采油工程-课件

1、 Hydraulic Fracturing水力压裂水力压裂 Hydraulic Fracturing 利用地面利用地面高压高压泵组，将泵组，将高粘液体高粘液体以大大超过地层吸收能以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在力的排量注入井中，在井底憋起高压井底憋起高压；当此压力大于井壁当此压力大于井壁附近的附近的地应力地应力和地层岩石和地层岩石抗张强度抗张强度时，在井底附近地层产生时，在井底附近地层产生裂缝；裂缝；继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填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，以支撑剂，关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近关井后裂缝闭合在支撑剂上，从而在井底附近

2、地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝。地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝。技术成熟度高，是低渗透油气藏开发的主要技术。技术成熟度高，是低渗透油气藏开发的主要技术。形成单一裂缝，裂缝方向受地应力控制。对特低渗形成单一裂缝，裂缝方向受地应力控制。对特低渗油藏，远离裂缝处的油气难以流向裂缝。油藏，远离裂缝处的油气难以流向裂缝。技术还在不断完善，以适应油气田开发的需要，如超技术还在不断完善，以适应油气田开发的需要，如超深井压裂、重复压裂以及与其他技术的组合应用。深井压裂、重复压裂以及与其他技术的组合应用。水力压裂特点水力压裂特点爆炸压裂爆炸压裂 用用炸药炸药，它的增压速度极快，它

3、的增压速度极快( (微秒级微秒级) )，气体生成量较，气体生成量较少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消耗在井壁少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消耗在井壁岩石的破碎上，产生无数细小裂缝，井眼内残留的应力场岩石的破碎上，产生无数细小裂缝，井眼内残留的应力场具有压实效应，可能完全闭塞所产生的裂缝。具有压实效应，可能完全闭塞所产生的裂缝。 炸药在井筒内的炸药在井筒内的爆轰爆轰和和爆燃爆燃使井筒附近产生多条裂缝。使井筒附近产生多条裂缝。常用炸药有黑索金、奥克托金等。常用炸药有黑索金、奥克托金等。爆炸造成的爆炸造成的压缩应力波压缩应力波使井周岩石发生塑性变形，使井周岩石发生塑性变形，形成的残

4、余应力场使得爆炸初期形成的大量裂缝形成的残余应力场使得爆炸初期形成的大量裂缝重重新闭合新闭合，或被爆炸残余物堵塞。，或被爆炸残余物堵塞。 井内爆炸易井内爆炸易损坏井筒损坏井筒；所用所用硝化甘油类硝化甘油类药剂过于敏感是爆炸压裂失败的原因药剂过于敏感是爆炸压裂失败的原因之一。之一。爆炸压裂技术特点爆炸压裂技术特点高能气体压裂高能气体压裂加载速率较高加载速率较高，适用于脆性地层，如石灰岩、白云岩，适用于脆性地层，如石灰岩、白云岩和泥质含量较低（小于和泥质含量较低（小于10%10%）的砂岩；）的砂岩；对于塑性地层不甚适用，如泥岩、泥质含量较高（大对于塑性地层不甚适用，如泥岩、泥质含量较高（大于于20

5、%20%）的泥灰岩和砂质泥岩，且对泥岩地层，反而）的泥灰岩和砂质泥岩，且对泥岩地层，反而可能产生可能产生“压实效应压实效应”；产生的辐射状裂缝仅局限于近井地带（缝宽约为产生的辐射状裂缝仅局限于近井地带（缝宽约为0.40.40.8mm0.8mm，径向缝长约为，径向缝长约为5 510m10m，纵向缝高，纵向缝高2 23m3m）。）。胶结疏松的砂岩地层压后可能出现严重的胶结疏松的砂岩地层压后可能出现严重的出砂问题出砂问题；高能气体压裂技术特点高能气体压裂技术特点三种压裂方式形成的裂缝三种压裂方式形成的裂缝干法压裂干法压裂压裂设备：压裂设备：储罐、泵车、混砂车、运砂车、管汇车、储罐、泵车、混砂车、运砂

6、车、管汇车、仪表车（现场指挥车）、消防车等。仪表车（现场指挥车）、消防车等。 水力压裂施工现场水力压裂施工现场水力压裂施工现场水力压裂施工现场压裂液压裂液携砂液携砂液支撑裂缝支撑裂缝动态裂缝动态裂缝水力压裂工艺过程水力压裂工艺过程注入前置液注入前置液起裂起裂扩展扩展注入携砂液注入携砂液（石英、陶粒）（石英、陶粒）压裂液返压裂液返排排裂缝闭合裂缝闭合高导流的人高导流的人工裂缝工裂缝水力压裂适用条件水力压裂适用条件低渗透油气藏：渗透率低渗透油气藏：渗透率50501010-3-3mm；中高渗透油气藏：防砂中高渗透油气藏：防砂Mechanism of stimulation(3) (3) 增大了井与油

7、藏的接触面积或泄油面积。增大了井与油藏的接触面积或泄油面积。第一节第一节 造缝机理造缝机理 Mechanism of fracturing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 因此有利的裂缝因此有利的裂缝形态形态及及参数参数能够充分发挥其在增能够充分发挥其在增产、增注的作用。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的造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及其分布、岩石的力学性质、压裂液的渗滤性质及及注入方式注入方式有有密

8、切关系。密切关系。压裂过程井底压力变化曲线压裂过程井底压力变化曲线aa致密岩石致密岩石 bb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地层破裂压力地层破裂压力：使地层产生水力裂缝时的：使地层产生水力裂缝时的井底流动压力。井底流动压力。裂缝延伸压力裂缝延伸压力：使水力裂缝在长、宽、高三个方向扩展：使水力裂缝在长、宽、高三个方向扩展所需要的缝内流体压力。所需要的缝内流体压力。裂缝闭合压力裂缝闭合压力：使裂缝恰好保持不致于闭合所需要的流：使裂缝恰好保持不致于闭合所需要的流体压力，它与地层中垂直于裂缝面的体压力，它与地层中垂直于裂缝面的最小主应力最小主应力大小相等大小相等

9、，方向相反。，方向相反。一、油井应力状况一、油井应力状况 Stress status ( (一一) )地应力地应力xyzdzgHSZ0sZZP垂向应力垂向应力：上覆层的岩石重量。：上覆层的岩石重量。有效垂向应力：有效垂向应力：xxE11yxE2zxE3在三向应力作用下，在三向应力作用下，x x轴方向上的应变分别为：轴方向上的应变分别为：岩石弹性模量岩石弹性模量：岩石纵向应力与纵向应变的比例常数。：岩石纵向应力与纵向应变的比例常数。泊松比泊松比：横向应变与纵向应变比值，反映材料横向变形的：横向应变与纵向应变比值，反映材料横向变形的弹性系数。弹性系数。SSZHSSZHPEPEPEPE1121211

10、1212121min21max由于构造应力等因素的影响由于构造应力等因素的影响，最大、最小水平应力与垂向应，最大、最小水平应力与垂向应力关系：力关系：毕奥特常数：毕奥特常数：rbC1C C Cr r基质岩石骨架压缩系数；基质岩石骨架压缩系数；Cb岩石体积压缩系数；岩石体积压缩系数；水平应力构造系数，由实验测定。水平应力构造系数，由实验测定。水平方向主应力水平方向主应力(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 HyxHyx222( (二二) )井壁上的应力井壁上的应力1.1.井筒对地应力及其分布的影响井筒

11、对地应力及其分布的影响2cos312124422rarayxyx圆孔周向应力：圆孔周向应力：2cos312124422rarayxyx(3)(3)随着随着r r的增加，周向应力迅速降低。的增加，周向应力迅速降低。(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。xy2.2.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，向井筒内压裂过程中，向井筒内注入高压液体注入高压液体，使井内压力很，使井内压力很快升高。井筒内压必

12、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) )：222222222aeaeieaeaieerrrrrPPrrrPrP当当r re e=、P Pe e=0=0及及r=rr=ra a时，井壁上的周向应力为：时，井壁上的周向应力为：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。()121isPPqansn-=-3.3.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，由于

13、注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入渗入井筒井筒周围地层中，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：1rbCCa=-1213siixyPPP4.4.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，井壁上的在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力最小总周向应力应为应为地应地应力力、井筒内压井筒内压及及液体渗滤所引起的周向应力液体渗滤所引起的周向应力之和：之和：htqss1.1.形成垂直裂缝形成垂直裂缝 Vertical Fracture岩石为各向同性材料，破

14、裂时的岩石为各向同性材料，破裂时的。zxyhvttss当当 时，形成水平裂缝。时，形成水平裂缝。Fracturing pressure gradient()minzxyzssss=、水平缝水平缝()()minxyxyzsssss=、垂直缝垂直缝12裂缝方向：取决于最小主应力方向裂缝方向：取决于最小主应力方向压裂液是造缝和携砂的介质，压裂液的性能的好坏是压裂压裂液是造缝和携砂的介质，压裂液的性能的好坏是压裂成功的关键。成功的关键。1.1.压裂液的任务压裂液的任务根据在不同施工阶段的任务，压裂液分为：前置液、携根据在不同施工阶段的任务，压裂液分为：前置液、携砂液、顶替液。砂液、顶替液。将井筒中的携

15、砂液送到缝内预定位置将井筒中的携砂液送到缝内预定位置，防止砂卡和井筒沉砂。，防止砂卡和井筒沉砂。携砂液携砂液 Slurry溶胶交联剂溶胶交联剂冻胶支撑剂冻胶支撑剂携砂液携砂液硼酸盐（低温）硼酸盐（低温）有机硼有机硼（高温）（高温）有机钛有机钛（高温）（高温）顶替液顶替液 Displacing fluidDisplacing fluid2.2.压裂液的性能要求：压裂液的性能要求：滤失少：滤失少：造长缝、宽缝，取决于它的粘度与造壁性造长缝、宽缝，取决于它的粘度与造壁性;悬砂能力强：悬砂能力强：取决于粘度取决于粘度;摩阻低：摩阻低：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;稳

16、定性好：稳定性好：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;配伍性好：配伍性好：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;低残渣：低残渣：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;易返排：易返排：减少压裂液的损害减少压裂液的损害;货源广、便于配制、价钱便宜。货源广、便于配制、价钱便宜。 一、压裂液类型一、压裂液类型1.1.水基压裂液水基压裂液水基、油基、泡沫、醇基压裂液。水基、油基、泡沫、醇基压裂液。施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入施工结束后，为了使冻胶破胶还需要加入破胶剂破胶剂（过硫（过硫酸胺、高锰酸钾和酶）。酸胺、高锰

17、酸钾和酶）。不适用于水敏性地层。不适用于水敏性地层。成胶剂成胶剂交链剂交链剂水水+用水溶胀性聚合物用水溶胀性聚合物( (成胶剂成胶剂) )经交链剂交链后形成的冻胶。经交链剂交链后形成的冻胶。 植物胶（胍胶、田菁、皂仁等）植物胶（胍胶、田菁、皂仁等）纤维素衍生物纤维素衍生物合成聚合物合成聚合物 硼酸盐硼酸盐 钛、锆等有机金属盐钛、锆等有机金属盐 2.2.油基压裂液油基压裂液多用稠化油多用稠化油，遇地层水后自动破胶。，遇地层水后自动破胶。缺点：缺点：价格昂贵、施工困难和易燃等。价格昂贵、施工困难和易燃等。对水敏性地层，使用水基压裂液会导致地层粘土膨胀对水敏性地层，使用水基压裂液会导致地层粘土膨胀影

18、响压裂效果，常使用油基压裂液。影响压裂效果，常使用油基压裂液。 原油原油汽油汽油柴油柴油煤油煤油凝析油凝析油脂肪酸皂脂肪酸皂脂肪酸铝皂脂肪酸铝皂磷酸酯铝盐磷酸酯铝盐 基液基液 稠化剂稠化剂稠化油稠化油添加剂添加剂3.3.泡沫压裂液泡沫压裂液基液：基液：淡水、盐水、聚合物水溶液等；淡水、盐水、聚合物水溶液等；气相：气相：二氧化碳、氮气、天然气；二氧化碳、氮气、天然气；发泡剂：发泡剂：非离子型活性剂；非离子型活性剂；泡沫干度：泡沫干度：65658585；适用井深：适用井深：小于小于20002000米。米。用于低压低渗油气层改造，易于返排、滤失少、摩阻低，用于低压低渗油气层改造，易于返排、滤失少、摩

19、阻低，常用于气井、水敏性地层。常用于气井、水敏性地层。二、压裂液滤失性二、压裂液滤失性 Leakoff of fracturing fluid1.1.滤失原因滤失原因地层为多孔介质地层为多孔介质裂缝内外压差裂缝内外压差10fPMPaD滤失是不可避免的滤失是不可避免的, ,但可以减少滤失。但可以减少滤失。 滤失面积：滤失面积：4fSLHHLf压裂液效率压裂液效率停泵时刻缝体积停泵时刻缝体积总注入量总注入量一般：一般：4060tCv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

20、性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：滤失后地层中压力分布示滤失后地层中压力分布示意图意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滤饼的压力差饼的压力差1 / 235.410fKPCmf-I骣 D=桫2.2.滤失系数计算方法滤失系数计算方法受储层岩石和流

21、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当压裂液粘度当压裂液粘度接近于接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤失的是油藏流体粘度时，控制压裂液滤失的是储层岩石和流体的储层岩石和流体的压缩性压缩性。滤失系数为：。滤失系数为：C Cf f油藏综合压缩系数油藏综合压缩系数滤失后地层中压力分布示意图滤失后地层中压力分布示意图使压裂液滤失于储使压裂液滤失于储层内的压差层内的压差压缩并使油藏流体压缩并使油藏流体流动的压差流动的压差裂缝壁面滤饼的裂缝壁面滤饼的压力差压力差r1/ 234.3 10fKCCP具有造壁性压裂液滤失系数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

22、法测定。是由实验方法测定。 静滤失仪示意图静滤失仪示意图加压口筛座（含滤纸或岩心片）出液口 mtg Vsp 滤 失 量 ml 时间，min 0 1 2 3 4 静滤失曲线静滤失曲线 tAmv005.0滤失速度滤失速度AmC005. 0 造壁液体的滤失系数造壁液体的滤失系数tC 则若实验压差与实际施工过程中裂缝内外压力差不一致，则若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：应进行修正：2/1 PPCCfCCCC11112222242CCCCCCCCCCC综合滤失系数综合滤失系数压裂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：C

23、 C由由滤失带压力差滤失带压力差控制的，控制的，C C是由是由压缩带压力差压缩带压力差控制的，控制的，C C由由滤饼内外压力差滤饼内外压力差控制的。控制的。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水力压裂设计数值计算方法(石油工业出版社，1998.6)DDDKn11naDK三、压裂液流变性三、压裂液流变性 Rheological property 1.1.牛顿压裂液牛顿压裂液(A(A曲线曲线) )2.2.假塑型压裂液假塑型压裂液(B(B曲线曲线) )假塑型流体也称为假塑型流体也称为幂律流体幂律流体，剪，剪切速率越大

24、，视切速率越大，视粘度越小粘度越小。nDK1n视粘度视粘度 压裂液流变曲线压裂液流变曲线剪切速率剪切速率剪切应力剪切应力KK稠度系数，稠度系数， mPa.smPa.sn n； n n 流态指数，无因次流态指数，无因次 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 压裂液流变曲线压裂液流变曲线剪切速率剪切速率剪切应力剪切应力流体具有屈服值，加上一定的压力后，流体才从静止状流体具有屈服值，加上一定的压力后，流体才从静止状态开始流动。态开始流

25、动。 第三节第三节 支撑剂支撑剂 Proppant 填砂裂缝的导流能力：填砂裂缝的导流能力：在油层条件下，填砂在油层条件下，填砂裂缝渗透率裂缝渗透率与与裂缝宽度裂缝宽度的乘积，常用的乘积，常用FRCDFRCD表示，也称为导流率。表示，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，价廉来源广，价廉 闭合压力闭合压力二、支撑剂的类型二、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:

26、 :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：目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是一是天然砂天然砂；二是；二是人造支撑剂人造支撑剂（陶粒）。（陶粒）。1.1.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。2.2.人造支撑剂人造支撑剂( (陶粒陶粒) )矿

27、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常用宜兴陶粒和成都陶粒，强度上有低、中、高之分，常用宜兴陶粒和成都陶粒，强度上有低、中、高之分，低强度适用的闭合压力为低强度适用的闭合压力为56.0MPa56.0MPa，中强度约为，中强度约为70.070.084.0MPa84.0MPa，高强度达，高强度达105.0MPa105.0MPa，适用于，适用于深井高闭合压力深井高闭合压力的的油气层压裂。油气层压裂。3.3.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

28、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。高粘压裂液高粘压裂液：压裂液粘度足以把支撑剂：压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来完全悬浮起来，在，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，携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。个裂缝内，携砂液到达的位置就是支撑裂缝的位置。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：指单位面积面积裂缝上所铺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

29、。：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量。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。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：是指单位体积体积裂缝内所含裂缝内所含支撑剂的质量。支撑剂的质量。 假设地面每注入体积假设地面每注入体积VF(mVF(m3 3) )的含砂液体为一个处理单元，的含砂液体为一个处理单元，时间时间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SVtWSVtC21时间滤失面积滤失速度滤失体积ttCWSVttCWSV221滤

30、失经滤失后的缝内砂浓度：经滤失后的缝内砂浓度：nnsiCiVFCVFC11000n1sCCi滤失体积百分数：滤失体积百分数：（一）全悬浮型支撑剂分布（一）全悬浮型支撑剂分布使用完全悬浮液体作为携砂液体，适合于低渗透率地层，支使用完全悬浮液体作为携砂液体，适合于低渗透率地层，支撑面积很大，能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。撑面积很大，能最大限度地将压开的面积全部支撑起来。( (二二) )沉降型支撑剂分布沉降型支撑剂分布由于由于剪切剪切和和温度温度等等降解降解作用作用, ,携砂性能并不能达到全悬浮携砂性能并不能达到全悬浮, ,部部分支撑剂随携砂液一起向缝端运动，部分可能沉降下来。分支撑剂随携砂

31、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颗粒相对于携带液有沉降运动沉降运动和和粘滞阻力作用。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能当液体的流速逐渐达

32、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。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。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，浓度梯度剖面再增加排量，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。 悬浮区悬浮区，颗粒分布不，颗粒分布不均匀，存在浓度梯度均匀，存在浓度梯度砂堤面上的颗粒砂堤面上的颗粒滚流区滚流区沉降下来的的沉降下来的的砂堤砂堤，在平衡状态下砂堤的在平衡状态下砂堤的高度为平

33、衡高度高度为平衡高度无砂区无砂区EQEQWhQVEQ0EQ0EQWVQHhHH2.2.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。h hEQEQ平衡时流动断面高度平衡时流动断面高度H H0 0t=0t=0时流动断面高度时流动断面高度VVKdtdHEQ 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4.4.平衡

34、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K3Z0.95tEQ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。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：支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等）其它因素：支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等石英砂与陶粒的导流能力对比图

35、石英砂与陶粒的导流能力对比图 在在低闭合低闭合压力下，压力下，陶粒和石英砂支撑裂陶粒和石英砂支撑裂缝的导流能力相近；缝的导流能力相近；在在高闭合高闭合压力下，压力下，陶粒要比石英砂所支陶粒要比石英砂所支撑裂缝的导流能力大撑裂缝的导流能力大一个数量级；一个数量级；铺砂浓度铺砂浓度愈大，导愈大，导流能力也愈大。这也流能力也愈大。这也是提高施工砂比的依是提高施工砂比的依据之一。据之一。 第四节第四节 压裂设计压裂设计 Design of fracturing treatment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

36、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，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂方为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂方案。案。压裂设计方案的内容：压裂设计方案的内容：裂缝几何参数裂缝几何参数优选及设计；优选及设计； 压裂液压裂液类型、配方选择及注液程序；类型、配方选择及注液程序；支撑剂支撑剂选择及加砂方案设计；选择及

37、加砂方案设计；压裂效果压裂效果预测和经济分析等。预测和经济分析等。 区块整体压裂设计还应包括区块整体压裂设计还应包括采收率采收率和和开采动态分析开采动态分析等。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裂缝几何参数：裂缝几何参数：填砂裂缝的长、宽、高和导流能力填砂裂缝的长、宽、高和导流能力油层特性：油层特性：指压裂层的渗透率、孔隙度、流体物性、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。油层能量、含油丰度和泄油面积等。麦克奎尔与西克拉用麦克奎尔与西克拉用电模型电模型研究了研究了垂直裂缝垂直裂缝条件下增产条件下增产倍数与裂缝几何尺寸和导流能力的关系。倍数

38、与裂缝几何尺寸和导流能力的关系。假设条件：拟稳定流动；定产或定压生产；正方形泄油假设条件：拟稳定流动；定产或定压生产；正方形泄油面积；外边界封闭；可压缩流体；裂缝穿过整个产层。面积；外边界封闭；可压缩流体；裂缝穿过整个产层。 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无因因次次增增产产倍倍数数Xf/Re裂缝导流能力愈高，裂缝导流能力愈高，造造缝愈长，缝愈长，增产倍数愈高；增产倍数愈高；右边右边: :曲线趋于平缓，曲线趋于平缓，增产主要靠增产主要靠增加缝的增加缝的长度。长度。左边左边: :要提高增产倍要提高增产倍数，则应以增加数，则应以增加裂缝

39、导裂缝导流能力流能力为主为主; ;低渗油藏低渗油藏：增加裂缝长度比增加导流能力对增产更有利；：增加裂缝长度比增加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，存在对一定的裂缝长度，存在一个最佳的裂缝导流能力。一个最佳的裂缝导流能力。二、裂缝几何参数计算模型二、裂缝几何参数计算模型 Models of calculating the fracture geometry一维（卡特）、二维一维（卡特）、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

40、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度是是常数常数，流体仅沿缝长方向流动。，流体仅沿缝长方向流动。真三维模型认为真三维模型认为缝高沿缝长方向是变化的缝高沿缝长方向是变化的，在，在缝长、缝高缝长、缝高方向均有流动方向均有流动( (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，但裂缝内的，但裂缝内仍是仍是一维流动一维流动( (缝长缝长) )。一维模型假设一维模型假设裂缝高度裂缝高度已知，缝等宽，求水平缝的半径和已知，缝等宽，求水平缝的半径和垂直缝的长度。垂直缝的长度。1.1.卡特模型（裂

41、缝面积公式）卡特模型（裂缝面积公式）基本假设：基本假设：裂缝是裂缝是等宽等宽的；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；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。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) dtdAWtQF裂缝面积裂缝面积WtC2x

42、1x2xerfceC4QWtA2x2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。2CtxWerfc(x)erfc(x)是是x x的误差补偿函数，可查表。的误差补偿函数，可查表。 已知缝高，假设裂缝是对称于井轴的两条，则缝长为：已知缝高，假设裂缝是对称于井轴的两条，则缝长为： HAL2对于水平裂缝，裂缝半径为：对于水平裂缝，裂缝半径为：AR2.PKN2.PKN模型（泊金模型（泊金- -克恩裂缝缝宽公式）克恩裂缝缝宽公式）由由PerkinsPerkins，KernKern和和NordgrenNo

43、rdgren提出的，目前应用较多。提出的，目前应用较多。缝高缝高在整个缝长方向上不变，即在在整个缝长方向上不变，即在上、下层受阻；造缝段全部射孔，一上、下层受阻；造缝段全部射孔，一开始就压开整个地层；开始就压开整个地层；裂缝断面为裂缝断面为椭园形椭园形，最大缝宽最大缝宽在裂在裂缝缝中部中部；缝内流体流动为层流；缝内流体流动为层流；不考虑压裂液滤失于地层。不考虑压裂液滤失于地层。 主要假设条件：主要假设条件： 偏心度为零的椭园管、牛顿液体条件下的缝宽公式为：偏心度为零的椭园管、牛顿液体条件下的缝宽公式为： 4/12max16012ELQxW221 12 max 60111213128nnfnnn

44、ELHKQnnnWmax4WW裂缝的平均宽度裂缝的平均宽度 ：非牛顿液体，非牛顿液体，裂缝最大缝宽裂缝最大缝宽为：为：PKNPKN缝宽公式缝宽公式与与卡特面积公式卡特面积公式联立，给定一个缝宽，通过迭联立，给定一个缝宽，通过迭代求解缝宽和缝长。代求解缝宽和缝长。（1 1）假设一个）假设一个缝宽缝宽W W, ,代入卡特公式，计算出一个代入卡特公式，计算出一个缝长缝长L L；（2 2）将此缝长带入）将此缝长带入PKNPKN模型公式，计算出一个缝宽模型公式，计算出一个缝宽WW; ;（3 3）比较计算出的缝宽和假设缝宽值，迭代直到满足误差）比较计算出的缝宽和假设缝宽值，迭代直到满足误差范围。范围。（4

45、 4）但该）但该PKNPKN方法没有考虑压裂液滤失，要考虑滤失只能用方法没有考虑压裂液滤失，要考虑滤失只能用数值解。数值解。3.KGD3.KGD模型模型主要假设条件：主要假设条件：由由KhristionovchKhristionovch，GeertgmaGeertgma，DaneshyDaneshy提出的提出的, ,目前应用目前应用较多。较多。 地层均质，各向同性；地层均质，各向同性；裂缝内为层流，考虑滤失；裂缝内为层流，考虑滤失；缝宽截面为缝宽截面为矩形矩形，侧向为，侧向为椭园形椭园形。max228132LLPLQLWSe erfcHC 井底最大缝宽：井底最大缝宽：412max601184W

46、PPGHQLW单翼缝长：单翼缝长：max88LpCtWSHCtQL2142135. 0GHQLW（三）吉尔兹玛模型（三）吉尔兹玛模型 该模型以该模型以牛顿液体牛顿液体为基础，流动方程采用了为基础，流动方程采用了泊稷叶泊稷叶理论，岩石破裂方程采用英格兰理论，岩石破裂方程采用英格兰格林公式。假设缝端格林公式。假设缝端部的闭合圆滑，并考虑液体的滤失作用。部的闭合圆滑，并考虑液体的滤失作用。在岩石泊松比在岩石泊松比=0.25=0.25时，吉尔兹玛方程为：时，吉尔兹玛方程为：缝长：缝长：缝口宽度：缝口宽度：2(1)EGmax4WW裂缝的平均宽度：裂缝的平均宽度： 某井设计的压裂裂缝总长度为某井设计的压裂裂缝总长度为300300米，试用吉尔兹玛米，试用吉尔兹玛公式计算所需的施工时间和裂缝平均宽度。公式计算所需的施工时间和裂缝平均宽度。 已知施工排量已知施工排量3 3方方/ /分，裂缝高度分，裂缝高度1515米，压裂液综合滤米，压裂液综合滤失系数失系数0.00150.0015米米/ /分分0.50.5，岩石弹性模量，岩石弹性模量20000MP