CN108009670B - 一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法，其通过研发、优选更合适的增粘剂，提升超临界CO₂压裂液体系的流变性、携砂性、降阻性、降滤失性等性能；同时该增粘剂还可以大幅度提高压裂液体系粘度；该方法还通过优选适合的超临界CO₂压裂所用支撑剂材料，进一步提高压裂施工的铺砂程度，增强裂缝导流能力；该方法还通过优选密闭混砂装置，提升其容积性能，满足现场压裂施工砂量要求；该方法还通过优化施工参数和注入方式等，在保证改造效果的同时，逐步提高砂比和CO₂利用率，以对该压裂工艺进行进一步优化、调整，尽可能避免地质伤害，建立深度沟通，扩大波及体积，强化裂缝支撑，提升超临界二氧化碳干法压裂改造效果。

Description

一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法，属于石油开采技术领域。

背景技术

在石油行业兴起的超临界流体应用案例中，超临界CO₂压裂液的应用已逐步得到石油天然气行业技术人员的认可，并根据其使用方式、规模的不同，形成了以下几种优缺点各异的液态CO₂压裂工艺。

(1)超临界CO₂蓄能前置压裂工艺，该工艺前置小规模CO₂，折算CO₂质量比为10-20％，其优势在于能够增加地层能量，降低压裂液滤失、促进压裂液快速返排，降低伤害；其缺点在于前置CO₂规模小，波及范围小，且无法避免水基压裂液对储层及支撑裂缝的伤害。

(2)超临界CO₂全程伴注压裂工艺，该工艺采用全程注入CO₂，CO₂质量比为30-50％，其优势在于能够降低水基压裂液滤失，促进返排；其缺点在于超临界CO₂规模小，波及范围小，且无法避免水基压裂液对储层及支撑裂缝的伤害；该工艺主要应用于低压油气藏，弱水敏储层，以提高压裂液返排率为主。

(3)超临界CO₂泡沫压裂工艺，该工艺采用全程注入CO₂，CO₂质量比为50-70％，其优势在于能够降低压裂液滤失、增强造缝能力、促进压裂液快速返排；其缺点在于无法避免水基压裂液对储层及支撑裂缝的伤害；该工艺主要应用于低压油气藏，中-强水敏储层，以减小滤失、减小污染。

(4)超临界CO₂压裂前置+水基携砂压裂工艺，其优势在于能够增加地层能量，降低滤失；同时，由于CO₂规模较大，波及范围较大，且对形成复杂裂缝增大改造体积有利，水基压裂液(交联冻胶)携砂浓度高且量大，有利于形成高导流稳定裂缝；其缺点在于无法避免水基压裂液对储层及支撑裂缝的伤害；该工艺主要应用于致密储层，低压油气藏，强水敏、强水锁储层。

(5)超临界CO₂干法无支撑压裂工艺，该工艺采用全程注入CO₂，CO₂质量比为100％，其优势在于超临界CO₂规模大，波及范围大，改造体积大且压裂形成以剪切缝为主的复杂裂缝，导流能力较高；其缺点在于无裂缝骨架支撑，地层应力敏感及生产时间延长，裂缝闭合且导流能力下降，产量递减快。

(6)超临界CO₂干法加砂压裂工艺，其优势在于超临界CO₂规模大，波及范围大，改造体积大且压裂形成以剪切缝为主的复杂裂缝，且得到有效支撑，形成的裂缝导流能力具有长期稳定性；其缺点在于对设备要求高，加砂存在砂堵风险；该工艺主要应用于低压油气藏，强水敏、强水锁储层。

本发明中所涉及的超临界二氧化碳干法压裂方法即为以上针对强水敏、强水锁储层或非常规气藏储层加砂压裂改造所提出的超临界CO₂干法加砂压裂工艺，相对于前面几种技术，该技术的技术优势最强。该工艺采用超临界CO₂作为压裂液体为完全载体，实施加砂压裂改造的超临界CO₂干法加砂压裂技术，是一种用以替代常规水基压裂液的无水压裂技术。

超临界CO₂干法加砂压裂工艺的技术原理是通过压裂泵车以较大排量注入地层，通过控制不同阶段CO₂相态变化，利用超临界CO₂极强的流动性和破岩能力，形成复杂的动态裂缝系统，大量产生的岩石碎屑和加入的支撑剂，起到支撑复杂裂缝的作用，并利用施工后放喷时超临界CO₂相态发生变化，进一步破坏储层岩石，进而为远端油气的流入提供一条具有较高渗透率的渗流通道，以实现较小规模加砂达到高效增产的目的，其诸多优势主要体现在：1)能够有效抑制储层粘土矿物运移和膨胀，消除水敏和水锁伤害，不会造成残渣伤害，实现无伤害改造；2)能够溶于原油降粘，利于开采，置换萃取吸附性天然气储层，提高单井产量；3)能够进入储层微裂隙和毛细喉道，增加地层弹性能和裂缝内净压力，提高人工裂缝复杂程度，增加地层能量和改造体积等优势。

除此以外，CO₂本身价低且易得、不易燃易爆、无腐蚀性、可压后回收再利用或实现温室气体埋存、节约水资源，其环保效益和经济效益均优于其他类型压裂液，采用超临界CO₂作为压裂液属于清洁压裂流体范畴，对于提高水敏或水锁伤害严重储层、页岩气、煤层气、致密油气等吸附性天然气储层产能具有明显技术优势，是一项非常有前景的增产改造技术。

国内已获取明确成果也表明，超临界CO₂干法加砂压裂工艺完全适用于近井地带受到污染的储层、闭合应力相对较低的储层、储层压力较低的储层、低渗透或(和)水敏性的储层，并成功解决以下油气井压裂改造难点：

(1)解决有效改造体积不足的难点：超临界CO₂凭借超强的流动性和破岩能力可以制造出复杂、密集的网络缝，实现储层大规模的充分破碎和有效改造，突破了水基压裂液宽带压裂技术能够制造一定程度的复杂裂缝，但受制于水基压裂液破岩能力、流动性和流动选择性，有效改造体积依旧相对有限的难题。

(2)克服地层压力不足的难点：返排阶段，CO₂的相态变化在地层中释放膨胀能，增加地层压力，可起到蓄能气驱的效果，克服了地层压力不足导致的最终采收率低的难题。

(3)突破吸附气动用程度低的难点：对于吸附气比重大、解吸附压力低的页岩储层，CO₂气体分子可凭借更强的吸附能力将吸附气置换脱离吸附表面，实现吸附气的动用，保持气井长期的高产稳产。

(4)改善井工厂井间动用不充分的难点：波及范围大，且净压力传导率高，可有效改造井间区域，大幅度提高平台井控区域动用程度。

(5)成功优化环保问题带来的影响：水基流体压裂占用大量水资源，且返排液处理费用高；超临界CO₂干法压裂则无需大量占用水，且无需处理返排液，环保效益和经济效益均优于水基压裂。

然而，超临界CO₂干法加砂压裂工艺技术目前并没有完全成熟，在实施过程中仍存在一些不可避免的问题，比如：

1)二氧化碳压裂增产机理、设计理念落后于施工水平，即注入参数与储层和井网条件匹配、注入参数与地层原油性质匹配；

2)干法压裂施工规模、加砂强度受设备限制，即加砂规模受密闭混砂车加砂量的限制、加砂强度不高，加砂方式需要改进；

3)干法压裂施工系统压力不平稳，即施工过程中CO₂槽车排出速度不同以及罐内压力随施工不断降低导致压力不平稳，影响施工，且直接供液不平稳，没有缓冲设备；

4)二氧化碳干法压裂携砂能力低，限制了人工裂缝导流能力；

5)设备配套还不完善，没有二氧化碳干法压裂的专用管汇撬或管汇车。

因此，提出一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法已经成为本领域亟需解决的技术问题，该优化设计方法基于平稳协调供液、均匀可控供砂、液态二氧化碳增粘、保障施工安全等关键原则，对该压裂工艺进行进一步优化调整。

发明内容

为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法。

为达到上述目的，本发明提供一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法，其包括以下步骤：

步骤一：根据施工井的井况条件及该施工井所属储层的地质参数分析情况，进行施工井可压性评价；

步骤二：根据目标储层非均质性特点，以深度沟通地质甜点为目标，并结合钻井取芯录井、综合测井解释资料，选择储层油气显示及可压性好的井段作为射孔位置；

步骤三：根据目标储层孔渗特性确定射孔参数，并根据所确定的射孔参数选择合适的射孔枪型号；

步骤四：模拟优化超临界二氧化碳干法加砂压裂所涉及的关键技术参数；

步骤五：评价CO₂压裂液的增粘、降阻性能，优化CO₂压裂液配方，确定液态CO₂压裂液性能设计参数；

步骤六：根据超临界CO₂压裂支撑裂缝导流能力优化过程，其结果及步骤四中得到的关键技术参数，并结合施工井储层闭合应力情况，选择超低密度陶粒支撑剂的类型和组合；

步骤七：计算得到CO₂相态变化规律，并分析液态CO₂、超临界CO₂、气态CO₂相态转化时机，进而确定超临界CO₂干法加砂压裂的注入工艺和参数；

步骤八：设计制定压裂施工泵注程序，并按照所述压裂施工泵注程序模拟压裂施工曲线及裂缝剖面，以模拟最终优化后压裂裂缝参数结果，确定合适的前置液量及加砂模式；

步骤九：模拟停泵关井后不同时间段内CO₂的扩散速率、扩散范围和饱和状态，完成对施工井进行关井CO₂扩散时间优化，以确定最优关井时间；

步骤十：评估超临界CO₂干法加砂压裂的压裂效果，以指导压裂工艺参数的调整和优化。

进一步地，在一实施例中，所述步骤一中，施工井的井况条件包括施工井井身结构、固井质量、钻遇储层、测井数据所示井况条件；

地质参数分析包括施工井所属储层岩性矿物特征、储集物性特征、烃源及含油性特征，地应力及岩石力学的地质参数分析。

进一步地，在一实施例中，所述步骤二中，储层油气显示及可压性好的井段为有机碳含量高，GR曲线值低、电阻中高、密度低、声波时差高、脆性指数高、粘土含量低及固井质量好的井段。其中，本领域技术人员可以常规判断井段有机碳含量高，GR曲线值低、电阻中高、密度低、声波时差高、脆性指数高、粘土含量低及固井质量好。

其中，步骤二中根据目标储层非均质性特点，选择以工程有利条件为基础的压裂射孔位置，以深度沟通地质甜点为目标，并结合钻井取芯录井、综合测井解释资料，选择储层油气显示及可压性好的井段作为射孔位置。

进一步地，在一实施例中，所述步骤三中，所述射孔参数包括射孔方式、相位角、射孔孔密、射孔孔径、射孔簇数及射孔穿深。

进一步地，在一实施例中，所述步骤三中，本领域技术人员知晓如何根据所确定的射孔参数选择合适的射孔枪型号。

进一步地，在一实施例中，所述步骤四中，超临界二氧化碳干法加砂压裂所涉及的关键技术参数包括裂缝半缝长、施工排量、施工液量、施工砂量、前置液比例及CO₂压裂液粘度。

其中，在本申请具体实施方式中，步骤四中可以采用Predict-K和GOHFER(均为本领域常规软件)压裂软件，以CO₂压裂支撑裂缝导流能力优化参数结果为目标，模拟优化超临界CO₂干法加砂压裂工艺所包含的裂缝半缝长、施工排量、施工液量、施工砂量、前置液比例及CO₂压裂液粘度在内的关键技术参数。

进一步地，在一实施例中，所述步骤五中，以100％液态CO₂的总重量为100％计，所述压裂液配方包括1.0-3.0wt％的CO₂增粘减阻剂、1.0-3.0wt％的交联剂及100％液态CO₂。其中，100％液态CO₂是指纯液态CO₂。

根据本发明具体实施方案，步骤五中所用CO₂增粘减阻剂、交联剂均为本领域所用常规物质，本领域技术人员可以按照现场作业需要合理选择合适的增粘减阻剂及交联剂，只要保证可以实现本发明目的即可。

其中，在本发明具体实施方式中，所用CO₂增粘减阻剂可以为由东方宝麟科技发展(北京)有限公司自行研制的CO₂干法压裂高效增粘减阻剂，其主要成分包含乙烯基硅油、丙烯酸丁酯、乳化剂、催化剂、表面活性剂组成。

1)A型增粘减阻剂，主要用于增粘、降阻、携砂，其特点为透明粘稠状极性液体，亲油，不溶于水；易分散和溶解于液态CO₂、超临界CO₂和有机溶剂；在液态CO₂中迅速溶解、高效增粘；减阻性能优异，减阻率≥70％；动态携砂能力强。

2)B型增粘减阻剂，主要用于增粘、携砂，其特点为可交联双极性表面活性增粘剂，易分散于液态CO₂和超临界CO₂；能够对CO₂明显增粘；悬砂能力强，动静态携砂能力优异。

其中，在本申请具体实施方式中，步骤五中可以采用高压管路试验(本领域常规技术手段)评价CO₂压裂液的增粘、降阻性能。

进一步地，在一实施例中，所述步骤六中，超低密度陶粒包括30/50目、40/70目及70/140目的陶粒。

进一步地，在一实施例中，所述步骤七中，计算得到CO₂相态变化规律，包括：根据包括储层温度、施工压力、施工排量、井筒容积在内的参数计算得到CO₂相态变化规律。其中，在本申请具体实施方式中，步骤七中可以采用FracproPT软件(本领域常规软件)计算得到CO₂相态变化规律。

进一步地，在一实施例中，所述步骤八中，设计制定压裂施工泵注程序，包括根据施工排量、液态CO₂用量、超低密度陶粒用量和CO₂增粘减阻剂用量，设计制定压裂施工泵注程序。

进一步地，在一实施例中，所述步骤八中，最终优化后压裂裂缝参数包括半缝长、缝高及缝宽、平均铺砂浓度、导流能力及无因次导流能力。

进一步地，在一实施例中，所述步骤八中，加砂模式包括段塞加砂模式或连续加砂模式。

其中，在本申请具体实施方式中，步骤八中可以应用GOHFER软件(本领域常规软件)按照所述压裂施工泵注程序模拟压裂施工曲线及裂缝剖面，以模拟最终优化后压裂裂缝参数结果，确定合适的前置液量及加砂模式。

其中，在本申请具体实施方式中，步骤九中可以应用ECLIPSE软件(本领域常规软件)模拟停泵关井后不同时间段内CO₂的扩散速率、扩散范围和饱和状态，完成对施工井进行关井CO₂扩散时间优化，以确定最优关井时间。

进一步地，在一实施例中，所述步骤十中，采用生产数据拟合分析软件评估超临界CO₂干法加砂压裂的压裂效果，包括：采用生产数据拟合分析软件对包括裂缝长期导流能力、动态导流能力、裂缝半长、裂缝复杂程度在内的参数进行分析。

其中，在本申请具体实施方式中，步骤十中可以采用生产数据拟合分析软件(本领域常规软件)评估超临界CO₂干法加砂压裂的压裂效果。

进一步地，在一实施例中，该超临界二氧化碳干法加砂压裂所用混砂装置为立式密闭混砂装置。其中，所用立式密闭混砂装置具有更好的容积性能，可以保证现场压裂施工砂量要求。

与国外FRAC MASTER等传统的老式卧式罐体设计方式相比较，本申请所用的立式储罐结构有以下特点：

1)预冷过程中瞬间，支撑剂与液态二氧化碳接触面积相对较小，气化平稳，便于控制；

2)罐体高度大，液位便于监控；

3)螺旋输送器长度短，驱动功率小；

4)相同的总容积时，可以获得更大的有效容积。在本发明具体实施方式中，所用立式罐体的密闭混砂装置的详细技术参数如下所示：

1)容积：30m³，有效容积：27m³；

2)最大吸入流量：8m³/min；

3)最大排出流量：8m³/min；

4)额定工作压力：2.5MPa；

5)最高工作压力：3MPa；

6)罐体额定工作温度：零下20摄氏度；

7)最低工作温度：零下30摄氏度。

且该装置配备有风送上砂装置、完善的检测仪表、阀门及自动控制系统，对设备的压力、温度实时监控和控制，保证施工安全，同时具有远程操作控制系统。

进一步地，在一实施例中，该方法还包括微地震监测，以便准确获取超临界CO₂干法加砂压裂的裂缝扩展情况。

本发明所提供的提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法采用超临界CO₂作为压裂液，可最大限度地发挥其对压裂储层无伤害的技术优势，避免储层受到强水敏、盐溶结晶等突出的储层地质伤害，通过提高施工规模增强压裂裂缝延伸与扩展性能同时增强裂缝产生的剪切破碎作用，达到深度沟通地质甜点和扩大超临界CO₂波及体积，从而提高改造效果；

在本发明中，所用压裂液为超临界CO₂，其液体特性在于：

1)在CO₂吸附置换特性研究中，超临界CO₂比甲烷等有更强的吸附性，可将吸附的甲烷等置换出来，从而有效动用吸附气；

2)在CO₂破岩能力研究中，超临界CO₂粘度和表面张力低，流动过程中动能损失小，冷压力传导效率高，在一定的排量条件下便可维持在中、远井地带破岩所需的冷压力，可实现远端大范围内的有效破岩；

3)在CO₂穿透性研究中，超临界CO₂分子之间作用力极弱，表面张力极低，流动性极强，有利于CO₂在地层中流动和扩散，且超临界状态的CO₂分子可以进入孔吼半径很小的孔隙和开度很小的弱面及天然裂缝，可在地层中实现大范围穿透，有效波及范围大；

4)在CO₂造缝能力研究中，超临界CO₂因具有类似气体强扩散渗透性、类似液体强溶解性、接近零的表面张力和超低的表观黏度等特性能，其比清水和滑溜水更易于进入纳米级孔隙和微米级裂缝中并传递压力，更能使岩石破裂并形成更长的裂缝；

5)在CO₂降破压能力研究中，超临界CO₂射流效应可改变岩石的微观结构，冲刷溶蚀填充孔隙空间内的粘土、有机质等，且形成的微酸性环境可以抑制黏土矿物膨胀，同时低温冷却效应也能降低岩石的破裂压力，表现出更低的井底破裂压力和裂缝延伸压力。

从原理上分析，在本发明中优选超临界CO₂作为压裂液，其原因在于：

超临界CO₂造缝形态更加复杂，其具有超强流动性，在一定程度上可以降低应力、物性的非均质性对于流动方向的导向作用，增加裂缝的复杂程度；

其分子易于进入微孔隙、天然裂缝和天然弱面，进一步可以增加裂缝系统的复杂程度；

其还具有超高净压力保留率，易克服岩石内聚力，形成复杂的剪切裂缝网络，形成深度剪切位移，依靠糙面支撑和岩屑支撑，即使在高闭合应力条件下依然可保持较高的导流能力。

从效果上分析，在本发明中优选超临界CO₂作为压裂液，其应用优势在于：

1)通过压裂泵车以较大排量注入地层，通过控制不同阶段CO₂相态变化，利用超临界CO₂极强的流动性和破岩能力，形成复杂的动态裂缝系统，大量产生的岩石碎屑和加入的支撑剂，起到支撑复杂裂缝的作用；

2)施工后放喷，超临界CO₂相态发生变化，进一步破坏储层岩石，进而为远端油气的流入提供一条具有较高渗透率的渗流通道，实现较小规模加砂达到高效增产的目的；

3)无水相、无残渣、易返排、超低表面张力、超低表观黏度、扩散溶解性能强、高活性置换吸附性能、破岩能力强、渗透距离远、造缝程度复杂、气化易返排、地层适应性强；

4)返排阶段，CO₂的相态变化在地层中释放膨胀能，增加地层压力，可起到蓄能气驱的效果；

5)对于吸附气比重大、解吸附压力低的页岩储层，CO₂气体分子可凭借更强的吸附能力将吸附气置换脱离吸附表面，实现吸附气的动用，保持气井长期的高产稳产；

6)波及范围大，且净压力传导率高，可有效改造井间区域，大幅度提高平台井控区域动用程度；

7)超临界CO₂干法压裂无需大量占用水，且无需处理返排液，环保效益和经济效益均优于水基压裂；

该方法还采用超低密陶粒作为压裂支撑剂，可以提高液态CO₂携砂能力，增加压裂裂缝支撑剂铺置浓度，以强化裂缝支撑，提高裂缝导流能力，以获得较稳定的油气渗流通道，实现油气井长期增产稳产效果；

本发明中所涉及的超低密度陶粒支撑剂主要有30/50目、40/70目、70/140目等几种不同规格。与常规支撑剂相比，此类超低密度支撑剂的表面光洁，可有效降低施工过程中对管柱、工具的摩阻，保证油管或地面设备最大程度上的不受伤害；基于良好的光滑度和球度，超低密度支撑剂运移到位后能够锁定于位置上，亦不会产生破碎、凹陷和碎屑，即便在变形状态下也可保持岩石裂缝张开；超低密度支撑剂对地层伤害小，可有效避免支撑剂在裂缝中沉降，其沉降速度比常规支撑剂低约30％-65％，全裂缝支撑且分布均匀，铺砂范围大，裂缝能保持长期良好的导流能力；支撑剂粒径不一样，可以更好的通过不同宽度裂缝运移到地层深处；超低密度支撑剂对于大规模压裂油气藏更适用，其有效支撑裂缝面积提高4-5倍以上；

以30/50目超低密度陶粒支撑剂为例，说明其基本性能参数：破碎率(52MPa)1.60％，筛析合格率96.0(≥90)％，圆度0.90(≥0.80)，球度0.90(≥0.80)，酸溶解度1.80(≤5)％，浊度15.0(≤100)FTU，体积密度0.80±0.15g/cm³，视密度1.10±0.15g/cm³。

该方法还采用液态CO₂增粘降阻材料，其可以大幅度降低沿程管路摩阻，提高液态CO₂携砂能力，降低地面施工压力风险，提高支撑剂在压裂裂缝中运移能力和铺置效果；

本发明所提供的提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法通过研发、优选更合适的增粘剂，提升超临界CO₂压裂液体系的流变性、携砂性、降阻性、降滤失性等性能；同时，该增粘剂还可以大幅度提高压裂液体系粘度；该方法还通过优选适合的超临界CO₂压裂所用支撑剂材料，进一步提高压裂施工的铺砂程度，增强裂缝导流能力；该方法还通过优选密闭混砂装置，提升其容积性能，满足现场压裂施工砂量要求；该方法还通过优化施工参数和注入方式等，在保证改造效果的同时，逐步提高砂比和CO₂利用率，以对该压裂工艺进行进一步优化、调整，尽可能避免地质伤害，建立深度沟通，扩大波及体积，强化裂缝支撑，提升超临界二氧化碳干法压裂改造效果。

因此，本发明所提供的该提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法可以实现平稳协调供液，均匀可控供砂，增粘液态二氧化碳，保障施工安全。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法具体工艺流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例以CDX-9井为例，提供一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法，其具体工艺流程图如图1所示，从图1中可以看出，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据施工井井身结构、固井质量、钻遇储层、测井数据所示井况条件，以及岩性矿物特征、储集物性特征、烃源及含油性特征，地应力及岩石力学的地质参数分析，完成施工井可压性评价；

该井完井层位潜四下，完钻井深为2800m，油层套管尺寸为139.7mm，钢级P110，抗内压、抗外挤100MPa，压裂目的井段1550-1600m，压裂目的井段固井质量好，压裂储层地层压力为21MPa，地层压力系数为1.32，地层温度为74℃；

压裂目的储层为灰褐色油浸云质页岩，有机质含量高，储层矿物以白云石和方解石为主，综合表现为脆性矿物含量高，储集空间以白云岩晶间孔、溶蚀孔、页理缝及微裂缝为主，属于低渗中孔储层；

最大水平地应力方向为北西西-南东东，预测压裂裂缝方向与最大水平地应力方向一致，储层杨氏模量偏低，脆性中等，具有形成复杂裂缝缝网的力学条件；

步骤二：根据目标储层非均质性特点，选择以工程有利条件为基础的压裂射孔位置，以深度沟通地质甜点为目标，优选井段声波高，密度低，又满足该井段中高电阻和中高GR特点的1577-1580m井段区间为压裂射孔井段，采用深穿透射孔，避开套管接箍；

步骤三：根据储层孔渗特性，优化射孔方式、相位角、射孔孔密、射孔孔径、射孔簇数、射孔穿深在内的射孔参数，并依照以上要求选择合适射孔枪型号；

具体而言，该井优选60°相位角、16孔/m、穿深大于1.0m的射孔方式进行射孔，综合考虑射孔效率和穿深效率，优选9.5-10mm射孔孔径，射孔厚度为3m，总孔数为48孔；

步骤四：采用Predict-K和GOHFER压裂软件，以提高CO₂压裂支撑裂缝导流能力为目标，模拟优化包含裂缝半缝长、施工排量、施工液量、施工砂量、前置液比例、CO₂压裂液粘度在内的关键技术参数；

该井超临界CO₂压裂工艺技术参数优化结果如下：

1)压裂裂缝参数：支撑剂铺置浓度为4-6Kg/m²；支撑裂缝导流能力为40-50D·cm；无因次导流能力为4-7；

2)压裂施工参数：裂缝半缝长为120-160m；液态CO₂用量为300-400m³；施工砂量为20-25Ton；施工排量为4-5m³/min；前置液比例为45-55％；液态CO₂粘度为5-10cp；

步骤五：采用高压管路试验评价增粘降阻效果，优化压裂液配方，以100％液态CO₂的总重量为100％计，所述压裂液配方包括1.0wt％的CO₂增粘减阻剂、1.0wt％的交联剂及100％液态CO₂，确定液态CO₂压裂液性能设计参数；

步骤六：根据前期超临界CO₂压裂支撑裂缝导流能力优化及压裂工艺技术参数研究结果，结合施工井储层闭合应力情况，优选出30/50目超低密度陶粒作为本次压裂用支撑剂；

步骤七：根据储层温度、施工压力、施工排量、井筒容积等参数，利用FracproPT软件计算得到CO₂相态变化规律，分析液态CO₂、超临界CO₂、气态CO₂相态转化时机，优化超临界CO₂干法加砂压裂的注入工艺和参数；

步骤八：根据预计施工排量、液态CO₂用量、超低密度陶粒用量和CO₂增粘减阻剂用量，设计制定压裂施工泵注程序，应用GOHFER软件按照设计施工泵注程序模拟压裂施工曲线及裂缝剖面，模拟最终优化后压裂裂缝参数结果(半缝长、逢高与缝宽、平均铺砂浓度、导流能力及无因次导流能力)，确定合适的前置液量、(段塞或连续)加砂模式；

最终确定该井施工排量为5m³/min，液态CO₂用量为400m³(前置液200m³+携砂液190m³+顶替液10m³)，30/50目超低密陶粒用量为20ton(最高砂比12％，平均砂比8％)，CO₂增粘减阻剂用量为4.00m³(加量1.0％)，采用连续加砂模式，控制施工排量稳定，保证施工压力平稳；

步骤九：应用ECLIPSE软件模拟该井停泵关井后0、12、24、72、120、168小时的CO₂的扩散速率、扩散范围和饱和状态，确定该井压裂施工结束后关井扩散时间应不低于5天，优化关井时间为6-7天；

步骤十：采用生产数据拟合分析软件评估超临界CO₂干法加砂压裂的压裂效果，包括对裂缝长期导流能力、动态导流能力、裂缝半长、裂缝复杂程度等参数进行分析，指导压裂工艺参数的调整和优化。

按照此井的压裂效果显示：超临界二氧化碳干法加砂压裂施工井的平均初始产油2.0t/d，平均返排率为54％。相对常规压压裂施工邻井，平均初始产油为1.1t/d，平均返排率为31％。因此，超临界二氧化碳干法加砂压裂施工井产量为常规井的1.8倍，返排率为常规井的1.7倍。此案例充分说明了超临界二氧化碳干法加砂压裂增产助排效果显著。

Claims (14)

1.一种提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法，其包括以下步骤：

步骤一：根据施工井的井况条件及该施工井所属储层的地质参数分析情况，进行施工井可压性评价；

步骤二：根据目标储层非均质性特点，以深度沟通地质甜点为目标，并结合钻井取芯录井、综合测井解释资料，选择储层油气显示及可压性好的井段作为射孔位置；

步骤三：根据目标储层孔渗特性确定射孔参数，并根据所确定的射孔参数选择合适的射孔枪型号；

步骤四：模拟优化超临界二氧化碳干法加砂压裂所涉及的关键技术参数；

步骤五：评价CO₂压裂液的增粘、降阻性能，优化CO₂压裂液配方；

步骤六：根据超临界CO₂压裂支撑裂缝导流能力优化过程，其结果及步骤四中得到的关键技术参数，并结合施工井储层闭合应力情况，选择超低密度陶粒支撑剂的类型和组合；

步骤七：计算得到CO₂相态变化规律，并分析液态CO₂、超临界CO₂、气态CO₂相态转化时机，进而确定超临界CO₂干法加砂压裂的注入工艺和参数；

步骤八：设计制定压裂施工泵注程序，并按照所述压裂施工泵注程序模拟压裂施工曲线及裂缝剖面，以模拟最终优化后压裂裂缝参数结果，确定合适的前置液量及加砂模式；

步骤九：模拟停泵关井后不同时间段内CO₂的扩散速率、扩散范围和饱和状态，完成对施工井进行关井CO₂扩散时间优化，以确定最优关井时间；

步骤十：评估超临界CO₂干法加砂压裂的压裂效果，以指导压裂工艺参数的调整和优化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，施工井的井况条件包括施工井井身结构、固井质量、钻遇储层、测井数据所示井况条件；

地质参数分析包括施工井所属储层岩性矿物特征、储集物性特征、烃源及含油性特征，地应力及岩石力学的地质参数分析。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，储层油气显示及可压性好的井段为有机碳含量高，GR曲线值低、电阻中高、密度低、声波时差高、脆性指数高、粘土含量低及固井质量好的井段。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述射孔参数包括射孔方式、相位角、射孔孔密、射孔孔径、射孔簇数及射孔穿深。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，超临界二氧化碳干法加砂压裂所涉及的关键技术参数包括裂缝半缝长、施工排量、施工液量、施工砂量、前置液比例及CO₂压裂液粘度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤五中，以100％液态CO₂的总重量为100％计，所述压裂液配方包括1.0-3.0wt％的CO₂增粘减阻剂、1.0-3.0wt％的交联剂及100％液态CO₂。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤六中，超低密度陶粒包括30/50目、40/70目及70/140目的陶粒。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤七中，计算得到CO₂相态变化规律，包括：根据包括储层温度、施工压力、施工排量、井筒容积在内的参数计算得到CO₂相态变化规律。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤八中，设计制定压裂施工泵注程序，包括根据施工排量、液态CO₂用量、超低密度陶粒用量和CO₂增粘减阻剂用量，设计制定压裂施工泵注程序。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤八中，最终优化后压裂裂缝参数包括半缝长、缝高及缝宽、平均铺砂浓度、导流能力及无因次导流能力。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤八中，加砂模式包括段塞加砂模式或连续加砂模式。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤十中，采用生产数据拟合分析软件评估超临界CO₂干法加砂压裂的压裂效果，包括：采用生产数据拟合分析软件对包括裂缝长期导流能力、动态导流能力、裂缝半长、裂缝复杂程度在内的参数进行分析。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该超临界二氧化碳干法加砂压裂所用混砂装置为立式密闭混砂装置。

14.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其特征在于，该提高超临界二氧化碳干法压裂效果的优化设计方法还包括微地震监测。

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