SPE-2497压裂过程中的温度效应.docxVIP

· 压裂过程中的温度效应 0.引 言 许多高温油气生产井需要开展压裂进行增产，表1列举的储层深度所对应的温度均达到或超过200°F。在这些深井地方目前正在或即将开展水力压裂或酸压。事实上，压裂井的温度在一些地方已经达到350°F。为了获得巨大的压裂增产效果，必须研究压裂过程中的温度环境以及温度对流体性质、添加剂的影响。温度场研究很重要，例如知道了施工工程中的温度变化就可以明确对液体粘度、支撑剂的沉降速率、固相暂堵剂的性能、酸岩反应速率、酸液胶凝剂等的要求。 表1 200°F以上的地区和井深 地区井深（ft）West Texas10000-16000North Central Texas6000East Yexas6000Okalhoma and Kansas8000-15000Louisiana and Mississippi8000-12000South Texas5500在选择增产措施方面，如果不考虑瞬态温度条件对措施效果的影响就会产生较大的误差，这种误差在本文中进行了详细对比。在考虑压裂设计过程中哪些是与温度相关的因素之前，必需明确压裂过程中的地层温度。现有的技术均无法测量压裂缝内的温度变化，但可以对压裂过程中或压裂后的井筒温度进行测量。井筒温度的测量表明，压裂过程中井筒被急剧降温。这种效应最先被Ramey和其他人通过分析方法得到，并且现场实测数据与理论结果相关性较好。 尽管大家都知道压裂过程中会产生降温效应，但是直到文献6发表后才试图去计算压裂过程中裂缝内的温度。这项研究是第一个，很基础但却代表了发展热力学模型的最重要一步。从那时起，建立了更多的热力学模型来预测压裂过程中垂直裂缝和相关地层的温度。下面对这些模型进行讨论，通过各种假设获得的解析解的优点是不需要数值分析技术和计算机计算。 1.热学解析模型建模 水力压裂地层主要向井筒注入足够高的液体压力克服地层应力形成裂缝。在高温井最小主应力通常在水平面上，因此压裂主要产生垂直裂缝，地层破裂，流体进入裂缝，如果保持注入压力，流体将继续注入地层使得裂缝向前延伸。这些流体最初遇到的是地层原始温度。随着流体的注入井筒及地层基质，井筒及裂缝均会降温。滤失进入岩石基质的流体也阻挡了热量从地层进入裂缝中的流体。 在发展描述上述过程的热学模型过程中，有望获得解析解，但需要进行适当假设：流体的热学性质从地面注入到井筒过程中保持不变，流体注入井筒然后流入裂缝（由于水平裂缝的形成深度通常认为＜3000ft，大多数高温井的深度均超过3000ft，因此本文只考虑垂直裂缝）过程中被加热。裂缝的滤失模式只考虑一种（除非使用了降滤失剂），就是说滤失液粘度沿着裂缝方向不要求是相同的，假设裂缝尖端部位的滤失（裂缝刚张开，暂堵剂就起作用）与近井裂缝（滤饼已经形成）的滤失相等。 泵注过程中裂缝的延伸遵循Howard，Fast 和Carter的理论模型，流体滤失进入地层或裂缝壁面的方向与热流方向相反。滤失的流体阻挡了地层热量向裂缝中的流体传递，导致裂缝内流体的温度上升变慢。地层岩石的热学性质与地层温度无关。从裂缝及地层的能量守恒出发，我们获得可以决定裂缝内流体温度分布方程。 (A-23) 这里 (A-22) (A-18) 方程(A-22)中的积分可以通过图1进行估算，通过（A-23）可以计算出压裂过程中给定时间的温度分布平均值。方程（A-23）、A-22、A-18推导细节可以参考附录A和B。此外，附录还提供了模型的推导过程和解析解的推导细节。 图1 瞬态裂缝温度分布函数 2.温度场研究 为了说明温度效应在高温井压裂设计中的应用，本文对一口高温井分别基于温度场研究的压裂设计和原来的设计参数结果进行了对比。首先有必要给出一张压裂过程中的温度分布图，可以看到压裂施工参数对裂缝内温度分布具有重要的影响。 图2是一个典型压裂作业过程中垂直裂缝内的温度分布，曲线是通过方程（A-23）生成的。曲线表明随着泵注时间（或液量）的增加，给定点的温度呈指数下降。对于给定的注入量，从裂缝端部到井筒附近，温度急剧下降，缝端附近的温度快速变化主要由于注入的大部分液体滤失进入地层，这种降温效应在井筒附近由于滤失量低而减小。图2还表明随着注入量的增加，缝内平均温度变化缓慢。 图3表明对于10000加仑和40000加仑的液体注入裂缝，注入速率对裂缝内任意点的温度影响均较大，越高的注入速率同时也增加了液体效率，因此相同规模下，增加了裂缝面积。由于从地层到裂缝壁面的热量补充小于裂缝内流体的降温效应以及流体向岩石基质滤失，因此缝内温度逐渐降低。 图2 压裂过程中的裂缝瞬时温度分布 图3 施工排量对缝内温度的