第1章水力压裂

第一章水力压裂内容提要水力压裂造缝机理压裂液支撑剂水力压裂延伸模拟支撑剂输送水力压裂评价与设计压裂工艺技术1压裂:分类:水力压裂:利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将高粘压裂泵入井内而在井底产生高压，当压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时，就在地层产生裂缝。继续泵注带有支撑剂的压裂液，使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长的、有一定导流能力的填砂裂缝，从而实现油气井增产和水井增注。hydraulicfracturing2增产增注机理：沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近地带的油气渗流条件；解除近井地带污染3&1水力压裂造缝机理破裂加砂停泵裂缝延伸压力裂缝闭合压力前置液携砂液裂缝闭合井筒摩阻净裂缝延伸压力地层压力致密地层天然裂缝地层4一、地应力场分析与测量地应力场原地应力场扰动应力场重力应力构造应力热应力孔隙流体压力51.重力应力场上覆岩层重力：有效垂向应力：（一）

地应力场水平主应力分量：6因岩体水平方向上应变收到限制，εx=0，εy=0。则泊松效应引起的水平主应力场为。考虑孔隙流体压力后的地层水平主应力为：

。2.构造应力场定义：构造运动引起的地应力增量。它以矢量形式叠加在地层重力应力场，使得水平主应力场不均匀。73.热应力场定义：指由于底层温度变化在其内部引起的内应力增量，与温度变化量和岩石性质有关。将油气藏边界视为无穷大，考虑其侧向应变收到约束，温度变化引起的水平应力增量σx，σz为。8确定方法水力压裂法实验室分析方法测井解释方法有限元模拟滞弹性应变恢复ASR微差应变分析DSCA（二）地应力场的确定9（三）人工裂缝方位原理：根据最小主应力原理，岩石破裂面垂直于最小主应力方向如图所示：当σz最小时，形成水平裂缝当σy最小时，形成垂直裂缝第一大节10二、破裂压力1.井筒应力分布（一）井壁最终应力分布11由上式知，可以得出什么结论？问题：最大最小周向应力在什么地方？122.向井筒注液产生的应力分布按弹性力学理论计算应力分布：结论？133.注入液径向渗入地层引起的应力周向应力值近视为：4.井壁最终应力分布将上述几种周向应力叠加总存在两个方向受到的周向应力最小：井壁处的周向应力简化为：14（二）水力压裂造缝条件准则:最小主应力达到物体的抗张强度σt就会破坏。1.形成垂直裂缝存在压裂液滤失最大张应力准则:当井壁岩石的有效周向应力达到井壁岩石水平方向的最小抗张强度σht，有效周向应力：破裂压力：15无压裂液滤失有效周向应力：破裂压力：2.形成水平裂缝条件:井壁岩石的有效垂向应力达到井壁岩石垂直方向的最小抗张强度σVt,形成水平缝。有压裂液滤失有效垂向应力：16破裂压力：修正破裂压力：无压裂液滤失破裂压力：修正破裂压力：17（三）破裂压力梯度定义:某点破裂压力与该点深度的比值。计算？理论计算统计范围:<0.015~0.025MPa/m与裂缝形态的关系:<0.015~0.018MPa/m，垂直缝；＞0.022~0.025MPa/18m，水平缝fracturepressuregradient18三、降低破裂压力的途径主要途径改善射孔参数高能气体压裂酸化预处理解除射孔污染增加孔眼有效深度溶解胶结物成分19&2压裂液

fracturingfluid作用:传递压力；起裂和延伸裂缝；携砂。按作用分前置液携砂液顶替液起缝、延伸裂缝、冷却延伸裂缝、悬砂顶替砂浆压裂液：压裂施工过程中所用的工作液的总称。fracturingfluid20对压裂液的要求:与地层配伍；有效悬浮和输送支撑剂；滤失少；摩阻低；低残渣；易返排；热稳定性；抗剪切稳定性。21一、压裂液类型221.水基压裂液类型水稠化水水基冻胶清水+稠化剂等清水+稠化剂+交联剂+破胶剂等稠化剂作用:增加粘度；降低滤失；悬浮和携带支撑剂。种类:植物胶；植物胶衍生物；纤维素衍生物；工业合成聚合物。23交联剂作用:交联聚合物线性大分子，形成网状体型结构种类:两性金属、含氧金属破胶剂作用:使冻胶压裂液降解（化水）种类:氧化破胶剂、生物酶体系、有机弱酸油基压裂液:碳酸铵盐、氧化钙、氨水24水基压裂液的适用性:大多数储层；不适宜于低压储层；不宜用于油湿地层；不能用于强水敏地层。优点:成本低；安全；缺点:伤害（水敏、油水乳化、残渣）；252.油基压裂液组成:油+增稠剂+交联剂等油:原油、柴油、煤油及凝析油优点:避免水敏；自动破胶；缺点:摩阻高；风险大；高温稳定性差；适用性:263.乳化压裂液组成:油+水+表面活性剂等水相水盐水稠化水水冻胶酸类醇类油相原油成品油凝析油乳化类型油包水水包油优点:地层伤害小；摩阻较高；抗温性较差；成本高；274.泡沫压裂液定义:气体分散于液体的分散体系。组成:水相+气相+气泡剂水相稠化水水冻胶酸液气相CO2N2醇液空气特点:地层伤害小，摩阻小，效率高，抗温性差。28二、压裂液添加剂additive1.pH调节剂作用:控制交联剂和交联时间所要求的pH值；加速/延缓聚合物的水合作用；保证压裂液处于破胶剂的有效作用范围。常用pH调节剂:氢氧化纳、碳酸氢纳、磷酸氢钠、醋酸钠、甲酸、醋酸等292.杀菌剂3.粘土稳定剂KCl稳定机理:通过阳离子防止阳离子交换阻止粘土颗粒扩散。特点:效果好，但有效期短。季胺稳定机理:带正电的基吸附在带负电的粘土质点，其烃链从质点向外伸展形成“有机屏障”保持粘土颗粒呈不分散状态。30阳离子型稳定机理:吸附粘土表面，束缚微粒迁移和膨胀。特点:作用时间长。4.破乳剂5.降滤剂类型:硅粉、乳状液、油溶性树脂。5.其它添加剂抗温剂、气泡剂、减阻剂、转向剂等第二大节31三、压裂液流变性rheologicalproperty压裂液流变性:指压裂液在外力作用下产生运动和变形特性的关系。水、活性水、稠化水、油冻胶、粘弹性聚合物、泡沫压裂液泡沫压裂液321.压裂液的流变性牛顿型：非牛顿型幂律型：视粘度：圆管稠度系数：裂缝稠度系数：宾汉型：2.压裂液流变性的测定方法333.压裂液的摩阻计算管路摩阻射孔孔眼摩阻Esso公司公式：Amoco公司公式：缝流摩阻34四、压裂液的滤失性滤失过程:压裂液造壁性控制的压裂液经过滤饼向地层滤失（滤饼区），然后是压裂液粘度控制的滤液侵入地层过程（侵入区），最后是受地层流体压缩性和流动控制的第三个区域（压缩区）。351.压裂液的造壁性滤失系数静态造壁性滤失系数：修正：用途:静态滤失系数用于筛选评价压裂液36用途:动态滤失系数为压裂设计提供参数372.受压裂液粘度控制的滤失系数假设条件:侵入符合达西定律；活塞驱动压裂液的实际滤失速度：积分求L，回代达西定律滤失系数：383.受地层流体压缩性控制的滤失系数4.综合滤失系数调和法：分压降法：非造壁液：造壁液：39例:已知油层渗透率K=2.5×10-3μm2，孔隙度φ=0.2，地层流体粘度μR=2mPa∙s，综合压缩系数cf=6×10-3MPa-1，压裂液粘度μf=2mPa∙s，压裂液造壁性滤失系数cw=1.8×10-3m∙min0.5，裂缝壁面内外压差△p=18MPa。求综合滤失系数c。五、压裂液对储层的伤害与保护液体污染:粘土水化和微粒运移；压裂液滞留；润湿性。固相堵塞压裂液浓缩40作业作业1：已知油层渗透率K=2.5×10-3μm2，孔隙度φ=0.2，地层流体粘度μR=3mPa∙s，综合压缩系数cf=6×10-3MPa-1，压裂液粘度μf=2mPa∙s，压裂液造壁性滤失系数cw=1.8×10-3m∙min0.5，裂缝壁面内外压差△p=18MPa。求综合滤失系数c。41&3支撑剂

proppant支撑剂：作用：要求:承受高闭合应力；密度低；化学惰性；粒度均匀、圆球度好，粒径尽量大；杂质少；货源充足，价格便宜。140MPa<2g/cm3200℃盐水42一、支撑剂类型1.硬脆性支撑剂硬脆性支撑剂:指支撑剂硬度大，在闭合应力下不宜变形的支撑剂。类型:石英砂、陶粒。石英：应用比重:组成:43石英砂的特点:破碎后仍具有一定的导流能力；密度相对较低；可作为降滤剂；适合于低闭合应力地层；价格便宜。产地:新疆、兰州、福州、岳阳、内蒙中强度陶粒：制造:铝矾土或铝质陶土44组成:铝质+硅质+其它氧化物产地:宜兴高强度陶粒：制造:铝矾土或氧化铝组成:氧化铝+氧化硅+氧化铁+氧化钛产地:成都、唐山45陶粒的特点:强度高；导流能力高；导流能力递减慢；密度高；价格高。2.韧性支撑剂韧性支撑剂:在较高闭合压力作用下相对容易变形而不破碎的支撑剂。类型:树脂砂、核桃壳。46树脂砂预固化树脂砂可固化树脂砂3.支撑剂在闭合应力下的状态嵌入岩层破碎受压变形二、支撑剂性能1.支撑剂物理性质粒度组成及分布；圆球度及表面光滑度；浊度；密度；酸溶度；抗压强度。真密度、视密度？测定支撑剂性能472.支撑剂导流能力定义:支撑剂在储层闭合压力下通过或输送储层流体的能力，表示为Kf∙w，单位μm2∙cm。FRCD,fractureconductivity分类短期导流能力长期导流能力评价和选择支撑剂压裂效果评价48支撑剂类型和形状对导流能力的影响表1

我国部分支撑剂导流能力(铺砂浓度5.0kg/m2)闭合压力MPaφ0.5~φ0.8石英砂φ0.5~φ1.25石英砂φ0.45~φ0.90陶粒甘肃兰州砂湖南岳阳砂甘肃兰州砂湖南岳阳砂宜兴陶粒成都陶粒FECDKFECDKFECDKFECDKFECDKFECDK1088276822601063531795531534621415152042142481435921169225111347115421301562227524992793852729234540629622057428350-441485722160-31108451777013462811649支撑剂粒度组成的影响铺砂浓度的影响铺砂浓度50支撑剂质量的影响51地层条件的影响:闭合压力；岩石硬度；环境条件（地层流体介质和地层温度）。压裂液的影响流动条件的影响:非达西效应；多相流效应；承压时间。52三、支撑剂选择1.裂缝导流能力确定原则图版法辛科准则垂直缝：水平缝：532.支撑剂类型闭合应力法石英砂<40MPa：高强度陶粒>40MPa：井深法石英砂<3000m陶粒>3000m：3.支撑剂粒径的选择考虑因素:闭合压力；裂缝宽度；输送要求。4.支撑剂铺砂浓度缝长导流能力支撑剂粒径铺砂浓度闭合压力第三大节54&4水力压裂裂缝延伸模拟

压裂模型的分类集总参数模型拟三维模型全三维模型二维模型55一、卡特面积公式假设条件：压裂液沿裂缝面垂直、线性向地层流失；滤失速度取决于该点暴露于压裂液的时间；忽略流体压缩性；裂缝中各点压力相同，等于井底注入压力。56原理：物质平衡原理，注入裂缝的液量等于裂缝体积增量与滤失量之和。根据Carter模型的几何假设，上式改写成：57进行Laplace变换，可解出裂缝壁面面积：erfc（x）为x的误差补偿函数：58对于垂直对称双翼裂缝，如果已知缝高Hf，则单翼缝长为：对于水平裂缝，裂缝半径为：59二、PKN模型PKN模型是由Perkins&Kern提出，Nordgren加以完善。其几何模型如图所示。60假设条件：裂缝高度为常数，垂直于缝长方向横截面为椭圆；压裂液沿缝长作稳定的一维层流流动，且沿裂缝壁面线性流失；沿缝长方向的压降完全由流体的流动阻力引起，在裂缝延伸前缘，流体压力等于地层最小水平主应力；t时刻x断面上悬浮最大宽度与缝中静压力成正比；注液排量保持恒定。61对于注入时间t，基于物质平衡原理，可得到裂缝中x断面处流体流动连续性方程：基于弹性力学理论，可得到裂缝张开宽度方程：621.牛顿型压裂液Lamb研究了压裂液在椭圆裂缝中流动时的压力梯度为：1）不滤失情形(qL=0)Perkins&Kern忽略面积A随时间的增加而引起的流量降低，导出下面计算公式：63对于单翼缝：对于双翼缝：642）滤失情形当滤失系数相当大的时候∂A/∂t<<qL。忽略∂A/∂t的影响，Nordgren按Laplace变换求解裂缝几何尺寸：对于单翼缝：对于双翼缝：思考：计算裂缝尺寸的步骤？652.幂律型压裂液不滤失由幂律型压裂液在两平行裂缝壁面间的流变学特征，流体视粘度为：代入Lamp方程得到压降方程计算沿裂缝的压力分布。思考：如何计算裂缝几何尺寸？66三、CGD模型CGD模型也称KGD或GDK模型。其几何模型如图所示。67基本假设：地层为各向同性均质地层，岩石线弹性应变主要发生于水平面上；牛顿型压裂液在裂缝中作稳定层流流动，垂直剖面上流体压力为常数，排量恒定；裂缝高度为常数（储层有效厚度）；地层为非渗透性地层；68根据泊稷叶理论，牛顿液在裂缝中流动时的压降方程为：根据England和Green计算裂缝宽度延伸的积分公式得：69裂缝在均质脆性体内平衡延伸时，裂缝中压力和地层应力综合作用使裂缝尖端光滑闭合：对于单翼缝：对于双翼缝：思考：如何计算裂缝几何尺寸？70四、CGD与PKN模型的比较项目PKN模型CGD模型几何形状垂直剖面为椭圆形；水平剖面为（2n+2）次抛物线形裂缝长而窄垂直剖面为矩形水平剖面为椭圆形裂缝短而宽应变平面应变发生于垂直剖面，层间无滑动；裂缝张开在垂直剖面求解平面应变主要发生在水平剖面；层间有滑动；裂缝张开在水平裂缝求解应力行为井底压力随时间增加而升高，随缝长增加而增加p(t)∝te,1/4n+4<e<1/2n+3井底压力随施工时间逐级降低，随缝长增加而递减p(t)∝te,e=-1/371五、裂缝三维延伸模拟压裂模型的基本方程宽度方程高度方程（延伸准则）流体压降方程连续性方程72&5支撑剂输送

一、支撑剂沉降特性1.单球型颗粒自由沉降2.干扰沉降733.裂缝壁面效应当Rep<1当Rep>100

当1≤Rep≤100,按线性插值确定fw

4.支撑剂在垂直裂缝压裂液中的沉降速度74二、沉降型布砂设计平衡状态时支撑剂浓度在缝高方向上分布图Ⅰ区（砂堤区）：为沉降下来的砂堤。Ⅱ区（颗粒滚流区）：颗粒沉降与卷起处于动平衡状态Ⅲ区（悬浮区）：颗粒呈悬浮状态Ⅳ区（无砂区）：无支撑剂，只有压裂液施工排量和压裂液粘度如何影响砂分布？第四大节751.平衡流速与阻力速度平衡流速：已知平衡流速，则平衡高度为：：76Thomas由实验数据计算出各种条件下的阻力速度。牛顿流体：非牛顿流体：77水力半径等于过流面积与湿周之比：紊流：层流：782.砂堤堆起速度与平衡时间当缝中流速达到平衡流速时，沙堤停止增高，处于平衡状态：若以h表示对应的流动断面高度，由几何关系：根据定义：79改写平衡流速定义公式，两边取定积分：并令：则：平衡时间：假设沙堤达到平衡高度的95%，就认为已达到平衡高度，则80三、悬浮型布砂设计裂缝高度为hf；平均宽度为w，裂缝各处的宽度和高度相等，且不随时间变化；压裂施工排量Q恒定，支撑剂在裂缝中不沉降；注入前置液体积Vpad，携砂液体积Vslurry；1.假设条件812.划分计算单元将前置液和携砂液划分为体积为V（0）的若干均等单元，则前置液与携砂液的单元段数Sp、St以及注完V（0）体积所需的时间分别为：显然，地面第s段携砂液（s=1，2，...ST）泵入裂缝后，随着时间的增加，其体积Vs（1），Vs（2），...，Vs（m）...，Vs（n）。m=1，2，，...n；n=ST-s+1.823.第S段携砂液的滤失速度按平均滤失时间计算或按进入裂缝到停泵时滤失速度的平均值计算。4.第s断携砂液滤失体积百分数835.停泵时地面第S携砂液在缝中体积6.停泵时地面第S携砂液的砂浓度7.裂缝闭合后的单翼填砂缝长84四、改善支撑剂在裂缝中分布的途径首先采用高粘悬浮液将小颗粒支撑剂输送到裂缝远处，使压开的裂缝完全支撑，得到更长的填砂缝长；在井底附近裂缝采用低粘度压裂液使大颗粒支撑剂沉积，充分利用动态裂缝宽度，从而得到更高的裂缝导流能力。85作业2：牛顿型压裂液粘度μf=40mPa.s，密度f=1000kg/m3；石英砂支撑剂颗粒密度s=2650kg/m3，平均粒径dp=1.143×10-3m，砂比S=10%；裂缝高度Hf=10m，裂缝宽度w=4.76×10-3m；试计算双翼裂缝中排量Q为1和2.5m3/min时的平衡高度和平衡时间。作业86&6水力压裂评价评价内容经济效益分析工艺效果评价水力裂缝评估开发效果评价87一、水力裂缝评估88二、工艺效果分析增产有效期：指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后和压裂前的日产水平或采油指数之比。891.McGuire&Sikora曲线法902.典型曲线法913.Raymond&Binder公式法4.数值计算模拟方法92三、水力压裂经济分析1.压裂经济分析方法2.产量递减模式3.压裂施工成本第六大节93&7水力压裂设计地层条件设备能力压裂液支撑剂加砂方式施工方案配产方案增产倍数压裂液支撑剂布砂方式施工规模94一、选井选层主要影响因素正确选择压裂对象储层地质特征岩石力学性质孔渗饱特性油层油水接触关系井筒技术要求界面性质与致密性95油气井低产的原因：钻井、完井、修井等对地层伤害；油气层渗透率很低，常规完井方法难以经济开采；“土豆状”透镜体地层；油气藏压力已经枯竭，即油气剩余能量不足961.储层物性评估岩心分析粘土矿物分析储层地质特征岩石力学性质试井分析972.选井选层原则低渗透地层：优先压裂，加大规模；足够的地层系数，Kh>0.5×10-3μm2·m含油饱和度：大于35%；孔隙度：6-15%高污染井。98二、确定入井材料1.优选压裂液体系筛选基本添加剂，配制适合本井的冻胶交联体系：筛选与目的层配伍性好的添加剂；筛选适合现场施工的各种表面活性剂；对选择的压裂液，在室内模拟来测定其流变性及摩阻系数，并按石油行业标准进行全面测定。2.选择支撑剂99三、水力压裂设计计算主要任务在给定的储层和井网条件下，根据不同缝长和导流能力预测压后生产动态；根据储层条件选择压裂液、支撑剂和加砂浓度，并确定合理用量；根据井下管柱和井口装置的压力极限选择合理的泵注排量与泵注方式，地面泵压，和压裂车数；确定压裂泵注程序；进行压裂经济评价，是压裂作业最优化。1.压裂设计基础参数1002.压裂设计计算内容1）注入方式选择2）施工排量3）液量与砂量4）井口施工压力5）施工功率6）压裂车台数1013.水力压裂设计计算步骤确定前置液量，混砂液量及砂量；选择适当的施工排量、计算施工时间；计算动态几何裂缝尺寸；支撑剂在裂缝中的运移分布，确定支撑裂缝几何尺寸；预测增产倍数。4