压裂液返排模型（共7篇）
压裂液返排模型 篇1
0 引言
压裂液返排是压裂施工的重要组成部分, 对压裂施工的效果影响重大。压裂液的返排速度太快会导致大量支撑剂被带出裂缝回流到井筒, 从而很大程度上降低裂缝的导流能力, 甚至有可能导致裂缝失效引起压裂施工失败;当压裂液返排速度太慢会破坏喷油嘴和其他设备[1]。
本文在分析裂缝形态变化规律的基础上, 利用流体能量守恒定律建立裂缝闭合过程中的滤失模型、压裂液返排模型和裂缝模型。
1 建立压裂滤失模型
水力压裂主要是通过压裂液进行造缝和携砂, 压裂液携带支撑剂压开裂缝后, 裂缝受闭合压力作用会慢慢闭合, 压裂液在裂缝内外压差作用下部分向地层滤失。压裂液滤失速度太快会对储层造成严重伤害, 滤失速度太慢会导致支撑剂在裂缝底部堆积, 无法有效支撑裂缝高度, 影响压裂效果[2,3]。
鉴于压裂液滤失速度的重要性, 建立压裂液滤失模型, 为压裂液返排模型提供滤失数据。
不同种类的压裂液流动形态各不相同, 本文将压裂液看作幂律流体处理。
采用Teeuw[4]提出的达西定律表达式来分析压裂液流动情况。
式 (1) 中v表示滤失速度;n表示压裂液的流态指数;准表示渗流区的孔隙度;k表示渗流区渗透率;kn′表示压裂液的稠度系数;△p表示裂缝内外压差;L表示渗流区长度。
在侵入区和储层区中压裂液滤失的渗流方程分别为为:
式中kq表示侵入区渗透率;ξz表示压裂液有效黏度;λt表示流体压缩系数;准q表示侵入区空隙度;p表示侵入区任一时间压力;p0表示滤失刚开始时候的侵压力;准d表示地层的孔隙度;ξ表示地层流体黏度;kd表示地层渗透率。对侵入区和储层区中压裂液滤失的渗流方程利用强隐式求解方法进行计算, 可求得压裂液在裂缝闭合过程中的滤失总量:
式 (3) 中h表示压裂液滤失高度;m表示划分网格数;lxi表示缝长方向网格长度;△y1表示滤失方向网格长度。
2 建立压裂液返排模型
在油气田开发中后期储层物性变差, 如果只依靠压后裂缝的自然闭合, 闭合时间太久会影响支撑剂对裂缝的支撑效率并对地层造成二次伤害。为提高支撑剂对裂缝的支撑效率, 一般采用强制裂缝闭合技术[5]。
2.1 确立模型假设条件和原理
对压裂施工条件进行假设:
(1) 假设在压裂施工过程中排量不变;
(2) 假设裂缝高度与产层厚度相等;
(3) 假设压裂液位幂律流体有恒定黏度;
(4) 假设裂缝在停泵后不继续延伸;
(5) 假设裂缝闭合时, 裂缝只改变宽度, 不改变长度和高度。
在强制裂缝闭合条件下的压裂液的返排量与滤失量二者之和与裂缝的体积变化量相等, 由体积平衡原理得:
在 (4) 式中:
△Vd表示裂缝的体积改变量;
Vd (t0) 表示返排初始裂缝体积;
Vd (t) 表示在返排时t时刻的裂缝体积;
Vout表示压裂液返排总量;
Vin表示压裂液滤失总量。
2.2 建立压裂液返排模型
在压裂液返排过程中, 裂缝中的压裂液到达地面需流经井筒与放喷油嘴两个阶段。利用伯努利方程和能量守恒定律建立压裂液在井筒阶段和放喷油嘴阶段的能量方程为
在式 (5) 中, P (t) 表示井口压力;β表示压裂液重度, β=ρg, ρ为压裂液密度;v1表示压裂液在井筒中的流速;g表示重力加速度;P0表示标准大气压;vt表示放喷油嘴出口的流速;μ表示局部阻力系数;
由于放喷油嘴断面流量与井筒断面流量相同, 则有:
式 (6) 中R表示井筒半径;r表示油嘴半径。
压裂液在井筒和油嘴出的流速关系为:
联立式 (5) 、式 (7) 可求得某时刻压裂液返排流速:
由式 (8) 可求得任意某时刻t的压裂液返排流量:
对式9的时间t进行积分, 求得在压裂液在裂缝闭合过程中的返排总量Q总:
由于式 (10) 的被积函数中井口压裂P (t) 与时间非线性关系, 不能直接积分, 本文利用复合梯形求积分来计算压裂液返排总量。
在式 (11) 中△t表示时间步长;Ph表示井筒静液柱压力;Ph表示井底压力;Pfn表示在tn时刻的井底压力;整个返排过程, 返排的压裂液总量Q总随井底压力值变化。由于tn时刻前的井底压力值可由计算得出, 则压裂液返排总量Q总n的函数公式中只有变量Pn。可表示为Q总n=f (Pn) 。
2.3建立裂缝模型
常规二维裂缝模型中把裂缝高度看做产层厚度, 假定为一常量, Eengland[6]提出了三维裂缝模型最大裂缝宽度公式, 表达式为:
当HW>HP时:
其实
当HW<HP时:
在式13、14中, Hw表示人工裂缝的高度;HP表示产层厚度;Wmax (t) 表示裂缝最大宽度;δ表示地层岩石的泊松比;S1表示压裂层的最小水平应力;S2表示上下隔层的最小水平应力;E表示地层岩石弹性模量。
在实际压裂施工中, 裂缝高度一般小于地层厚度, 所以本文只考虑Hw<HP的情况。考虑裂缝的宽度刨面不规则性, 将刨面看做椭圆形刨面。由于裂缝的宽度随井底压力值改变可知停泵时刻裂缝宽度最大, 由于裂缝高度和长度在闭合过程基本不发生变化, 则裂缝体积变化公式为:
将式 (13) 带入式 (14) , 可求出HW<HP时, 裂缝体积变化量, 其计算式如下:
3 对长庆某井进行模拟求解
根据长庆某井的基本参数:气藏长300m, 宽400m, 裂缝半长为170.5m, 压裂层跨度22m, 地层孔隙度0.07, 地层岩石压缩系数0.0003MP-1, 地层水压缩系数0.0025MP-1, 地层渗透率0.0005μm泊松比为0.25, 井筒半径0.12m, 地层水密度1000kg/m3, 地层水饱和度0.33, 水粘度0.9MPa·s, 天然气密度0.6g/cm3, 地层压力20MPa, 地层温度309K。代入各参数值进行模拟求解。
由式 (1) 、式 (11) 、式 (15) 可知在压裂返排中, 压裂液滤失量、压裂液返排量及裂缝体积变化都可表示成井底压力Pf的函数, 结合方程式4的体积平衡原理, 通过数值迭代法求解步骤如下:
(1) 选取较小值作为时间步长, 利用滤失模型计算压裂滤失量Vmn, 则有:
(2) 在式 (16) 中每项都为井底压力Pf的函数, 用循环迭代求解该方程可求出Pfn。
(3) 将Pnf带入式 (3) , 解出在第n个时间步长压裂液滤失量Vnm。
(4) 将Vnm代入式 (15) 中, 迭代出井底压力Pn+1f。
(5) 将Pn+1f代入式 (3) , 求出压裂滤失量Vn+1m。
(6) 依此循环, 对压裂液返排过程中井底压力和井口压力的任一时刻求值。将这两种压力与裂缝闭合压力进行综合分析, 当选用1mm的油嘴直径, 得裂缝的闭合时间为83min, 当选用5mm的油嘴直径, 得裂缝的闭合时间为51min, 当选用9mm的油嘴直径, 得裂缝的闭合时间为32min。
4 结语
本文建立了压裂液滤失模型, 裂缝闭合过程的压裂液解并得出裂缝闭合时间, 为后续放喷油嘴时的尺寸选择提供理论依据。
摘要：压裂液返排对压裂施工的效果影响重大, 目前我国在压裂液返排的建模方面主要是针对常规砂岩储层, 由于模型的复杂程度被简化, 计算结果易出现误差而偏离实际。本文根据流体的质量守恒定律和裂缝形态变化规律对压裂液返排数值模型进行优化, 并利用体积平衡原理求解该模型, 通过压力变化对裂缝闭合时间给出定量判断, 为后续放喷油嘴时的尺寸选择提供理论依据。
关键词：滤化模型,压裂液返排模型,裂缝模型,体积平衡原理
参考文献
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压裂液返排模型 篇2
1. 试验装置及材料
裂缝模拟试验装置主要是压裂返排模型:基本尺寸为长350cm,宽120cm,高30cm。
其它配套的试验设备有:恒流柱塞泵(0~1500ml/min);液压机(0~150m Pa)。
试验材料:支撑剂选用吉林现场20/40目陶粒;模拟试验装置出口端流出36L液体。
2. 试验方法
利用裂缝导流能力模拟试验装置,模拟压裂施工的返排过程,通过改变不同的参数条件,分析返排液速度、返排液粘度、作用于支撑剂的有效应力等因素对支撑剂回流的影响程度,为压裂施工合理返排制度优选提供依据。
3. 试验操作步骤
(1)支撑剂的铺置
(2)压裂液的制备
(3)测量过程
①将试验装置装载到液压机上,加载试验方案中设计的有效应力,连接好管线;②在大流量恒流柱塞泵上设定流量20ml/min,开通前侧和上下两侧的开关,启动柱塞泵,以小流量将压裂充填模型室充满液体,模拟施工停泵后压裂液和支撑剂在地层中的情况;③将大流量恒流柱塞泵的流量设定为方案设计的相应返排速度,根据不同返排时间,在试验装置出口端收集流出的支撑剂,当返排液量达到设计数值时停泵,返排结束;④沉淀、过滤、烘干、称量回流出来支撑剂质量;⑤完成上述试验步骤后,再进行下一组试验;⑥每组试验重复3次,结果取平均值。
4. 试验结果与分析
(1)返排液粘度影响试验分析
铺砂浓度10kg/m2,返排液速度从50ml/min增加到1000ml/min,试验结果如下。
随着返排液粘度的增大,支撑剂回流量增大。相同粘度下的流速越大,回流砂量越大;当粘度在5mpa·s以内,回流量较小;当粘度大于5mpa·s,曲线的斜率增大,粘度影响程度增强,回流量随返排粘度的增大而迅速增多。返排液粘度越大,使得裂缝中压裂液的压力梯度越大,压裂液的粘滞阻力增加,压裂液返排速度越大,压裂液的粘度越高,流动过程中流动阻力就越大,这相当于使支撑剂回流动力增加,使得支撑剂回流量越大。
因此,将5m Pa·s粘度定为控制支撑剂回流临界值,返排粘度需控制在5mpa·s以下。
(2)返排液速度影响试验分析
铺砂浓度10kg/m2,返排液速度从50ml/min增加到1000ml/min,返排时压裂液的粘度5mpa·s,作用于支撑剂的有效应力10m Pa(作用于支撑剂上的应力)。测量不同返排速度的支撑剂回流量。试验结果如下。
从图1中可以看出,随着压裂液返排速度增大,支撑剂总回流量逐渐增大。当返排速度为50ml/min时,总回流量为2.20g,当返排速度增大到1000ml/min时,总回流量达到62.41g,是前者的28.3倍。压裂液返排速度越大,压裂液对支撑剂的拖曳力作用越强,导致回流量越大。压裂液返排速度是影响支撑剂回流的一个决定性影响因素。
随着返排速度的增大,支撑剂回流量增加的幅度增大,影响程度增强。返排速度在50ml/min至100ml/min和300ml/min至400ml/min,曲线斜率增幅均变化较大,当返排速度大于50ml/min时,曲线斜率增幅较大,100ml/min至300ml/min,曲线斜率平缓,大于400ml/min时,曲线斜率增幅较大。因此可以确定返排速度300ml/min为控制支撑剂回流的最大临界流量。
(3)不同返排时间段影响试验分析
铺砂浓度10kg/m2,返排液速度500ml/min,其它参数同上。测量不同返排速度的支撑剂回流量。试验结果如图2所示。
从图2可以看出,支撑剂回流量主要阶段集中在压裂液返排初期,当返排液时间60min内,支撑剂回流量随着时间的增加迅速降低,返排时间超过60min后,随着返排时间增加,支撑剂回流量明显降低。返排时间210min之后,支撑剂回流量几乎为0。分析在返排初期,支撑剂充填层还没有完全压实,因此在返排初期尤其60min内,控制放喷速度可以减少支撑剂返排,后期可提高返排排量。
综上所述,应考虑在压裂液返排初期选用小油嘴控制支撑剂回流,裂缝基本闭合后可考虑返排,在不出砂的前提下,可以适当增大返排速度以实现压裂液尽快返排,减少对地层的伤害。
(4)有效应力影响试验结果分析
铺砂浓度5kg/m2,压裂液返排速度取值为200ml/min,返排液粘度5mpa·s,闭合压力取值0~10m Pa,试验结果如下图所示。
从图3可以看出,随着作用于支撑剂的有效应力的增大,支撑剂总回流量逐渐减小。从图中可以看出当有效应力小于m Pa时,支撑剂回流量较大,当有效应力大于6m Pa后,200ml/min条件下,回流量从0.86g减小至0.47g,回流量的减小在该点发生跃变,而后随有效应力的增大而近似呈线性减小。在现场压裂返排施工时,应选择作用于支撑剂的有效应力达到6m Pa后,再安排返排工作,有利于控制支撑剂的回流量。
(5)加入纤维后的试验结果及分析
铺砂浓度10kg/m3,有效应力6m Pa,压裂液粘度20mpa·s采用的返排速度从50ml/min增加到1000lm/min,试验结果如图所示。
从图4中可以看出,返排速度低于300ml/min,没有支撑剂流出,当返排速度大于300ml/min后,仅有几个支撑剂颗粒流出,在返排流速1000ml/min时候,也仅有很少支撑剂流出,说明加入纤维能够很好的控制支撑剂回流。
试验还发现,其它条件不变,即使返排粘度达到100mpa·s时,也仅有少量支撑剂流出,说明加入纤维能够很好解决粘度较高的返排液的支撑剂回流。
5. 结论与建议
(1)压裂液返排速度是影响支撑剂回流的决定性影响因素。初期返排速度应小于50ml/min为宜。
(2)压裂返排液彻底破胶,返排时粘度控制在5mpa·s以下为宜。
(3)支撑剂返出主要在返排初期,返排时间应控制在裂缝基本闭合后,在不出砂的前提下,可以适当增大返排速度以实现压裂液尽快返排。
(4)现场压裂返排施工时,应选择作用于支撑剂的有效应力达到6m Pa后,再开始返排,有利于控制支撑剂的回流量。
(5)压裂液中加入纤维,能够极大地降低支撑剂回流。
摘要：试验结果显示,合理的返排液体粘度应小于5m Pa·s;支撑剂回流主要发生在排液初期;初期合理的返排速度控制在0.2m3/min,控制油嘴不大于3mm;作用在支撑剂有效应力大于6m Pa后,返排出砂状况明显降低;若压裂过程加入纤维,可更有效控制支撑剂回流。试验结果对压裂液返排施工具有很好的指导意义。
压裂液返排模型 篇3
本文利用自主研发的实验设备,测试压裂液不同返排流速下支撑剂的回流量,实验条件更加接近返排实际情况,测试结果可指导压裂现场返排参数设计。
1 实验仪器
实验使用自主研发的裂缝模拟实验装置,由裂缝模拟室、液压机、大流量恒流柱塞泵、差压传感器等装置组成,连同位移传感器、激光粒度仪和标准筛、离心机、天平形成一整套研究评价体系。图1为裂缝模拟室结构图,图2为裂缝模拟实验装置实物图。柱塞泵泵送的液体可分两路流入裂缝,一路由裂缝端部流入,一路由裂缝壁面流入,使裂缝内的流动更符合现场实际。液压机为裂缝提供闭合压力。
2 实验方法
利用裂缝模拟实验装置模拟压裂返排施工过程,改变压裂液返排速度,计量装置出口端流出支撑剂质量,具体实验过程如下。
(1)按照设计的铺砂浓度,称量相应质量支撑剂,在裂缝模拟实验装置中均匀铺置支撑剂。
(2)配置40 L羟丙基胍胶压裂液,加入破胶剂破胶,用该液体模拟压裂施工过程中地层内破胶后具有一定黏度的压裂液。
(3)将铺置好支撑剂的裂缝模拟实验装置装载到液压机上,加载实验方案中设计的作用于支撑剂的有效应力,连接好管线。
(4)在大流量恒流柱塞泵上设定流量20 m L/min,开通前侧和上下两侧的开关,启动柱塞泵,以小流量将压裂充填防砂模型室充满液体,模拟施工停泵后压裂液和支撑剂在地层中的情况。
(5)当裂缝模拟实验装置出口端的流量稳定时,将大流量恒流柱塞泵的流量设定为方案设计的相应返排速度,在裂缝模拟实验装置出口端收集不同返排时间段内流出的支撑剂,当返排液量达到36L时停泵,返排结束。
(6)沉淀、过滤、烘干、称量回流出的支撑剂质量。
3 实验方案
实验所采用的参数如下:20~40目陶粒支撑剂,铺砂浓度10 kg/m2,压裂液返排速度分别取值100~1 000 m L/min(裂缝模拟实验装置缝高为0.2m,假设真实地层缝高10 m,当模型中流量为100m L/min时,相当于实际施工返排量为14.4 m3/d),返排时压裂液的黏度5 m Pa·s,作用于支撑剂的有效应力10 MPa。测量不同返排速度条件下裂缝模拟实验装置出口端流出36 L液体时不同返排阶段支撑剂回流量。实验方案如表1。
4 实验结果及分析
如图3所示,随着压裂液返排速度的增大,支撑剂回流量逐渐增大。当返排速度为100 m L/min时,总回流量为4.75 g;当返排速度增大到1 000m L/min时,总回流量达到62.41 g,是前者的13.14倍。压裂液返排速度越大,压裂液对支撑剂的拖曳作用越强,导致回流量越大。由此可见,压裂液返排速度是影响支撑剂回流的一个决定性因素。
由图3中的曲线斜率变化趋势可见,随着返排速度增大,支撑剂回流量增加幅度增大,返排速度的影响程度增强。当返排速度小于300 m L/min时,曲线斜率增幅较小,当返排速度大于400 m L/min时,曲线斜率增幅较大。因此确定返排速度300 m L/min为控制支撑剂回流的临界流量。现场压裂液初期返速度应控制在43.2 m3/d以内可较好控制支撑剂回流量。
图4与图5为压裂液不同返排阶段支撑剂阶段回流量及累计回流量,如图4所示,支撑剂回流主要集中在压裂液返排初期,当返排液量达到3 L时(占总返排液量8.33%),支撑剂回流量为总回流量的56%~74%;当返排液量达到12 L时(占总返排液量33.33%),支撑剂回流量为总回流量的75%~99%。在返排后期图中各条曲线趋于平缓,可以观察到返排速度越小,曲线后期越平缓。因此应考虑在压裂液返排初期选用相对较小的返排速度以达到控制支撑剂回流的目的,返排后期在不造成出砂的前提下适当增大返排速度以实现压裂液尽快返排,减少对地层的伤害。
5 结论与建议
(1)压裂液返排速度是影响支撑剂回流的一个重要因素,随着压裂液返排速度增大,支撑剂总回流量逐渐增大。通过实验得出控制支撑剂回流的临界流量为300 m L/min,相应现场施工压裂液返排速度应控制在43.2 m3/d以内。
(2)支撑剂回流主要集中在压裂液返排初期,应考虑在压裂液返排初期选用相对较小的返排速度以达到控制支撑剂回流量的目的,返排后期在不造成出砂的前提下适当增大返排速度以实现压裂液尽快返排,减少对地层的伤害。
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压裂返排液处理技术研究 篇4
关键词：压裂返排液,絮凝,脱色,回注
苏里格气田位于鄂尔多斯北部地区,为长庆气田主要作业区域之一,主力储集层有山1、盒8、马5层等,储层改造方式主要以压裂、酸化为主,其中压裂所占比例较大。压裂作业中排出的残余压裂液中含有胍胶、甲醛、石油类及各种添加剂,若不经过处理返排至地面,会对当地的地表水、地下水、农作物、大气等造成一定的污染,同时造成水资源的浪费[1,2,3]。
1 实验部分
1.1 实验仪器、药剂
浊度计(LP2000-11);混凝搅拌器,722 分光光度计,悬浮物测定仪。
聚合氯化铝(PAC),片碱(Na OH,工业品),高效脱色剂(TS-10) (自制)。
1.2 实验方法
污水离子组成分析依据SY/T 5523-2000《油气田水分析方法》进行;絮凝实验依据SY/T 5796-1993《絮凝剂评定方法》进行。
2 结果与讨论
2.1 污水组成及特性分析
采集苏XX-XX井压裂返排液进行成分、特性分析,实验结果如表1 所示。
/mg·L-1
从表1 的分析数据可知,该井压裂返排液Ca2+、Mg2+离子含量较低,SO42-、HCO3-含量较高,分析原因是由于在配制压裂液过程中加入的调节剂和破胶剂中含有一定量的SO42-、HCO3-[4-5]。从表2 的分析数据可知,气井压裂返排液悬浮物含量较高,水样外观较浑浊,颜色较深,透光率较差。
2.2 絮凝试验
2.2.1 絮凝剂的筛选
选用3 种PAC进行絮凝试验(PAC用量为50mg·L-1),实验结果如表3 所示。从表3 实验数据可知,在絮凝剂加量为50mg·L-1时,2 号絮凝剂效果较好。
2.2.2 p H对絮凝效果的影响
配制5% 烧碱溶液,调节水样p H,考察不同p H条件下的絮凝效果,实验结果如图1 所示。
从图1 实验数据可知,当水样p H从7.0 增加至9.0 时,悬浮物、浊度呈先降低后升高的趋势,透光率则呈现出先升高后降低的趋势。当p H为7.5 时,处理后水悬浮物含量为19mg·L-1,浊度为40NTU,透光率为51.6%,处理效果较佳。
2.2.3 絮凝剂用量的优选
依次加入50mg·L-1、75mg·L-1、100mg·L-1、125mg·L-1、150mg·L-1的絮凝剂,测定处理后水的悬浮物、浊度等指标,以优化絮凝剂的用量,实验结果如图2 所示。
从图2 的实验数据可知,随着絮凝剂用量的增加,处理后水的悬浮物、浊度值等均有一定的下降,且当絮凝剂用量为100mg·L-1时,处理效果较好,当絮凝剂用量> 100mg·L-1时,处理效果趋于稳定,因此,絮凝剂较适宜用量为100mg·L-1。
从以上实验可知,处理后水的悬浮物、油含量均下降较明显,但透光率有待进一步的提高。
2.3 脱色实验
为提高水样的透光率,采用TS-20 脱色剂对水样进行进一步的处理。在p H为7.5,絮凝剂用量为100mg·L-1时,加入10~50mg·L-1的脱色剂,实验结果如表4 所示。
从表4 中实验数据可知,在使用了脱色絮凝剂后,水样的透光率大幅度提高。脱色絮凝剂用量在10~50mg·L-1时,处理后水悬浮物在4.9~12.1mg·L-1,浊度在1.9 ~5.1NTU,透光率在88.9%~93.8%,油含量在0.9~3.1mg·L-1。随着脱色絮凝剂用量增加,处理效果逐步得到提升,当脱色絮凝用量大于30mg·L-1时,处理效果趋于稳定,因此脱色剂较适宜用量为30mg·L-1。
通过调节p H、优选絮凝剂、投加脱色剂等方法,实现了对苏XX-XX井压裂返排液的综合处理,处理后水悬浮物含量< 5mg·L-1,油含量< 1mg·L-1,处理后水达到油田回注水一级标准。
3 结论
1)研究了p H对絮凝剂絮凝效果的影响,当p H为7.5 时,试验效果较佳。
2)对絮凝剂PAC进行筛选及用量的优选,实验结果表明,当絮凝剂用量为100mg·L-1时,絮凝效果较佳。
3)对复合脱色絮凝剂用量进行了优选,当脱色剂用量为30mg·L-1时,絮凝效果较佳。
4)经过絮凝、脱色后的压裂返排液悬浮物含量< 5mg·L-1,油含量< 1mg·L-1,处理后水达到油田回注水一级标准。
参考文献
[1]万里平,邱杰.油田压裂液无害化处理实验研究[J].河南石油,2002,16(6):39-42.
[2]马云,何顺安,侯亚龙.油田废压裂液的危害及处理技术研究进展[J].石油化工应用,2009,28(8):1-3.
[3]范青玉,何焕杰.钻井废水和酸化压裂作业废水处理技术研究进展[M].油田化学,2002,19(4):387-390.
[4]钟显,谭佳,赵立志,等.压裂返排液预处理的试验研究[J].内蒙古石油化工,2005(11):66-67.
压裂液返排模型 篇5
1 压裂返排液其相应的性质和组成
在当前的油井生产作业过程中, 往往会产生一些反派压裂废液, 而这些废液因其本身组成成分相对复杂, 再加上浓度高以及黏度较大等原因, 导致其在集输流过程中会存在一定困难, 并造成后续流程无法持续平稳运行等情况。并表现为在当前的压裂返排液中因其悬浮含量不断升高, 进而致使砂滤装置在使用过中出现效率低下以及更换周期逐渐缩短;因作业中, 下沉污泥经常会黏贴在专用板框过滤机内部的隔膜之上, 所以使得过滤膜在应用中损坏严重, 如果频繁更换, 势必很难使得污泥通过过滤膜而压滤成饼。
压裂液其本身组成相对比较复杂。就拿我们常见的水基压裂液来说, 其成分主要有:0.4%的助排剂, 0.16%的破乳剂以及0.4%的黏土稳定剂还有0.5%的杀菌剂与0.45%的翔丙基瓜胶等等。而其作业过程中常用的交联剂则主要是由化学元素过硫酸铵以及硼砂组合而成, 其实际含量依据标准主要为0.6%和0.45%。将压裂液同相应的交联剂按照混合比例为100:10的比例依次注入到底层。而等到破胶之后所返排出来的一些压裂液中, 还是存有一定有机物以及不完全冻胶。另外也可以选择使用相应的红外光谱来对压裂液其自身的组成物质进行相应的分析和判断。
2 压裂返排液其相应的降黏研究
在实际的应用以及研究过程中, 结合分析结果我们不难看出, 在所使用的压裂返排液中所含有的羟丙基瓜胶相对较大, 但由于其破胶出现不安全情况, 所以导致其相应的黏度较高。另外也可以选择使用化学氧化的手段与措施来对羟丙基瓜胶相应的交联度进行有效降低, 以促进其不断发生降解。应该说, 高级氧化技术经过多年的发展和成熟已经逐渐的成为现阶段对油田污染物进行降解作业时, 效果较好的一种处理技术。从其基础上来说, 所谓的高级氧化技术就是在于参照相应流程, 将电以及光辐射还有催化剂和氧化剂进行有机结合, 并在相关的化学反应过程中生成一种灵活性较强的自由基。接着再将自由基同相应的有机化合物进行加合还有取代与电子转移等操作, 使其内部中所包含的大分子可以逐渐的降解成为有机物, 或者是直接的降解成为不含毒素的小分子物质。有时甚至能够将其降解成H2O还有CO2。
2.1 对氧化降黏药剂的实际选择和评价
根据所使用氧化技术的特点, 重点对过硫酸铵氧化与Fenton试剂氧化以及高锰酸钾氧化还有相应的次氯酸盐对压裂返排液其自身的降黏性能所产生的直接影响进行评价。文章以Fenton试剂氧化为例, 展开评价。
2.1.1 对实验药品以及使用仪器还有相应的测定方法进行选择
由于H2O2其自身浓度值为30%, 那么相应的硫酸亚铁晶体则视作分析纯。而选择使用的主要仪器有专用黏度计以及转算不低于151r/min的小型61号转子。另外还会使用到电子天平以及玻璃棒还有烧杯与量筒和恒温水浴锅等设备。
2.1.2 基本操作程序及其结果
准备300M L的返排液, 同时在确保H2O2:Fe2之间的摩尔比值为6的情况之下, 适当的添入31%的常用硫酸亚铁晶体还有双氧水, 待搅拌完成之后进行静置。然后每过20min就对溶液表观黏度进行检测。
从图中我们可以看出, Fenton试剂其自身的投加量在全部达到稳定之后, 其相应的降黏效果。当Fenton试剂所使用的投加量已经高于0.06%时, 如果再加大投加量, 那么整个体系所表现出的黏度变化都相对较小。同以往使用高锰酸钾氧化相比较来说, Fenton试剂氧化在实现同等降黏效果的情况之下, 所耗用的专用药剂更少, 所产生的成本也更低。
2.2 对Fenton试剂氧化体系进行相应优化
在当前油田所产生的压裂返排液处理作业过程中, Fenton试剂氧化技术已经得到广泛的应用。上面讲到这种技术对返排液进行降黏处理时, 效果非常好。据此, 我们再对H2O2的降黏效果进行重点分析。
将返排液中的后期样品作为这次处理对象。同时在操作过程中使用0.02的FeSO4, 在等到使用的稳定剂用量超过0.01%时, 在其相同效果的反应液中添入不同量值的H2O2, 并且将该四组其相应反应液中的H2O2实际浓度设定成为:0.01%、0.04%、0.03%、0.05%。在不对PH值进行调节的基础之上, 使其在正常室温之下反应90min。经过实验证明, 一共有三组浓度H2O2让压裂返排液中的相应表观黏度在经过专业处理之后, 下降到2.5mPs。但与此同时, 随着H2O2的含量逐渐增加, 其自身的反应速率也越来越快。但等H2O2浓度值高于0.045%之后, 所产生的效果并不明显。
3 总结
本文对返排液其自身的基本性质进行分析研究之后, 得出在油井生产作业过程中, 返排液其相应表观黏度的平均值大约为12.45mPs, 而CDO平均值则为10269L, 此外P H值约为5.9。另外在对四种常见的返排液处理技术进行论述、比较之后, 发现fenton试剂氧化技术拥有更好的降黏性能, 因此可以将其广泛的应用到返排液的处理作业中来。
参考文献
[1]钟显, 谭佳, 赵立志, 杨旭.压裂返排液预处理的试验研究[J].内蒙古石油化工, 2009 (11)
[2]万里平, 李治平, 赵立志, 邱杰.探井残余压裂液固化处理实验研究[J].钻采工艺, 2009 (01)
[3]何红梅, 赵立志, 黄禹忠.高分子絮凝剂对压裂返排液处理的研究[J].化工时刊, 2009 (11)
[4]中英文作者.《天然气工业》2004年第7期要目[J].天然气工业, 2009 (06)
油气田压裂返排液治理技术分析 篇6
一、压裂返排液的特征
压裂返排液具有黏度大及浓度高的特征, 如无法及时处理将会对油气田的正常生产造成影响, 如导致压裂砂滤装置工作效率不断降低、更换周期缩短, 过滤装置内部隔膜被下沉污泥损坏等。治理返排液的主要目的在于降低黏度与浓度, 从而保证压裂施工的顺利进行。为了有效处理返排液, 则应了解其组成成分[1]。返排液中的主要成分包括杀菌剂、黏土稳定剂、破乳剂、助排剂、硼砂、硫酸铵、胍胶等, 由于含有大量有机物、悬浮物, 在处理时通常会面临许多难题, 如化学处理药剂难以在返排液中扩散, 反应体系难以在短时间内建立完成, 传质效果不明显等, 为了改善处理效果, 则通常需要采用特殊的治理技术。
二、油气田压裂返排液治理技术分析
1. 氧化治理技术
氧化法是常见的返排液处理技术, 目前在油气田中常用的氧化治理技术为AOPs技术, AOPs技术能够有效治理存在大量难以降解有机物的返排液。AOPs技术中所使用的催化试剂为Fenton, Fenton试剂中的活性成分主要为氧化剂H2O2、催化剂Fe+2, 氧化剂、催化剂与返排液中的有机物发生氧化降解反应后可得到小分子有机物。相对于大分子有机物而言, 小分子有机物的毒性较低[2]。另一方面, 采用氧化法处理后还可以有效降低返排液中COD的含量。
2. 生物治理技术
油气田压裂返排液的生物治理技术指的是, 利用微生物所具有的代谢功能转化废液中的溶解形态或胶体形态物质, 使有害有机物变为危害性较小或无危害性的稳定物质。在治理返排液时通常需要采用细胞质个体大且易凝聚的微生物, 以便能够有效吸附有机物质, 使返排液中的有机物质沉淀或上浮, 从而有效净化废水[3]。生物治理技术具有工艺简单、成本低及针对性强的特点, 已经在我国部分油气田中得到了推广应用。了解返排液中各污染物的成分后决定采用生物治理技术, 治理过程中使用的菌株来源于牛肉膏蛋白胨, 菌株包括纯化EB1及EB2。对菌株进行驯化后直接投入到返排液中, 接种成功后及时摇床振荡、过滤。振荡时间为48h, 接种量为10%, 治理返排液的温度为25℃, EB1与EB2的混合比为1:1, 经治理后该油气田返排液的矿化度达到了7632.84mg/L, COD的含量降低至203.57mg/L, 达到了治理要求。
3. 絮凝沉降治理技术
絮凝沉降技术指的是在返排液中加入絮凝剂、助凝剂, 使废液杂质及悬浮颗粒发生沉降, 并由此分离沉降固体与液体的返排液治理工艺。由于絮凝剂难以在高黏度的返排液中实现有效扩散, 因此在利用絮凝沉降技术的过程中通常需要结合氧化治理技术, 以便减少絮凝剂的添加量, 降低返排液治理成本及改善治理效果[4]。例如, 某油气田中返排液为酸化废水, 在治理返排液时应用了氧化、中和及絮凝沉淀治理技术, 氧化剂为H2O2, 中和剂为Na OH, 氧化剂的质量分数均为30%, 絮凝剂为PAM (聚丙烯酰胺) 、PAC (聚合氯化铝) , 絮凝剂均为阳离子型, 分子质量为1500万。加入H2O2后返排液中生成大量气泡、絮体上浮, 沉淀物为红褐色, 透光率达到了98.5%, 总铁含量为0.401mg/L;加入PAC后, 絮体变松散, 沉降速度较快, 透光率为97.3%;加入PAM后絮体变得密实, 沉降速度较快, 测得总铁含量为0.43mg/L, 透光率为93.9%。经处理后原返排液腐蚀速率降低至0.004mm/a, PH值为7.0, 油含量降为12.57mg/L, 与返排液治理标准相符。
结束语
综上所述, 治理压裂返排液对于油气田生产工作的正常开展有非常重要的意义。为了有效治理返排液, 则应根据油气田压裂工艺的实际情况选择合理的治理技术, 包括絮凝沉降治理技术、生物治理技术及氧化治理技术等。此外, 要考虑各类处理技术的优点与缺点, 尽量在节约成本的基础上提高返排液的处理效率。
摘要：压裂是油气田中的一个重要生产步骤, 为了改进压裂效果及提高油气田的开采效率、石油及天然气的生产质量, 则应注重采用有效的工艺技术对返排液进行治理。本文分析了压裂返排液的特征, 包括黏度大及浓度高等, 同时对常见的油气田压裂返排液治理技术进行了探讨, 包括氧化治理技术、生物治理技术及絮凝沉降治理技术。
关键词：返排液,油气田,治理,压裂,技术
参考文献
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压裂井极限抽汲返排率的确定 篇7
关键词：离子浓度,试油,压裂液,返排率
水力压裂是重要的油气井增产措施,水力压裂过程中压裂液在裂缝内外压差的作用下不可避免地会向地层内滤失,会污染地层,而压后的压裂液返排则是水力压裂作业过程中的重要环节,确定压裂液返排率的大小对评价压裂效果起着重要的作用。汪翔[1]等人对裂缝闭合过程中的压裂液返排机理进行了详细的阐述,并建立了裂缝闭合过程中的返排量计算模型。胡景宏[2]等人根据压裂液返排的物理过程,建立了裂缝闭合前后返排量的计算模型,得到了压裂液返排率,然而他们都没有针对试油求产阶段的抽汲返排进行研究。本文将返排过程分为自喷阶段的返排和抽汲阶段的返排,自喷阶段的返排可以通过油井压裂后放喷出来的液量确定,但是在抽汲阶段,因可能有地层水产出,根据产出液量无法准确估算返排出的压裂液量。本文针对这一问题,利用离子浓度组成分析方法,对油田实际试油求产阶段的压裂液抽汲返排率进行了计算。
压裂液的抽汲返排率是指在抽汲排液阶段,所抽汲出来的压裂液量占所泵入压裂液总量的百分比。在自喷返排结束后,需要进行抽汲返排,将残留在缝内及滤失到地层中的压裂液抽吸返排出来。而压裂液抽汲返排率的最大值,则定义为压裂液的极限抽汲返排率。
1 求解原理
在现场压裂液抽汲返排过程中,由于自喷返排阶段压裂液并未完全返排出地面,因此,返排出的水中含有原始地层水,也含有压裂施工过程中泵入地层的压裂液,根据离子组成浓度分析的方法可以确定抽汲阶段所返排出水中的压裂液量,从而可以确定压裂液的抽汲返排率[3,4]。
返排液中一般含有CO
C取样V取样=C压裂液V压裂液+C地层水V地层水 (1)
V取样=V压裂液+V地层水 (2)
可推出公式(3):
V压裂液=V取样(C地层水-C取样)/(C地层水-C压裂液) (3)
由此可计算出任一时刻一个周期内返排液取样中压裂液和地层水所占的比例,即其中含有多少压裂液和地层水。
下面以实际井为例,分析抽汲返排时,取样的每一时刻的一个周期中返排出的压裂液量。
2 实例计算
以现场实际试油排液求产曲线数据为基础,以自喷返排放喷出口处记录的Cl-浓度作为压裂液的Cl-浓度,以抽汲后期水性稳定时的Cl-浓度作为地层水Cl-的浓度,即区域水性的Cl-浓度,根据式(3)计算每一排液周期所抽汲出的返排液中压裂液所占的体积。再将每一排液周期中返排出的压裂液量求和,得出抽汲阶段返排的压裂液累积产出量,最后根据此压裂液累积产出量即可求出压裂液抽汲返排率。
下面以大庆油田扶杨油层A1井为例进行计算分析。表1给出了A1井的压裂液累积产出量及压裂液的抽汲返排率。已知累计排液量和每一取样周期中的氯离子浓度,根据前面的求解原理,即可求出返排液中的压裂液量。已知放喷出口处的氯离子浓度为95.4 mg/L,以此作为压裂液的氯离子浓度,水性稳定时的氯离子浓度为2 430 mg/L,以此作为地层水的氯离子浓度,进行计算。由表中的已知数据及计算结果可以看出,自喷返排液为60 m3,一般自喷返排液全部都是压裂液,那么抽汲到最后,压裂液的累积产量为72.88 m3,则抽汲返排阶段共抽汲出压裂液12.88 m3,该井压裂施工阶段共打入压裂液98.6 m3,所以抽汲返排液中压裂液所占全部泵入压裂液的比率为13.06%,即该井压裂液抽汲返排率为13.06%。该井现场实际的以总产液量计算的返排率为103.1%,而以产出压裂液计算的返排率为73.91%,可以看出其差值为29.19%,此部分不是压裂液,而是地层产出的水。
运用同样的方法以A2井、A3井、A4井、A5井、A6井、A7井、A8井、A9井、A10井抽汲返排阶段的试油排液求产数据进行计算,在水性稳定后,计算的压裂液最终返排率如表2所示。由表2可见:油井实际返排率均大于压裂液返排率,且部分油井的实际返排率大于100%,这是因为返排液中含有产出的地层水。分析表2如下:
(1) 10口井的压裂液返排率介于23.5%～73.91%之间。A5井的压裂液最终返排率最低,为23.5%,A1井的压裂液最终返排率最高,为73.91%,A1井有26.09%的压裂液渗入地层不能够返排出来,即有约25%的压裂液不能返排出来。可以看出,在抽汲结束后,返排率最高的井仍有25%左右的压裂液无法返排出来。
(2) 在水性稳定后,10口井抽汲阶段产出压裂液占总泵入压裂液的比率为0.52%～14.97%。可以认为,抽汲阶段,从地层中抽汲出的压裂液占总泵入压裂液的比率一般不超过15%,即抽汲返排率一般低于15%,根据前面的定义,压裂液的极限抽汲返排率为15%。
3 结论
(1) 在水性稳定以后,压裂液不再产出,压裂液的返排率为75%左右。
(2) 压裂液的抽汲返排率一般低于15%,压裂液的极限抽汲返排率为15%。
参考文献
[1]汪翔.裂缝闭合过程中压裂液返排机理研究与返排控制.北京:中国科学院渗流流体力学研究所,2004
[2]胡景宏.压裂液返排模型及应用研究.重庆:西南石油大学,2007
[3]胡景宏,何顺利,李勇明,等.压裂液返排率的理论计算.钻采工艺,2008;31(5):99—102
[4]卢拥军.压裂液对储层的损害及其保护技术.钻液与完井液,1995;12(5):23—24