006-水力压裂

1、第六章第六章 水力压裂技术水力压裂技术 水力压裂水力压裂(hydraulic fracturing) 一种油气井增产、注水井增注的重要技术措施一种油气井增产、注水井增注的重要技术措施 依靠水力能量憋压，将地层压开一条或多条水依靠水力能量憋压，将地层压开一条或多条水 平或垂直裂缝，然后用支撑剂平或垂直裂缝，然后用支撑剂( (砾石砾石) )支撑裂缝，支撑裂缝， 形成高导流能力通道，达到增产增注目的形成高导流能力通道，达到增产增注目的 采油工程原理与设计采油工程原理与设计 1 憋压：憋压：使用高压泵组，将高粘使用高压泵组，将高粘 携砂液，以远高于地层吸收能携砂液，以远高于地层吸收能 力的排量泵入地层

2、力的排量泵入地层 2 造缝造缝(fracture initiation)当压当压 力高于地层抗张强度后，裂缝力高于地层抗张强度后，裂缝 张开张开 3 加砂：加砂：裂缝张开，在携砂液中裂缝张开，在携砂液中 加入砾石支撑剂，进入裂缝加入砾石支撑剂，进入裂缝 4 裂缝扩展裂缝扩展(Fracture extension) 继续泵注砂浆，裂缝延伸扩展继续泵注砂浆，裂缝延伸扩展 并被支撑剂充填并被支撑剂充填 5 裂缝闭合裂缝闭合(Fracture close)停停 泵卸压，裂缝闭合在支撑剂上，泵卸压，裂缝闭合在支撑剂上， 形成高导流填砂裂缝形成高导流填砂裂缝 6 下泵投产下泵投产 (Put into pr

3、oduction) 水力压裂技术水力压裂技术 n 改变渗流状态：改变渗流状态：径向流径向流 双线性流双线性流 地层向井筒的径向节流变为向裂缝壁面的近似单向流动，地层向井筒的径向节流变为向裂缝壁面的近似单向流动， 渗流面积增大，降低能量消耗渗流面积增大，降低能量消耗 n 高导流能力的填砂裂缝高导流能力的填砂裂缝 降低流体渗流阻力，高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小降低流体渗流阻力，高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小 水力压裂技术水力压裂技术 n 造缝造缝(Fracture Initiation)机理机理 应力状况、裂缝形成条件应力状况、裂缝形成条件 n 压裂液压裂液(Frac fluid) 类型、滤

4、失性、流变性类型、滤失性、流变性 n 支撑剂支撑剂(Proppant) 性能要求、类型、在裂缝的分性能要求、类型、在裂缝的分 布特性、选择布特性、选择 n 压裂设计压裂设计 裂缝参数计算、压裂效果评价裂缝参数计算、压裂效果评价 水力压裂技术水力压裂技术 n裂缝裂缝形成条件形成条件、形态形态( (垂直或水平垂直或水平) )、方位方位等等 对增产增注效果有较大影响对增产增注效果有较大影响 确定合理井网、设计裂缝几何参数、提高开采速度确定合理井网、设计裂缝几何参数、提高开采速度 和最终采收率、防止过早水窜和最终采收率、防止过早水窜 n造缝条件、裂缝形态方位取决于井底附近的造缝条件、裂缝形态方位取决于

5、井底附近的应应 力分布力分布、岩石力学性质岩石力学性质、压裂液的滤失性压裂液的滤失性、注注 入方式入方式等等 破裂压力破裂压力PF 延伸压力延伸压力PE 地层压力地层压力PS n井底压力井底压力高于高于地层破裂压力地层破裂压力P PF F后，地层破裂裂缝后，地层破裂裂缝 张开，然后在较低的张开，然后在较低的裂缝延伸压力裂缝延伸压力P PE E下，裂缝向下，裂缝向 前扩展，等泵卸压后，压力恢复到前扩展，等泵卸压后，压力恢复到地层压力地层压力P PS S n对于对于微裂缝发育或高渗透性地层微裂缝发育或高渗透性地层，压裂过程中无，压裂过程中无 明显的岩石破裂现象明显的岩石破裂现象 第一节第一节 造缝

6、机理造缝机理 原始地应力：直角坐标原始地应力：直角坐标 u 垂向垂向主应力主应力z u 最小水平主应力最小水平主应力y u 最大水平主应力最大水平主应力x x y z 第一节第一节 造缝机理造缝机理 h n对于特定的区域，原地主应力仅随地对于特定的区域，原地主应力仅随地 层深度而改变层深度而改变 n对于给定地层深度对于给定地层深度h h，特定区域内的原，特定区域内的原 地主应力可视为常数地主应力可视为常数 n给定深度，可计算主应力值，作为岩给定深度，可计算主应力值，作为岩 石力学计算的基础数据石力学计算的基础数据 钻孔后地层应力：井为柱坐标纵轴钻孔后地层应力：井为柱坐标纵轴 l垂向主应力垂向主

7、应力(Vertical stress) l径向应力径向应力(Radial stress) l切切/周向应力周向应力(Tangential stress) 第一节第一节 造缝机理造缝机理 地层钻孔后，造成地地层钻孔后，造成地 层应力集中，改变了层应力集中，改变了 地层应力分布状况，地层应力分布状况， 地层应力不能再简单地层应力不能再简单 地用三个主应力表示地用三个主应力表示 n原始地层应力：原始地层应力：垂向应力垂向应力z、最大水平主应力、最大水平主应力x (hmax ) 最小水平主应力最小水平主应力y (hmin ) n原始地层应力经过原始地层应力经过简单计算简单计算便可得到，作为其它应力计便

8、可得到，作为其它应力计 算的基础数据算的基础数据 n钻井后柱坐标下各应力与钻井后柱坐标下各应力与原始地层主应力原始地层主应力的关系的关系 ),( ),( ),( zyx zyxr zyxv rh rg rf 原始地原始地 层应力层应力 第一节第一节 造缝机理造缝机理 柱坐标柱坐标:垂向垂向 径向、切向径向、切向 1 垂向主应力垂向主应力z n垂向应力由上覆岩层重力引起垂向应力由上覆岩层重力引起 n随深度和岩石密度发生变化随深度和岩石密度发生变化 有效垂向主应力有效垂向主应力 u等于原始垂直主应力减去孔隙压力等于原始垂直主应力减去孔隙压力 u孔隙压力：孔隙压力：油藏压力或流体压力油藏压力或流体压

9、力 n iriZ H SZ SZ Hg dzgz gH 0 0 )( A. 密度取平均值或常数密度取平均值或常数 B. 密度为深度密度为深度(z)的函数的函数 C. 密度分段取平均值密度分段取平均值 密度测井资料密度测井资料 第一节第一节 造缝机理造缝机理 2 最大、最小水平主应力最大、最小水平主应力x y n 两向不等应力模型两向不等应力模型 ( (x y) ) n 单轴应变模型：单轴应变模型：x= y = f (z , , , E, Pr ) r rz y r rz x P EPE P EPE 11 )(2 12 1 11 )(2 12 1 21 21 rrzy rrzx PPB PPA

10、)( 1 )( 1 E E 岩石弹性模量，岩石弹性模量，MPaMPa 岩石泊松比，无量纲岩石泊松比，无量纲 Biot Biot常数常数 P Pr r 孔隙压力，孔隙压力，MPa AMPa A、B B、 1 1、 2 2 应力构造系数应力构造系数 第一节第一节 造缝机理造缝机理 钻孔后地应力分布计算钻孔后地应力分布计算 原地应力原地应力 物理模型物理模型 地层应力分布地层应力分布 2cos)(2 2cos 3 1 2 1 2 2 2cos 43 1 2 1 2 2 2 2 2 2 4 4 2 2 2 2 2 2 4 4 2 2 r r P P r r r r r rP P r r r r r r

11、 r rP w hHovz wf wwhHwohH wf wwwhHwohH r wfo we ew hHvz wfo we ew whHwhH wf w wfo we ew wwhHwhH wf w r PP rr rr r r PP rr rr r r r r r r P r r PP rr rr r r r r r r r r P r r )/ln( )/ln(2 )1 (2 21 2cos)(2 )/ln( )/ln( )1 (2 21 2cos 3 1 2 1 2 )/ln( )/ln( )1 (2 21 2cos 43 1 2 1 2 2 2 2 4 4 2 2 2 2 2 2 2

12、 2 4 4 2 2 2 2 r r hk q PP P r r AP Ar hk q P r r AP Ar hk q p o rzpz p rzr o p rzr o r ln 12 124 21 2 ln )1 (2 124 21 2 ln )1 (2 2 2 1 2 2 1 rvbepz rh r r epep rh r r epepr PtrP G A PrP G rdrrP G G r BG r AG PrP rdrrP G G r BG r AG p p ),( 2 )( 2 )( 2 21 2 1 )( )()( )( 2 21 2 1 )( 22 22 井壁应力分布井壁应力分

13、布 r=rr=rw w 最大、最小最大、最小 井壁应力分布井壁应力分布 求极值求极值 第一节第一节 造缝机理造缝机理 井壁应力分布计算井壁应力分布计算 三维问题按二维处理：三维问题按二维处理：无限大平板中圆孔无限大平板中圆孔 2cos 3 1 2 1 2 4 4 2 2 r r r r w yx w yx 切向切向/ /周向应力分布：周向应力分布： (1)x y导致导致与与有关有关 (3) 随着随着 r r 增加，切向应力增加，切向应力 减小，井壁应力集中减小，井壁应力集中 地层破裂压力大于裂缝延伸压力的原因之一地层破裂压力大于裂缝延伸压力的原因之一 yx xyw rr 3 3 270,90m

14、ax 180,0min ：(2) 第一节第一节 造缝机理造缝机理 压裂过程中井壁应力压裂过程中井壁应力 A A 井眼内压井眼内压Pi引起的切向应力引起的切向应力 222 22 22 22 1 we weir we wier rrr rrPP rr rPrP 当当r re e=、P Pr r=0=0及及r=rr=rw w时，井眼内压引起的时，井眼内压引起的 井壁上的周向应力为：井壁上的周向应力为： i P 1 由于井筒内压而导致的周向应力与内压由于井筒内压而导致的周向应力与内压大大 小相等，方向相反小相等，方向相反 第一节第一节 造缝机理造缝机理 压裂过程中井壁应力压裂过程中井壁应力 B B 由

15、于压裂液渗入井筒周围地层引起地层中由于压裂液渗入井筒周围地层引起地层中 的周向应力增加：的周向应力增加： 1 21 2ri PP C C 井壁最小周向应力：等于井壁最小周向应力：等于原井壁最小应力原井壁最小应力、 井筒内压井筒内压及及液体渗滤液体渗滤引起的周向应力之和引起的周向应力之和 1 21 3 21minmin riixy PPP 第一节第一节 造缝机理造缝机理 二、垂直裂缝形成条件二、垂直裂缝形成条件 条件：条件：当井壁上的当井壁上的有效切向应力有效切向应力达到井壁岩石水平方达到井壁岩石水平方 向上的向上的抗拉强度抗拉强度时，岩石形成垂直裂缝。裂缝时，岩石形成垂直裂缝。裂缝 与切向应力

16、方向垂直与切向应力方向垂直 h t rzzryyrxx PPP, 井壁有效切向应力：井壁有效切向应力： 井壁最小切向应力：井壁最小切向应力： 原始地层有效应力：原始地层有效应力： r P 1 21 3 minriixy PPP 1 21 2 3 h txy rwf PP垂直裂缝垂直裂缝 形成条件形成条件 第一节第一节 造缝机理造缝机理 二、垂直裂缝形成条件二、垂直裂缝形成条件 第一节第一节 造缝机理造缝机理 被压被压 施加施加P， 压力减小压力减小 P增加，增加，压力继续减小压力继续减小 P P继续增加，由受压变为受拉继续增加，由受压变为受拉 P继续增加，拉力突破抗张强继续增加，拉力突破抗张强

17、 度后，破裂度后，破裂 垂直裂缝形成条件垂直裂缝形成条件 1 21 2 3 h txy rF PP 当裂缝刚刚张开时，此时井筒内的压力即为当裂缝刚刚张开时，此时井筒内的压力即为地层破地层破 裂压力裂压力PF 。将。将Pwf换为换为PF，得到得到 n拉应力作用使裂缝张开，拉应力为拉应力作用使裂缝张开，拉应力为 负，压应力为正；负，压应力为正；最小周向应力即最小周向应力即 为最大拉应力为最大拉应力 n最小周向应力发生在最小周向应力发生在0、180方向方向 上，所以垂直裂缝也发生在这两个上，所以垂直裂缝也发生在这两个 位置位置 n垂直裂缝是以井轴为对称的两条缝垂直裂缝是以井轴为对称的两条缝 第一节第

18、一节 造缝机理造缝机理 三、水平裂缝形成条件三、水平裂缝形成条件 条件：条件：当井壁上当井壁上有效垂向应力有效垂向应力达到岩石达到岩石垂垂 向抗张强度向抗张强度时，岩石形成时，岩石形成水平水平裂缝裂缝 z tzt 压裂液渗滤使得垂压裂液渗滤使得垂 向应力的增加量向应力的增加量： 井壁总垂向应力：井壁总垂向应力： 井壁有效垂向应力：井壁有效垂向应力： 总有效垂向应力：总有效垂向应力： rzzwfztzt PP， 1 21 rizzzzt PP 1 21 riz PP 1 21 1 rwfzZt PP 第一节第一节 造缝机理造缝机理 水平水平裂缝形成条件裂缝形成条件 1 21 1 z tz rwf

19、 PP水平裂缝形成条件水平裂缝形成条件 当裂缝刚刚张开时，此时井筒内的压力即为地层破裂压力。当裂缝刚刚张开时，此时井筒内的压力即为地层破裂压力。 将将Pwf换为换为PF，得到：，得到： 1 21 1 z tz rF PP 实验实验 修正修正 1 21 94. 1 z tz rF PP 第一节第一节 造缝机理造缝机理 u用来计算地层破裂压力用来计算地层破裂压力 和形成的裂缝形态和形成的裂缝形态 u两者比较较小值为实际两者比较较小值为实际 的破裂压力的破裂压力 u裂缝形成条件即指所需裂缝形成条件即指所需 要的井内压力要的井内压力 四、地层破裂压力梯度四、地层破裂压力梯度 概念：概念：地层破裂压力与

20、地层深度的比值地层破裂压力与地层深度的比值 获得获得 1. 根据裂缝形成条件公式理论计算根据裂缝形成条件公式理论计算 途径途径 2. 根据大量压裂施工资料统计根据大量压裂施工资料统计 用途：用途：根据破裂压力梯度估计裂缝形态根据破裂压力梯度估计裂缝形态 f 小于小于 ( 15 18 ) 垂直裂缝垂直裂缝 f 大于大于 ( 22 25 ) 水平水平裂缝裂缝 数值：数值：f = ( 15 18 ) ( 22 25 ) u形成裂缝：除了要克服岩石抗拉强度外，还要克服原始形成裂缝：除了要克服岩石抗拉强度外，还要克服原始 地层的垂向地层的垂向/水平压应力水平压应力 u浅地层垂向应力通常小于水平应力，易形

21、成水平裂缝浅地层垂向应力通常小于水平应力，易形成水平裂缝 u深地层原始水平压应力较小，易产生垂直裂缝深地层原始水平压应力较小，易产生垂直裂缝 kPa/m Pa/m 第一节第一节 造缝机理造缝机理 小结小结 n基本概念：基本概念：水力压裂、原始地层应力、有效应力水力压裂、原始地层应力、有效应力 破裂压力、破裂压力梯度破裂压力、破裂压力梯度 n掌握掌握: 水力压裂水力压裂概念、施工过程、增产增注机理概念、施工过程、增产增注机理 n掌握掌握: 根据根据典型压裂曲线典型压裂曲线读取各种压力，分析施读取各种压力，分析施 工过程工过程 n理解：地层钻孔后的应力表达方式，及其与原始理解：地层钻孔后的应力表达

22、方式，及其与原始 应力的关系应力的关系 n掌握：地层原始掌握：地层原始垂向主应力垂向主应力的计算方法的计算方法 n掌握：破裂压力梯度掌握：破裂压力梯度的的概念、数值范围及用途概念、数值范围及用途 n掌握：初步判断掌握：初步判断地层裂缝方位地层裂缝方位的方法和规律的方法和规律 第一节第一节 造缝机理造缝机理 第二节第二节 压裂液压裂液(Frac fluid) 压裂液：压裂液：压裂过程中全部入井液的总称压裂过程中全部入井液的总称 影响到压裂施工的各个环节，根据在不同施工阶影响到压裂施工的各个环节，根据在不同施工阶 段的任务可分为三种：段的任务可分为三种： 前置液：前置液：用来破裂地层并造成一定尺寸

23、的裂缝，降温用来破裂地层并造成一定尺寸的裂缝，降温 地层。有时加入细砂以堵塞地层微孔隙，减地层。有时加入细砂以堵塞地层微孔隙，减 少携砂液的滤失少携砂液的滤失 携砂液：携砂液：将支撑剂携带入裂缝并充填于预定位置。用将支撑剂携带入裂缝并充填于预定位置。用 量最多，通常使用高粘度的交联液体，提高量最多，通常使用高粘度的交联液体，提高 携带高浓度砾石的能力携带高浓度砾石的能力 顶替液：顶替液：将全部的携砂液顶替入裂缝，防止井筒沉砂将全部的携砂液顶替入裂缝，防止井筒沉砂 Pad fluid Carrier fluid Displacement 压裂液的性能要求压裂液的性能要求 u滤失少滤失少 造长、宽

24、缝的重要条件，取决于粘度与造壁性造长、宽缝的重要条件，取决于粘度与造壁性( (防滤失剂防滤失剂) ) u悬砂能力强悬砂能力强 有利于支撑剂沉降在预计位置，取决于粘度有利于支撑剂沉降在预计位置，取决于粘度 u摩阻低摩阻低 以提高造缝的有效功率。摩阻过高会使井口施工压力过高以提高造缝的有效功率。摩阻过高会使井口施工压力过高 u稳定性稳定性 应具备粘度的热稳定性和抗机械剪切的稳定性应具备粘度的热稳定性和抗机械剪切的稳定性 u配伍性配伍性 不与岩石和流体发生不利的物理不与岩石和流体发生不利的物理- -化学反应，产生堵塞化学反应，产生堵塞 u低残渣低残渣 以避免降低地层和填砂裂缝的渗透率以避免降低地层和

25、填砂裂缝的渗透率 u易返排易返排 施工结束后大部分携砂液应能返排出井外，以减少损害施工结束后大部分携砂液应能返排出井外，以减少损害 u货源广、便于配置、价格便宜货源广、便于配置、价格便宜 第二节第二节 压裂液压裂液 一、压裂液类型一、压裂液类型( (水基、油基、泡沫水基、油基、泡沫) ) n 水基压裂液水基压裂液 水溶胀性聚合物经交链剂交链后形成冻胶。施工结束后，水溶胀性聚合物经交链剂交链后形成冻胶。施工结束后， 加入破胶剂破胶。不适于水敏性地层加入破胶剂破胶。不适于水敏性地层( (粘土膨胀粘土膨胀) ) 粘度高、摩阻低、悬砂能力好，矿场主要应用粘度高、摩阻低、悬砂能力好，矿场主要应用 n 油

26、基压裂液油基压裂液 多用稠化油，遇地层水后自动破胶，无需破胶剂多用稠化油，遇地层水后自动破胶，无需破胶剂 缺点：价格昂贵、施工困难和易燃，应用受到限制缺点：价格昂贵、施工困难和易燃，应用受到限制 n 泡沫压裂液：泡沫压裂液：新型压裂液新型压裂液 u基液基液：淡水、盐水、聚合物水溶液淡水、盐水、聚合物水溶液 u气相气相：二氧化碳、氮气、天然气二氧化碳、氮气、天然气 u发泡剂发泡剂：非离子型活性剂非离子型活性剂 u优点优点：易于返排、滤失少、摩阻低易于返排、滤失少、摩阻低 u缺点缺点：砂比不能过高、井深不能过大砂比不能过高、井深不能过大( (高温高温) ) 第二节第二节 压裂液压裂液 二、压裂液的

27、滤失性二、压裂液的滤失性(Filtration) 概念：概念：压裂施工过程中，井筒和裂缝中的压力远高于地层压压裂施工过程中，井筒和裂缝中的压力远高于地层压 力，携砂液在压差作用下会通过裂缝表面向地层滤失力，携砂液在压差作用下会通过裂缝表面向地层滤失 影响因素：影响因素：压裂液粘度、压差、地层渗透率压裂液粘度、压差、地层渗透率等等 研究目的：研究目的：计算计算综合滤失系数综合滤失系数和压裂过程中的和压裂过程中的滤失速度滤失速度 压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液滤失到地层受三种机理控制： u 压裂液粘度压裂液粘度(Viscosity) u 地层岩石和流体的压缩性地层岩石和流体的压缩性(Com

28、pressibility) u 压裂液的造壁性压裂液的造壁性(Cake building capacity ) 第二节第二节 压裂液压裂液 二、压裂液的滤失性二、压裂液的滤失性 1 受压裂液粘度控制的滤失系数受压裂液粘度控制的滤失系数CI 当当压裂液粘度大大超过油藏流体粘度压裂液粘度大大超过油藏流体粘度时，压裂液的时，压裂液的 滤失速度主要取决于压裂液的粘度：滤失速度主要取决于压裂液的粘度： 2/1 3 104 . 5 f PK C t C v 滤失速度滤失速度 滤失系数滤失系数C CI I u 滤失性与滤失性与渗透率、孔隙度、压差、粘度渗透率、孔隙度、压差、粘度有关有关 u 滤失系数为常数，

29、滤失系数为常数，滤失速度随时间而变小滤失速度随时间而变小(函数函数) 第二节第二节 压裂液压裂液 二、压裂液的滤失性二、压裂液的滤失性 2 受岩石和流体压缩性控制的滤失系数受岩石和流体压缩性控制的滤失系数CII 当当压裂液粘度接近于油藏流体粘度压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液时，控制压裂液 滤失的是滤失的是储层岩石和流体的压缩性储层岩石和流体的压缩性。储层岩石和流。储层岩石和流 体受到压缩，提供压裂液滤失的空间体受到压缩，提供压裂液滤失的空间 2/1 3 103 . 4 f f KC PC P P实际计算时取：实际计算时取：裂缝延伸压力与油藏裂缝延伸压力与油藏 压力的差值压力的差值

30、Cf -Cf -油藏综合压缩油藏综合压缩 系数，系数，(kPa)(kPa)-1 -1 第二节第二节 压裂液压裂液 二、压裂液的滤失性二、压裂液的滤失性 3 受压裂液的受压裂液的造壁性造壁性控制的滤失系数控制的滤失系数CIII 降低压裂液的滤失有利于水力压裂施工，通常在降低压裂液的滤失有利于水力压裂施工，通常在 压裂液中添加固相颗粒和防滤失剂降低滤失压裂液中添加固相颗粒和防滤失剂降低滤失 滤饼：滤饼：含有固相颗粒或防滤失剂时，施工过程中含有固相颗粒或防滤失剂时，施工过程中 会在裂缝表面形成会在裂缝表面形成滤饼滤饼，有效降低滤失速度，有效降低滤失速度 滤饼存在时的滤失速度受滤饼存在时的滤失速度受造

31、壁性造壁性控制控制 第二节第二节 压裂液压裂液 二、压裂液的滤失性二、压裂液的滤失性 3 受压裂液的造壁性控制的滤失系数受压裂液的造壁性控制的滤失系数CIII 受造壁性控制的滤失系数通过室内试验受造壁性控制的滤失系数通过室内试验 tmVV SP 滤失量与时间的关系：滤失量与时间的关系： 初滤失量：初滤失量：形成形成 泥饼前的滤失量泥饼前的滤失量 第二节第二节 压裂液压裂液 二、压裂液的滤失性二、压裂液的滤失性 tmVV SP 除除以断面积以断面积A，对，对t求导，得到滤失速度求导，得到滤失速度 tA m v 005. 0 t C A m C 005. 0 则试验压差下造壁液体的滤失系数为则试验

32、压差下造壁液体的滤失系数为令令 实验压差与实际施工过程中裂缝内外压力差不一致，实验压差与实际施工过程中裂缝内外压力差不一致， 则应进行修正：则应进行修正： 2/1 P P CC f 第二节第二节 压裂液压裂液 3 受压裂液的造壁性控制的滤失系数受压裂液的造壁性控制的滤失系数CIII 二、压裂液的滤失性二、压裂液的滤失性 4 综合滤失系数综合滤失系数C 实际压裂过程中，压裂液的滤失同时受三种机理控制，实际压裂过程中，压裂液的滤失同时受三种机理控制， 综合滤失系数为：综合滤失系数为： CCCC 1111 22222 4 2 CCCCCCC CCC C 另一种表达方法：另一种表达方法： 综合滤失系数

33、：综合滤失系数： 压裂设计中的重要参数压裂设计中的重要参数 评价压裂液性能的重要指标评价压裂液性能的重要指标 数量级：数量级：min/10 4 m 第二节第二节 压裂液压裂液 三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性 压裂液：压裂液：添加高分子油基、水基压裂液，具有添加高分子油基、水基压裂液，具有非牛顿非牛顿性质性质 流变性：流变性：本构方程或本构方程或剪切应力剪切应力与与剪切速率剪切速率的关系方程的关系方程 ( (一一) )各类流体的流变曲线各类流体的流变曲线 1. 1. 牛顿型压裂液牛顿型压裂液 剪切应力剪切应力 与与剪切速率剪切速率DD成正比关系：成正比关系： D u比例常数比例常数 为粘度

34、，不随剪切速率而变化。为粘度，不随剪切速率而变化。 u牛顿型压裂液：牛顿型压裂液：未经稠化的水、油未经稠化的水、油 第二节第二节 压裂液压裂液 三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性 ( (一一) )各类流体的流变曲线各类流体的流变曲线 2. 2. 假塑型压裂液假塑型压裂液( (幂律流体幂律流体) ) n DK u 随随剪切速率剪切速率D增加，流体结构破坏，视粘度降低增加，流体结构破坏，视粘度降低 u n、K为常数，视粘度为常数，视粘度 a a随随剪切速率剪切速率DD变化变化 u n n、K K用实验确定，方程取对数后线性回归用实验确定，方程取对数后线性回归 KK稠度系数，稠度系数，mPa.sm

35、Pa.sn n nn流态指数，流态指数，n1n1n1 D y n y DK n DK n1 第二节第二节 压裂液压裂液 三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性 ( (一一) )各类流体的流变曲线各类流体的流变曲线 牛顿型牛顿型(n=1) 假塑性假塑性(幂律，幂律，n1) 屈服假塑型屈服假塑型(n1) 宾汉型宾汉型(屈服屈服,n=1) 第二节第二节 压裂液压裂液 n y DK 三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性 ( (二二) )幂律流体的视粘度计算幂律流体的视粘度计算 n 多数压裂液属于多数压裂液属于幂律流体幂律流体类型类型 n 流动过程：流动过程：地面管线、井筒、射孔孔眼、裂缝地面管线、井筒、

36、射孔孔眼、裂缝 管流管流 1. . 管流情况管流情况 本构方程本构方程 nn n n n d v KDK 4 138 vv平均流速，平均流速，m/sm/s dd管内径，管内径，mm KK稠度系数，稠度系数，Pa.sPa.sn n nn流态指数，无量纲流态指数，无量纲 视粘度，视粘度，Pa.sPa.s 管壁剪切应力，管壁剪切应力，PaPa 缝流缝流 1 8 4 13 nn w d v n n K 视粘度视粘度 1 , n DKD 第二节第二节 压裂液压裂液 三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性 ( (二二) )幂律流体的视粘度计算幂律流体的视粘度计算 2. . 缝流情况缝流情况 幂律流体在裂缝中

37、流动的本构方程：幂律流体在裂缝中流动的本构方程： nn w w v n n K 6 3 12 1nn f w v6 n3 1n2 K 在裂缝中任意断面上压裂液的粘度：在裂缝中任意断面上压裂液的粘度： ww缝宽，缝宽，mm KK稠度系数，稠度系数，Pa.sPa.sn n nn流态指数，无量纲流态指数，无量纲 f f视粘度，视粘度，Pa.sPa.s w w缝壁剪切应力，缝壁剪切应力，PaPa 第二节第二节 压裂液压裂液 三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性 ( (三三) )摩阻压降计算摩阻压降计算( (油管、射孔孔眼、裂缝油管、射孔孔眼、裂缝) ) 1. .油管内的摩阻油管内的摩阻(Frictio

38、n) 圆管流动：广义雷诺数及层流摩阻压降圆管流动：广义雷诺数及层流摩阻压降 油套环空流动：雷诺数及层流压降油套环空流动：雷诺数及层流压降 3134 2 Re 647. 1333. 0 7 .1647 3 .547 n n pn f n p n n d qLK P dK q N ， 222 2 Re 2471 3 .820 )( n tc n tcan n n an ddddK q N 21 741. 2333. 0 n tc n tc n an n f dddd qLK P 第二节第二节 压裂液压裂液 三、压裂液的流变性三、压裂液的流变性 ( (三三) )摩阻压降计算摩阻压降计算( (油管、射

39、孔孔眼、裂缝油管、射孔孔眼、裂缝) ) 2.射孔孔眼内的摩阻压降射孔孔眼内的摩阻压降 3.裂缝内的摩阻压降裂缝内的摩阻压降 4 0 2 0 d qB P perf f 12 85.80167. 0 3 12 n f fn fff n f n f H q WKLP n n KK 第二节第二节 压裂液压裂液 第三节第三节 支撑剂支撑剂(Proppant) n水力压裂的目标：水力压裂的目标：形成高导流能力的填砂裂缝形成高导流能力的填砂裂缝 支撑剂的类型及粒径支撑剂的类型及粒径对达到这一目标至关重要对达到这一目标至关重要 n裂缝导流能力裂缝导流能力(Conductivity) 油层条件下填砂裂缝的油层

40、条件下填砂裂缝的渗透率渗透率与与裂缝宽度裂缝宽度的乘积的乘积 支撑剂性能支撑剂性能 一、支撑剂的性能要求一、支撑剂的性能要求 n粒径均匀，密度小粒径均匀，密度小 不均匀砂易使细砂侵入，降低渗透性；密度小便于携带不均匀砂易使细砂侵入，降低渗透性；密度小便于携带 n强度大，破碎率小强度大，破碎率小 石英砂强度石英砂强度21.035.0MPa，陶粒，陶粒105.0MPa 支撑剂承重，强度大或小会嵌入地层或破碎。视具体情支撑剂承重，强度大或小会嵌入地层或破碎。视具体情 况，对强度和破碎率有一定要求况，对强度和破碎率有一定要求 n圆球度高圆球度高 圆度：棱角的相对锐度；球度：砂粒与球形相近程度圆度：棱角

41、的相对锐度；球度：砂粒与球形相近程度 圆球度不好时，裂缝渗透性差且易破碎圆球度不好时，裂缝渗透性差且易破碎 n杂质含量少杂质含量少 杂质会降低裂缝导流能力，一般用水洗、酸洗消除杂质杂质会降低裂缝导流能力，一般用水洗、酸洗消除杂质 n来源广，价格便宜来源广，价格便宜 第三节第三节 支撑剂支撑剂 二、支撑剂类型二、支撑剂类型 按照力学性质分按照力学性质分 n 脆性支撑剂脆性支撑剂( (石英砂、玻璃球石英砂、玻璃球) ) 硬度大、变形小，高闭合压力下容易破碎硬度大、变形小，高闭合压力下容易破碎 n 韧性支撑剂韧性支撑剂( (核桃壳、铝球核桃壳、铝球) ) 变形大，承压面积随之增大，不易破碎变形大，承

42、压面积随之增大，不易破碎 目前矿场上使用三种：目前矿场上使用三种： n 天然石英砂天然石英砂( (砾石砾石, ,Gravel) ) n 人造陶粒人造陶粒(Haydite) n 树脂涂敷树脂涂敷( (Resin-coated) )支撑剂支撑剂 第三节第三节 支撑剂支撑剂 二、支撑剂类型二、支撑剂类型 1 天然砂天然砂(石英砂石英砂) n主要矿物成分是粗晶石英主要矿物成分是粗晶石英 n适用于适用于浅层或中深层浅层或中深层(1500m)的压裂，成功率很高的压裂，成功率很高 2 人造陶粒人造陶粒(Haydite) n烧结铝矾土，成份：氧化铝、硅酸盐和铁烧结铝矾土，成份：氧化铝、硅酸盐和铁-钛氧化物钛氧

43、化物 n强度及渗透率高，强度及渗透率高，用于深井用于深井 n密度高，对压裂液性能的要求很高密度高，对压裂液性能的要求很高 3 树脂涂敷支撑剂树脂涂敷支撑剂树脂包裹树脂包裹(Resin-Coated)砂粒砂粒 n粒间接触面积增加，提高抗闭合能力粒间接触面积增加，提高抗闭合能力 n树脂薄膜粘结细小砂粒，提高导流能力树脂薄膜粘结细小砂粒，提高导流能力 n体积密度小，便于携带和铺砂体积密度小，便于携带和铺砂 第三节第三节 支撑剂支撑剂 二、支撑剂在裂缝中的分布二、支撑剂在裂缝中的分布 n 决定填砂裂缝的决定填砂裂缝的导流能力导流能力和和增产效果增产效果 n 要求：靠近井筒处的导流能力应该最大而在缝端最

44、小要求：靠近井筒处的导流能力应该最大而在缝端最小 n 分布规律取决于分布规律取决于裂缝形态裂缝形态和和携砂液性能携砂液性能 (一一) 全悬浮型支撑剂的分布全悬浮型支撑剂的分布 全悬浮压裂液：全悬浮压裂液：高粘压裂液，粘度足以将支撑剂完全悬浮，高粘压裂液，粘度足以将支撑剂完全悬浮， 在整个压裂过程中无沉降在整个压裂过程中无沉降 裂缝内砂比：裂缝内砂比： 又称裂缝内的砂浓度又称裂缝内的砂浓度(质量浓度质量浓度)，单位体积，单位体积 裂缝内所含支撑剂的质量裂缝内所含支撑剂的质量，kg/mkg/m3 3 铺砂浓度：铺砂浓度： 即裂缝闭合后的即裂缝闭合后的砂浓度，指单位面积裂缝上砂浓度，指单位面积裂缝上

45、 所铺的支撑剂质量，所铺的支撑剂质量， kg/mkg/m2 2 地面砂比：地面砂比： 单位体积混砂液中所含的支撑剂质量，单位体积混砂液中所含的支撑剂质量， kg/mkg/m3 3 或或支撑剂体积与压裂液体积之比，无量纲支撑剂体积与压裂液体积之比，无量纲 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (一一) )垂直缝全悬浮支撑剂分布垂直缝全悬浮支撑剂分布 建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系 处理单元：处理单元：时间时间t内注入体积内注入体积VF的砂浆的砂浆 令令SV为体积为体积VF的砂浆在裂缝内的砂浆在裂缝内t时间滤失后的时间滤失后的体积体积 2 w S A V 1. . 滤失

46、面积滤失面积 2. t滤失体积滤失体积= = 滤失速度滤失速度面积面积时间时间 t w S t C V V Loss 2 3. t时间末的滤失分数时间末的滤失分数=滤失滤失/剩余剩余 t t C wS V V Loss Loss 2 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (一一) )垂直缝全悬浮支撑剂分布垂直缝全悬浮支撑剂分布 建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系 t t C wS V V Loss Loss 2 Loss F V V S 1 4. 体积体积VF的砂浆在的砂浆在n个个t时间后的剩余体积时间后的剩余体积 n Loss F tnV V S 1 )( 5. n个

47、个t时间后缝内砂的质量浓度时间后缝内砂的质量浓度 n Loss tnV F s C S CV C 1 0 )( 0 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (一一) )垂直缝全悬浮支撑剂分布垂直缝全悬浮支撑剂分布 建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系 n Losss CC1 0 S Loss s C C 1 0 注入体注入体 积单元积单元 数数 要保持要保持缝内砂浓度缝内砂浓度Cs一定，则要求一定，则要求地面砂比地面砂比C0随时间变化随时间变化 6. 通常由缝前端向井底计算，用通常由缝前端向井底计算，用ST-S替替 换换S，并代入，并代入Loss的表达式的表达式 SS s

48、T t t C w C C 2 1 0 ST总注入总注入 单元体积数单元体积数 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (一一) )垂直缝全悬浮支撑剂分布垂直缝全悬浮支撑剂分布 建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系建立裂缝内砂浓度与地面砂比的关系 7. 滤失速度随时间改变，将滤失速度取滤失速度随时间改变，将滤失速度取 平均值平均值 2/)(tSS C PT 8. 停泵时缝内液体体积为停泵时缝内液体体积为 2/ 2 1 tSSw StC V V PT T T L SS PT s T t tSS C w C C 2/)( 2 1 0 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (一一) )垂直缝全悬浮支撑剂分布垂直缝全悬

49、浮支撑剂分布 地面加砂程序的确定地面加砂程序的确定 n要求裂缝内每段的渗流阻力相等要求裂缝内每段的渗流阻力相等 n裂缝导流能力从缝端到井底线性增加，要求缝内裂缝导流能力从缝端到井底线性增加，要求缝内 支撑剂浓度线性增加支撑剂浓度线性增加 n根据要求确定缝端支撑剂浓度和井底最大铺砂浓根据要求确定缝端支撑剂浓度和井底最大铺砂浓 度后，根据线性关系可确定任一点的铺砂浓度，度后，根据线性关系可确定任一点的铺砂浓度， 进而设计地面加砂程序进而设计地面加砂程序 n实际的地面砂比程序为浓度跳跃性增加实际的地面砂比程序为浓度跳跃性增加 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (一一) )垂直缝全悬浮支撑剂分布垂直缝全

50、悬浮支撑剂分布 n全悬浮型压裂适合于全悬浮型压裂适合于低渗透率地层低渗透率地层，不需要很高的，不需要很高的 填砂裂缝导流能力就能有很好的增产效果填砂裂缝导流能力就能有很好的增产效果 n悬浮填砂受缝宽的限制，导流能力小于沉降加砂缝悬浮填砂受缝宽的限制，导流能力小于沉降加砂缝 的导流能力，但其支撑面积很大，能最大限度地将的导流能力，但其支撑面积很大，能最大限度地将 压开的面积全部支撑起来，因而具有很大的优越性压开的面积全部支撑起来，因而具有很大的优越性 n全悬浮性压裂全悬浮性压裂支撑面积大、裂缝窄支撑面积大、裂缝窄 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布

51、携砂液携砂能力不足，裂缝内支撑剂不能完全悬浮携砂液携砂能力不足，裂缝内支撑剂不能完全悬浮 裂缝延伸过程中，部分支撑剂随携砂液向缝端移动，裂缝延伸过程中，部分支撑剂随携砂液向缝端移动， 一部分沉降下来一部分沉降下来 支撑剂的沉降速度、砂堤堆起高度与裂缝参数有关支撑剂的沉降速度、砂堤堆起高度与裂缝参数有关 研究方法：室内实验与理论研究研究方法：室内实验与理论研究 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 1. . 支撑剂在缝高度方向上的分布支撑剂在缝高度方向上的分布 平衡状态：砂床表面颗粒的沉积与卷起处于平衡状态，平衡状态：砂床表面颗粒的沉积与卷起处于平衡状

52、态， 沉积砂床高度不再发生变化沉积砂床高度不再发生变化 随排量变化，各区域的厚度会发生变化，出现或消失随排量变化，各区域的厚度会发生变化，出现或消失 平衡状态下：平衡状态下： l单相无砂区单相无砂区 l悬浮层悬浮层 l颗粒滚流区颗粒滚流区 l静止沉积区静止沉积区 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 2. . 缝内平衡流速缝内平衡流速 缝内平衡流速：缝内平衡流速： EQ EQ hw Q v 砂堤平衡高度：砂堤平衡高度： EQ EQEQ vw Q HhHH 00 第三节第三节 支撑剂支撑剂 如何计算如何计算? 首先计算首先计算阻力速度阻力速度U*，然后

53、根据，然后根据U*与与vEQ 的关系计算的关系计算vEQ ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 2. . 缝内平衡流速缝内平衡流速 平衡流速与阻平衡流速与阻 力速度的关系：力速度的关系： )( / 4 2 . 0 )( 4 46. 3 571. 0 143. 0 143. 1 * 2 * 紊流 ）（ 层流 m h EQ h EQ m m R U v R U v 混合物密度与砂比和砂质量浓度的关系：混合物密度与砂比和砂质量浓度的关系： s l m C C /1 0 0 11 1 S S sl m 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 阻

54、力速度阻力速度U U* *的计算：的计算： 阻力速度：阻力速度：反映流体处于紊流的程度，即反映流反映流体处于紊流的程度，即反映流 体流动能够阻止颗粒沉降的程度体流动能够阻止颗粒沉降的程度 L wP U w m w 2 * ， 第三节第三节 支撑剂支撑剂 牛顿流体：牛顿流体： 非牛顿流体：非牛顿流体： 50. 0 4 054. 0 * P hPPP d RdU U U 71. 0 4 041. 0 * P h a PPP d RdU U U ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 2. . 缝内平衡流速缝内平衡流速- -计算步骤计算步骤 室内实验测量室内实验测量 缝两端压力差缝两端

55、压力差P P 计算阻力速度计算阻力速度U U* * 计算支撑剂颗粒计算支撑剂颗粒 的沉降末速的沉降末速U UP P 计算阻力速度计算阻力速度U U* * 计算裂缝平衡流速计算裂缝平衡流速v vEQ EQ 计算砂堤平衡高度计算砂堤平衡高度H HEQ EQ m w w U L wP * 2 50. 0 4 054. 0 * P hPPP d RdU U U m h EQ R U v 4 46. 3 2 * EQ EQ vw Q HH 0 第三节第三节 支撑剂支撑剂 当缝内未达到平衡状态时，沉当缝内未达到平衡状态时，沉 积砂堤肯定处于积砂堤肯定处于上升上升或或下降下降状状 态，其速度与态，其速度与实

56、际流速实际流速v和和平衡平衡 流速流速vEQ的差值的差值有关有关 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 3. . 砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度 )( vvK dt dH EQ 问题的关键是确定问题的关键是确定 K的计算方法的计算方法 EQ EQ hw Q v hw Q v dt dH dt dh ， dt hw QK hh dhh EQEQ )( 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 3. . 砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度 dt hw QK hh dhh EQEQ )( EQ EQ EQ EQ EQEQ H h Z hH hh U H

57、hw QK K ， 0 无无 量量 纲纲 化化 tKUZUln1 t UZU K ln1 瞬时缝内断面瞬时缝内断面 高度高度h的函数的函数 计算计算K和和K的值的值 室内实验：室内实验：测定不同时测定不同时 刻刻t下的下的h，计算，计算U、Z 对一系列对一系列K进行经验回归进行经验回归 直接得到经验公式直接得到经验公式 86. 019. 0 45. 0 12. 0 216. 0 EQ P EQ EQ s v U H h CK 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 3. . 砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度计算方法计算方法 )( )( 216. 0 0 8

58、6. 019. 0 45. 0 12. 0 HHw Q vvvK dt dH v U H h CK EQ EQ P EQ EQ s ， 已知已知排量排量QQ、缝宽缝宽w w、平衡高平衡高 度度HHEQ EQ和 和平衡流速平衡流速v vEQ EQ ，求解 ，求解 非线性常微分方程，可非线性常微分方程，可得到砂得到砂 堤高度堤高度HH随时间的变化随时间的变化 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 4. . 达到平衡高度达到平衡高度HEQ所需的时间所需的时间 假设砂堤达到平衡高度的假设砂堤达到平衡高度的9595时，时， 即认为已经达到平衡状态即认为已经达到

59、平衡状态 05. 0 05. 0 0 EQ EQ EQ EQ H H hH hh U tKUZUln1 K Z K UZU tEQ 995. 295. 0ln1 EQ EQ EQEQ H h Z Hhw QK K ， a. b. c. d. 第三节第三节 支撑剂支撑剂 ( (二二) )沉降型支撑剂的分布沉降型支撑剂的分布 n沉降型沉降型压裂的裂缝要比压裂的裂缝要比全悬浮型全悬浮型压裂裂缝压裂裂缝宽宽 n实际压裂过程中，裂缝的实际压裂过程中，裂缝的宽度、长度宽度、长度都都随时间和随时间和 位置位置而改变，裂缝中的而改变，裂缝中的滤失速度滤失速度及携砂液及携砂液流速流速也也 不断变化，压裂设计要复

60、杂得多不断变化，压裂设计要复杂得多 n实际应用的支撑剂颗粒实际应用的支撑剂颗粒粒径不均匀粒径不均匀，通常使用的，通常使用的 高粘携砂液在裂缝中高粘携砂液在裂缝中粘度也不能保持恒定粘度也不能保持恒定，会引，会引 起更复杂的布砂现象起更复杂的布砂现象 第三节第三节 支撑剂支撑剂 四、支撑剂的选择四、支撑剂的选择 n选择内容：选择内容：类型和粒径类型和粒径 n设计目的：设计目的：达到要求的裂缝导流能力达到要求的裂缝导流能力 n支撑剂及压裂设计原则：支撑剂及压裂设计原则：应立足油层条件，最大限应立足油层条件，最大限 度的发挥油层潜力，提高单井产量度的发挥油层潜力，提高单井产量 u低渗透地层：低渗透地层