytic Hierarchy Process.On thisbasis,a quantitative evaluation method of the fract
6、uring fluid system was formed by using the fuzzymatter-element method.This method was successfully applied to guide the selection of fracturing fluidsystem for 7 wells such as Bohai X1,which helped the production of X1 well to reach 1.5 1.8 times ofthe allocated production.It successfully proved the
7、 rationality and reliability of this selection method,which is expected to be popularized and applied in Bohai oilfield and other oilfields.300459;offshore fracturing fluid systemAbstract:Rational selection of fracturing fluid system was crucial to the success of fracturing收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 9基金项目:国
8、家科技重大专项“渤海油田高效开发示范工程”(2 0 16 ZX05058-002);国家自然科学基金“多重耦合下的页岩油气安全优质钻井理论”(51490 6 52)作者简介:张启龙(198 8-),男,山东济南人,工程师,硕士,主要从事海洋石油钻完井技术研究与应用、防砂完井设计等工作。E-mail:zhangql4o 第41卷第4期OIL&GASEXPLORATIONANDDEVELOPMENT|油气勘探与开发Keywords:Offshore fracturing;Fracturing fluid system;Comprehensive evaluation;AnalyticHierarc
9、hy Process;Field application75基础。而由于压裂液具有剪切稀释性,在进地层孔眼0前言时易发生黏度骤降,直接影响压裂液的携砂性能,常加随着渤海油田等海上油田开采程度的逐渐加深,调整井加密与老井储层改造逐渐成为油田产量的主要接替方式1-3。受限于海上作业成本,对单井的控制储量与经济门槛有较高要求,如何提高单井产量至关重要,压裂增产方式逐渐成为高效开发海上油田的必要途径4-6 。前期经验表明,海上压裂效果受压裂液性能影响较大,选择合适的压裂液体系对压裂作业的重要性日益凸显。目前,压裂液体系的选择主要依据室内评价实验结果进行,重点考虑压裂液的黏度、交联时间、滤失系数、残渣含
10、量等重要性能7-10 ,但目前存在以下问题:重点以个别因素为指标进行选择时,易导致选择结果较为片面而影响压裂效果;缺乏定量综合评估压裂液性能优劣的方法,当各性能结果存在差异时,主要依靠人为经验进行选择,无法保证选择结果的合理性和客观性。为解决以上问题,本文综合考虑压裂液的摩阻性能、携砂性能和储层保护性能,提出了以基液表观黏度、交联时间、滤失系数等9 大评价指标为基础的综合评价体系,利用层次分析法得到各个因素对压裂液选择的影响权重,以此为基础利用模糊物元的方法形成了压裂液体系定量评估方法,为压裂液体系的适合度排序提供依据。1压裂液性能综合评价压裂液作为压裂作业的工作液,其对压裂成功与否至关重要,
11、其主要功能为:传递能量,压开地下储层;将压裂液和支撑剂从井口携带至井下;输送压裂液和支撑剂至储层中已压开的人造裂缝深处,形成高导流能力通道。基于以上功能,重点考虑压裂液的摩阻、携砂和储层保护性能,提出压裂液性能的综合评价体系1-13。1.1压裂液摩阻性能压裂作业时压裂液流经管柱进人地层过程中以及压裂结束后破胶液反排过程中,都会产生较大摩阻,其与流体黏度直接相关,决定这两个过程摩阻的主要因素为基液表观黏度和破胶液黏度。基液表观黏度在满足携砂要求的行业标准30 10 0 mPas基础上,黏度越小摩阻越小,其产生的能量损耗越小,压裂液性能也越优越。而破胶液黏度决定反排液体上返的难易程度,黏度越小越易
12、反排,对储层的污染相对越小。1.2压裂液携砂性能压裂液的主要功能之一为携带支撑剂进人地层,起到支撑地层裂缝的目的,其携砂性能是实现这一作用的人交联剂以加强压裂液的结构强度,保证其携砂性能,交联时间和剪切后黏度为携砂性能的主要影响因素。交联时间反映压裂液的延时交联特性,通过控制交联时间起到管柱内未交联降低摩阻、进入地层前交联保证携砂的目的,因此最优的交联时间为液体到达压裂层位的时刻T。,见式(1),当交联时间大于T。时易发生砂堵,因此在保证压裂液交联时间小于T。的基础上,其交联越晚则摩阻损耗越小,则压裂液体系越适合。剪切后黏度则体现压裂液抗剪切能力,常用储层温度、17 0 s剪切速度条件下剪切2
13、 h后的黏度来表示,该值越大表明压裂液进人地层后的携砂能力越强。47.12 D LT。=Q式中:T。为液体到达井下地层的时间,S;D,为压裂管柱内径,m;L为压裂地层的斜深,m;Q 为压裂排量,m/min。1.3压裂液储层保护性能压裂液直接与储层接触,其储层保护性能与压后产量密切关联,为评估压裂液时的重要考虑方面,决定该性能的主要因素包括滤失系数、破胶时间、破乳率、残渣含量及防膨率。压裂液的滤失直接影响压裂液对储层的污染情况,常用滤失量与时间方根的比值来表示,即滤失系数,该值越小则表明压裂液抗滤失性越好。破胶时间表征作业结束后压裂液滞留地层中的时间,该值越小则储层污染程度越小、所需关井时间越短
14、。压裂液进人地层后,液体易与地层中的原油形成乳化液,造成渗透率降低且严重影响压裂液反排速度和程度,压裂液中的破乳剂可实现乳化液体的反转,有效提高反排效率,利用破乳率表示压裂液破坏乳化的程度,该值越大则破乳性能越优。压裂液破胶后会在地层残存一些水不溶物,易造成储层的堵塞和污染,利用残渣含量表征压裂液的反排干净程度,该值越小则压裂液的性能越优。利用膨润土在压裂液破胶液、蒸馏水和煤油中的体积膨胀增量来评价压裂液的防膨性能,该值越大表明抑制黏土水化膨胀和分散运移的能力越强,则其性能越优越。2压裂液性能评价因素权重计算压裂液综合性能评价的基础是各因素对压裂液体系选择的影响权重,常用计算方法包括层次分析法
15、、灰色关联系数法、相关性系数法等,考虑到压裂液体系的(1)性能和携砂性能重要性相对较高,需重点考虑交联时间、压后残渣等因素,综合考虑此类条件下的历史作业经验赋值。基于此构建第一因素层判断矩阵R,得到摩天然气与石油762023年8 月NATURALGAS AND OIL影响因素层级明确,推荐采用层次分析法进行研究,基于构建的三层性能评价体系,以各因素相对重要性原则对各因素权重进行量化计算,得到各因素对压裂液综合适合度的影响权重14-1702.1评价体系构建以第1节构建的影响因素层级为基础,构建压裂液综合性能评价体系,见图1。该评价体系根据层级关系分为三个层次,目标层为压裂液体系优选,第一因素层为
16、影响压裂液综合评价结果的三类性能,即摩阻性能、携砂性能和储层保护性能,第二因素层为影响上层三个性能的九个因素,分别为基液表观黏度、破胶液黏度、交联时间、剪切后黏度、滤失系数、破胶时间、破乳率、残渣含量及防膨率。目标层第一因素层基液表观黏度第二因素层图1压裂液综合性能评价体系图Fig.1 Comprehensive performance evaluationsystem of fracturing fluid2.2半判断矩阵构建基于构建的层次评价体系,以相对重要性原则构建两级判断矩阵,采用19标度法对判断矩阵进行构建,表2 海上压裂的主要地质特征与工艺参数范围表Tab.2 Main geolo
17、gic Characteristics and process parameters of offshore fracturing渗透率/指标mD范围1050R,=(r,)3x3=R2-1=(ri22R2-2=二22L1/3111231/21/2121/3R2-3=(r;5x5通过两两因素比较相对重要性来赋值,数值越大表明前者相对后者的重要性越大,赋值的具体含义见表1。表11 9标度法赋值含义表Tab.1 1 9 scale method assignment meaning指标赋值135792,4,6,8压裂液体系优选压裂液体系性能指标的权重与储层特征、压裂工艺及参数密切相关,目前海上油田压
18、裂作业的主要地质特摩阻性能携砂性能储层保护性能破胶液黏度剪切后黏度交联时间孔隙度20%40%1/21/37211/232121L1/2111311/31/211/41/223413L1/2121/31(5)含义前者与后者的重要性相当前者比后者的重要性稍高前者比后者的重要性较高前者比后者重要性高很多前者比后者重要性绝对高相对重要性位于前、后两个级别之间征和工艺参数范围见表2,其特点为低渗储层渗透率偏高、储层埋深浅、排量规模有限等,此类条件下储层保护滤失系数破胶时间破乳率残渣含量防膨率储层埋深/m20003500(2)1(3)(4)21阻、携砂、储层保护三大性能对压裂液体系选择的相对重要性,见式(
19、2);同时,构建第二因素层判断矩阵R2-1VR2-2、R 2-3,分别表示各自影响因素对上级因素性能影响的相对重要性,见式(3)(5)。当海上压裂目的层迈向更低渗透率、压裂排量规模大幅提高后,压裂液摩阻性能重要性会显著提高,此时权重需要重新赋值计算。储层温度/压裂排量/(mmin-l)120 18036式中r;为第i个因素对于第j个因素的相对重要性。2.3因素权重计算根据判断矩阵定义,式(2)(5)均为正定互反矩阵,利用式(6)、(7)可求出各矩阵的最大特征根入mx和特征向量W,对特征向量进行归一化处理后便可以得到各因素对上一级的影响权重向量w。利用以上方法得到第一因素层影响权重向量w,=(0
20、.16,0.30,0.54)T,第二因素层的三个影响权重向量分别为:W2-1=(0.6 7,0.33)T、W 2-2=(0.7 5,0.25)、W 2-3=(0.2 4,0.14,0.0 8,0.40,0.14)T。W=/(r)/()(6)单段砂量/m32050单段液量/m3200500第41卷第4期OIL&GASEXPLORATIONANDDEVELOPMENT|油气勘探与开发由于各个因素的单位和影响倾向性不同,对各因素入max=Z(RW);/(nW.)=1式中:n为矩阵阶数。2.4一致性检验计算各个因素影响权重的基础为判断矩阵的赋值,为排除人为因素影响,对计算结果进行一致性检验,根据计算结
21、果的逻辑性判断构建判断矩阵的合理性18 ,利用式(8)计算一致性比率CR,当CR0.1时,证明计算结果合理,否则需对判断矩阵重新赋值。(入max-n)CR=(n-1)RI 式中:CR为一致性比率,为判断一致性的主要指标;RI为一致性参数,其取值与矩阵阶数n有关,阶数n为19时,对应的一致性参数分别为0、0、0.58、0.9、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45。利用以上方法对R、R 2-1、R 2-2、R 2-3四个判断矩阵进行检验,结果见表3。根据计算结果,四个矩阵的CR值都小于0.1,证明构建的判断矩阵符合逻辑,计算结果合理。计算第二层因素对压裂液选择的影响权重时,需要乘以其对
22、应的第一层性能所占权重,最终得到第二层各因素的影响权重向量p=(0.11、0.0 5、0.2 2、0.0 8、0.13,0.08,0.04,0.21,0.08)T。表3判断矩阵一致性检验表Tab.3 Consistency test of judgment matrix判断矩阵nR3R2-12R222R2-353压裂液体系定量选择方法基于计算得到的各因素对压裂液选择的影响权重,采用模糊物元的方法构建压裂液体系综合适应度计算模型19-3,实现压裂液适合度的定量排序计算,结合压裂液行业标准,形成一套压裂液体系综合优选方法流程,提高了压裂液体系选择的合理性。3.1压裂液体系综合适应度计算模型通过室内
23、实验对压裂液体系进行评价,得到影响选择结果的各个因素值,构建初始物元矩阵X,见式(9),矩阵由“待评价压裂液体系M、考虑因素C”构成,,表示第i个压裂液体系的第j个因素测量值。CC,C。7M,X12X=M2x2122:LM,29n77(7)进行无量纲化处理,在满足行业标准的基础上,根据因素值和结果之间的正负相关性,采用以下两种处理公式:当因素结果与压裂液综合适应度呈正相关时,利用式(10)进行处理,呈现负相关时,利用式(11)进行处理。根据第1节分析结果,交联时间、剪切后黏度、破乳率及防膨率属于正相关,基液表观黏度、破胶液黏度、滤失系数、破胶时间和残渣含量属于负相关2 4-2 5。利用以上公式
24、对初始物元矩阵X进行处理,得到复合物元矩阵U。(8)x-min(x,)u=max(x)-min(xg)max(x)-xjWimax(x,)-min(x,)CC,Mu12U=M2U21 U22:LM.W2n9式中:min(,)表示所有待选压裂液体系中第j个因素的最小值;max(,)表示所有待选压裂液体系中第j个因素的最大值。将处理后的复合物元矩阵与各因素权重向量相RI入max0.583.009 202.000 002.000 01.125.0331X1929(10)(11)C。W1929CR乘,得到各个待选压裂液体系的综合适合度向量S,见0.0079式(13),根据各个体系的综合适合度s;大小,
25、得到各0个压裂液体系的综合适合度排序,实现压裂液的定量0优选。0.007 4S=U.nxgW=Lunw,+un w,+ngw,J(13)3.2压裂液定量选择方法流程在压裂液体系综合适应度计算方法的基础上,形成一套压裂液体系优选流程,见图2。压裂液性符合标准能测试乘以压裂液体系综合适合权重构建复合物定量优选度向量图2 压裂液体系优选流程图(9)Fig.2 Optimization process of fracturing fluid system首先,利用室内实验的方法对待选压裂液体系的9个性能参数进行测定;然后将测定结果对照标准进行比(12)uw,+ui2w,+.ui,w,是构建初始物元矩阵
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