水力压裂力学、效果分析和评估技术

1、水力压裂力学、效果分析和评估技术 水力压裂力学 水力压裂材料性能与评价 水力压裂裂缝延伸模拟 支撑剂在裂缝中运移分布 水力压裂效果分析 水力压裂工艺技术 水力压裂诊断评估技术水力压裂概念水力压裂作用(2) 开发阶段油气井增产水井增注调整层间矛盾改善吸水剖面提高采收率(1) 勘探阶段增加工业可采储量 图6-1 压裂施工曲线 PF破裂压力 PE 延伸压力 PS 地层压力 P井底= PF时第一节 水力压裂造缝机理C压力时间排量不变，提高砂比，压力升高反映了正常的裂缝延伸裂缝闭合压力（静）裂缝延伸压力（静)净裂缝延伸压力管内摩阻地层压力（静）破裂前置液携砂液裂缝闭合加砂停泵baa致密岩石b微缝高渗岩石

2、FHSE一、地应力分析1 地应力场应力状态： 主应力: x ， y， z ; 应变: x， y， z(1) 重力应力孔隙弹性常数由广义虎克定律计算总应变注意： 的物理意义由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力(2) 构造应力定义与来源特点 构造应力属于水平的平面应力状态 挤压构造力引起挤压构造应力 张性构造力引起拉张构造应力 构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。在断层和裂缝发育区是应力释放区。 正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3， 逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z的3倍。(3) 热应力产生原因特点计算方法2 人工裂缝方位显裂缝地层很难出现人工裂缝。微裂缝地层垂直于最小主应力方

3、向；基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。裂缝方向总是垂直于最小主应力y二、 水力压裂造缝机理1 井壁最终应力分布rxrrwxy （1）井筒处应力分布当r =rw，0及180时， 3y x当r =rw，90及270时， 3x y当 x = y 2y=2 x 说明周向应力相等，与无关当 x y ()0,180= ()min ()90，270= ()max分析 随r增加， 迅速降低(平方次) 应力集中 PF PE（2）向井筒注液产生的应力分布当 re， Pe =0于是 r= rw时， - Pi弹性力学拉梅公式(拉应力为负)(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力 (4) 井壁上的总周向应力(应

4、力迭加原理) 地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力根据最小主应力原理 当z最小时，形成水平裂缝; 当Y或x最小时，形成垂直裂缝。zxyyxz2 水力压裂造缝条件(1) 形成垂直缝 岩石破坏条件压为正，拉为负最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度有液体渗滤当破裂时，Pi=PF无液体渗滤当破裂时，Pi=PF(2) 形成水平缝岩石破坏条件最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度有液体渗滤有效总垂向应力为：当破裂时，Pi=PF无液体渗滤有效总垂向应力为：当破裂时，Pi=PF例6-1 已知某砂岩油藏深度地层岩石密度r=2300kg/m3，泊松比，地层流体密度L= 1050 kg/m3，孔隙弹性常数。并假设水平

5、方向地应力均匀分布，抗张强度为th, 忽略沉积岩的垂向抗张强度。试计算无滤失条件下形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限HC。3 破裂压力梯度定义 理论计算矿场统计当F 0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝当F 0.025 MPa/m, 形成水平裂缝三、 地应力的测量及计算（1） 矿场测量 水力压裂法 井眼椭圆法（2）实验室分析 滞弹性应变恢复 （ASR） 微差应变分析 （DSCA）（3） 有限元计算第二节 压裂液压裂液及其性能要求压裂液添加剂压裂液的流动性压裂液的滤失性压裂液对储层的伤害压裂液选择压裂液的组成前置液携砂液顶替液（完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前垫液、预前置液）对压裂液的性能

6、要求(1) 与地层岩石和地下流体的配伍性；(2) 有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部；(3) 滤失少；(4) 低摩阻；(5) 低残渣、易返排；(6) 热稳定性和抗剪切稳定性。一、 压裂液类型水基压裂液油基压裂液乳化压裂液泡沫压裂液酸基压裂液1 水基压裂液发展活性水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂液 水基冻胶压裂液组成水稠化剂（成胶剂） 添加剂 成胶液水添加剂交联剂 交联液水基压裂液添加剂(1) 稠化剂 植物胶及衍生物 胍胶 田箐 纤维素衍生物 羧甲基纤维素钠盐（CMC） 羟乙基纤维素（HEC） 羧甲基羟乙基纤维素（CMHEC） 生物聚多糖 工业合成聚合物 聚丙烯酰胺（PAM） 部分水解聚丙酰胺（P

7、HPAM） 甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）(2) 交联剂两性金属（非金属）含氧酸盐 硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等 弱酸强碱盐无机盐类两性金属盐 如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆等强酸弱碱盐无机酸脂 如钛酸脂、锆酸脂醛类 甲醛、乙醛、乙二醛等(3) 破胶剂生物酶体系 适用温度2154,pH值范围pH=38,最佳pH=5氧化破胶剂 适用于 pH=314。普通氧化破胶剂适用温度 5493；延迟活化氧化破胶剂适用温度 83116，常用氧化破胶剂是过硫酸盐。有机弱酸 很少用作水基压裂液的破胶剂,适用温度大于93油基压裂液中典型的破胶剂 碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液2 油基压裂液适应性: 水敏性地层、

8、有些气层发展: 矿场原油 稠化油 冻胶油基液: 原油、汽油、柴油、煤油、凝析油稠化剂: 脂肪酸皂(脂肪酸铝皂、磷酸脂铝盐等)特点: 污染小、遇地层水自动破乳； 易燃、成本高、热稳定性较差。3 乳化压裂液常用： 两份油 + 一份稠化水(聚合物) 油相(内相)80%，不稳定或粘度太高类型：水外相型 油外相型特点:破乳快、污染小； 热稳定性差、成本高4 泡沫压裂液组成：液相 + 气相 + 添加剂泡沫液液相:稠化水、盐水、水冻胶、原油 或成品油、酸液气相：氮气、二氧化碳、空气、天然气等适用范围 K1mD， 粘土含量高的砂岩气藏低压、低渗浅油气层压裂泡沫质量泡沫质量泡沫中气体体积/泡沫总体积特点：在压裂

9、时的井底压力和温度下，泡沫质量一般为随着泡沫质量的增加,泡沫压裂液的粘度增加、摩阻增大、滤失减少、压裂液效率增高滤失少（气体本身就是降滤剂）排液较彻底，对地层伤害小热稳定性差、粘度不够高，限制砂比。5 酸基压裂液适用范围碳酸盐储层种类常规酸稠化酸冻胶酸乳化酸二 、 压裂液添加剂降滤剂防膨剂杀菌剂表面活性剂P值调节剂稳定剂三、压裂液的流变性各类压裂液的流变曲线幂律液的视粘度摩阻计算1 压裂液的流变曲线牛顿型液体非牛顿型液体假塑性液体宾汉型液体屈服假塑性液体胀流型液体触变性液体流凝性液体粘弹性液体(2) 非牛顿型液体 定义: 凡是流动时剪切应力与剪切速率之间的关系不是线性关系的液体，统称为非牛顿型

10、液体。 主要特征: 粘度随剪切速率的变化而改变，剪切应力与剪切速率之间有多个参数。(1) 牛顿型液体流变模型或称本构方程假塑性（幂律）液体假塑性液体的特征是： 在很小的剪切应力作用下就能流动，并且随着剪切速率的增加，剪切应力的增大速度有所降低。本构方程宾汉型液体 在一定的剪切应力作用下才能流动，最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成线性关系。 本构方程 典型压裂液:泡沫压裂液 粘弹性液体流体特征： 当除掉剪切力时，这种流体会恢复或部分恢复原来受到剪切作用期间所具有的形变。这种具有部分弹性恢复效应，也具有非牛顿性和与时间有关的全部粘性性质的流体称为粘弹性流体。目前使用的水基冻胶压裂液大部分都表现

11、出具有部分或全部粘弹特征。2 幂律液的视粘度管流：地面管线、井筒、孔眼缝流：裂缝中流动3 流变性测定旋转粘度计、小直径管道、盘 管式粘度计、摆动式流变仪。RV系列或FANN系列旋转粘度计应用最广泛4 摩阻计算圆管中压降-摩阻裂缝中压降-摩阻孔眼中压降-摩阻四、压裂液滤失的三个过程滤饼区的流动 滤饼控制过程侵入区的流动 压裂液粘度控制过程地层流体的压缩 地层流体粘度及压缩控制过程压裂液滤失系数造壁性影响的滤失系数压裂液粘度影响的滤失系数地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数1 造壁性影响的滤失系数Cw 假设：滤饼的沉积厚度与通过缝壁的滤失量成比例关系。滤饼对压裂液的渗透率与其厚度的大小无关，亦即不

12、随时间而变化；滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律。数据处理当P试验P真实时2 压裂液粘度影响的滤失系数Cv假设压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动；压裂液呈活塞式侵入，即侵入段地层流体被顶替；压裂液和地层岩石均不可压缩；压差v为常数。理论基础：达西定律计算实际滤失速度 最终得到:m2MPamPa.S3 地层流体压缩性影响的滤失系数Cc 假设：地层流体可压缩，其压缩系数为f（等于常数）；c为常数；渗滤前缘的位置不随时间变化。地层中的渗流方程为：边界条件：初始条件：最终解得：MPamPaSm2MPa-14 综合滤失系数PwPvPcPs通常，用P代替PW，PV，PCC3C1C2综合滤失系数调和平均法：

13、电容串联压力平衡法：非造壁性压裂液造壁性压裂液调和平均法压力平衡法非造壁性压裂液 P=PV+PC造壁性压裂液P= Pw + PV+PC例6-2 已知油层渗透率k=2.510-3m2,孔隙度=0.2,地层流体粘度R=2mPa.s,综合压缩系数cf=610-3MPa-1,压裂液粘度f，压裂液造壁性滤失系数cw=1.810-3m/ ，裂缝壁面面内外压差p=18MPa。按调和法计算综合滤失系数c五、压裂液对储层的伤害及保护按压裂液作用位置分：地层基质伤害支撑裂缝伤害按流体性质分：液体伤害固体伤害压裂液滤饼和浓缩胶压裂液对储层的伤害压裂液在地层中滞留产生液堵地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生的伤害压裂液

14、与原油乳化造成的地层伤害润湿性发生反转造成的伤害压裂液残渣对地层造成的损害压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害压裂液液体污染 (1) 粘土水化与微粒运移 (2) 压裂液在孔隙中的滞留 (3) 润湿性压裂液固相堵塞来源基液或成胶物质的不溶物降滤剂或支撑剂中的微粒压裂液对地层岩石浸泡而脱落下来的微粒化学反应沉淀物等固相颗粒。作用形成滤饼后阻止滤液侵入地层更远处，提高了压裂液效率，减少了对地层的伤害；它又要堵塞地层及裂缝内孔隙和喉道，增强了乳化液的界面膜厚度而难破胶。 压裂液浓缩压裂液的不断滤失和裂缝闭合，导致交联聚合物在支撑裂缝内的浓度提高（即浓缩）。支撑剂铺置浓度对压裂

15、液浓缩因子有较大影响，随着铺砂浓度降低，压裂液浓缩因子提高，此时不可能用常规破胶剂用量实现高浓缩压裂液的彻底破胶，形成大量残胶而严重影响支撑裂缝导流能力。第三节 支撑剂支撑剂性质及种类裂缝导流能力及其影响因素支撑剂的选择支撑剂颗粒的沉降支撑剂特性要求强度高、硬度适中粒径均匀圆球度好化学惰性、温度稳定性好质量高，杂质含量少密度低货源广、价格低一、 支撑剂类型硬脆性支撑剂 其特点是硬度大，变形很小； 石英砂（砂子） 陶粒 铝球 玻璃珠韧性支撑剂 其特点是变形大，在高压下不易破碎 核桃壳 树脂包层支撑剂1 石英砂（砂子）主要成分：SiO2 和少量杂质主要特点： 1) 园球度较好的石英砂破碎后，仍可保

16、持一定的导流能力。 2) 密度相对低，便于泵送。 3) 强度较低，适用于低闭合压力储层。 4) 砂子在筛选或清洗不好，含粉砂杂质时，导流能力都会明显降低。 5) 石英砂货源广、价格便宜。主要产地：甘肃兰州砂、江西永修砂、福建福州砂、湖南岳阳砂、湖北蒲圻砂、山东荣城砂、河北承德砂、吉林农安砂、陕西定边砂及新疆和丰砂等。2 陶 粒类型：中强度支撑剂(ISP)（铝矾土或铝质陶土） 高强度陶粒支撑剂（铝矾土或氧化铝）特点： a. 强度很高； b. 高温碱性液中陶粒溶解率低（3.5%）； 而石英达50%； c. 长期导流能力高； d. 密度较高(27003600kg/m3)，泵送困难； e. 加工工艺困

17、难，价格昂贵。3 塑料包层支撑剂 特殊工艺将酸性苯酚甲醛树脂包裹在石英砂表面，并经热固处理而成，比重约为。种类： 预固化树脂包层砂 固化树脂包层砂 二、支撑剂物理性质评价(1) 支撑剂粒度组成及分布(2) 园球度和表面光滑度。(3) 浊度(4) 密度：真密度(或颗粒密度) 视密度(或体积密度)(5) 酸溶解度(6) 抗压强度我国支撑剂物理性质评价结果表三、 裂缝导流能力评价定义：裂缝导流能力是指裂缝传导流体的能力。填砂裂缝的导流能力定义为支撑后的裂缝渗透率f与支撑后的裂缝宽度w之积。即填砂裂缝导流能力。 fw类型:长期导流能力短期导流能力我国部分支撑剂导流能力 (1998)1 支撑剂性质对FR

18、CD的影响(1) 支撑剂类型和形状低应力情况下，有棱角的支撑剂相互搭接、相互支撑，有更高的孔隙度及渗透率，因此，导流能力更高。但在高应力情况下，园球度好的支撑剂受到的表面应力更均匀，能承受更高的载荷不破碎，因此有更高的导流能力。(2) 支撑剂粒度组成图6-12反映了粒度分布对导流能力的影响，图中曲线A, B均为成都陶粒，其中以上颗粒重量分别约为81.5%和56.6%。支撑剂粒径对裂缝导流能力有很大的影响;给定粒度范围内，大颗粒所占比例越多，导流能力越高。颗粒越均匀，导流能力越高。(3) 铺砂浓度方式 单层局部排列 单层全排列 多层排列实验结果定义：单位面积上的支撑剂重量。(4) 支撑剂质量长石

19、含量对导流能力的影响微粒对兰州砂导流能力的影响 2 地层条件对FRCD的影响（1）闭合压力（2）地层岩石硬度地层岩石的软硬对导流能力的影响与支撑剂颗粒的强度和硬度有关。 当支撑剂强度低时，影响导流能力的主要是破碎问题; 当支撑剂强度高时， 支撑剂颗粒嵌入裂缝壁面是影响导流能力的主要因素。(3) 环境条件图流体介质图地层温度 3 压裂液性能对FRCD的影响 残渣降低支撑带渗透率。 胍胶压裂液，残渣含量取决于成胶剂浓度、破胶剂类型及浓度。4 流动条件对FRCD的影响非达西流动多相流效应5 承压时间对FRCD的影响四、 支撑剂的选择内容 支撑剂强度 地岩岩石硬度 支撑剂颗粒大小 支撑剂密度 支撑剂浓

20、度（排列方式）考虑因素 地质条件（如闭合压力、岩石硬度、温度、物性） 工程条件（压裂液性质、泵注设备） 经济效益1 裂缝导流能力确定原则(1) McGuire & Sikora (1960)图版法给定闭合压力下，从现有支撑剂的导流能力入手，得到不同穿透比时期望获得的增产倍数(压后产量)；从预期的产量出发，按照不同穿透比所需要的导流能力选择支撑剂（2） Cinco(辛科)准则P2652 支撑剂类型选择在闭合压力较高时，应考虑使用高强度支撑剂，如陶粒等。在闭合压力较低时，只要砂子不破碎，低强度支撑剂仍能起到支撑裂缝的作用。它在浅井浅层应用的特别广泛。当闭合压力达到0MPa时,原则上不再使用石英砂,

21、应使用象陶粒等更高强度的支撑剂,陶粒在闭合压力为70MPa时也很少破碎。3 支撑剂粒径选择(1) 闭合压力(2) 允许支撑剂填充的裂缝宽度 (3) 输送支撑剂的要求4 支撑剂铺置浓度第四节 水力压裂设计模型裂缝延伸二维模型 卡特模型 Carter， 1957年 CGD 模型 Christianovich、Geertsma、Deklerk、 Danesshy PKN 模型 Perkins和Kern 提出, Norgren完善裂缝延伸三维模型一、卡特模型HfLfWf1 几何模型2 主要假设(1)裂缝等宽。(2)压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层(3)地层中某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间

22、, 即:(4)忽略流体压缩性。(5)裂缝中各点压力相同, 均等于井底的 延伸压力。3 计算公式忽略压缩性，由物质平衡： Q=QL+QF+ Qs用拉氏变换, 最终得裂缝面积公式:二、 CGD 模型1 几何模型 Christianovich、 Geertsma、Deklerk DaneshyW(x,t)L(t)H2 假设条件(1)岩石为均质各向同性。(2)岩石变形服从线弹性应力应变关系。(3)流体在缝内作一维层流流动, 缝高方向 裂缝呈矩形。(4)缝中X方向压降由摩阻产生, 不考虑动能 和势能影响。(5)裂缝高度和施工排量恒定。3 理论基础运用了体积平衡方程压降与宽度关系由泊稷叶理论导出用Engl

23、and和Green公式求缝宽时, 还运用了裂缝平衡延伸理论。此模型是现在最常用的两个二维延伸模型之一。4 计算公式对于单翼缝 f1=o.68; f2=1.87; f3对于双翼缝 f1=o.48; f2=1.32; f3三、 PKN 模型1 几何模型 Perkins & Kern NorgrenL(t)W(0,t)HW(x,t)2 假设条件(1)裂缝为垂直裂缝, 其高度恒定，裂缝高度方向 上为椭圆面。(2)压裂液沿缝长作稳定的一维层流流动， 且沿裂 缝面线性滤失； (3)裂缝前端液体压力等于地层最小水平主应力(4)t时刻x断面上横截面最大宽度与缝中净压力成 正比: W(x,t)=2(1-2 )p

24、Hf/E (5)施工排量恒定。(1)不滤失情形宽度方程3 计算公式（牛顿型压裂液）压降方程（2）滤失情况宽度方程对于单翼缝 f1=1.0; f2=2.016; 对于双翼缝 f1=0.5; f2=1.425; 对于单翼缝 f1=0.6; f2=3.00; f3对于双翼缝 f1=0.395; f2=2.52; f3四、PKN和CGD模型的比较第五节 支撑剂输送 支撑剂的沉降特性 沉降布砂设计 悬浮布砂设计受力分析 固体颗粒的重力 流体对固体颗粒的浮力 颗粒的运动阻力重力浮力阻力颗粒一、 支撑剂的沉降特性 1 单颗粒自由沉降速度概念 自由沉降 干扰沉降重力浮力阻力重力浮力阻力颗粒 F=Fg-Fb当F

25、Fd时 CD与雷诺数有关，雷诺数与vP有关Novotny公式 当NRep 500时 fc=Cf22 干扰沉降Brown 公式3 壁面影响当 NRep100当 1 Nre 100 用内插法求fw4 颗粒形状对沉降速度的影响 支撑剂颗粒都是不规则的颗粒，而不是规 则的球体。（有些接近于球形） 颗粒的形状是不规则的，比同体积的球体表 面积大； 颗粒的表面是粗糙的； 颗粒的形状是不对称的不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度支撑剂在幂律液体中的沉降用视粘度a代替 （层流）思路：支撑剂在裂缝高度上的分布平衡流速、平衡高度的计算砂堤的堆起速度平衡时间二、沉降型布砂设计1 支撑剂在裂缝高度上的分布 概念

26、：平衡状态：悬浮状态 平衡流速：相应的液流速度 平衡高度：相应的砂堤高度颗粒浓度分布(垂向)区域I：砂堤区域II：砂堤上的滚流区区域III：悬浮区区域IV：无砂区 浓度缝高图6-20 砂浓度沿缝高分布2 平衡流速与阻力流速平衡流速HEQhEQVEQ平衡高度自学 P273P275问题 1 区别牛顿流体和非牛顿流体的计算公式2 复习湿周与过流面积的关系3 区别层流和紊流下阻力速度与平衡流速的关系4 砂堤堆起速度与流速和平衡流速的关系5 由砂堤堆起高度与时间的经验关系得到什么？6 平衡时间的计算方法三、全悬浮布砂设计技术背景研究目的1.计算缝内砂比沿缝长变化基础上，找出满足设计要求的导流能力的加砂步

27、骤。2.避免在缝中出现砂比过高的砂卡现象。第六节 水力压裂评价水力裂缝评价：评价压裂设计、压裂施工有效性和压后效果。工艺效果：评价所实施压裂工艺技术的适应性和有效性。经济效益分析：寻求提高技术水平和改善其经营管理的基本途径。直接测试法(裸眼井):井下电视法、地层微扫描仪和噪声测井等。间接测试方法(裸眼井和套管井)微地震法、井温测井、伽玛测井和声波测井等。1979，Nolte创造性地提出了利用压裂压力降落曲线确定裂缝和压裂参数的方法,开辟了解释地下裂缝参数的新途径。一、水力裂缝评价确定压裂裂缝高度的方法：lgtlgp四种典型压力曲线：(2) 斜率为0的线段：表示缝高稳定增长到应力遮挡层内，也可能

28、是地层内天然微裂缝张开，使滤失量与注入量持平。(3)斜率为1的线段：表示裂缝端部受阻，缝内压力急剧上升；应合理控制砂比和排量，以免缝内发生砂堵。而对于缝端脱砂压裂施工，则希望在一定缝长时形成砂堵，通过控制砂比和排量，使裂缝完全填满。(4) 斜率为负段：表示裂缝穿过低应力区，缝高不稳定增长；也可能是沟通了天然裂缝，使滤失量大大增加。此结果会造成裂缝内砂堵，压力又将很快上升（如段）。(1)正斜率很小的线段：斜率范围。表示裂缝在高度方向延伸受阻，为正常的施工曲线。二、 工艺效果分析增产有效期 ：某井从压裂施工后增产见效开始至压裂前后产量递减到相同的日产水平所经历的时间。增产倍比：指相同生产条件下压裂

29、后与压裂前的日产水平之比。 图版法 近似解析法 数值模拟法1 McGuire & Sikora图版纵坐标为增产倍比横坐标为：a. 对低渗透储层（k0.510-3m2.m。3) 含油饱和度：含油饱和度一般应大于35%。4) 孔隙度：一般孔隙度为615%才值得压裂； 若储层厚度大，最低孔隙度为67%。5) 高污染井:解堵不是压裂的主要任务,而是必然结果。二、确定入井材料1优选压裂液体系(1)筛选基本添加剂(增稠剂、交联剂、破胶剂) 配制适合本井的冻胶交联体系。(2)筛选与目的层配伍性好的粘土稳定剂、润 湿剂、破乳剂、防蜡剂等添加剂系列。(3)筛选适合现场施工的耐温剂、防腐剂、消 泡剂、降阻剂、降滤剂、助排剂、pH值 调节剂、发泡剂和转向剂等。2选择支撑剂 依据目的层闭合压力选择支撑剂类型，并按石油行业标准对其性能进行全面评定，通过选择支撑剂粒径，铺砂浓度和加砂方