本文在系统分析和深入调研国内外研究现状基础上,综合应用表面化学、流变学、流体力学、线弹性断裂力学、传热学、微分方程、最优化理论、计算数学等方面的知识,在表面活性剂压裂液机理、压裂优化设计、压裂分析评估三个方面开展研究工作,取得了以下主要研究成果: ①用透射电镜和扫描电镜等多种实验手段,结合表面活性剂溶液的基础理论,通过对表面活性剂内外在宏观与微观关联性质的分析,研究并认清了表面活性剂压裂液的成胶机理和破胶机理。 ②论证了表面活性剂压裂液以弹性携砂为主的机理,并提出了用悬浮切力指标来表征表面活性剂压裂液携砂性能的方法。 ③研究了压裂设计模型和方法,包括裂缝三维延伸模型、支撑剂运移分布模型、温度场的数值模型、压裂参数优化设计方法等。其中,建立的裂缝三维延伸新模型考虑了地层的多层和非均质特征,能模拟任意多层地层厚度、地应力和岩石力学参数(如泊松比、弹性模量、断裂韧性)变化的影响,适用于各种应力分布模式以及裂缝穿层前后的延伸情况。 ④完善了压裂优化设计的思想,即从实际地层条件出发,以最佳的压裂效果为目标,通过不断自动调整各段压裂液体积、施工排量、地面加砂浓度、支撑剂类型等施工参数,设计出既能得到最佳压裂效果又不发生砂堵的最优施工方案。 ⑤根据压裂井的流动机制,综合考虑变流量退液过程、井筒储存、裂缝壁面污染和多种边界条件等因素,建立了压裂退液阶段的地层与裂缝系统渗流数学模型,提出了渗流数学模型的解法。其中,对变流量问题的解决方法既提高了计算结果的精确度,也使计算速度提高了1000倍以上,可满足实时计算和快速响应的解释要求。 ⑥提出了压裂退液反演参数的自动拟合法,即综合应用逐步线性最小二乘法和约束变尺度法的数值计算方法。 ⑦遵循以数据为中心、可视化操作为主体的原则,研制了压裂优化设计软件和压裂退液反演裂缝参数软件,具有功能强、操作方便、算法稳定可靠、运行速度快、界面友好,结果合理、商品化程度高等特点。应用软件进行了大量的文献对比、理论验证和实例分析,说明了软件的可靠性和适用性,表明软件能满足实际问题的需要。 ⑧研究的表面活性剂压裂液在水敏性较强、地层压力系数低的石南21井区(陆梁)、石南4井区、莫北区块现场应用38井次,应用情况表明,表面活性剂压裂液性能稳定,操作方便,携砂能力强,增产效果良好,对地层的保护作用表现显著,特别适合于低压低渗油气井使用。2003年三区块累计增油60917吨,创利润58635810元,投入产出比