水力压裂新技术课件

1 油气井增产方法 1.1 油气井低产的主要原因 近井地带受伤害，导致渗透率严重下降 油气层渗透性差 地层压力低，油气层剩余能量不足 地层原油粘度高 1.2 油气井增产途径 提高或恢复地层渗透率 保持压力增加地层能量 降低井底回压 降低原油粘度 1.3 油气井增产方法 水力压裂 Hydraulic Fracturing 酸化 Acidizing 爆炸 Explosion 高能气体压裂 水力冲击波压裂 振动压裂 1.4 油气层增产工艺 砂岩储层 水力压裂、基质酸化 碳酸盐岩储层 酸压、基质酸化、水力压裂 特低渗坚硬储层 高能气体压裂、高能气体压裂+水力压裂. 2 水力压裂 2.1 基本概念 利用地面高压泵组，以超过地层吸收能 力的排量将高粘液体（压裂液）泵入井内，而 在井底憋起高压，当该压力克服井壁附近地应 力达到岩石抗张强度后，就在井底产生裂缝。 继续将带有支撑剂的携砂液注入压裂液，裂缝 继续延伸并在裂缝中充填支撑剂。停泵后，由 于支撑剂对裂缝的支撑作用，可在地层中形成 足够长、有一定导流能力的填砂裂缝。 水力压裂 Hydraulic Fracturing S1 S2 S3 S4 压裂压裂 2.2 增产机理 沟通油气储集区，扩大供油面积。 砂岩储层中的透镜体、裂缝性油藏的裂 缝和溶洞 改变井筒周围渗流特征，节约地层能量 。 克服井底附近污染 2.3 发展阶段 (1)一般性的单井增产、增注措施 (2)大型压裂工艺技术的发展和应用 (3)优化压裂设计技术的发展和应用 (4)低渗油藏整体压裂开发技术的研究和应用 (5)中高渗油藏端部脱砂压裂技术研究和应用 2.4 在油气勘探开发中的作用 (1) 勘探阶段 增加可采储量；美国可采储量的2030%通过压裂 获得。 (2) 开采开发阶段 增加油气井产量和注水井的注水量; 调整油田开发矛盾，改善吸水、出油剖面; 提高油田采收率; (3) 其它方面 控制井喷;煤矿开采，工业排污，废核处理等。 6.1 水力压裂岩石力学 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 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 b a a致密岩石 b微缝高渗岩石 F E C S 6.1.1 地应力分析 = + x z y y x z 地层岩石三维应力状况 + 6.1.1.1 重力应力 主应力: x ， y， z 应 变: x， y， z z 垂向主应力, MPa r 随深度变化的上覆岩体密度，Kg/m3 h 深度，m g 重力加速度，m/s2 由广义虎克定律: 总应变: 同理: 由于周围岩石的围限作用: 考虑孔隙流体压力后的地层水平应力: 6.1.1.2 地质构造应力 n构造运动引起的地应力增量。它以矢量形式迭加在地层重力应力 场, 使相邻不同岩性地层受到的应力显著不同，造成水平应力场 不均匀。 n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垂向应力 z的3倍。 n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 由于构造运动的边界影响，构造应力在传播过程中逐渐衰减。 6.1.1.3 热应力 n由于地层温度变化在其内部引起的内应 力增量，热应力主要与温度变化和岩石 热力学性质有关。 nT 材料线膨胀系数 T 温度 T 温度增量 裂缝方向总是垂直于最小主应力 6.1.1.4 人工裂缝方位 x z y n当z最小时，形成水平裂缝。 x z yy x z n当zxy，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 y方向； n当zyx，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 x方向； n显裂缝地层很难出现人工裂缝。 n微裂缝地层 垂直于最小主应力方向； 基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串 成显裂缝。 6.1.2 水力压裂造缝机理 n地应力分布十分复杂，既与区域动力场和局 部构造应力有关，又与现代活动应力场联系 密切。假设地层岩石为线弹性体，首先针对 裸眼井分析井壁最终应力分布，结合岩石破 裂准则讨论水力压裂诱发人工裂缝的造缝条 件。 r x y r rw 6.2.1.1 井壁最终应力分布 1.井筒处应力分布 x、yx方向和y方向上应力，Pa； r、径向和周向（切向）应力，Pa； ，r 任意径向与x轴的极角和极径，m； r计算点剪切应力，Pa。 对于水平应力场均匀，（x=y=H），则 A.离井壁越远，切向压应力迅速降低, 径向 压应力逐渐增加; B.大约几个井径之后，切向压应力降为原地 应力，径向应力增加到原地应力; C.水平应力场均匀时，井壁切向应力均为压 应力。 当r =rw，0及180时， 3y x 当r =rw，90及270时， 3x y 当 x = y时 2y=2 x 说明周向应力相等，与无关 当 x y时 ()0,180= ()min ()90，270= ()max 随r增加， 迅速降低(平方次) 应力集中 Pf PE 2.井眼内压所引起的井壁应力 (1)由弹性力学拉梅公式(拉应力为负) 当 re， Pe =0 且re rw 于是 r= rw时， - Pi A.注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的 应力方向一致; B.注液产生的压力为张应力，向井筒注液有利 于撕开地层; C.注液产生的应力沿井轴半径是衰减的。离井 轴越远，应力越小. 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 地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力 1.讨论应力的目的 (1).地层在何种条件下形成裂缝 x z y y x z 6.1.2 水力压裂造缝条件 (2) 岩石破裂准则 A.最大张应力准则 铁摩辛柯等把最大应力定为强度标准。假定 ，延伸材料单纯拉伸（压缩）时，当最大应力达 到材料的屈服点应力，材料开始屈服。最大张应 力理论不考虑其它平面上产生的正应力和剪应力 。 一旦最小主应力达到物体的抗张强度，就会 破坏。这是研究诱发人工裂缝时用得最广泛的准 则。 B.基于断裂力学的破裂理论 格里菲斯（Griffish）理论 任何材料都是不均质的，都有缺陷（微裂纹 ），这是引起断裂的裂源。 阻止断裂产生和发展的材料属性，叫应力强 度因子KI,。当裂缝端部的应力值达到最大，即应 力强度因子达到临界值时，这一临界强度因子称 为岩石的断裂韧性KIC。 断裂判据： KIKIC时，材料稳定； KIKIC时，材料失 稳，开始破裂。 C.其他破裂理论 最大剪应力理论 最大应变理论 最大应变能理论 莫尔（Mohr）理论 八面体剪应力理论 （1）形成垂直缝 压为正，拉为负 最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度 2.形成裂缝的条件 A.有液体渗滤 当破裂时，Pi=PF B.无液体渗滤 当破裂时，Pi=PF 2.形成水平缝 最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度 A.有液体渗滤 有效总垂向应力为： 当破裂时，Pi=PF 1.94 B.无液体渗滤 有效总垂向应力为： 当破裂时，Pi=PF 0.94 无论是形成垂直裂缝或水平裂缝,压裂液 向地层滤失时，由于流体传递了该压力而 使破裂压力有所降低。 压裂液向地层滤失增加了地层污染可能 性。 例题 已知油藏深度H=2000m，地层岩石密度r=2300kg/m3，泊松 比=0.20，地层流体密度L= 1050 kg/m3，水平方向抗张强 度为t,=3.5Mpa, 泊松比为=0.20, 忽略沉积岩的垂向抗张强 度。试计算 （1）有效垂向应力和地层最小水平主应力h； (2) 无滤失条件下形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限 。 1.定义 6.1.3 破裂压力梯度 2.理论计算 3.统计值 油田使用的破裂压力梯度通常是根据大 量的压裂实践统计出来的。一般范围在 0.0150.025 MPa/m之间. 根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂 缝形态: 当 0.0220.025 MPa/m, 形成水平 裂缝. 2.理论计算 3.统计值 油田使用的破裂压力梯度通常是根据大 量的压裂实践统计出来的。一般范围在 0.0150.025 MPa/m之间. 根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂 缝形态: 当 0.0220.025 MPa/m, 形成水平 裂缝. 4. 降低破裂压力措施 酸化预处理 高效射孔 密集射孔 6.1.3 地应力的测量及计算 n6.1.3.1 矿场测量 水力压裂法 井眼椭圆法 （井壁崩落法） 实验室分析方法 n滞弹性应变恢复 （ASR） 实验室分析方法 n微差应变分析 （DSCA） 6.1.2.4 判断裂缝方向的方法 n声波测定 n地电测定 n水动力学试井 水力压裂新技术 Advance in Hydraulic Fracturing 概要（Outline） 单井优化压裂设计技术 低渗透油藏整体压裂开发技术 压裂新工艺 第一讲 单井优化压裂设计技术 概述：基本任务；优化设计概念； 优化设计步骤 压裂设计参数：分类；重要参数 压裂设计模型：三维模型；支撑剂 分布模型；产能预测模型；经济分析模 型；施工参数模型 第一节 概 述 一.压裂设计的任务 在既定储层和注采井网下，根据不同缝长和 导流能力预测单井压后生产动态； 根据储层条件选择压裂材料类型和用量； 确定泵注方式、泵注排量、设备功率、泵压 等施工参数； 确定施工泵注程序； 施工方案的经济评价，使其达到少投入、多 产出； 设计方案的检验（开发与增产的要求、现有 压裂材料与设备能力、施工安全的要求） 第一节 概 述 二.优化设计的概念 使用各种含压裂裂缝的油气藏模拟器、 水力压裂模拟器及经济模拟器，对给定的油 气藏地质条件与不同的泵注参数条件，反复 计算与评价不同缝长与导流能力的裂缝所产 生的经济效益，从中选出能实现少投入、多 产出的压裂设计方案。 第一节 概 述 二.优化设计的概念 (一)优化的准则 1.最大的储层供给能力； 2.最优的支撑裂缝穿透长度； 3.最优的泵注参数； 4.最低的施工成本； 5.最大的井的经济效益。 第一节 概 述 (二)优化的概念 1.使用油气藏模拟器对给定的储层条件，预测不 同缝长在一定导流能力下所能获得的产量、累积产 量与总收入。 2.使用水力裂缝模拟器确定不同缝长在一定导流 能力下所需要的施工规模与施工成本。一般地，随 缝长的增加，施工成本急剧上升。 3.综合以上两方面的结果，得出净现值曲线。曲 线上有一最佳点，如缝长大于该点所对应的缝长值 ，则施工成本将超过总收入。最佳点对应的裂缝长 度值称之为最佳缝长，该缝长在众多设计方案中可 以获得最大的净现值收益。 第一节 概 述 (二)优化设计步骤 1.根据储层特性给出一个缝长； 2.根据压前地应力试验或测试压裂试 验时诊断到的压力行为，选择合适的裂 缝扩展模型； 3.选择若干种适用于压裂目的层的压 裂液； 4.根据支撑剂在裂缝闭合压力下的破 碎与储层嵌入特性选择适宜的支撑剂； 第一节 概 述 (二)优化设计步骤 5.根据就地地应力分布，确定最大的施工压力； 6.根据管柱的摩阻损失，压裂液流变性（剪切速 率，时间温度等）及设施功率限制等因素，确定最 大允许的泵注排量； 7.使支撑裂缝的几何形状，总用液量与支撑剂量 最优化。 根据施工压力与泵注排量的限制； 确定最优化的泵送参数； 使压裂液效率达到最高； 在设计的支撑剂浓度下，确定优化缝长； 第一节 概 述 (二)优化设计步骤 8.根据优化的支撑裂缝几何形状与步骤7计 算的裂缝导流能力，建立各种生产时间的不 稳定状态的IPR曲线； 9.组合不稳定状态的IPR曲线和油管吸入曲 线获得最佳的井口供给能力； 10.依照生产递减曲线得到各个生产时间的 累计产量； 11.根据假设的贴现率计算产量净收入的现 值； 第一节 概 述 (二)优化设计步骤 12.计算包括压裂液、支撑剂、设备功率和 其它与施工有关杂项在内的施工费用； 13.从井的贴现收入中减去施工费用，计算 压裂的净现值。至此，完成步骤1）所给出缝 长的优化计算过程； 14.重复步骤1至13，对若干给出的缝长进行 优化计算，建立缝长与压裂净现值的关系曲 线，从中选出可获得最大净现值的缝长。 第二节 压裂设计参数 一. 设计参数分类 按控制程度： 不可控制参数； 可控制参数； 按参数特征： 油气井参数； 油气层参数； 压裂参数； 经济参数； 第二节 压裂设计参数 三.重要设计参数 1 有效渗透率 是检验井压前生产情况，预测压后产量及评 价压裂效果的重要参数； 储层定性评价的指标，划分增产措施类别的 依据； 是影响压裂液滤失量的重要因素； 是选择支撑剂类型、尺寸与施工砂比的依据 第二节 压裂设计参数 第二节 压裂设计参数 第二节 压裂设计参数 获取方法 压力恢复试井确定法； 产能试井确定法； 岩心测试确定； 油藏数值模拟历史拟合； 测井曲线求取； 压裂层段为多层须加权求取； 第二节 压裂设计参数 压力恢复试井确定法； 第二节 压裂设计参数 稳定试井法； 第二节 压裂设计参数 2 有效厚度 是检验井压前生产情况，预测压后产量及评 价压裂效果的重要参数； 压裂选井选层的主要依据； 是优化设计的关键参数； 以岩心资料、单层试油资料和测井资料综合 确定； 利用有效厚度等值图估算压裂层的有效厚度 3 地层温度 是选择压裂液的主要依据； 是控制压裂液在缝中粘度、流态指数和稠度 系数的重要因素； 在无干扰的静态条件下测得 根据地温梯度计算； 根据测井的井温曲线推算； 经验法（3C/100m） 第二节 压裂设计参数 4 地层压力 原始地层压力：油气层在未开采前从探 井中测得的油气层中部的压力； 目前地层压力：油气藏投入开发后，在 某一时期内测得的油气层中部压力； 静止压力：它是指油气井在关井后，待 压力恢复到稳定状态时所测得的油气层中部 压力； 第二节 压裂设计参数 4 地层压力 衡量油井自喷能力的强弱； 压裂选井选层的主要依据； 是检验井压前生产情况，预测压后产量及评 价压裂效果的重要参数； 与地层破裂压力有关； 压裂液返排的关键参数； 压力恢复试井确定（Horner法、MDH法等） 基于本井静压梯度推算压裂层静压； 借用邻井、井组、区块或油气藏的目前地层 压力值得出的压力梯度，推算压裂井、层的目前地 层压力 第二节 压裂设计参数 Horner法； 第二节 压裂设计参数 MDH法； 第二节 压裂设计参数 Agarwal法； 第二节 压裂设计参数 5 地层流体物性参数 地层流体粘度是确定压力恢复试验取得 的流动系数（Kh/）和流动度（K/）必不 可少的参数； 与压裂液失系数有关 压裂选井选层的主要依据； 是检验井压前生产情况，预测压后产量 及评 价压裂效果的重要参数； PVT实验获取 相关经验式计算(Standing等)； 第二节 压裂设计参数 6 地层岩石力学参数(泊松比、弹性模量) 当岩石受抗压应力时，在弹性范围内， 岩石的侧向应变与轴向应变的比值，称为岩 石的泊松比； 岩石受拉应力或压应力时，当负荷增加 到一定程度后，应力与应变曲线变成线性关 系，比例常数E称为岩石的弹性模量； 第二节 压裂设计参数 6 地层岩石力学参数(泊松比、弹性模量) 确定地层水平主应力值及其垂向分布的 重要参数。由于地应力值与地层破裂压力、 裂缝延伸压力、裂缝闭合压力以及裂缝高度 有关，所以，泊松比在压裂设计中起着重要 作用； 影响裂缝几何尺寸的计算； 第二节 压裂设计参数 6 地层岩石力学参数(泊松比、弹性模量) 实验室岩心试验（静态和动态实验）； 静态试验：室内岩心试验的应变率如小于1s-1， 其状态被认为是准静态的，这与大多数水力压裂的 准静态现象一致。在这一条件下以单轴或三轴试验 取得的岩石弹性性质参数（泊松比、弹性模量等） 称为静态值。 动态试验：如果水力裂缝延伸时，以接近声速 率扩展（如水力裂缝勾通或穿透天然裂缝的密集地 带），则必须考虑动态的岩石弹性性质。 第二节 压裂设计参数 6 地层岩石力学参数(泊松比、弹性模量) 超声测量室进行超声脉冲测量(测井技术) 第二节 压裂设计参数 6 地层岩石力学参数(泊松比、弹性模量) 近似推算 第二节 压裂设计参数 6 地层岩石力学参数(泊松比、弹性模量) 近似推算 第二节 压裂设计参数 6 地层岩石力学参数(泊松比、弹性模量) 根据地层的岩性、粘度和胶结情况选取 弹性模量和泊松比； 由现场实测的地层破裂压力、裂缝闭合 压力、就地水平主应力等值，反算岩石的泊 松比后，再推算出弹性模量值； 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 垂向主应力：作用在岩石单元体上的垂向主 应力来自上覆岩层重力； 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 水平主应力：根据该地区是否受到构造运动 的影响以及构造运动的形态，可将水平主应力分为 三种情况： 未受地质构造运动扰动过的沉积较新的连续 沉积盆地，属于水平均匀地应力状态。 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 受地质构造运动的影响，但构造力在水平各个 方向上均相等。因此，仍属水平向地应力状态 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 构造应力在两个水平方向上不等 有效垂向主应力最小， 第二节 压裂设计参数 对我国大多数油田实测地应力表明，存在着 7 地应力及垂向分布 构造应力（构造条件）对地应力分布状态的影响 在以正断层为标志的地壳松弛区，水平主应力 约为垂向主应力和1/3。 第二节 压裂设计参数 在以褶被和逆掩断层为主的地壳压缩区，水平 主应力则是垂向主应力的3倍 7 地应力及垂向分布 垂向应力的大小决定裂缝形态和方位； 是测定力学参数的实验条件； 是影响三维裂缝形态的重要参数； 是选择压裂工艺的依据； 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 实验室岩心实验； 测井分析：长源距数字声波测井（LSDS） 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 测井分析：地层倾角测井 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 现场测量：微型压裂 第二节 压裂设计参数 7 地应力及垂向分布 现场测量：注入和返排实验 第二节 压裂设计参数 8 地层破裂压力和破裂压力梯度 是确定施工管柱、井下工具、井口装置的主 要依据； 可确定施工时的最高地面泵压、泵注排量； 可推断水力裂缝形态； 理论公式计算（Eaton法、Stephen法）； 测井资料预测； 现场施工参数计算； 统计分析； 第二节 压裂设计参数 8 地层破裂压力和破裂压力梯度 理论公式计算：Eaton法 第二节 压裂设计参数 理论公式计算：Stephen法 8 地层破裂压力和破裂压力梯度 理论公式计算：黄荣樽法 第二节 压裂设计参数 8 地层破裂压力和破裂压力梯度 现场施工参数计算； 第二节 压裂设计参数 9 裂缝延伸压力 裂缝延伸压力是指水力裂缝在长、宽、 高三个方向扩展所需要的缝内流体压力。一 般，它比闭合压力大，且与裂缝大小及压裂 施工有关 是三维压裂设计的关键参数； 是判断裂缝延伸模式的依据； 第二节 压裂设计参数 9 裂缝延伸压力 是判断裂缝延伸模式的依据； 线段1压力的斜率在0.1250.2之间。 说明裂缝在预期的缝高和综合滤失系数下向 地层深处延伸。 线段2压力的斜率不变。可能预示着注 入量等于滤失量，也可能是裂缝在长度上已 停止延伸，或裂缝高度即将失控，或缝内即 将出现堵塞。 第二节 压裂设计参数 9 裂缝延伸压力 线段3压力的斜率为1。反映了缝内发 生堵塞，裂缝在长度上已停止延伸，注入的 液体只能增加裂缝的宽度。 线段4压力的斜率为负值。说明裂缝在 高度上已失去控制，延伸到非4压裂目的层段 ，或又压开了新的裂缝，或裂缝在延伸过程 中遇到了规模较大的天然微裂隙体系。 第二节 压裂设计参数 9 裂缝延伸压力 阶梯式泵注试验 经验公式； 第二节 压裂设计参数 10 裂缝闭合压力 定义为： 开始张开一条已存在的裂缝所必须的流体压力 使裂缝恰好保持不致于闭合所需要的流体压力 。 是压裂压力分析的基础参数； 是选择支撑剂类型、大小和导流能力的主要 依据； 注入返排实验； 注入关井实验 第二节 压裂设计参数 11 盖、底层性质 定义为： 储层上下的岩层称之为盖、底层。盖、底层的 性质包括盖、底层的岩性及其力学参数、厚度及其 在平面上的分布与地应力等；盖、底层的岩性可能 是不渗透的泥岩或页岩，也可能是具有一定渗透作 用的砂质泥岩或泥质砂岩等。对压裂来说，能有效 地控制裂缝高度延伸的岩层称之为遮挡层。 第二节 压裂设计参数 11 盖、底层性质 盖、底层的作用在于能否控制裂缝的垂向 扩展，保证裂缝在压裂目的层内延伸。如果盖、底 层的地应力值远大于油气层，且有一定的厚度，那 么，裂缝高度将限制在储层之内；如果盖、底层较 薄，地应力与储层相近，那么，裂缝将穿透盖、底 层，直至遇到有效的遮挡层为止。 盖、底层性质不但影响到裂缝几何尺寸、施工 规模，而且直接关系到压裂作业的成败。 第二节 压裂设计参数 11 盖、底层性质 进行岩心分析，确定盖、底层及可能的遮挡层 的性质。 使用测井资料，对盖、底层及可能的遮挡层 的性质作出判断。 使用等厚图，掌握盖、底层及可能的遮挡层 在平面上的分布。 进行应地应力测试确定盖、底层及可能的遮挡 层的就地应力值。 第二节 压裂设计参数 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 在工业上使用的模型包括：二维（2D）模型 拟三维模型（P3D）和全三维模型（F3D）以 及集总的三维模型。 （一）基本内容 裂缝张开和扩张的主要理论是：岩石弹性力学 、岩石断裂力学、流体力学和渗流力学。基本内容 包括：裂缝张开模型；流体流动模型；裂缝延伸准 则；运用数值方法求解的裂缝延伸数值解。 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （二）基本方程 1. 裂缝扩展的宽度方程：岩石变形的平衡方程 二维模型把裂缝看成是一无限大的平板上有 一狭长裂缝，缝内受有均匀压力Pc, 裂缝宽度可看 作是椭圆缝的张开位移，此时裂缝的最大宽度可表 示为： 2. 流体压降方程 Poiseuille给出的幂律型流体在压裂裂缝中的 压降梯度公式 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （二）基本方程 3. 流体连续性方程：流体在缝内流动过程中的 质量守恒 注入的压裂液总量等于裂缝体积和滤失体积之 和。 4.裂缝延伸准则 裂缝的应力强度因子Ki：裂缝端部附近的应力 大小。 裂缝加载模式有三种： 模式I（张开型）：裂缝前方有一法向张力KI 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 模式II（滑开型）：伴随有一纵向剪力KII 模式III（撕开型）：有一横向剪力KIII 断裂韧性：当裂缝端部的应力值达到最大，即当 张开型应力强度因子KI达到临界值时，这一临界 强度因子称为岩石的断裂韧性。 裂缝延伸准则：裂缝在扩展过程中，受周围岩 层的断裂韧性KIC的控制。根据能量条件，当内压 在裂缝边缘某一点上诱发一应力强度因子KI大于 岩石的断裂韧性KIC，裂缝向前扩展。 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （二）二维模型 1.发展概况 50年代-70年代开发，PKN, GDK。 从形态分为三种：平行板；PKN型（在纵 向和水平方向都是椭圆形）；GDK型(纵向是矩形 ，水平剖面是椭圆型)。 基本假设：地层均质和各向同性；裂缝高度 是恒定；二维岩石变形；一维流体流动；滤失简化 是计算裂缝几何尺寸最简单的方法，可满足 施工规模小、地层条件较为简单（具有高就地应力 或很厚隔层的油藏）。 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 2.模型比较 裂缝几何形态； 裂缝扩展宽度方程比较：PKN与hf有关， GDK与Lf有关。 缝中压力行为比较：PKN预测压力随缝长的 1/4次方，压力随缝长延伸而增长；GDK压力下降 的比例随缝长增长的1/2次方，压力随缝长的增加 而递减。 裂缝长度和宽度的比较：PKN中，缝宽的 增加速度低于缝长的增加速度，裂缝是长而窄； GDK中，缝宽的增加速度高于缝长的增加速度 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 裂缝是短而宽 5.选择二维模型的一般原则 根据井底压力的变化趋势： 压裂层的埋藏深度：浅层选用GDK，深层选 用PKN 压裂层与上下岩层的地应力差：上下岩层的 地应力大于压裂层且差值大于13.8MPa, PKN和 GDK都适用。上下岩层的地应力小于压裂层且差 值小于13.8MPa,薄层选PKN，块状厚层或射孔段长 的井选GDK 第三节 压裂设计模型 第三节 压裂设计模型 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （三）三维模型 致密低渗透气层大型压裂的兴起,提出了开发 拟三维、全三维模型，主要代表者是Nolte&Smith 、Sttari&Cleary以及Palmer和Carrll。 拟三维是将两个二维压裂模型组合在一起计 算裂缝长度和相对于长度上的裂缝高度，即用两个 二维压裂模型计算裂缝尺寸（几何形状）在X-Y-Z 三个方向上的扩展。一般是以二维的PKN模型求解 裂缝在长度上的延伸；另一个二维GDK模型解出 裂缝在高度上的增长。 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （三）三维模型 由于缝高取决于缝长的位置和时间，且随缝 高的变化存在着一个液流的垂向分量。 拟三维压裂模型仍立足于平面应变，可变的 裂缝高度借助于岩石断裂韧性的概念。并考虑了就 地应力梯度及储层与上下隔层间的就地应力差。 拟三维压裂模型的局限性：缝长必须大于缝 高，否则计算结果与全三维压裂模型的计算值有很 大的出入。适用用于单层设计计算。 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （三）三维模型 1.发展概况 全三维压裂模型起始于70年代末，至80年代 有了很大的发展，这种模型以弹性的三维模型与二 维流体在缝内的流动的组合推导出来的。主要代表 人物是Abou 和 Sayed（1984年）、Cleary(1983年) 、Lam与Touboul（1986年）以及Vandamme和 Jeffrey（1986年）等。 全三维压裂模型可描述具有变弹性性质和滤 失特性的多层井段以及由地应力剖面决定的复杂 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 的裂缝几何形态与几何尺寸 对压裂设计与分析而言，全三维压裂模型可 以解决：(1)确定给定就地条件和注入条件的裂缝 几何形态；(2)从裂缝在三维方向上的扩展，估算 支撑剂粒度、前置液用量和施工总用液量；（3） 有利于研究射孔部位的影响和与宽度尖灭相关的问 题；(4)通过小型压裂压力与模拟压力的比较来诊 断就地闭合应力。 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （四）集总的三维模型 1.发展概况 1986年Cleary与Crokett等在全三维压裂模型的 基础上提出了称之为“集总的综合水力压裂模型” 具有的特点是： （1）与全三维压裂模型缺乏计算效率相反，这 种模型的计算速度快，达到大于现场实时。 （2）可进行实时模拟与实时分析，使室内的优 化压裂设计真正转化为现场的优化压裂施工。 第三节 压裂设计模型 一.裂缝延伸模型 （四）集总的三维模型 模型由四部分组成:(1) 在管内压裂流体与含 有支撑剂流体的流动；(2) 水力裂缝的形成与延伸 (3) 支撑剂的输送、沉降与裂缝闭合；(4) 在裂缝与 地层之间的热量与流体的交换。 国外现场实践证明，集总的综合模型不仅 可以实时地模拟压裂全过程，而且可以用于压前设 计与压后分析评价，使全三维模型真正成为一种实 用性强的工程手段，为证实模型符合实际的程度建 立了研究方法。 第三部分 整体压裂技术 1.裂缝性油藏整体压裂数值模拟 2.油藏整体压裂动态效果影响因素分析 3.裂缝性油藏整体压裂数值模拟应用 裂缝性油藏压裂开发技术应用 低滤失高砂浓度的水力压裂工艺； 改变应力的压裂工艺和水平井多裂缝压裂； 裂缝性油藏整体压裂改造技术； 整体压裂数值模拟在方案设计中的重要性 整体压裂数值模拟是编制方案的一个强有力 工具； 油藏整体压裂优化设计是建立在水力裂缝模 拟和含水力裂缝的油藏数值模拟的组合应用基础 上 压后动态评价数值模拟 一.概况 1. 单井模拟 典型曲线拟合法 Holditch 等使用二维单相油藏模拟器生成的不 同油藏条件下200多条压裂井典型曲线； Cinco-Ley、Agarwal等使用无限大油藏中有限 导流能力垂直裂缝井渗流方程解析解所生成的图版 这些典型曲线被大量用于低渗透油气藏的压后 产量预测、经济评价和优化设计中； 第六节 压后动态评价数值模拟 典型曲线拟合法 近年来，随着研究的不断深入，不断有新型的典 型曲线、图版发表，用以模拟有界油藏、双重介质 地层、压裂裂缝不等翼的情形、非达西流动等实际 的裂缝油藏系统，为压裂设计和经济分析提供更 加准确的压后动态预测结果。但随着考虑问题的复 杂性，数学模型的非线性化形式决定了采用解析法 难以求解更复杂的数学模型，更无法用这种典型曲 线拟合法，这需要应用数值模拟计算方法来处理。 数值模拟法 运用数值模拟技术既可模拟单井压后生产动态， 又可模拟油藏（井组）整体压裂生产动态，国内外 对单井压后的数值模拟法开展了大量的研究。 对单井裂缝油藏模型数值处理方法主要是： 有限差分法、有限元法和边界元法。 数值模拟法 1986年Soliman提出了一套预测压裂井产量的数 值模拟方法，文中描述了单相油在水力裂缝和油藏 中的渗流模型，考虑了裂缝相对导流能力随相对裂 缝半长位置变化的三种递减关系（线性、指数、 指数），假定油藏流体在支撑裂缝中的流动服从 达西定律，采用有限差分法求解渗流模型，得到了 压裂井在不同导流能力模式下的产量关系曲线，这 是国内外用数模方法处理压裂井生产动态预测评价 的新起点； 数值模拟法 石油大学等在Agarwal所建立的油藏裂缝模型 基础上，考虑了裂缝导流能力随时间变化及压裂施 工中加尾砂等情况，采用数值解法预测压裂井产量 。上述两种方法仅考虑了单相油在地层和裂缝中的 二维达西流动，无法模拟计算由钻井、压裂等造成 的井筒污染和裂缝壁面污染对压后产量的影响； 数值模拟法 1995年西南石油学院等提出了一个预测压裂井 压后单井生产动态的二维二相模型，考虑了裂缝导 流能力随位置和时间的变化以及地层污染对产量预 测的影响，该模型和方法在压裂优化设计和压裂经 济分析以及整体压裂方案编制中得到了较好的应用 。 2. 整体压裂油藏模拟 多维多相油藏数值模拟器进行改造 采用了两种简化方法（等值渗流阻力法、等连 通系数法）来模拟支撑裂缝的存在。 等值渗流阻力法： 2. 整体压裂数值模拟 等值渗流阻力法： 2. 整体压裂数值模拟 采用等值渗流阻力法处理后，按照常规的数值 模拟方法对压裂井压后动态进行模拟时，模拟计算 的适应性较差，模拟结果受含裂缝网块几何尺寸变 化的影响较大，而且早期动态拟合误差很大，晚期 相对较好些。 等连通系数法： 等连通系数法就是保持裂缝的连通系数固定不 变，通过增加裂缝宽度和降低裂缝渗透率达到求解 的目的，该方法较简单实用。 2. 整体压裂数值模拟 水力压裂井的连通系数： 裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积也代表了裂缝的 导流能力，因此裂缝要保持等连通系数，就需固定 裂缝导流能力。在保持裂缝导流能力固定不变的情 况下，通过增加裂缝宽度和降低裂缝渗透率，可以 克服因裂缝宽度过窄、裂缝渗透率远大于地层渗透 率所造成的油藏整体压裂模拟时的巨大困难。 2. 整体压裂数值模拟 近年来，国内万庄压裂酸化技术服务中心运用 上述方法改造黑油模型，将水力裂缝的长度、导 流能力及裂缝方位作为油藏的性质置入黑油模型 中，对吐哈鄯善等油田进行了整体压裂改造的数 值模拟计算，将数模结果用于总体优化压裂设计 中。 2. 整体压裂数值模拟 随着油藏数值模拟技术的迅速发展，描述各类 油藏多相渗流的数学模型及相应的数值模拟方法取 得了较大突破，大型数模软件如Simbest、VIP等 得到了广泛应用，但仍未考虑压裂裂缝的影响，所 采用的近似处理对整体压裂优化设计结果影响较大 。从油藏整体压裂改造的角度出发，结合油藏数值 模拟的原理和方法，提出一个新型的较完善的裂缝 性油藏整体压裂生产动态数学模型，研制油藏整体 压裂数值模拟器，是压裂数值模拟研究发展的迫切 要求。 2. 整体压裂数值模拟 随着采用整体压裂技术压裂开发各类油气藏， 对整体压裂数模的要求越来越高。从模型上看，低 渗砂岩油藏模型、裂缝性单渗油藏模型、裂缝性双 渗油藏模型以及裂缝性油藏水平井模型都需要改造 和完善，以适应油藏整体压裂数值模拟的需要。从 考虑的因素上看，非达西流动、裂缝壁面污染、裂 缝中水锁、裂缝两翼不等、裂缝导流能力可变和水 平井压后多条裂缝分布等复杂因素在数值模拟时都 需要考虑。 裂缝性低渗透油藏整体压裂数值模拟技术 裂缝性油藏整体压裂改造后，油、气、水三相渗流的 介质和渗流特点与整体压裂前相比具有很大的不同。油气 水在压后的储层中有三种渗流的通道：岩块中的孔隙介质 是主要的储油空间；根据大量的现场测试分析，裂缝性油 藏压裂后一部分潜在缝开启延伸形成填砂支撑裂缝，另一 部分裂缝仍为充填裂缝，这两种裂缝都是沟通孔隙介质和 压裂裂缝的主要通道；沿最大主应力方向形成的水力支撑 裂缝则是流体流入井底的通道。流体在整体压裂油藏介质 中渗流特点也发生了显著变化，高导流能力的支撑裂缝克 服了近井地带和裂缝中的渗流阻力，流体在较长的支撑裂 缝中的流动压力显著变化，油气水在近井地带和裂缝中的 流动速度加快，高速非达西流动常常发生，特别是裂缝性 气藏压裂后近井带的非达西流动更为显著。 模型基本假设 1.流体在基质、天然裂缝和压裂裂缝中流动时 ，岩块为主要储油空间，裂缝为油流通道，岩块视 为被裂缝系统所切割的互不连通的单元体的集合， 它们既不能构成连续介质，也不能供应源、汇相， 岩块仅与裂缝系统发生质量交换； 2.油气水三相在基质、天然裂缝中的流动服从 达西定律，在压裂支撑裂缝中的流动服从 Forchheimer高速非达西流动方程，且渗流为等温 渗流； 3.油气之间存在相间质量交换,油气、气水两 相互不相溶； 4.岩石具有非均质性和各向异性,岩石和流体 均为可压缩,考虑重力、毛管力、粘滞力、岩石变 形和相态变化等方面的因素； 5.油藏整体压裂后形成的水力裂缝方向一致, 压裂裂缝为对称于井眼的双翼垂直裂缝； 6.压裂支撑裂缝的导流能力随位置和开采时间 变化； 7.储层中的流体垂直于裂缝壁面线形渗入水力 裂缝。 渗流运动方程 1 基质和裂缝中流体运动方程 裂缝性油藏整体压裂后,流体在基质和天然裂 缝中的渗流速度与压力梯度之间仍为线形关系,满 足达西定律。因此将达西单相流公式加以推广可以 描述基质、天然裂缝中的三相流运动方程。 微分算子 2.压裂裂缝中流体运动方程 压裂裂缝的导流能力很高，裂缝较长，压裂裂 缝的存在克服了近井地带的较大流动阻力，流体在 裂缝中流速加快。特别是气体在压裂裂缝中自身渗 流速度快，粘度低，此时流动偏离达西定律，变为 高速非达西流动。将Forchheimer二项式方程推广 到三相渗流就可以描述压裂裂缝中流体的运动情况 。 l定义为非达西流动因子，当l =1时，为达西 线性渗流；当l 1或 NF1时，认为天然裂缝具有非均质性。当天然裂 缝渗透率最小的方向为x方向，即knfx=kmin， knfmax=kmax，此时，称为天然裂缝非均质有利； 当天然裂缝渗透率最小的方向为y方向，即 knfx=kmax，knfmax=kmin 此时，称为天然裂缝非 均质不利。 从模拟结果可以看出：裂缝的非均质性对压裂井 日产油量和累积产油量的影响都很大。如果水力裂 缝方位与天然裂缝渗透率最小方向平行，即水力裂 缝垂直连通天然裂缝渗透率最大方向，此时天然裂 缝的非均质性最有利，压裂井的日产油量高，压后 效果好；当天然裂缝非均质性不利时，压裂后的累 积产油量反而降低。 许多油藏由于地应力场决定了水力裂缝方位与天 然裂缝渗透率最大方向平行，天然裂缝的非均质性 是处于不利的情况，因此实施压裂后，产量和累计 产量并未大幅度提高，这并不能说明压裂施工效果 不好。 在天然裂缝不同非均质性时，压裂井的产油量对 压裂缝缝长的敏感程度是不一样。天然裂缝非均质 有利时，压裂井的产油量受压裂缝缝长的影响最大 ，缝长增大，产油量增加的幅度较大。 （2）天然裂缝污染程度 裂缝性低渗透油藏压裂与常规低渗透油藏压裂最 大的不同就是压裂液的滤失机理。常规低渗透油藏 压裂过程中，压裂液的滤失受基质渗透率、压裂液 粘度和油藏流体压缩性等因素控制，压裂对储层的 污染主要由基质渗透率损害程度决定。天然裂缝性 油藏压裂过程中，压裂液的滤失主要受天然裂缝控 制，其滤失与地应力或施工净压力有关，在施工过 程中难以预测。 （2）天然裂缝污染程度 当压裂压力超过使天然裂缝开启所需压力时， 大量压裂液滤失进入天然裂缝系统；随着水力裂缝 延伸，连接的天然裂缝越来越多，天然裂缝也进一 步加宽和延伸，滤失量进一步增大；此时可能导致 水力裂缝停止向前延伸，而出现过早脱砂，大量的 压裂液侵入天然裂缝必然对天然裂缝造成伤害。 （2）天然裂缝污染程度 另一方面，由于天然裂缝非常窄，压裂过程中压 裂液以高压注入，压裂液进入天然裂缝后产生支撑 裂缝带，从而产生附加应力作用在水力裂缝周围的 天然裂缝，使天然裂缝的导流能力降低；侵入天然 裂缝中的压裂液（尤其交联冻胶）返排非常困难， 这样必然造成天然裂缝的伤害严重。裂缝性油藏基 质渗透率低，伤害影响是次要的，天然裂缝的严重 污染必然影响压裂效果。 在裂缝均质的情况下，采用下式描述天然裂缝的 污染程度 当压裂引起天然裂缝污染，其渗透率降低为原 始渗透率的50%时，压裂井的日产油量降低约20% 左右；由此可见，压裂引起天然裂缝的污染程度是 影响压裂井生产动态的一个重要的可控制因素，最 大限度的减小压裂液对天然裂缝的伤害是天然裂缝 性油藏整体压裂设计时的一个原则，满足储层特征 和压裂工艺要求的低伤害压裂液体系是整体压裂方 案设计的重要内容。 （3）压裂裂缝方位二次采油生产动态影响 压裂裂缝方位决定于地层应力分布，压裂裂缝总 是沿着与最大主应力相平行的方向即垂直于最小主 应力方向延伸。在既定的储层中，地层应力受地层 沉积、运移等运动历史影响，虽然在各区域其分布 不相同，但对于特定储层，地应力分布是相对稳定 的，即压裂裂缝方位是客观存在的。对于整体压裂 的注采井网，不同方位的压裂裂缝对注水开发的影 响是不相同的。 采用整体压裂数值模拟器模拟计算五点法注采井 网中压裂裂缝方位在有利和不利方位时，压裂中心 生产井在注采开发期的生产动态。 若压裂裂缝方位有利时，在相同的生产时间下 ，压裂得到不低于不压裂的扫油效率；对任一裂缝 穿透率，压后累积产油量大大高于不压裂的情况， 随着裂缝穿透率的增加，扫油效率增加。这说明在 裂缝方位有利的情况下，有压裂裂缝比无压裂裂缝 的扫油效率高，并且缝长增加也使扫油效率增加。 在裂缝方位不利时，压裂缝长增加使扫油效率降 低，对于新开发的油藏，在进行井网与压裂裂缝优 化组合时，为不使注水扫油效率减少，控制压裂缝 长是必要的。 从累积采油量来看，压裂优于不压裂，有利裂缝 方位优于不利裂缝方位；从扫油效率来看，适当缝 长的压裂对于生产是有利的。这要求在油藏开发压 裂时，应多方面、多角度研究油藏区域的地应力分 布，以准确可靠的地应力资料为依据，使压裂裂缝 尽量处于最有利方位。 （4）裂缝穿透率 在注采井网中，裂缝的穿透率对二次采油期的影 响较大，裂缝穿透率增加，支撑缝长增加，沟通更 多的天然裂缝，有利于油流入压裂裂缝，但水流入 压裂裂缝的速度也必然加快。 （4）裂缝穿透率 随着裂缝穿透率增大，见水时间缩短，无水采油 期减小，单井累计产量增加，这说明压裂缝长增加 ，采油速度增大。 （5）裂缝导流能力 有研究表明，在一次采油期，压裂裂缝对压裂井 生产动态的影响主要决定于无因次裂缝导流能力、 缝长和油藏几何形态的匹配。在生产初期，生产动 态仅依赖于无因次裂缝导流能力，井控油藏边界效 应未出现；在生产后期，油藏边界发生作用，生产 动态几乎与无因次裂缝导流能力无关，主要是裂缝 长度与油藏几何形状的匹配关系。 在一定裂缝方位、裂缝穿透率时，不同压裂井类 型下无因次裂缝导流能力对注水开发的累积产油量 和面积扫油效率的影响程度。当无因次裂缝导流能 力从0.1增至10时，累积产油量及面积扫油效率变 化都较大；当无因次裂缝导流能力大于10以后，再 增加无因次裂缝导流能力，累积产油量及扫油效率 几乎不再变化。裂缝导流能力对裂缝性油藏压裂动 态的影响与均质低渗透油藏压裂相类似，因此在裂 缝性油藏中优化设计裂缝长度与导流能力时，适用 于均质油藏的Cr准则仍适用于裂缝性油藏的压裂设 计。 （6）井网不同组合 研究不同井网系统与一定压裂裂缝系统之间的优 化匹配，是整体压裂方案设计的重要内容。当压裂 裂缝方位在注采井网中处于有利方位或不利方位时 ，相同井网面积，不同泄油形状下，裂缝长度对采 出程度的影响程度如何，这是整体压裂效果评价的 一个方面，也是选择压裂开发规模的依据之一。 （6）井网不同组合 对于两种不同的基质渗透率，任何一种井网形 状压裂后的采出程度较不压裂都有大幅度提高，并 且任何一种井网形状的采出程度都随裂缝长度的增 加而增加。总体来说，油藏整体压裂后的采出程度 都偏低， 油藏渗透率是控制整体压裂油藏采出程度的重 要因素，油藏渗透率愈高，采出程度也愈高。对于 特低渗透性油藏进行开发压裂时应选择合适的矩形 井网形状与压裂裂缝相匹配，适当增大支撑裂缝的 长度，这样可提高低渗油藏注水开发期的采收率。 3.1 3.1 裂缝性油藏整体压裂数值模拟裂缝性油藏整体压裂数值模拟 整体压裂裂缝性油藏中渗流数学模型 裂缝性油藏整体压裂的数值模型及求解 油藏整体压裂模拟器的研制与可靠性分析 整体压裂裂缝性油藏中渗流数学模型 流动特点 三种渗流通道： 孔隙介质+天然裂缝 +压裂裂缝