第一章水力壓裂內容提要水力壓裂造縫機理壓裂液支撐劑水力壓裂延伸模擬支撐劑輸送水力壓裂評價與設計壓裂工藝技術1壓裂:分類:水力壓裂:利用地面高壓泵組，以超過地層吸收能力的排量將高粘壓裂泵入井內而在井底產生高壓，當壓力克服井壁附近地應力并達到巖石抗張強度時，就在地層產生裂縫。繼續泵注帶有支撐劑的壓裂液，使裂縫繼續延伸并在其中充填支撐劑。停泵后，由于支撐劑對裂縫的支撐作用，在地層中形成足夠長的、有一定導流能力的填砂裂縫，從而實現油氣井增產和水井增注。hydraulicfracturing2增產增注機理：溝通非均質性構造油氣儲集區，擴大供油面積；將原來的徑向流改變為線性流和擬徑向流，從而改善近地帶的油氣滲流條件；解除近井地帶污染3&1水力壓裂造縫機理破裂加砂停泵裂縫延伸壓力裂縫閉合壓力前置液攜砂液裂縫閉合井筒摩阻凈裂縫延伸壓力地層壓力致密地層天然裂縫地層4一、地應力場分析與測量地應力場原地應力場擾動應力場重力應力構造應力熱應力孔隙流體壓力51.重力應力場上覆巖層重力：有效垂向應力：（一）

地應力場水平主應力分量：6因巖體水平方向上應變收到限制，εx=0，εy=0。則泊松效應引起的水平主應力場為。考慮孔隙流體壓力后的地層水平主應力為：

。2.構造應力場定義：構造運動引起的地應力增量。它以矢量形式疊加在地層重力應力場，使得水平主應力場不均勻。73.熱應力場定義：指由于底層溫度變化在其內部引起的內應力增量，與溫度變化量和巖石性質有關。將油氣藏邊界視為無窮大，考慮其側向應變收到約束，溫度變化引起的水平應力增量σx，σz為。8確定方法水力壓裂法實驗室分析方法測井解釋方法有限元模擬滯彈性應變恢復ASR微差應變分析DSCA（二）地應力場的確定9（三）人工裂縫方位原理：根據最小主應力原理，巖石破裂面垂直于最小主應力方向如圖所示：當σz最小時，形成水平裂縫當σy最小時，形成垂直裂縫第一大節10二、破裂壓力1.井筒應力分布（一）井壁最終應力分布11由上式知，可以得出什么結論？問題：最大最小周向應力在什么地方？122.向井筒注液產生的應力分布按彈性力學理論計算應力分布：結論？133.注入液徑向滲入地層引起的應力周向應力值近視為：4.井壁最終應力分布將上述幾種周向應力疊加總存在兩個方向受到的周向應力最小：井壁處的周向應力簡化為：14（二）水力壓裂造縫條件準則:最小主應力達到物體的抗張強度σt就會破壞。1.形成垂直裂縫存在壓裂液濾失最大張應力準則:當井壁巖石的有效周向應力達到井壁巖石水平方向的最小抗張強度σht，有效周向應力：破裂壓力：15無壓裂液濾失有效周向應力：破裂壓力：2.形成水平裂縫條件:井壁巖石的有效垂向應力達到井壁巖石垂直方向的最小抗張強度σVt,形成水平縫。有壓裂液濾失有效垂向應力：16破裂壓力：修正破裂壓力：無壓裂液濾失破裂壓力：修正破裂壓力：17（三）破裂壓力梯度定義:某點破裂壓力與該點深度的比值。計算？理論計算統計范圍:<0.015~0.025MPa/m與裂縫形態的關系:<0.015~0.018MPa/m，垂直縫；＞0.022~0.025MPa/18m，水平縫fracturepressuregradient18三、降低破裂壓力的途徑主要途徑改善射孔參數高能氣體壓裂酸化預處理解除射孔污染增加孔眼有效深度溶解膠結物成分19&2壓裂液

fracturingfluid作用:傳遞壓力；起裂和延伸裂縫；攜砂。按作用分前置液攜砂液頂替液起縫、延伸裂縫、冷卻延伸裂縫、懸砂頂替砂漿壓裂液：壓裂施工過程中所用的工作液的總稱。fracturingfluid20對壓裂液的要求:與地層配伍；有效懸浮和輸送支撐劑；濾失少；摩阻低；低殘渣；易返排；熱穩定性；抗剪切穩定性。21一、壓裂液類型221.水基壓裂液類型水稠化水水基凍膠清水+稠化劑等清水+稠化劑+交聯劑+破膠劑等稠化劑作用:增加粘度；降低濾失；懸浮和攜帶支撐劑。種類:植物膠；植物膠衍生物；纖維素衍生物；工業合成聚合物。23交聯劑作用:交聯聚合物線性大分子，形成網狀體型結構種類:兩性金屬、含氧金屬破膠劑作用:使凍膠壓裂液降解（化水）種類:氧化破膠劑、生物酶體系、有機弱酸油基壓裂液:碳酸銨鹽、氧化鈣、氨水24水基壓裂液的適用性:大多數儲層；不適宜于低壓儲層；不宜用于油濕地層；不能用于強水敏地層。優點:成本低；安全；缺點:傷害（水敏、油水乳化、殘渣）；252.油基壓裂液組成:油+增稠劑+交聯劑等油:原油、柴油、煤油及凝析油優點:避免水敏；自動破膠；缺點:摩阻高；風險大；高溫穩定性差；適用性:263.乳化壓裂液組成:油+水+表面活性劑等水相水鹽水稠化水水凍膠酸類醇類油相原油成品油凝析油乳化類型油包水水包油優點:地層傷害小；摩阻較高；抗溫性較差；成本高；274.泡沫壓裂液定義:氣體分散于液體的分散體系。組成:水相+氣相+氣泡劑水相稠化水水凍膠酸液氣相CO2N2醇液空氣特點:地層傷害小，摩阻小，效率高，抗溫性差。28二、壓裂液添加劑additive1.pH調節劑作用:控制交聯劑和交聯時間所要求的pH值；加速/延緩聚合物的水合作用；保證壓裂液處于破膠劑的有效作用范圍。常用pH調節劑:氫氧化納、碳酸氫納、磷酸氫鈉、醋酸鈉、甲酸、醋酸等292.殺菌劑3.粘土穩定劑KCl穩定機理:通過陽離子防止陽離子交換阻止粘土顆粒擴散。特點:效果好，但有效期短。季胺穩定機理:帶正電的基吸附在帶負電的粘土質點，其烴鏈從質點向外伸展形成“有機屏障”保持粘土顆粒呈不分散狀態。30陽離子型穩定機理:吸附粘土表面，束縛微粒遷移和膨脹。特點:作用時間長。4.破乳劑5.降濾劑類型:硅粉、乳狀液、油溶性樹脂。5.其它添加劑抗溫劑、氣泡劑、減阻劑、轉向劑等第二大節31三、壓裂液流變性rheologicalproperty壓裂液流變性:指壓裂液在外力作用下產生運動和變形特性的關系。水、活性水、稠化水、油凍膠、粘彈性聚合物、泡沫壓裂液泡沫壓裂液321.壓裂液的流變性牛頓型：非牛頓型冪律型：視粘度：圓管稠度系數：裂縫稠度系數：賓漢型：2.壓裂液流變性的測定方法333.壓裂液的摩阻計算管路摩阻射孔孔眼摩阻Esso公司公式：Amoco公司公式：縫流摩阻34四、壓裂液的濾失性濾失過程:壓裂液造壁性控制的壓裂液經過濾餅向地層濾失（濾餅區），然后是壓裂液粘度控制的濾液侵入地層過程（侵入區），最后是受地層流體壓縮性和流動控制的第三個區域（壓縮區）。351.壓裂液的造壁性濾失系數靜態造壁性濾失系數：修正：用途:靜態濾失系數用于篩選評價壓裂液36用途:動態濾失系數為壓裂設計提供參數372.受壓裂液粘度控制的濾失系數假設條件:侵入符合達西定律；活塞驅動壓裂液的實際濾失速度：積分求L，回代達西定律濾失系數：383.受地層流體壓縮性控制的濾失系數4.綜合濾失系數調和法：分壓降法：非造壁液：造壁液：39例:已知油層滲透率K=2.5×10-3μm2，孔隙度φ=0.2，地層流體粘度μR=2mPa?s，綜合壓縮系數cf=6×10-3MPa-1，壓裂液粘度μf=2mPa?s，壓裂液造壁性濾失系數cw=1.8×10-3m?min0.5，裂縫壁面內外壓差△p=18MPa。求綜合濾失系數c。五、壓裂液對儲層的傷害與保護液體污染:粘土水化和微粒運移；壓裂液滯留；潤濕性。固相堵塞壓裂液濃縮40作業作業1：已知油層滲透率K=2.5×10-3μm2，孔隙度φ=0.2，地層流體粘度μR=3mPa?s，綜合壓縮系數cf=6×10-3MPa-1，壓裂液粘度μf=2mPa?s，壓裂液造壁性濾失系數cw=1.8×10-3m?min0.5，裂縫壁面內外壓差△p=18MPa。求綜合濾失系數c。41&3支撐劑

proppant支撐劑：作用：要求:承受高閉合應力；密度低；化學惰性；粒度均勻、圓球度好，粒徑盡量大；雜質少；貨源充足，價格便宜。140MPa<2g/cm3200℃鹽水42一、支撐劑類型1.硬脆性支撐劑硬脆性支撐劑:指支撐劑硬度大，在閉合應力下不宜變形的支撐劑。類型:石英砂、陶粒。石英：應用比重:組成:43石英砂的特點:破碎后仍具有一定的導流能力；密度相對較低；可作為降濾劑；適合于低閉合應力地層；價格便宜。產地:新疆、蘭州、福州、岳陽、內蒙中強度陶粒：制造:鋁礬土或鋁質陶土44組成:鋁質+硅質+其它氧化物產地:宜興高強度陶粒：制造:鋁礬土或氧化鋁組成:氧化鋁+氧化硅+氧化鐵+氧化鈦產地:成都、唐山45陶粒的特點:強度高；導流能力高；導流能力遞減慢；密度高；價格高。2.韌性支撐劑韌性支撐劑:在較高閉合壓力作用下相對容易變形而不破碎的支撐劑。類型:樹脂砂、核桃殼。46樹脂砂預固化樹脂砂可固化樹脂砂3.支撐劑在閉合應力下的狀態嵌入巖層破碎受壓變形二、支撐劑性能1.支撐劑物理性質粒度組成及分布；圓球度及表面光滑度；濁度；密度；酸溶度；抗壓強度。真密度、視密度？測定支撐劑性能472.支撐劑導流能力定義:支撐劑在儲層閉合壓力下通過或輸送儲層流體的能力，表示為Kf?w，單位μm2?cm。FRCD,fractureconductivity分類短期導流能力長期導流能力評價和選擇支撐劑壓裂效果評價48支撐劑類型和形狀對導流能力的影響表1

我國部分支撐劑導流能力(鋪砂濃度5.0kg/m2)閉合壓力MPaφ0.5~φ0.8石英砂φ0.5~φ1.25石英砂φ0.45~φ0.90陶粒甘肅蘭州砂湖南岳陽砂甘肅蘭州砂湖南岳陽砂宜興陶粒成都陶粒FECDKFECDKFECDKFECDKFECDKFECDK1088276822601063531795531534621415152042142481435921169225111347115421301562227524992793852729234540629622057428350-441485722160-31108451777013462811649支撐劑粒度組成的影響鋪砂濃度的影響鋪砂濃度50支撐劑質量的影響51地層條件的影響:閉合壓力；巖石硬度；環境條件（地層流體介質和地層溫度）。壓裂液的影響流動條件的影響:非達西效應；多相流效應；承壓時間。52三、支撐劑選擇1.裂縫導流能力確定原則圖版法辛科準則垂直縫：水平縫：532.支撐劑類型閉合應力法石英砂<40MPa：高強度陶粒>40MPa：井深法石英砂<3000m陶粒>3000m：3.支撐劑粒徑的選擇考慮因素:閉合壓力；裂縫寬度；輸送要求。4.支撐劑鋪砂濃度縫長導流能力支撐劑粒徑鋪砂濃度閉合壓力第三大節54&4水力壓裂裂縫延伸模擬

壓裂模型的分類集總參數模型擬三維模型全三維模型二維模型55一、卡特面積公式假設條件：壓裂液沿裂縫面垂直、線性向地層流失；濾失速度取決于該點暴露于壓裂液的時間；忽略流體壓縮性；裂縫中各點壓力相同，等于井底注入壓力。56原理：物質平衡原理，注入裂縫的液量等于裂縫體積增量與濾失量之和。根據Carter模型的幾何假設，上式改寫成：57進行Laplace變換，可解出裂縫壁面面積：erfc（x）為x的誤差補償函數：58對于垂直對稱雙翼裂縫，如果已知縫高Hf，則單翼縫長為：對于水平裂縫，裂縫半徑為：59二、PKN模型PKN模型是由Perkins&Kern提出，Nordgren加以完善。其幾何模型如圖所示。60假設條件：裂縫高度為常數，垂直于縫長方向橫截面為橢圓；壓裂液沿縫長作穩定的一維層流流動，且沿裂縫壁面線性流失；沿縫長方向的壓降完全由流體的流動阻力引起，在裂縫延伸前緣，流體壓力等于地層最小水平主應力；t時刻x斷面上懸浮最大寬度與縫中靜壓力成正比；注液排量保持恒定。61對于注入時間t，基于物質平衡原理，可得到裂縫中x斷面處流體流動連續性方程：基于彈性力學理論，可得到裂縫張開寬度方程：621.牛頓型壓裂液Lamb研究了壓裂液在橢圓裂縫中流動時的壓力梯度為：1）不濾失情形(qL=0)Perkins&Kern忽略面積A隨時間的增加而引起的流量降低，導出下面計算公式：63對于單翼縫：對于雙翼縫：642）濾失情形當濾失系數相當大的時候?A/?t<<qL。忽略?A/?t的影響，Nordgren按Laplace變換求解裂縫幾何尺寸：對于單翼縫：對于雙翼縫：思考：計算裂縫尺寸的步驟？652.冪律型壓裂液不濾失由冪律型壓裂液在兩平行裂縫壁面間的流變學特征，流體視粘度為：代入Lamp方程得到壓降方程計算沿裂縫的壓力分布。思考：如何計算裂縫幾何尺寸？66三、CGD模型CGD模型也稱KGD或GDK模型。其幾何模型如圖所示。67基本假設：地層為各向同性均質地層，巖石線彈性應變主要發生于水平面上；牛頓型壓裂液在裂縫中作穩定層流流動，垂直剖面上流體壓力為常數，排量恒定；裂縫高度為常數（儲層有效厚度）；地層為非滲透性地層；68根據泊稷葉理論，牛頓液在裂縫中流動時的壓降方程為：根據England和Green計算裂縫寬度延伸的積分公式得：69裂縫在均質脆性體內平衡延伸時，裂縫中壓力和地層應力綜合作用使裂縫尖端光滑閉合：對于單翼縫：對于雙翼縫：思考：如何計算裂縫幾何尺寸？70四、CGD與PKN模型的比較項目PKN模型CGD模型幾何形狀垂直剖面為橢圓形；水平剖面為（2n+2）次拋物線形裂縫長而窄垂直剖面為矩形水平剖面為橢圓形裂縫短而寬應變平面應變發生于垂直剖面，層間無滑動；裂縫張開在垂直剖面求解平面應變主要發生在水平剖面；層間有滑動；裂縫張開在水平裂縫求解應力行為井底壓力隨時間增加而升高，隨縫長增加而增加p(t)∝te,1/4n+4<e<1/2n+3井底壓力隨施工時間逐級降低，隨縫長增加而遞減p(t)∝te,e=-1/371五、裂縫三維延伸模擬壓裂模型的基本方程寬度方程高度方程（延伸準則）流體壓降方程連續性方程72&5支撐劑輸送

一、支撐劑沉降特性1.單球型顆粒自由沉降2.干擾沉降733.裂縫壁面效應當Rep<1當Rep>100

當1≤Rep≤100,按線性插值確定fw

4.支撐劑在垂直裂縫壓裂液中的沉降速度74二、沉降型布砂設計平衡狀態時支撐劑濃度在縫高方向上分布圖Ⅰ區（砂堤區）：為沉降下來的砂堤。Ⅱ區（顆粒滾流區）：顆粒沉降與卷起處于動平衡狀態Ⅲ區（懸浮區）：顆粒呈懸浮狀態Ⅳ區（無砂區）：無支撐劑，只有壓裂液施工排量和壓裂液粘度如何影響砂分布？第四大節751.平衡流速與阻力速度平衡流速：已知平衡流速，則平衡高度為：：76Thomas由實驗數據計算出各種條件下的阻力速度。牛頓流體：非牛頓流體：77水力半徑等于過流面積與濕周之比：紊流：層流：782.砂堤堆起速度與平衡時間當縫中流速達到平衡流速時，沙堤停止增高，處于平衡狀態：若以h表示對應的流動斷面高度，由幾何關系：根據定義：79改寫平衡流速定義公式，兩邊取定積分：并令：則：平衡時間：假設沙堤達到平衡高度的95%，就認為已達到平衡高度，則80三、懸浮型布砂設計裂縫高度為hf；平均寬度為w，裂縫各處的寬度和高度相等，且不隨時間變化；壓裂施工排量Q恒定，支撐劑在裂縫中不沉降；注入前置液體積Vpad，攜砂液體積Vslurry；1.假設條件812.劃分計算單元將前置液和攜砂液劃分為體積為V（0）的若干均等單元，則前置液與攜砂液的單元段數Sp、St以及注完V（0）體積所需的時間分別為：顯然，地面第s段攜砂液（s=1，2，...ST）泵入裂縫后，隨著時間的增加，其體積Vs（1），Vs（2），...，Vs（m）...，Vs（n）。m=1，2，，...n；n=ST-s+1.823.第S段攜砂液的濾失速度按平均濾失時間計算或按進入裂縫到停泵時濾失速度的平均值計算。4.第s斷攜砂液濾失體積百分數835.停泵時地面第S攜砂液在縫中體積6.停泵時地面第S攜砂液的砂濃度7.裂縫閉合后的單翼填砂縫長84四、改善支撐劑在裂縫中分布的途徑首先采用高粘懸浮液將小顆粒支撐劑輸送到裂縫遠處，使壓開的裂縫完全支撐，得到更長的填砂縫長；在井底附近裂縫采用低粘度壓裂液使大顆粒支撐劑沉積，充分利用動態裂縫寬度，從而得到更高的裂縫導流能力。85作業2：牛頓型壓裂液粘度μf=40mPa.s，密度f=1000kg/m3；石英砂支撐劑顆粒密度s=2650kg/m3，平均粒徑dp=1.143×10-3m，砂比S=10%；裂縫高度Hf=10m，裂縫寬度w=4.76×10-3m；試計算雙翼裂縫中排量Q為1和2.5m3/min時的平衡高度和平衡時間。作業86&6水力壓裂評價評價內容經濟效益分析工藝效果評價水力裂縫評估開發效果評價87一、水力裂縫評估88二、工藝效果分析增產有效期：指某井從壓裂施工后增產見效開始至壓裂前后產量遞減到相同的日產水平所經歷的時間。增產倍比：指相同生產條件下壓裂后和壓裂前的日產水平或采油指數之比。891.McGuire&Sikora曲線法902.典型曲線法913.Raymond&Binder公式法4.數值計算模擬方法92三、水力壓裂經濟分析1.壓裂經濟分析方法2.產量遞減模式3.壓裂施工成本第六大節93&7水力壓裂設計地層條件設備能力壓裂液支撐劑加砂方式施工方案配產方案增產倍數壓裂液支撐劑布砂方式施工規模94一、選井選層主要影響因素正確選擇壓裂對象儲層地質特征巖石力學性質孔滲飽特性油層油水接觸關系井筒技術要求界面性質與致密性95油氣井低產的原因：鉆井、完井、修井等對地層傷害；油氣層滲透率很低，常規完井方法難以經濟開采；“土豆狀”透鏡體地層；油氣藏壓力已經枯竭，即油氣剩余能量不足961.儲層物性評估巖心分析粘土礦物分析儲層地質特征巖石力學性質試井分析972.選井選層原則低滲透地層：優先壓裂，加大規模；足夠的地層系數，Kh>0.5×10-3μm2·m含油飽和度：大于35%；孔隙度：6-15%高污染井。98二、確定入井材料1.優選壓裂液體系篩選基本添加劑，配制適合本井的凍膠交聯體系：篩選與目的層配伍性好的添加劑；篩選適合現場施工的各種表面活性劑；對選擇的壓裂液，在室內模擬來測定其流變性及摩阻系數，并按石油行業標準進行全面測定。2.選擇支撐劑99三、水力壓裂設計計算主要任務在給定的儲層和井網條件下，根據不同縫長和導流能力預測壓后生產動態；根據儲層條件選擇壓裂液、支撐劑和加砂濃度，并確定合理用量；根據井下管柱和井口裝置的壓力極限選擇合理的泵注排量與泵注方式，地面泵壓，和壓裂車數；確定壓裂泵注程序；進行壓裂經濟評價，是壓裂作業最優化。1.壓裂設計基礎參數1002.壓裂設計計算內容1）注入方式選擇2）施工排量3）液量與砂量4）井口施工壓力5）施工功率6）壓裂車臺數1013.水力壓裂設計計算步驟確定前置液量，混砂液量及砂量；選擇適當的施工排量、計算施工時間；計算動態幾何裂縫尺寸；支撐劑在裂縫中的運移分布，確定支撐裂縫幾何尺寸；預測增產倍數。4