人工应力遮挡作用下水力压裂缝高控制机理与设计方法研究

1、.人工应力遮挡作用下水力压裂缝高控制机理与设计方法研究 中国石油大学（华东） 博士学位论文 姓名：俞然刚 申请学位级别：博士 专业：机械设计及理论 指导教师：闫相祯;马利成 20080401 摘要 在控制水力压裂裂缝高度增长的各种方法中，人工应力遮挡控制缝高技术效果较好，应用广泛。鉴于目前人工应力遮挡控制缝高技术的研究主要是其基本原理的定性分析和现场工艺优化，而没有进行系统的理论分析，所以有必要对其进行系统的实验研究、机理分析和设计方法研究。 论文从断裂力学和渗流力学角度对常规水力压裂缝高控制及设计方法进行了分析，主要涉及水力压裂裂缝模型、水力压裂裂缝开裂准则、缝内流体流动规律、裂缝扩展方程等

2、；同时从岩石物质特性、施工参数和地层应力几个方面对影响压裂缝高的因素和控制方法进行了分析，对论文的研究有重要的指导和借鉴作用。 鉴于目前充填转向剂形成人工隔层的实验研究，主要集中在是压裂施工的现场监控分析上，室内实验模拟主要集中在携带液和导向剂的最优组合、转向剂的物化性能、阻流性能、导流能力的研究方面，而对于一定浓度的转向剂对裂缝扩展应力的影响，携带液在地层中渗流量及与地层压差的经时变化对裂缝扩展能力的影响还存在空白。 由于目前测试手段的局限性，直接测试裂缝尖端的受力状态非常困难，论文采用实验与有限元计算相结合的方法，首次系统地分析了转向剂建立人工应力遮挡的作用过程与作用效果：在转向剂浓度一定

3、的条件下，渗流量越大裂缝处应力值变化越大，但随着渗流量的继续增加，裂缝应力值的变化越来越小，应有一合理渗流量；裂缝处应力随压差增加而增加，基本为线性关系，压差越大转向剂对裂缝处应力值影响越大；采用转向剂可以建立的人工应力遮档；采用人工应力遮挡进行压裂施工时，还应注意优化压裂设计，合理确定转向剂携带液的浓度、排量、施工泵压等参数。 论文实验方法可应用于对转向剂材料的筛选、评价及转向剂与岩石的适应性分析，指导转向剂材料的研究与生产。 由于目前还没有系统的人工隔层形成机理，而人工隔层形成机理是研究转向剂控缝高机理、现场操作程序、转向剂控缝高效果预测的基础，论文考虑压裂液在裂缝中运移的相对有序性，描述

4、了充填转向剂形成人工隔层的基本过程，在考虑原地应力和地层滤失剖面变化的基础上，通过耦合计算，确定了转向剂浓度、粒径大小、转向剂密度、流体粘度、注入速率、泵注排量等设计参数对人工遮挡效果的影响；提出了实际水力压裂中人工隔层控制缝高技术中转向剂的性能要求、施工要点及基本工艺过程。根据料浆沉降原理，建立了转向剂的沉降一成层数学模型，实际生产中可以结合实 验计算转向剂的实际沉降速度，确定转向剂的沉降成层规律，更好的控制加液时，为保证形成有效、密实的低渗透遮挡层提供理论依据。 在人工隔层控缝高线弹性断裂力学分析中，改进了的线弹性断裂力学模型，得到了缝内压力与裂缝延伸进入隔层深度的关系式，计算分析认为：随

5、着隔层与产层水平地应力差的增大，水力裂缝延伸进入隔层同样的深度所需的缝内液压越来越大；在隔层与产层水平地应力差一定的情况下，通过控制缝内液压，可控制裂缝延伸进入隔层的深度；如果隔层与产层的水平地应力差较小，只需稍微增加缝内压差，就可能导致裂缝延伸进入隔层深度的急剧增大；人工隔层产生的压降，可减小裂缝尖端处的裂缝延伸压力，达到控制裂缝高度的目的。 在人工隔层控缝高渗流力学分析中，借鉴了脱砂压裂技术的相关思想、方法，通过对水力裂缝端部区域的渗流场分析，认为人工隔层对裂缝扩展的控制作用主要体现在其对缝内压裂液的阻流作用上，这种阻流作用的大小和人工隔层的物性及压裂液性能有密切关系。 根据定律、流体流动

6、的连续性方程结合转向剂沉降成层数学表达式，提出了转向剂形成人工应力遮挡的数学表达式：即遮挡层形成的压力降与携带液的滤失速度、遮挡层厚度、携带液的粘度成正比，与遮挡层的渗透率成反比，并且随着缝内压力的增大，遮挡层形成的压力降变的更大。该表达式可定量确定转向剂形成人工遮挡层作用效果的大小，结合缝高计算公式，可对水利压裂裂缝高度进行预测。 论文提出了人工隔层控制缝高的设计方法，在设计中不仅需要清楚地层竖向地应力剖面，还要考虑裂缝延伸与施工排量、流体粘度、砂比、支撑剂颗粒大小和比重的关系，三维压裂软件可以预测裂缝高度增长速率、裂缝扩展、泵送时间和注入液体体积的关系，在压裂设计中应根据各因素之间的关系，

7、确定合适的作业程序和作业规模。关键词：水力压裂；缝高控制；人工应力遮挡；转向剂；机理分析；设计方法 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，一， ： ， 主要符号表 彳一渗流面积，： 口一破裂面法向与最大主应力方向夹角，。；一压裂液综合滤失系数，无量纲；。一空心玻璃微珠砂比，无量纲；明一上隔层钝化系数，无量纲；一下隔层钝化系数，无量纲；一孔眼直径，； 。一颗粒直径，； 一储层岩石弹性模量，； 毛一油层弹性模量，； 廓。一上隔层弹性模量，； 耳：一下隔层弹性模量，； 一岩石剪切模量，； 一流体重力梯度，； 原地应力梯度，； 日一裂缝高度，； 风一油层厚度，； 目一油层中部深度，； 儿一隔层与油

8、层交界处深度，；矗一压入上隔层的深度，； 鬼一压入下隔层的深度，； 一缝内转向液高度，； 。一上遮挡层与产层间的地应力差，；。一下遮挡层与产层间的地应力差，；一应力强度因子，一；，一断裂韧性，一； 脚一油层断裂韧度，； 群一裂缝上尖端材料的断裂韧性，；之一裂缝下尖端材料的断裂韧性，瞳；一压裂液稠度系数，“； 遮挡层的渗透率，； 三。一人工隔层在缝长方向上的长度，；以一压裂液流态指数，无量纲； 一流体压力，； 裂缝延伸的临界压力，： 一缝内液压，； 一缝内静压力，； 芦加一产层中部流体压力，； 一施工排量，； 如一前置液中各点注液排量，；一携砂液中各点注液排量，； 。 一沿缝长的压裂液体积流量，

9、： 吼一压裂液在单位缝长上的体积滤失速度，；，一上隔层与油层的韧度比，无量纲；：一下隔层与油层的韧度比，无量纲；一裂缝半径，； 。一储层岩石最小水平主应力，； 墨一孔壁处的径向应力，； 足一孔壁处的切向应力，； 芝一孔壁处的轴向应力，； 品一最大水平地应力，；一最小水平地应力，； 鼠一垂直地应力，； 一岩石的单轴抗拉强度，； 一剪切破裂面上的法向应力，；：一干扰下沉降速度，； ”自由沉降速度，； “，一携带液的滤失速率，； 一液体在裂缝中的速度，； ；一液体在裂缝中的平均速度，；，。一转向剂颗粒沉降匀速，； 一转向液的总体积流量，； 圪一滤层沉积体积，； 一携带液滤失体积，； 一缝宽，； 一人

10、工隔层的平均缝宽，； 一滤层厚度，； 时刻滤层的厚度，； 一缝高剖面上裂缝中心距产层中心距离，；一滤层空隙率，无量纲； ，一裂缝处应变，无量纲； 毛一裂缝附近上表面应变，无量纲； ，一裂缝处应变，无量纲； 矽一人工隔层孔隙度，无量纲； 一储层岩石泊松比，无量纲； 一剪切速率，； 一转向剂体积浓度，； 一转向液粘度，；¨一油层泊松比，无量纲； 一遮挡层泊松比，无量纲； 口一（，臼）点与最大水平主应力方向的夹角，：一液体密度，； 。一转向剂颗粒密度，； 一转向液的密度，； 携砂液体积密度，； 一最大有效拉应力，； 周向应力，； 仃，一径向应力，； 吼一垂直于裂缝面的地应力，；盯，一裂缝处

11、应力，； 仃。缸一地层最小水平主应力，；正一岩石的抗张强度，； 瓦一产层中部的原地应力，；剪切应力，； 一剪切应力，； 万一常数，无量纲； 一遮挡层形成的压降，；一滤失时间，； 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

12、学位论文作者签名：日期：上。扩年多月之日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学（华东）有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：日期：。年月莎日指剥雠：国塑盘垒吼们多月乡日 论文创新点摘要 鉴于目前充填转向剂形成人工隔层的实验研究，对于一定浓度的转向剂对裂缝扩展应力的影响，携带液在地层

13、中渗流量及与地层压差的经时变化对裂缝扩展能力的影响还存在空白，而由于目前测试手段的局限性，直接测试裂缝尖端的受力状态非常困难，论文采用实验与有限元计算相结合的方法，首次系统地分析了转向剂建立人工应力遮挡的作用过程与作用效果。实验方法还可应用于对转向剂材料的筛选、评价及转向剂与岩石的适应性分析，指导转向剂材料的研究与生产。 根据料浆沉降原理，建立了转向剂的沉降一成层数学模型，实际生产中可以结合实验计算转向剂的实际沉降速度，确定转向剂的沉降成层规律，更好的控制加液时间，为保证形成有效、密实的低渗透遮挡层提供理论依据。 根据定律、流体流动的连续性方程结合转向剂沉降一成层数学表达式，提出了转向剂形成人

14、工遮挡应力的数学表达式，可定量确定转向剂形成人工遮挡层作用效果的大小，结合缝高计算公式，可对水利压裂裂缝高度进行预测，以进一步指导压裂设计，保证现场施工工艺的可靠实施。 在人工隔层控缝高线弹性断裂力学分析中，改进了的线弹性断裂力学模型，得到了缝内压力与裂缝延伸进入隔层深度的关系式，计算分析认为：随着隔层与产层水平地应力差的增大，水力裂缝延伸进入隔层同样的深度所需的缝内液压越来越大；在隔层与产层水平地应力差一定的情况下，通过控制缝内液压，可控制裂缝延伸进入隔层的深度；如果隔层与产层的水平地应力差较小，只需稍微增加缝内压差，就可能导致裂缝延伸进入隔层深度的急剧增大；人工隔层产生的压降，可减小裂缝尖

15、端处的裂缝延伸压力，达到控制裂缝高度的目的。 中国石油大学（华东）博士学位论文 第章前言 ，课题背景 本课题依托中石化胜利油田有限公司重点科技攻关项目“低渗透油藏整体改造技术研究”，主要进行人工应力遮挡作用下水力压裂缝高控制的机理与设计方法研究。 水力压裂是近几十年新兴的一项现代技术，它的实质在于通过从地层钻孔，向被压目的层注入高压流体而诱发孔周围产生人工裂缝。作为一种经济可靠、在地下产生大面积人工裂缝的地层改造技术，其广泛应用于低渗透油气田的勘探、开发及其它工业生产领域。 油层水力压裂是通过地面高压泵组将粘性流体以超过地层吸收能力的排量经井筒注入地层，当压力达到地层破裂压力时，井壁岩石发生破

16、裂，继续泵入液体，裂缝不断延伸，同时，压裂液将支撑剂带入裂缝，停泵后可在地层中形成具有一定长度、宽度和高度的填砂裂缝。 由于压裂形成的裂缝具有很高的导流能力，能有效地改善油气层的渗流条件，降低流体渗流阻力，从而可以大幅度提高油、气井产量或水井吸水能力，达到增产增注的目的。此外，通过水力压裂还可使某些原来没有工业开采价值的油气田成为具有相当开采储量的油气田。 在水力压裂中，如何控制裂缝高度的增长，是较棘手的问题。当油层很薄或上下盖层为弱应力层时，垂直裂缝过度向上或向下延伸，就会穿透产层进入盖层、底层，同时缝高过大，会阻碍缝长的延伸，影响压裂液效率，进而影响压裂效果。缝高过大可能会导致压后裂缝完全

17、失效，或压开水层，引起油井含水暴增，缝高过大也会浪费压裂液和支撑剂，所以将缝高尽量控制在产层内是压裂成功的关键因素之一。 近年来，国内外的工程技术人员在这方面进行了很多研究工作，特别是美国在世纪年代发明的几项缝高控制技术在油田得到广泛应用，而且效果很好。 （）常规裂缝高度控制技术【】 控制裂缝高度的垂向延伸最根本的问题在于准确了解产层和遮挡层之间的地应力差，合理选择压裂设计参数。常规控制裂缝高度技术就是通过选择产层，利用产层上下的致密遮挡层、控制施工排量、压裂液粘度与密度来控制裂缝高度，这种方法简便易行，但推广应用有一定的局限性。 利用泥质遮挡层控制裂缝高度根据大量现场资料统计和室内研究，利用

18、泥质遮挡层控制裂缝高度一般应具备以下两 第章前言 个条件：对于常规作业，在砂岩油气层上下的泥质遮挡层厚度一般应不小于；上下遮挡层地应力高于油气层地应力时更为有利。遮挡层厚度可以利用测井曲线确定，油气层和遮挡层地应力值则可以通过小型压裂测试、声波和密度测井或岩心试验取得。 利用施工排量控制裂缝高度 施工排量越大，裂缝越高。不同地区由于地层情况不同，施工排量对裂缝高度地影响也不相同。美国棉谷地区通过压裂后测井温，总结出施工排量与裂缝高度有如下关系： ×（） 式中：日裂缝高度，；施工排量，；自然对数的底。 为了避免裂缝过高，一般应将施工排量控制在以内。 利用压裂液粘度和密度控制裂缝高度 在

19、其它参数相同的情况下，压裂液粘度越大，裂缝越高。目前尚没有定量关系。一般认为，压裂液在裂缝内的粘度保持在，较合适。 利用压裂液密度控制裂缝高度，主要是通过控制压裂液中垂向压力的分布来实现。若要裂缝向下延伸，应采用密度较高的压裂液；若要裂缝向上延伸，则应采用密度较低的压裂液。 （）冷水水力压裂控制缝高【 作用机理 通过向温度较高的地层注入冷水，使地层产生弹性回缩，降低地层应力，把裂缝高度控制在产层范围内。 压裂工艺 在低于地层破裂压力的条件下，向地层注入冷水预冷地层：提高排量和压力，使压力仅大于被冷却区水平应力，在冷却区内压开一条裂缝；控制排量和压力，注入含高浓度降滤剂的冷水前置液延伸裂缝；注入

20、低温粘性携砂液支撑裂缝，完成压裂全过程。 应用范围 冷水水力压裂技术主要用于以下几类油气层：产层不存在清水伤害问题；胶结性较差的地层：用常规水力压裂技术难以控制裂缝延伸方向的油气层。 （）建立人工遮挡层控制缝高 由于地下物质特性、地层应力差及断裂韧性不同，垂直裂缝高度不同程度地受到遏止。限制裂缝垂向增长的实质性机理是使流体进入狭窄的上下裂缝末梢时受到阻抗。这种控制方法主要是根据地层条件，注入上浮或下沉转向剂对垂向裂缝端进行封堵，形成人工遮挡 中国石油大学（华东）博二学位论文 层，控制裂缝垂向延伸。 裂缝能否上下延伸穿透界面进入盖层、底层与许多因素有关，如地层应力差，岩石物质特性，裂缝上下末端阻

21、抗值、压裂参数等。其中，地层应力差及岩石物质特性都由地质结构本身所决定，不易改变；但裂缝上下末端阻抗值可以通过在压裂携带液中添加转向剂，将裂缝尖角钝化，制造人工遮挡层的措施来改变，同时控制压裂其它参数，达到遏制裂缝纵向增长，提高压裂效率，促进裂缝水平方向扩展的目的。 因此，深入研究裂缝垂向延伸机理，正确判断裂缝能否进入上下遮挡层，研究和实施新的有效缝高控制技术，选择合理的施工参数，对于压裂作业的成功是十分重要的。课题的研究意义 水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中，通过水力压裂可改善井底附近的渗流条件，提高油井产能。 油藏渗流规律的研究表明，受储层非均质性

22、及微裂缝的影响，岩石应力状态、物理力学参数、压裂参数、盖底层厚度、地层流体特性、射孔厚度和位置、地应力场和温度场的改变等均影响裂缝的延伸，裂缝高度随施工时间增加，沿裂缝长度逐渐减小，整体压裂方案的优化对于改善油藏的开发效果和提高采收率有着重要的影响。 在新井压裂和重复压裂中，当水力压裂所形成的裂缝是垂直裂缝时，如果产层较薄或隔层条件比较差，压裂裂缝就不能被完全地控制在生产层内，实际的裂缝高度大于油层厚度，大大降低了压裂液的效率，会造成压后产量低、递减快、有效期短，从而影响压裂施工效果；这种过度的垂向延伸不但会导致施工时过早脱砂，阻碍裂缝按要求在水平方向延伸；而且当邻层为水层时，不仅起不到预期的

23、增产效果，还会引起含水暴涨；对于存在气顶的油藏，也同样存在引气入井的危险；裂缝在垂直方向的过分延伸，势必导致裂缝沿水平方向延伸的缩短，在这种情况下，要使裂缝长度达到设计的缝长，就必须增加压裂液和支撑剂的用量，从而提高压裂施工的成本，降低增产效果，因此需要尽可能将裂缝高度控制在生产层内。 常规控制缝高的技术一般采用控制射孔位置，优选压裂参数（如排量、压裂液粘度、支撑剂加入量等）来防止缝高延伸，但由于地应力的影响，有时仍不能有效地控制缝高的延伸。其中地层应力差及岩石物质特性都由地质结构本身所决定，不易改变，而裂缝上下末端阻抗值和压裂参数可以改变，所以采用人工控制缝高技术，深入研究裂缝高度控制机理，

24、合理选择施工参数和工艺，最大限度的控制裂缝垂向延伸是水力压裂能否成功的关键问题之一，也是现代压裂技术新的发展方向。 第章前言 裂缝上下末端阻抗值的改变是在携带液中加入转向剂，转向剂上浮或下沉聚集在新生裂缝的顶部或底部，形成较密实的低渗区，从而增加裂缝末端阻抗值，将裂缝尖端钝化，阻挡缝内流体压力向上部、下部地层传递，转向剂形成的人工应力遮挡层可遏制裂缝纵向增长，提高压裂效率，促进裂缝向水平方向扩展。 通过压裂参数的优化控制缝高，主要是在对地质特征进行分析基础上，优选压裂液和支撑剂，控制施工排量、砂比和泵送压力。 为定量描述转向荆的使用效果，确定合理的转向剂的用量，指导压裂设计，合理选择施工工艺参

25、数，需要开展人工遮挡层控缝高技术研究。 因此，基于人工应力遮挡作用，综合考虑岩石物理力学参数、分层应力、区块应力场、裂缝发育及压裂参数等多重因素作用，研究人工应力遮挡作用下水力压裂缝高控制机理与设计方法具有重要意义。 国内外现状分析 国外研究现状 自认识水力裂缝三维延伸以来，各国学者开展了大量的研究工作，大力推动了缝高控制技术的发展。 年，等人首次提出利用人工遮挡层控制裂缝高度压裂技术，即用性质稳定的转向剂填充缝端来控制裂缝高度增长，这项技术可以防止裂缝穿透非生产层，如气层、水层等，而在生产层形成最大的裂缝横向延伸，并通过现场实践证明了这项技术。从此，国内外学者进行了大量卓有成效的研究，目前已

26、经发展成为控制裂缝高度延伸的主力技术之一，并取得了成功的应用。 年，】等人介绍了一些工程实例，通过有效的置入人工遮挡，增加了裂缝长度，大大改善了油气产量。 年，】等人研究了人工遮挡层放置技术，通过大型压裂软件描述了裂缝越过遮挡层后裂缝三维几何形状的变化过程。等人从工艺角度探讨了美国州中西部砂岩地层，控制裂缝高度的泵注程序。等人研究了探井中设计人工遮挡层控制裂缝高度。 年，等人对比了裂缝高度受到向上和向下全面遏制的一些压裂井，与单一防止水力裂缝向上或向下伸展的压裂方法相比有更大的优越性，提出了一种名为的压裂程序。 年，【】等人对一系列现场资料分析认为，综合应用各种裂缝高度控制技术 中国石油大学（

27、华东）博学位论文 能够阻止裂缝突破进入邻近的地层。 年，】等人讨论了层增产措施的实施过程，通过应力测试，表明正常施工措施下层下部的地层无法控制压裂裂缝的延伸，为了消除裂缝向下的过度延伸，现场采用人工遮挡层技术起到了一定的效果。 羽，】等人提出了人工应力遮挡控缝技术的基本原理：首先，裂缝的延伸主要在应力薄弱的方向上，通过裂缝端部的压裂液滤失，造成局部压力增加，压力逐渐超过地层中该点的极限破裂压力而产生裂缝，并沿该方向向前延伸。如果加入转向剂，使其沉积在裂缝上下端点，会阻止一部分压裂液的滤失，形成阻抗值，即人为的增大了隔挡层的压降，形成的阻抗值达到一定程度时，就能阻止裂缝在该方向上的延伸。其次，在

28、裂缝的近井地带上下端部填充小粒径转向剂，减小了末稍处的流速，对垂向扩展压力产生阻抗，而在水平方向上，则相对增加了产生层间滑动的可能性。转向剂限制了压裂液沿纵向的流速，在注入排量不变的情况下，相应地增加了裂缝在宽度和长度方向上的扩展能力，裂缝在宽度方向上的扩展能力即转化为增加层间滑动的能力。 国内研究现状 年，卢修峰网较为详细地分析了垂直裂缝高度人工控制技术机理，认为在压裂裂缝形成初期，填加转向剂可以增大裂缝垂向末梢的阻抗值和假滑动效应，即增大了裂缝尖端处断裂韧性的钝化系数，从而达到控制缝高的效果。 年，任书泉、刘蜀知【川等人阐述了其室内模拟实验研究成果，即裂缝上下所形成的人工遮挡层可将遮挡层段

29、的流压降低，并采用了正交实验设计方法对影响裂缝垂向延伸的不变和可变因素的影响进行了排序。 年，何岱海【】认为，可以利用“装料沉积”来对转向剂在裂缝中沉降输送规律进行研究。 年，彭建成、陈树【】等结合克拉玛依油田八区的口井压后增产结果进行分析，认为加上空心微珠上浮剂和粉砂下沉剂对控制裂缝垂向延伸具有较好的效果，并具有良好的经济效益。 年，魏斌】等认为转向剂沉降后，在裂缝的底乔面桥架形成一个低渗透或不渗透的人工遮挡层。人工遮挡层有两种作用：限制高压流体的高压向缝端传递和对携带液有转向作用。 年，郭大立【】对控制裂缝高度的工艺技术进行了定量分析和数值模拟。对控制裂缝高度压裂工艺进行了实验研究，确定了

30、携带液和导向剂的最优组合及其阻挡效果，提出 第章前言 了遮挡层压力降与转向剂砂比的拟合关系式： 矽：！一（） ×（一。） 式中：卸为遮挡层的压力降；。为空心玻璃微珠砂比；口和为常数。其关系曲线呈形，先平缓、中间显著、后面稳定，阻挡效果随导向剂砂比的增大而提高。 任占春【】【】结合胜利油田压裂工艺，阐述了人工应力遮挡缝高控制技术。刘德铸、刘伟等【】结合现场工程应用分别对浮式、沉式隔离剂物化性能、阻流性能、导流能力进行了研究。陈小新、魏英杰等结合中原油田地层特性，阐述了浮式转向剂控制裂缝高度工艺技术。戴凤春【】介绍了欢东油田井压裂时，在携带液），沉降式转向剂有效控制了裂缝垂向延伸。韩树柏

31、【结合辽河油田重复压裂工艺，给出了人工遮挡层控制缝高技术的工艺流程。龙毅介绍了苏北低渗透油气田采用转向压裂控缝技术的口井中，有口井取得了成功。张坚平【进行了沉式转向剂（加量）对导流能力的影响试验，认为转向剂形成人工遮挡层性能较好。姚洪生对采用转向压裂技术的井压后井温测试曲线分析，得出转向剂可以有效控制裂缝垂向延伸。张新华】介绍了利津油田采用的转向压裂工艺。 在产品上，胜利油田在年研制了固相转向剂，在我国各大油田应用效果良好，在年又开发新型的油溶性液态转向剂，克服了固相转向剂解堵困难的缺点，应用效果较好。 研究现状分析 经过调查和分析国内外大量有关压裂缝高控制的技术资料，其研究主要基于以下几个方

32、面： （）数学模型的优化及压裂设计软件的发展 世纪年代初期以前，国内外水力压裂的施工设计都基于裂缝延伸的二维数学模型。在二维数学模型中，裂缝延伸过程中假设裂缝高度不变，可变量为宽度和长度，最常用的是，裂缝模型。 随着生产的需要和技术的进步裂缝模型从二维发展到拟三维直至目前采用的全三维模型，目前拟三维模型和全三维模型在现场得到广泛的应用，主要用于现场各种不同的场合和条件，如裂缝在油层和具有地应力差的相邻层中的扩展分析，地应力和静水压力梯度对控制裂缝垂向扩展的作用，停泵后裂缝的进一步扩展，从微型压裂试验中估计地层渗透性能，不同类型压裂液交界面的位置变化以及支撑剂在缝内的分布等。 中国石油大学（华东

33、）博士学位论文 （）裂缝开裂机理与压裂工艺研究 在开裂机理中，国内外学者进行了系统的研究。，等人认为，通过计算层状岩层中的应力强度因子可以判断水力压裂人工裂缝是否延伸进入隔层。所完成的室内试验结果表明：裂缝可以从强度大的岩石延伸进入强度小的岩石，而不能相反。胡永全采用正交分析方法较为全面地分析了各影响因素的关系。刘翔鹗用物理模拟试验证明了岩石的泊松比、断裂韧性都有影响裂缝垂向延伸的作用。陈治喜应用了岩石力学的理论与方法，建立了层状介质中水力裂缝垂向扩展的数值模型。张保平应用了理论得出了计算水平应力的公式。刘泽凯等根据裂缝产状和达西公式导出了裂缝增产效果预测公式。 夏惠芬、胡永全、卢修峰、陈治喜

34、、刘德铸、俞绍诚、刘翔鹗等通过理论分析，张保平、魏斌等结合实验，认为水力裂缝的垂向扩展是地层条件和作业条件耦合作用的结果，把影响裂缝垂向扩展的因素分为三类：岩石特性、施工参数和地层应力，即产隔层间的原地应力差、弹性模量差、断裂韧性差、界面特性，缝中压裂液压力分布，压裂液的流变性和粘度效应，地层的非均质性，天然裂缝以及压裂液的滤失特性，压裂液注入速度等。 （）转向水力压裂裂缝控制 从国外研究来看，给出了采用人工应力遮挡缝高控制技术的基本原理；西南石油学院通过实验方法取得了初步的研究成果，即在模拟地层压裂的情况下，不同基液的携带液和不同浓度暂堵剂的混合液通过带裂缝的人工岩心时，将在裂缝尖端形成阻挡

35、层。对比形成阻挡层前后的岩心渗透率就可以分析入工隔层的阻挡效果。何岱海作了隔离剂在裂缝中输送规律研究。卢修峰认为填加转向剂的作用机理是增大裂缝垂向末梢的阻抗值和假滑动效应。 经过国内外研究现状分析，目前，采用转向剂建立人工应力遮挡，进行水力压裂缝高控制的研究有以下几个特点： 人工遮挡层控制缝高基本原理的研究：，提出基本原理后，王鸿勋【，卢修峰【】，任占春】，【，魏斌【】主要进一步阐述了基本原理中人工遮挡层的两种作用：限制高压流体的高压向缝端传递和对携带液有转向作用。 目前还没有对转向剂的人工应力遮挡作用建立物理力学模型。 实验研究方面：，】主要通过压裂施工现场监控分析了人工遮挡层的作用；任书泉

36、、刘蜀知【阐述了其室内模拟实验研究成果，没有给出具体的实验方案和数据；郭大立【】主要是通过室内试验研究了携带液和导向剂的最优组合；刘德 第章前言 铸、刘伟等刀主要结合现场工程应用分别对浮式、沉式隔离剂的物化性能、阻流性能、导流能力进行了室内实验研究；张坚平】进行了沉式转向剂对导流能力影响的试验研究。 对于不同性能、不同浓度的转向剂对裂缝扩展应力的影响，携带液在地层中渗流量及与地层压差的经时变化对裂缝扩展应力的影响还没有具体的文献介绍。 转向剂运移规律的研究：何岱海】提出可以利用“装料沉积对转向剂在裂缝中沉降输送规律进行研究；王鸿勋、郭大立】、李勇吲劭等主要对支撑剂的运移规律进行了研究。 目前对

37、转向剂的沉降一成层规律还没有文献详细介绍。 工程应用方面：国内外关于人工遮挡层的文献（，【，彭建成【，陈小新【，戴风春【，龙毅【¨，姚洪生【，张新华【）中，一般先运用压裂软件进行模拟设计，结合工程实例利用压裂后测试数据、压裂前后的增产量等数据对人工遮挡层效果进行分析总结。 缝高计算理论：夏惠芬，胡永全【】，杨秀夫，陈治喜【】，李勇明【，纪禄军【等都给出了水力压裂裂缝高度计算公式；陈治喜【】，李勇明【考虑了流体重力分量，流动压降等多重因素。但是对于考虑转向剂作用的缝高计算模型还未见文献报道。 综上所述，在控制水力压裂裂缝高度增长的各种方法中，人工应力遮挡缝高控制技术效果较好，应用广泛。

38、鉴于目前人工应力遮挡缝高控制技术的研究主要是其基本原理的定性分析和现场工艺优化，系统的理论研究较少，因此，对基于人工应力遮挡作用的缝高控制方法有必要进行系统的实验研究、数值模拟与理论分析，以进一步指导压裂设计及工艺生产。 研究内容 （）开展室内实验，研究转向剂形成人工应力遮挡的作用效果：在系统分析国内外人工遮挡层控制缝高技术原理、工艺的基础上，通过室内物理模拟实验，研究不同性能、不同浓度的转向剂对裂缝扩展应力的影响，研究渗流量及与地层压差的经时变化对裂缝扩展应力的影响。 （）转向剂形成人工隔层机理分析：压裂液在裂缝中运移的相对有序性，转向剂的输送规律（包括对牛顿流体和非牛顿流体转向剂颗粒沉降原

39、理分析，影响转向剂颗粒沉降的浓度、边界、剪切速率等因素），裂缝中转向剂的沉降过程，裂缝的闭合时间对转向剂运移的影响，高转向剂浓度对颗粒运移的影响；转向剂充填形成有效应力遮挡的临界条件；转 中国石油大学（华东）博上学位论文 向剂充填形成有效人工隔层的物质基础：转向剂充填形成人工隔层技术与端部脱砂压裂技术的相关性。 （）对转向剂在裂缝中的运移沉降规律进行理论研究：根据流量平衡原理，建立裂缝中流体流动的连续性方程；综合考虑转向剂密度、直径，压裂液密度、粘度，裂缝宽度、裂缝壁面等多种影响因素】，运用固体颗粒在幂律性液体【】，【中的沉降规律，建立转向剂沉降速度的数学物理模型。为压裂工艺参数的选取提供依据

40、。 （）根据料浆的沉降原理】，【，建立转向剂的沉降一成层数学模型；根据流体流动的连续性方程、达西定律结合建立的转向剂沉降成层数学模型，提出遮挡层压降的数学表达式，定量确定转向剂形成人工遮挡层的作用效果。 （）根据垂向应力剖面的地应力大小分布，通过改变垂直于裂缝扩展方向的地应力值，体现人工应力遮当对水力压裂裂缝尖端阻抗值的影响；通过改变岩石滤失系数体现转向剂的应用对地层滤失情况的影响；利用全三维软件的普通压裂模块进行压裂动态模拟，确定裂缝缝高的延伸情况。 （）工程实例应用（验证）。 第章水力压裂缝高辑！制及设计方法分析 第章水力压裂缝高控制及设计方法分析 鉴于目前充填转向剂形成人工应力遮挡，进行

41、缝高控制技术的研究主要是其基本原理的定性分析和现场工艺优化，系统的理论研究较少，有必要进行系统的实验研究、数值模拟与理论分析，以进一步指导压裂设计及工艺生产。 而以常规水力压裂缝高控制及设计方法为基础，对其进行系统地总结分析，将对基于人工应力遮挡作用的缝高控制机理及设计方法的研究有很大帮助和促进作用。 水力压裂发展现状 水力压裂自年在美国试验成功至今，已经由简单的低液量、低排量压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术。由年代的以解堵和增产为目的的水力压裂发展到年代的“压裂开采，即在部署开发井网前就考虑水力裂缝的方位、长度和导流能力等对油藏生产动态可能造成的影响，通过研究开发井网系统和水力裂缝

42、系统的优化组合，获得较高的经济效益和最终采收率。在此发展过程中，由于压裂液和支撑剂、压裂设计等方面的迅速发展，水力压裂技术在缝高控制、端部脱砂压裂和重复压裂等方面都取得了较大的突破。现在水力压裂技术作为油水井增产增注的主要措施，已广泛应用于低渗透油气田的开发中，通过水力压裂改善了井底附近的渗流条件，提高了油井产能，在美国有的原油产量是通过压裂获得的。国内低渗油田的产量和通过水力压裂改造获得的产量也在逐渐增加。当今，国际石油价格飙升，对水力压裂技术的广泛应用和深入研究可望给石油工业注入新的活力，水力压裂技术的最优实施和关键性技术的突破，将给石油工业带来不可估量的前景。 水力压裂发展历史 自从年月

43、世界第一口压裂井在美国堪萨斯州大县气田井成功压裂以来至今，已有近万井次的压裂作业。作为油井的主要增产措施正日益受到世界各国石油工作者的重视和关注，其发展过程大致可分以下几个阶段【了】 从浅层小型到深层大型压裂 年之前，以研究适应浅层的水平裂缝为主，这一时期我国主要以油井解堵为目的开展了小型压裂试验。年之后，随着产层加深，以研究垂直裂缝为主，这一时期的压裂目的是解堵和增产，通常称之为常规压裂。这一时期，我国进入工业性生产实用阶段，发展了滑套式分层压裂配套技术。，年，进入了改造致密气层的大型水力压裂时 中国石油大学（华东）博：学位论文 期，这一时期，我国在分层压裂技术的基础上，发展了适应高含水量所

44、需的蜡球选择性压裂工艺，以及化学堵水与压裂配套的综合改造技术。 年至今，进入对低渗油藏改造时期。压裂规模从加液量只有精确控制短小裂缝的小型压裂到加液量，用砂量，裂缝长余米，耗资万美元以上的大型水力压裂。其工业技术在很多方面都得到了发展，除主要用于压裂低渗透油层来提高原油和天然气产量之外，水力压裂还可用于包括水源井、注水井等辅助并。还可对二次采油方案的生产井和注水井进行压裂；压裂干热岩层的生产井和注水井，可从干热岩层中获得地热能量。在进行大型压裂之前进行小型试验压裂，确定被压裂层及周围地层的应力梯度。这一时期我国发展了适用于低渗透、薄油层多层改造的限流法完井压裂和投球法多层压裂技术。 优化水力压裂设计 世纪年代中期，我国开始了压裂经济最优化，即优化水力压裂设计。这项技术包括三个方面