第6章水力压裂

1、第六章 水力压裂技术2 利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附力的排量注入井中，在井底憋起高压；当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层产生裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近地层内内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增形成具有一定

2、几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注目的工艺措施。产增注目的工艺措施。水力压裂：水力压裂：水力压裂的工艺过程：水力压裂的工艺过程：憋压憋压造逢造逢裂缝延伸裂缝延伸充填支撑剂充填支撑剂裂缝闭合裂缝闭合4(2) (2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体裂缝内流体流动阻力小。流动阻力小。水力压裂增产增注的原理水力压裂增产增注的原理: :(1) (1) 改变流体的渗流状态：改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与使原来径向流动改变为油层与裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了裂缝近似的单向流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了

3、径向节流损失，降低了能量消耗。径向节流损失，降低了能量消耗。5678第一节第一节 造缝机理造缝机理裂缝形成条件裂缝形成条件裂缝的形态裂缝的形态裂缝的方位裂缝的方位井网部署井网部署提高采油速度提高采油速度提高原油采收率提高原油采收率 所以，有利的裂缝状态及参数能够充分发挥所以，有利的裂缝状态及参数能够充分发挥其在增产、增注的作用。其在增产、增注的作用。 造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的的地应力及其分布地应力及其分布、岩石的力学性质岩石的力学性质、压裂液的渗滤压裂液的渗滤性质性质及及注入方式注入方式有密切关系。有密切关系。图图6-1 6-1 压

4、裂过程井底压力变化曲线压裂过程井底压力变化曲线a a致密岩石致密岩石 b b微缝高渗岩石微缝高渗岩石破裂压力破裂压力延伸压力延伸压力地层压力地层压力一、油井应力状况一、油井应力状况( (一一) )地应力地应力xyzdzgHSZ0sZZP垂向应力：上覆层的岩石重量。垂向应力：上覆层的岩石重量。有效垂向应力：有效垂向应力：11SSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21max如果岩石处于弹性状态，如果岩石处于弹性状态，考虑到构造应力等因素的影响，考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平主应力为：可以得到最大、最小水平主应力为：1.1.井筒对地应力及其分布的影响井

5、筒对地应力及其分布的影响( (二二) )井壁上的应力井壁上的应力图图6-2 6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布无限大平板中钻一圆孔的应力分布地层三维应力问题转化为二维方法处理地层三维应力问题转化为二维方法处理2cos312124422rarayxyx圆孔周向应力（弹性力学）：圆孔周向应力（弹性力学）：(1) (1) 当当 ， 时，时， ， 说明圆孔壁上各点的说明圆孔壁上各点的周向应力相等，且与周向应力相等，且与值无关。值无关。ar HyxHyx222131.1.井筒对地应力及其分布的影响井筒对地应力及其分布的影响( (二二) )井壁上的应力井壁上的应力图图6-2 6-2 无限大平板中钻一圆

6、孔的应力分布无限大平板中钻一圆孔的应力分布地层三维应力问题转化为二维方法处理地层三维应力问题转化为二维方法处理2cos312124422rarayxyx圆孔周向应力（弹性力学）：圆孔周向应力（弹性力学）：(2) (2) 当当 ， 时，时， 说明最小周向应力发生在说明最小周向应力发生在 方向上，而最大周向方向上，而最大周向应力却在应力却在 的方向上。的方向上。ar yxxy3180,0min。yx3270,90max。xy141.1.井筒对地应力及其分布的影响井筒对地应力及其分布的影响( (二二) )井壁上的应力井壁上的应力图图6-2 6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布无限大平板中钻一圆孔的

7、应力分布地层三维应力问题转化为二维方法处理地层三维应力问题转化为二维方法处理2cos312124422rarayxyx圆孔周向应力（弹性力学）：圆孔周向应力（弹性力学）：(3) (3) 随着随着 的增加，的增加，周向应力迅速降低。周向应力迅速降低。r2.2.井眼内压所引起的井壁应力井眼内压所引起的井壁应力 压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹快升高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹性力学中的拉梅公式性力学中的拉梅公式( (拉应力取负号拉应力取负号) )：222222222aeae

8、ieaeaieerrrrrPPrrrPrP 当当r re e=时，井眼内压造成的周向应力为：时，井眼内压造成的周向应力为：iP 即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等，方向相反。方向相反。 当当r=rr=ra a时，井壁上的周向应力为：时，井壁上的周向应力为：0121siPPbrCC11213siixyPPP3.3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力压裂液径向渗入地层所引的井壁应力 由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大周围地层中，形成了另外一个应

9、力区，它的作用是增大了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为：了井壁周围岩石中的应力。增加的周向应力值为：4.4.井壁上的最小总周向应力井壁上的最小总周向应力 在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应地应力力、井筒内压井筒内压及及液体渗滤液体渗滤所引起的周向应力之和：所引起的周向应力之和：ht二、造缝条件二、造缝条件（一）形成垂直裂缝的条件（一）形成垂直裂缝的条件 当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在拉强度时，岩石将在垂直于水平应力垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂，的方

10、向上产生脆性破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为：即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。造缝条件为： 当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破裂压力：裂压力：12123htxySFPP当井壁上存在的周向应力达到井壁当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗拉强度时，将岩石的水平方向的抗拉强度时，将产生产生 垂向垂向 裂缝裂缝 ( (二二) )形成水平裂缝的条件形成水平裂缝的条件 当井壁上存在的垂向应力达到井壁岩石的垂向的抗张强当井壁上存在的垂向应力达到井壁岩石的垂向的抗张强度时，岩石将在度时，岩石将在垂直于垂向

11、应力垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即的方向上产生脆性破裂，即在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为：在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。造缝条件为：vtZ 当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的破裂压力：破裂压力：1211PPvtzsF12194.1vtzsFPP实验修正：实验修正：当井壁上存在的周向应力达当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的垂向的抗拉强到井壁岩石的垂向的抗拉强度时，将产生度时，将产生 水平水平 裂缝裂缝 ( (三三) )破裂压力梯度破裂压力梯度( (破裂梯度破裂梯度) )破裂梯度破裂梯度：地层破裂

12、压力与地层深度的比值。：地层破裂压力与地层深度的比值。各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为：各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为： (15(1518)18)(22(2225)25)深地层深地层垂直裂缝垂直裂缝 浅地层浅地层水平裂缝水平裂缝根据破裂梯度的大小估计根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态裂缝的形态： 小于小于15151818时形成时形成垂直裂缝垂直裂缝 大于大于2323时形成时形成水平裂缝水平裂缝地层破裂压力是井下地层压力，单位为地层破裂压力是井下地层压力，单位为kPakPa，深度单位为，深度单位为m m20三、裂缝停止延伸的条件三、裂缝停止延伸的条件（）停泵（）停

13、泵（）泵注排量等于滤失量（）泵注排量等于滤失量第二节第二节 压裂液压裂液压裂液任务：压裂液任务：破裂地层、造缝、降温作用破裂地层、造缝、降温作用。一般用未交联。一般用未交联的溶胶。的溶胶。携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作用用。必须使用交联的压裂液。必须使用交联的压裂液( (如冻胶等如冻胶等) )。末尾顶替液：末尾顶替液：替液入缝替液入缝，提高携砂液效率和提高携砂液效率和防止井筒沉砂防止井筒沉砂。中间顶替液：中间顶替液：送送携砂液、防砂卡携砂液、防砂卡；根据压裂过程中作用不同，根据压裂过程中作用不同，压裂液可分为压裂液可分为 前置液前置液、携砂液携砂液

14、、顶替液顶替液 压裂液的性能要求：压裂液的性能要求：滤失少：滤失少：悬砂能力强：悬砂能力强：摩阻低：摩阻低：稳定性好：稳定性好：配伍性好：配伍性好：低残渣：低残渣：易返排：易返排：货源广、便于配制、价钱便宜。货源广、便于配制、价钱便宜。造长缝、宽缝造长缝、宽缝取决于它的粘度与造壁性取决于它的粘度与造壁性取决于粘度取决于粘度摩阻愈小，用于造缝的有效功率愈大摩阻愈小，用于造缝的有效功率愈大热稳定性和抗机械剪切稳定性热稳定性和抗机械剪切稳定性不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率减少压裂液对地层的伤害减

15、少压裂液对地层的伤害 一、压裂液类型一、压裂液类型水基压裂液：水基压裂液：油基压裂液：油基压裂液：泡沫压裂液：泡沫压裂液：用水溶胀性聚合物用水溶胀性聚合物( (称为成胶剂称为成胶剂) )经交链剂经交链剂交链后形成的冻胶。施工结束后，为了使交链后形成的冻胶。施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂。不适用于水冻胶破胶还需要加入破胶剂。不适用于水敏性地层。敏性地层。多用稠化油，遇地层水后自动破胶。缺点多用稠化油，遇地层水后自动破胶。缺点是悬砂能力差、性能达不到要求、价格昂是悬砂能力差、性能达不到要求、价格昂贵、施工困难和易燃等。贵、施工困难和易燃等。基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液；气基液多用淡

16、水、盐水、聚合物水溶液；气相为二氧化碳、氮气、天然气；发泡剂用相为二氧化碳、氮气、天然气；发泡剂用非离子型活性剂。特点是易于返排、滤失非离子型活性剂。特点是易于返排、滤失少以及摩阻低等。缺点是砂比不能过高、少以及摩阻低等。缺点是砂比不能过高、井深不能过大。井深不能过大。2/13k104 . 5fPCtCv二、压裂液滤失性二、压裂液滤失性压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液滤失到地层受三种机理控制：压裂液的粘度、压裂液的粘度、油藏岩石和流体的压缩性、油藏岩石和流体的压缩性、 压裂液的造壁性压裂液的造壁性( (一一) )受压裂液粘度控制的滤失系数受压裂液粘度控制的滤失系数C C 当当压裂液粘度大

17、大超过油藏流体的粘度压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度时，压裂液的滤时，压裂液的滤失速度主要取决于压裂液的粘度，由达西方程可以导出滤失失速度主要取决于压裂液的粘度，由达西方程可以导出滤失系数为：系数为：滤失速度为：滤失速度为：( (二二) )受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数C C 当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤失当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性。这是因为储层岩石和流体受的是储层岩石和流体的压缩性。这是因为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压裂液才得以滤失进去。根据体积到压缩，让出一部分空间压裂液

18、才得以滤失进去。根据体积平衡方程可得到表达式：平衡方程可得到表达式：2/13k103 .4ffCPCC Cf f油藏综合压缩系数油藏综合压缩系数（三）具有造壁性压裂液滤失系数（三）具有造壁性压裂液滤失系数C C滤失系数滤失系数C C是由实验方法测定是由实验方法测定图图6-4 6-4 静滤失仪示意图静滤失仪示意图加压口加压口筛座筛座（含滤纸或岩心片）（含滤纸或岩心片）出液口出液口 mtgVsp滤失量ml 时间，min01234图图6-5 6-5 静滤失曲线静滤失曲线27（三）具有造壁性压裂液滤失系数（三）具有造壁性压裂液滤失系数C C mtgVsp滤失量ml 时间，min01234图图6-5 6

19、-5 静滤失曲线静滤失曲线tAmv005.0AmC005. 0 造壁液体的滤失系数造壁液体的滤失系数tC 则滤失速度：则滤失速度：tmVVsp滤失量与时间的关系：滤失量与时间的关系：滤失量除以滤纸或岩心断面滤失量除以滤纸或岩心断面积积A A，并对时间求导，得到，并对时间求导，得到滤滤失速度失速度：2/1 PPCCf实验压差与实际施工过程中裂缝内实验压差与实际施工过程中裂缝内外压力差不一致，则应进行修正：外压力差不一致，则应进行修正：图图6-6 6-6 动滤失仪示意图动滤失仪示意图图图6-7 6-7 动静滤失曲线比较图动静滤失曲线比较图CCCC1111( (四四) )综合滤失系数综合滤失系数压裂

20、液的滤失同时受三种机理控制，综合滤失系数如下：压裂液的滤失同时受三种机理控制，综合滤失系数如下：在研究在研究C C和和C C时，常将计算公式中的压力差取值为裂时，常将计算公式中的压力差取值为裂缝延伸压力与地层压力之差。实际上缝延伸压力与地层压力之差。实际上C由由滤失带压力滤失带压力差差控制的，控制的，C 是由是由压缩带压力差压缩带压力差控制的，控制的，C由由滤饼内滤饼内外压力差外压力差控制的控制的。30图图6-3 6-3 滤失后滤失后地层中地层中压力分压力分布示意布示意图图使压裂液滤失于使压裂液滤失于储层内的压差储层内的压差压缩并使油藏流压缩并使油藏流体流动的压差体流动的压差裂缝壁面滤裂缝壁面

21、滤饼的压力差饼的压力差2222242CCCCCCCCCCC根据根据分压降公式分压降公式可以得到综合滤失系数的另一表达式：可以得到综合滤失系数的另一表达式：推导过程详见王鸿勋主编的推导过程详见王鸿勋主编的水力压裂设计数值计算方法水力压裂设计数值计算方法(石油工石油工业出版社，业出版社，1998.6)DDDKn11naDK三、压裂液流变性三、压裂液流变性 ( (一一) )各类压裂液的流变曲线各类压裂液的流变曲线1.1.牛顿压裂液牛顿压裂液(A(A曲线曲线) )图图6-8 6-8 压裂液流变曲线压裂液流变曲线剪切速度剪切速度剪切应力剪切应力2.2.假塑型压裂液假塑型压裂液(B(B曲线曲线) )假塑型

22、流体也称为幂律流体，随假塑型流体也称为幂律流体，随剪切速率的增加，其斜率变小。剪切速率的增加，其斜率变小。nDK1n 视粘度视粘度3.3.其它流动类型的压裂液其它流动类型的压裂液宾汉型流体宾汉型流体(C(C曲线曲线) )Dy屈服假塑型流体屈服假塑型流体(D(D曲线曲线) )nyDK胀流型流体胀流型流体(E(E曲线曲线) )nDK1n ( (二二) )幂律液体流动过程中的视粘度计算幂律液体流动过程中的视粘度计算 从地面到地下裂缝中基本上可分为四种流动过程，从地面到地下裂缝中基本上可分为四种流动过程，即地即地面管线、井筒、射孔孔眼和裂缝中的流动面管线、井筒、射孔孔眼和裂缝中的流动。这四种流动基本。

23、这四种流动基本上分为两大类，即上分为两大类，即管流管流及及缝流缝流。1.1.管流管流幂律液体在圆管内流动的本构方程：幂律液体在圆管内流动的本构方程：nnwnndvK4138视粘度视粘度: :18413nnpdvnnK2.2.缝流缝流幂律液体在裂缝中流动的本构方程：幂律液体在裂缝中流动的本构方程：nnwWv6n31n2K视粘度视粘度: :1nnfwv6n31n2K( (三三) )摩阻计算摩阻计算油管内摩阻、射孔孔眼摩阻、裂缝内摩阻压力降油管内摩阻、射孔孔眼摩阻、裂缝内摩阻压力降第三节第三节 支撑剂支撑剂填砂裂缝的导流能力：填砂裂缝的导流能力： 在油层条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，在油层

24、条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，常用常用FRCDFRCD表示，导流能力也称为导流率。表示，导流能力也称为导流率。一、支撑剂的性能要求一、支撑剂的性能要求(1)(1)粒径均匀，密度小粒径均匀，密度小(2)(2)强度大，破碎率小强度大，破碎率小(3)(3)园度和球度高园度和球度高(4)(4)杂质含量少杂质含量少(5)(5)来源广，价格适宜来源广，价格适宜二、二、 支撑剂的类型支撑剂的类型按其力学性质分为两大类：按其力学性质分为两大类：脆性支撑剂脆性支撑剂如石英砂、玻璃球等如石英砂、玻璃球等特点特点是硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎是硬度大，变形小，在高闭合压力下易破碎韧性支撑剂韧性支撑

25、剂 如核桃壳、铝球等如核桃壳、铝球等特点特点是变形大，承压面积大，在高闭合压力下不易破碎是变形大，承压面积大，在高闭合压力下不易破碎目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂天然砂；二是二是人造支撑剂人造支撑剂（陶粒）。（陶粒）。( (一一) )天然砂天然砂主要矿物成分是粗晶石英主要矿物成分是粗晶石英适用于浅层或中深层的压裂，成功率很高。适用于浅层或中深层的压裂，成功率很高。( (二二) )人造支撑剂人造支撑剂( (陶粒陶粒) )矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁矿物成份是氧化铝、硅酸盐和铁钛氧化物钛氧化物形状不规则，强度很高，适用于深井高闭合压力的油气形状不规则，强

26、度很高，适用于深井高闭合压力的油气层压裂。层压裂。陶粒的密度很高，特别在深井条件下由于高温和剪切作陶粒的密度很高，特别在深井条件下由于高温和剪切作用，对压裂液性能的要求很高。用，对压裂液性能的要求很高。( (三三) )树脂包层支撑剂树脂包层支撑剂中等强度，密度小，便于携砂与铺砂。中等强度，密度小，便于携砂与铺砂。三、支撑剂在裂缝内的分布三、支撑剂在裂缝内的分布支撑剂在裂缝内的分布规律随支撑剂在裂缝内的分布规律随裂缝类型裂缝类型( (水平、水平、垂直缝垂直缝) )和和携砂液性能携砂液性能而异。而异。( (一一) )全悬浮型支撑剂分布全悬浮型支撑剂分布高粘压裂液高粘压裂液：压裂液粘度足以把支撑剂完

27、全悬浮起来，在压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，在整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整整个施工过程中没有支撑剂的沉降，停泵后支撑剂充满整个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。个裂缝内，因而携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。裂缝内的砂浓度裂缝内的砂浓度( (裂缝内砂比裂缝内砂比) )：是指单位体积裂缝内所含是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量。支撑剂的质量。裂缝闭合后的砂浓度裂缝闭合后的砂浓度( (铺砂浓度铺砂浓度) )：指单位面积裂缝上所铺指单位面积裂缝上所铺的支撑剂质量。的支撑剂质量。地面砂比地面砂比：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量。单位体积混砂液中所含的支撑剂

28、质量。或支撑剂体积与压裂液体积之比。或支撑剂体积与压裂液体积之比。 假设地面每注入体积为假设地面每注入体积为VF(mVF(m3 3) )的含砂液体为一个处理单的含砂液体为一个处理单元，时间元，时间t t是注入此单元所需的时间。是注入此单元所需的时间。单元含砂液中滤失的体积百分数：单元含砂液中滤失的体积百分数：）的剩余体积（地面单元体积液在缝中滤失体积滤失SVt2W1SVtC时间滤失面积滤失速度滤失体积滤失体积百分数：滤失体积百分数：ttCWSVttCWSV221滤失经滤失后的缝内砂浓度：经滤失后的缝内砂浓度：n0n0si1Ci1VFCVFCss0i1CC 在忽略裂缝内流动阻力的情况下，可以认为

29、裂缝内的在忽略裂缝内流动阻力的情况下，可以认为裂缝内的FRCD(FRCD(填砂裂缝导流能力填砂裂缝导流能力) )从缝端到井底是线性增加的，因而从缝端到井底是线性增加的，因而要求砂浓度呈线性增加。要求砂浓度呈线性增加。支撑面积很大，支撑面积很大，能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。全悬浮型支撑剂分布特点：全悬浮型支撑剂分布特点：适合于低渗透率地层，不需要很高的填砂裂缝导流能力就能适合于低渗透率地层，不需要很高的填砂裂缝导流能力就能有很好的增产效果。有很好的增产效果。39( (二二) )沉降型支撑剂分布沉降型支撑剂分布由于剪切和温度等降解作用由于剪切和温度等

30、降解作用, ,携砂性能并不能达到全悬浮，携砂性能并不能达到全悬浮， 部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，部分可能沉降下来。部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，部分可能沉降下来。支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参数有关。支撑剂沉降速度、砂堤堆起高度等都与裂缝参数有关。目前的研究仍是基于目前的研究仍是基于6060年代巴布库克的实验结果。年代巴布库克的实验结果。1.1.支撑剂在缝高度上的分布支撑剂在缝高度上的分布 进入裂缝的固体颗粒主要受到进入裂缝的固体颗粒主要受到水平方向液体携带力、水平方向液体携带力、垂直向下重力垂直向下重力以及以及向上浮力向上浮力的作用。的作用。 颗粒相对于携带液有沉降运动颗

31、粒相对于携带液有沉降运动 粘滞阻力作用粘滞阻力作用平衡状态平衡状态: :当液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的当液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的能力时，颗粒处于停止沉降的状态。能力时，颗粒处于停止沉降的状态。平衡流速：平衡流速：平衡时的流速，也即携带颗粒最小的流速。平衡时的流速，也即携带颗粒最小的流速。注入浓度注入浓度图图6-10 6-10 颗粒在缝高上的浓度分布颗粒在缝高上的浓度分布沉降下来的的砂堤，沉降下来的的砂堤，在平衡状态下砂堤的在平衡状态下砂堤的高度为平衡高度高度为平衡高度砂堤面上的颗粒滚流区砂堤面上的颗粒滚流区悬浮区，颗粒分布不悬浮区，颗粒分布不均匀，存在浓度梯度均匀，存在

32、浓度梯度无砂区无砂区增加地面排量增加地面排量 、与与区均将区均将变薄变薄，区则区则变厚变厚流速足够大流速足够大 区可能区可能完全消失完全消失再增加排量再增加排量 浓度梯度剖面浓度梯度剖面消失消失，成为成为均质的悬浮流均质的悬浮流EQEQWhQVEQEQEQWVQHhHH00scEQWEQWU50. 04054. 0PhPPEQWPdRdUUU2.2.平衡流速平衡流速平衡流速平衡流速砂堤的平衡高度砂堤的平衡高度EQ0EQHHh汤姆斯解法：汤姆斯解法：利用颗粒利用颗粒自由沉降速度自由沉降速度与与阻力速度阻力速度的比值，的比值，先得到阻力速度，再求出平衡流速。先得到阻力速度，再求出平衡流速。阻力速度

33、阻力速度牛顿液体牛顿液体非牛顿液体非牛顿液体71. 0PhaPPEQWPdR4dU041. 0UUhEQWEQRUVsc446.32hEQWEQRUVsc446. 3226501100000CCsc阻力速度与平衡流速的关系阻力速度与平衡流速的关系: :层流层流紊流紊流混砂液密度混砂液密度砂比砂比S S表示加砂浓度表示加砂浓度，砂比是砂堆体积与压裂液体积之比砂比是砂堆体积与压裂液体积之比。1S112650S1000scVVKdtdHEQ 3.3.砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度当缝中流速达到平衡流速时，砂堤停止增高，处于平衡状态当缝中流速达到平衡流速时，砂堤停止增高，处于平衡状态砂堤的堆起速度与砂堤

34、上面过流高度砂堤的堆起速度与砂堤上面过流高度的变化方向相反的变化方向相反dtWhQKhhhdhEQEQKtUZUln1EQEQhHhhU0EQEQHhZ EQEQHWhQKK4.4.平衡时间平衡时间假设砂堤达到平衡高度的假设砂堤达到平衡高度的9595，认为已达到平衡高度，认为已达到平衡高度KZtEQ395.0四、支撑剂的选择四、支撑剂的选择支撑剂的选择主要是指选择其支撑剂的选择主要是指选择其类型和粒径。类型和粒径。选择的目的是为了达到一定的选择的目的是为了达到一定的裂缝导流能力。裂缝导流能力。对对低渗低渗地层，水力压裂应以增加地层，水力压裂应以增加裂缝长度裂缝长度为主为主。对对中高渗中高渗地层

35、，水力压裂应以增加地层，水力压裂应以增加裂缝导流能力裂缝导流能力为主为主。影响支撑剂选择的因素：影响支撑剂选择的因素：1 1）支撑剂的强度）支撑剂的强度2 2）粒径及其分布）粒径及其分布3 3）支撑剂类型与铺砂浓度）支撑剂类型与铺砂浓度4 4）其它因素）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等研究研究表明表明第四节第四节 压裂设计压裂设计压裂设计的任务压裂设计的任务：优选出经济可行的增产方案优选出经济可行的增产方案压裂设计的原则压裂设计的原则： 最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用使压裂后油气井和注入井达到最佳状态使压裂后油

36、气井和注入井达到最佳状态压裂井的有效期和稳产期长压裂井的有效期和稳产期长压裂设计的方法：压裂设计的方法： 根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效益根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效益为目标，优选裂缝几何参数，设计合适的加砂方案。为目标，优选裂缝几何参数，设计合适的加砂方案。压裂设计方案的内容：压裂设计方案的内容： 裂缝几何参数优选及设计；压裂液类型、配方选择及注裂缝几何参数优选及设计；压裂液类型、配方选择及注液程序；支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效果预测和经济液程序；支撑剂选择及加砂方案设计；压裂效果预测和经济分析等。区块整体压裂设计还应包括采收率和开采动态分析分析等。区块

37、整体压裂设计还应包括采收率和开采动态分析等。等。一、影响压裂井增产幅度的因素一、影响压裂井增产幅度的因素油层特性油层特性裂缝几何参数裂缝几何参数指压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油指压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、油层能量、含油丰度和泄油面积等层能量、含油丰度和泄油面积等指填砂裂缝的长、宽、高和导流能力指填砂裂缝的长、宽、高和导流能力麦克奎尔与西克拉用电模型研究了垂直裂缝条件下增产麦克奎尔与西克拉用电模型研究了垂直裂缝条件下增产倍数与裂缝几何尺寸和导流能力的关系。倍数与裂缝几何尺寸和导流能力的关系。假设：假设：拟稳定流动；定产或定压生产；正方形泄油面积；拟稳定流动；定产或定压生产；正方形泄

38、油面积；外边界封闭；可压缩流体；裂缝穿过整个产层。外边界封闭；可压缩流体；裂缝穿过整个产层。图图6-12 6-12 麦克奎尔西克拉垂直裂缝增产倍数曲线麦克奎尔西克拉垂直裂缝增产倍数曲线相对导流能力相对导流能力无因次增产倍数无因次增产倍数裂缝导流能力愈高，增产倍数也愈高；造缝愈长，倍数也愈高裂缝导流能力愈高，增产倍数也愈高；造缝愈长，倍数也愈高左边左边 要提高增产倍数，则应以增加要提高增产倍数，则应以增加裂缝导流能力裂缝导流能力为主为主右边右边 曲线趋于平缓，增产主要靠曲线趋于平缓，增产主要靠增加缝的长度增加缝的长度低渗油藏低渗油藏 增加裂缝长度比增加裂缝导流能力对增产更有利增加裂缝长度比增加裂

39、缝导流能力对增产更有利高渗油藏高渗油藏 应以增加导流能力为主应以增加导流能力为主对一定的裂缝长度，存在一个最佳的裂缝导流能力对一定的裂缝长度，存在一个最佳的裂缝导流能力裂缝穿透比裂缝穿透比wefr/R.ln.J/J47201370410471. 240AKWKff缝长缝长(单翼单翼)与供油半径与供油半径的比的比 二、裂缝几何参数计算模型二、裂缝几何参数计算模型二维二维(PKN(PKN、KGD)KGD)、拟三维、拟三维(P3D)(P3D)和真三维模型和真三维模型主要差别主要差别是裂缝的扩展和裂缝内的流体流动方式不同：是裂缝的扩展和裂缝内的流体流动方式不同： 二维模型假设二维模型假设裂缝高度裂缝高

40、度是是常数常数，即流体仅沿缝长方向即流体仅沿缝长方向流动。流动。 真三维模型认为真三维模型认为缝高沿缝长方向是变化缝高沿缝长方向是变化的，在的，在缝长、缝长、缝高方向均有流动缝高方向均有流动( (即存在压力降即存在压力降) )。 拟三维模型认为拟三维模型认为缝高沿缝长方向是变化缝高沿缝长方向是变化的，但裂缝的，但裂缝内仍是内仍是一维流动一维流动( (缝长缝长) )。（一）卡特模型（裂缝面积公式）（一）卡特模型（裂缝面积公式）基本假设：基本假设：裂缝是等宽的；裂缝是等宽的；压裂液从缝壁面垂直而又线性地渗入地层；压裂液从缝壁面垂直而又线性地渗入地层；缝壁上某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间

41、；缝壁上某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间；缝壁上各点的速度函数是相同的；缝壁上各点的速度函数是相同的；裂缝内各点压力相等，等于井底延伸压力。裂缝内各点压力相等，等于井底延伸压力。裂缝面积裂缝面积WtC2x1x2xerfceC4QWtA2x2根据导出的裂缝面积公式，如果已知缝宽，则可求出水平根据导出的裂缝面积公式，如果已知缝宽，则可求出水平裂缝半径和垂直裂缝长度。裂缝半径和垂直裂缝长度。滤失量滤失量Q QL L(t)(t) tQ tQL t Qt Qt QFL+= dddAtv2tQt0L裂缝体积变化裂缝体积变化Q QF F(t)(t) dtdAtQF水力压裂过程中，注入裂缝中的压裂液

42、水力压裂过程中，注入裂缝中的压裂液Q(t),Q(t),一部份滤失一部份滤失于地层于地层Q QL L(t)(t)，一部分使裂缝的体积增加，一部分使裂缝的体积增加Q QF F(t)(t)，即：，即：52（二）（二）PKNPKN模型（缝宽公式）模型（缝宽公式）基本假设：基本假设：岩石是弹性、脆性材料，当作用于岩石上的张应力大于岩石是弹性、脆性材料，当作用于岩石上的张应力大于某个极限值后，岩石张开破裂；某个极限值后，岩石张开破裂； 缝高在整个缝长方向上不变，即在上、下层受阻；造缝段缝高在整个缝长方向上不变，即在上、下层受阻；造缝段全部射孔，一开始就压开整个地层；全部射孔，一开始就压开整个地层；裂缝断面为椭园形，最大缝宽在裂缝中部；裂缝断面为椭园形，最大缝宽在裂缝中部；缝内流体流动为层流；缝内流体流动为层流；缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力；缝端部压力等于垂直于裂缝壁面的总应力；不考虑压裂液滤失于地层。不考虑压裂液滤失于地层。 4/13243cf1HQLE601PxP 4/12max16012wELQx对非牛顿液液体，最大缝宽为：对非牛顿液液体，最大缝宽为：2n21 n1fnn2n maxELHKQ6011