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1、水力压裂设计 Hydraulic Fracturing,背景,垂直井单相油流 产量公式,对具体井，地层条件( ko, h)、流体性质( o, Bo)和井特性( re, rw )已经确定。提高产量的措施:,注水保持地层压力; 人工举升降低井底流动压力; 对于低渗透储层：水力压裂,第一节 水力压裂概述,水力压裂示意图,压裂材料：压裂液和支撑剂 施工参数：排量和压力 压裂设备：泵车(组)、液罐、砂车、仪表车,力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。 生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果,问题： 储层应力环境地应力场 (2) 水力裂缝方位 (3) 破裂压裂计算与预测 基本思路：,地应力 存在于地壳内部
2、的应力，是由于地壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综合作用引起介质内部单位面积上的作用力。,地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态.,主应力: x ， y， z ; 应变: x， y， z,第二节、地应力分析与破裂压力1 地应力场,原地应力：重力应力 构造应力 孔隙流体压力 热应力,地应力构成：原地应力 + 扰动应力。,其中：r(h) 为上覆岩层密度，由密度测井曲线获得。,(1) 重力应力（上覆压力）, 为Boit孔隙弹性常数。,有效垂向应力为,由广义虎克定律计算总应变,研究对象：地层中任意单元体。,由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力,(2) 构造应力,定义：地壳的构造运动引起的岩体之间的
3、相互作用力。是地应力的一个分量。,来源：各种构造运动，包括： 区域构造巨大构造单元间的相互作用力； 局部构造产生于局部地区岩体之间。如断层、岩层弯曲等。,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。,断层和裂缝发育区 正断层，水平应力x可能只有垂向应力z的1/3。,右旋走向滑动断层,正断层,逆断层, 逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z的3倍。,(3) 热应力,原因：地层温度变化引起的内应力增量。 计算方法,特点：与温度变化、岩石力学性质有关 产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水,2 人工裂缝方位,原理
4、：裂缝面垂直于最小主应力方向,当z最小时，形成水平裂缝； 当Y或xz，形成垂直裂缝。,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向； 基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝,y,二、水力压裂造缝机理 1 井壁最终应力分布,(4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理)地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力,2 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
5、：,当破裂时，Pi=PF,1.94,无液体渗滤,有效总垂向应力为：,当破裂时，Pi=PF,0.94,3 破裂压力梯度,定义,理论计算 (垂直裂缝形态),矿场统计,当F 0.0220.025 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（井壁崩落法）,（2）岩心分析（实验室） 滞弹性应变恢复 （ASR） 微差应变分析 （DSCA）,（4） 有限元计算,（3） 测井解释,第三节 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
6、有清孔液、前垫液、预前置液）,对压裂液的性能要求,(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 。,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
7、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
8、 GDK 模型 Christianovich、Geertsma、Deklerk PKN 模型 Perkins和Kern 提出, Norgren完善 裂缝延伸三维模型,一、卡特模型1 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, 即:,(4)地层中各点速度函数相同。 (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(t)=QL(t)+QF(t) 用拉氏变换, 最终得裂缝面积公式:,二、 GDK 模型,1 几何模型Khristianovich、 Geert
9、sma、Deklerk Daneshy,2 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England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,式中,三、 PKN 模型,1 几何模型 Perkins （2）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； （3）根据
10、井下管柱与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； （4）确定压裂泵注程序； （5）进行压裂经济评价，使压裂作业最优化。,一、选井选层,考虑因素 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、岩层间界面性质与致密性、井筒技术要求。 油气井低产原因 （1）由于钻井、完井、修井等作业过程对地层伤害使近井地带造成严重的堵塞； （2）油气层渗透率很低，常规完井方法难以经济开采； （3）“土豆状”透镜体地层，单井控油面积有限，难以获得高产； （4）油气藏压力已经枯竭 前三种情况可以采取适当的压裂措施。,1 储层物性评估,储层地质特征 粘土矿物分析 岩石力学性质 岩
11、心分析 试井分析,2 井筒技术要求,压裂设计符合套管强度要求； 固井质量合格； 井底无落物。,3 储层条件,地质条件 储量和能量。 压裂侯选井 1) 低渗透地层：渗透率越低，越要优先压裂，越要加大压裂规模。 2) 足够的地层系数：一般要求kh0.510-3m2. 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：压裂作业只能改善受污染的表皮效应。,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
12、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。 (4) 对选择的压裂液，在室内模拟井下温度、剪切速率、剪切历程、阶段携砂液浓度来测定其流变性及摩阻系数，并按石油行业标准进行全面评定。 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，铺砂浓度和加砂方式满足闭合压力下无因次导流能力要求。,三、水力压裂设计计算,1.施工排量 必须大于地层的吸液能力Q吸 考虑所需压裂液量 考虑摩阻压力 考虑设备能力这个约束条件 支撑剂输送 2. 井口施工
13、压力,3 压裂设计,单井压裂设计包括： 选井选层 确定施工参数 方案设计计算 经济技术分析和评价,4 压裂施工模拟设计,根据压裂施工规模预测增产倍数 a.确定前置液量、混砂液量以及砂量； b.选择适当的施工排量、计算施工时间； c.计算动态裂缝几何尺寸； d.支撑剂在裂缝中运移分布，确定支撑裂缝几何尺寸； e.预测增产倍比。,前置液量确定,根据增产要求确定裂缝长度和导流能力； Nolte提出了基于压裂液效率确定前置液量的近似解析法。,支撑剂用量确定,施工泵压及水功率,施工水功率 式中: 井口施工水功率,； 施工泵压，； 施工排量，,压裂车台数 按功率计算 按排量计算,例6-4 已知油藏开发井网
14、井距400400m，压裂井深度H=2500m，岩石弹性模量E=25000MPa，泊松比=0.15，破裂压力梯度=0.018MPa/m；油层有效厚度Hf=10m，渗透率k=2.010-3m2，孔隙度=20%，地层温度80 oC，地层流体压力pS=25.0MPa，地层流体粘度r=2mPa.s，流体压缩系数cf=610-3/MPa；射孔孔眼密度10孔/m，孔径10，生产流压pWf=15MPa，套管直径127，油管直径62，；兰州石英砂粒径dP=0.4-0.8mm，颗粒密度r=2650kg/m3。牛顿型压裂液粘度=0.03Pa.s，密度f =1000 kg/m3，初滤失系数SP=0，造壁性滤失系数c=
15、8.6210-4。施工排量Q=2.0m3/min。假设采用油管注液工艺，压裂液在油管中的为摩阻0.6MPa/100m。试进行水力压裂设计。,解 （1）井口破裂压力 pbreak = pF - pH + pf pbreak = 0.0182500 - 10-610009.82500 + 0.62500/100 = 35.5MPa (2) 闭合应力 选择支撑剂时，为保险起见，通常按地层破裂压力与井底流压之差计算，即 pc = pF - pwf = 0.0182500 - 15 = 30MPa (3) 要求的裂缝长度 要求最低铺砂浓度为5kg/m2，查表6-4，所用支撑剂在闭合应力为30MPa下的导
16、流能力为FRCD=0.15m2-m，按MicGuire & Sikora 图版，其横坐标为,要求裂缝长度: Lf = 40% 200 = 80 m (4） 确定填砂面积 为保证80 m的有效缝长，取Lf = 90 m；而且实际裂缝高度比油层厚度大5m。因此，填砂面积为 A = 2HfLf = 215 90 = 2700m2 (5） 确定用液量 按PKN模型计算裂缝宽度 w=0.0038m 平均缝宽 wAVG = 0.785w = 0.003m 铺砂浓度为5kg/m2时要求的裂缝宽度为 0.0028m 比较计算平均缝宽和要求缝宽，二者相近；否则重新计算。 压裂液滤失系数 由于造壁性滤失系数较小，
17、近似取为 c=8.6210-4,石英砂从裂缝顶部沉到底部的时间为 ts = 15/0.28 = 53.5 min 可见，施工结束时尚有部分支撑剂呈悬浮状态。 加砂程序 前置液 10 m3 携砂液 100/140目石英砂1.5m3，砂比15%，携砂量 10 m3 20/40目石英砂5.5 m3，砂比25%，携砂量 20 m3 顶替液 10 m3,第八节 压裂施工压力分析,检测确定压裂裂缝高度是检验压裂设计、评价压裂施工有效性和压后效果的关键。 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，还有适用于裸眼井和套管井的 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
18、测井等。 Nolte (1979)压裂压力降落分析 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。,施工压力曲线类型,（1）正斜率很小的线段I (2) 斜率为1的线段III (3) 负斜率线段IV (4) 压力不变的线段II,lgt,典型的施工压力曲线,第九节 压裂工艺技术,多层压裂技术 暂堵剂分层压裂工艺 孔眼堵塞球法压裂工艺 限流法分层压裂技术 填砂法压裂技术 氮气压裂技术 控缝高压裂技术 端部脱砂压裂技术,一、分层及选择性压裂,1封隔器分层压裂封 (1) 单封隔器分层压裂 (2) 双封隔器分层压裂 (3) 桥塞封隔器分层压裂 (4) 滑套封隔器分层压裂 (a)单封隔器分层压裂 (b)双封隔器分层压裂 (c) 桥塞封隔器分层压裂,2限流法分层压裂,3 蜡球选择性压裂,堵塞球选择压裂 影响堵球效果的主要因素 (1) 堵球在孔眼口上座封 (2) 保持堵塞不脱落 (3) 压裂投产后，堵球从孔眼脱落。,二、控缝高压裂,技术背景：裂缝高度穿层的危害 技术途径：影响压裂裂缝高度的因素分析 技术方法（1）：常规控缝高压裂技术,技术方法2：人工隔层控缝高压裂技术 原理 导向剂的性能要求 适用范围 导向剂用量,