采油工程第6章水力壓裂

1、1 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： (4) (4) 壓裂設計壓裂設計 (1) (1) 造縫機理造縫機理 (2) (2) 壓裂液壓裂液 (3) (3) 支撐劑支撐劑 2 用壓力將地層壓開一條或幾條水平的或垂直的裂縫，并用壓力將地層壓開一條或幾條水平的或垂直的裂縫，并 用支撐劑將裂縫支撐起來，減小油、氣、水的流動阻力，溝用支撐劑將裂縫支撐起來，減小油、氣、水的流動阻力，溝 通油、氣、水的流動通道，從而達到增產(chǎn)增注的效果。通油、氣、水的流動通道，從而達到增產(chǎn)增注的效果。 3 利用特定的利用特定的發(fā)射藥或推進劑發(fā)射藥或推進劑在油氣井的目在油氣井的目 的層段高速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，壓的層段高速燃燒，產(chǎn)生高溫高

2、壓氣體，壓 裂地層形成多條自井眼呈放射狀的徑向裂裂地層形成多條自井眼呈放射狀的徑向裂 縫，清除油氣層污染及堵塞物，有效地降縫，清除油氣層污染及堵塞物，有效地降 低表皮系數(shù)，從而達到油氣井增產(chǎn)的目的低表皮系數(shù)，從而達到油氣井增產(chǎn)的目的 的一種工藝技術。的一種工藝技術。 水力壓裂水力壓裂 高能氣體壓裂高能氣體壓裂 干法壓裂干法壓裂 利用利用100%100%的液體二氧化碳的液體二氧化碳和石英砂進行壓裂，無和石英砂進行壓裂，無 水無任何添加劑，壓后壓裂液幾乎完全排出地層，水無任何添加劑，壓后壓裂液幾乎完全排出地層， 可避免地層傷害。其關鍵技術是混合砂子進入液可避免地層傷害。其關鍵技術是混合砂子進入液

3、體二氧化碳中的二氧化碳混合器。適用于對驅(qū)替體二氧化碳中的二氧化碳混合器。適用于對驅(qū)替 液、凍膠或表面活性劑的傷害敏感的地層，適合液、凍膠或表面活性劑的傷害敏感的地層，適合 的儲層包括滲水層、低壓層及有微粒運移的儲層的儲層包括滲水層、低壓層及有微粒運移的儲層 以及水敏性儲層。以及水敏性儲層。 利用利用壓裂液壓裂液造縫。造縫。 發(fā)射藥或推進劑發(fā)射藥或推進劑 100%100%的液體二氧化碳的液體二氧化碳 壓裂液壓裂液 4 利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過地層吸收能力的利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過地層吸收能力的 排量注入井中，在井底憋起高壓；當此壓力大于井壁附近的地應排量注入井中，在井

4、底憋起高壓；當此壓力大于井壁附近的地應 力和地層巖石抗張強度時，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)注入力和地層巖石抗張強度時，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)注入 帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關井后裂縫帶有支撐劑的攜砂液，裂縫向前延伸并填以支撐劑，關井后裂縫 閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸 和導流能力的填砂裂縫，使井達到增產(chǎn)增注目的工藝措施。和導流能力的填砂裂縫，使井達到增產(chǎn)增注目的工藝措施。 憋壓憋壓造逢造逢 裂縫延伸裂縫延伸 充填支撐劑充填支撐劑 裂縫閉合裂縫閉合 5 (2) (2) 降低了井底附近地

5、層中流體的滲流阻力：降低了井底附近地層中流體的滲流阻力：裂縫內(nèi)流體流動阻裂縫內(nèi)流體流動阻 力小。力小。 (1) (1) 改變流體的滲流狀態(tài)：改變流體的滲流狀態(tài)：使原來徑向流動改變?yōu)橛蛯优c裂縫使原來徑向流動改變?yōu)橛蛯优c裂縫 近似的單向流動和裂縫與井筒間的單向流動，消除了徑向節(jié)流近似的單向流動和裂縫與井筒間的單向流動，消除了徑向節(jié)流 損失，降低了能量消耗。損失，降低了能量消耗。 l 裂縫影響，使得近井地帶平均滲透率增加。裂縫影響，使得近井地帶平均滲透率增加。 l 徑向流動改變單向流動，流體流動阻力減小。徑向流動改變單向流動，流體流動阻力減小。 （a a）淺穿透裂縫滲流模式圖）淺穿透裂縫滲流模式圖

6、（b b）深穿透裂縫滲流模式圖）深穿透裂縫滲流模式圖 壓裂井滲流模型圖壓裂井滲流模型圖 6 裂縫形成條件裂縫形成條件 裂縫的形態(tài)裂縫的形態(tài) 裂縫的方位裂縫的方位 井網(wǎng)部署井網(wǎng)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，有利的裂縫狀態(tài)及參數(shù)能夠充分發(fā)揮所以，有利的裂縫狀態(tài)及參數(shù)能夠充分發(fā)揮 其在增產(chǎn)、增注的作用。其在增產(chǎn)、增注的作用。 7 造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的地應地應 力及其分布、巖石的力學性質(zhì)、壓裂液的滲濾性質(zhì)及注入方式力及其分布、巖石的力學性質(zhì)、壓裂液的滲濾性質(zhì)及注入方式 有密切關系。有密切關系。 壓

7、裂過程井底壓力變化曲線壓裂過程井底壓力變化曲線 a a致密巖石致密巖石 b b微縫高滲巖石微縫高滲巖石 破裂壓力破裂壓力 延伸壓力延伸壓力 地層壓力地層壓力 8 x y z dzg H SZ 0 sZZ P 垂向應力：上覆層的巖石重量。垂向應力：上覆層的巖石重量。 有效垂向應力：有效垂向應力： 9 如果巖石處于彈性狀態(tài)，可根據(jù)廣義虎克定律建立巖石的如果巖石處于彈性狀態(tài)，可根據(jù)廣義虎克定律建立巖石的 有效水平應力與有效垂向應力的關系：有效水平應力與有效垂向應力的關系： x x E 1 1 y x E 2 z x E 3 l在三向應力作用下，在三向應力作用下，x x軸方向上的應變分別為：軸方向上的

8、應變分別為： 0 1 321 zyx xxxx E l令：令： 得：得： yx zyx 1 l由于存在側向應力的約束，則：由于存在側向應力的約束，則： 側壓系數(shù)側壓系數(shù) 10 S SZ H S SZ H P EPE P EPE 11 2 12 1 11 2 12 1 21 min 21 max 考慮到構造應力等因素的影響，可以得到最大、最小考慮到構造應力等因素的影響，可以得到最大、最小 水平主應力為：水平主應力為： 11 1.1.井筒對地應力及其分布的影響井筒對地應力及其分布的影響 無限大平板中鉆一圓孔的應力分布無限大平板中鉆一圓孔的應力分布 地層三維應力問題轉(zhuǎn)化為二維方法處理地層三維應力問題

9、轉(zhuǎn)化為二維方法處理 2cos 3 1 2 1 2 4 4 2 2 r a r a yxyx 圓孔周向應力（彈性力學）：圓孔周向應力（彈性力學）： (1) (1) 當當 ， 時，時， ， 說明圓孔壁上各點的說明圓孔壁上各點的 周向應力相等，且與周向應力相等，且與 值無關。值無關。 ar Hyx Hyx 222 (3) (3) 隨著隨著 的增加，的增加， 周向應力迅速降低。周向應力迅速降低。 r (2) (2) 當當 ， 時，時， 說明最小周向應力發(fā)生在說明最小周向應力發(fā)生在 方向上，而最大周向方向上，而最大周向 應力卻在應力卻在 的方向上。的方向上。 ar yx xy 3 180,0min 。

10、yx 3 270,90max 。 x y 12 2.2.井眼內(nèi)壓所引起的井壁應力井眼內(nèi)壓所引起的井壁應力 壓裂過程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快升壓裂過程中，向井筒內(nèi)注入高壓液體，使井內(nèi)壓力很快升 高。井筒內(nèi)壓必然導致井壁上產(chǎn)生周向應力。根據(jù)彈性力學中高。井筒內(nèi)壓必然導致井壁上產(chǎn)生周向應力。根據(jù)彈性力學中 的拉梅公式的拉梅公式( (拉應力取負號拉應力取負號) )： 222 22 22 22 ae aeie ae aiee rrr rrPP rr rPrP 當當rere、Pe=0Pe=0及及r=rar=ra時，井壁上的周向應力為：時，井壁上的周向應力為： i P 即由于井筒內(nèi)壓而導致的

11、周向應力與內(nèi)壓大小相等，方向相反。即由于井筒內(nèi)壓而導致的周向應力與內(nèi)壓大小相等，方向相反。 13 1 21 si PP b r C C 1 1 21 3 siixy PPP 3.3.壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應力壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應力 由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周圍地由于注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周圍地 層中，形成了另外一個應力區(qū)，它的作用是增大了井壁周圍巖層中，形成了另外一個應力區(qū)，它的作用是增大了井壁周圍巖 石中的應力。增加的周向應力值為：石中的應力。增加的周向應力值為： 4.4.井壁上的最小總周向應力井壁上的最小總周向應力 在地層破裂前，井壁上

12、的最小總周向應力應為地應力、在地層破裂前，井壁上的最小總周向應力應為地應力、 井筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應力之和：井筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應力之和： 14 h t 當井壁上存在的周向應力達到井壁巖石的水平方向的抗當井壁上存在的周向應力達到井壁巖石的水平方向的抗 拉強度時，巖石將在拉強度時，巖石將在垂直于水平應力垂直于水平應力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，的方向上產(chǎn)生脆性破裂， 即在與周向應力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。造縫條件為：即在與周向應力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。造縫條件為： 當產(chǎn)生裂縫時，井筒內(nèi)注入流體的壓力即為地層的破當產(chǎn)生裂縫時，井筒內(nèi)注入流體的壓力即為地層的破 裂壓力：裂壓力

13、： 1 21 2 3 h txy SF PP 15 當井壁上存在的垂向應力達到井壁巖石的垂向的抗張強當井壁上存在的垂向應力達到井壁巖石的垂向的抗張強 度時，巖石將在度時，巖石將在垂直于垂向應力垂直于垂向應力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即 在與垂向應力相垂直的方向上產(chǎn)生水平裂縫。造縫條件為：在與垂向應力相垂直的方向上產(chǎn)生水平裂縫。造縫條件為： v tZ 當產(chǎn)生水平裂縫時，井筒內(nèi)注入流體的壓力等于地層的當產(chǎn)生水平裂縫時，井筒內(nèi)注入流體的壓力等于地層的 破裂壓力：破裂壓力： 1 21 1 PP v tz sF 1 21 94.1 v tz sF PP 實驗修正：實驗修正： 16 破

14、裂梯度：破裂梯度：地層破裂壓力與地層深度的比值。地層破裂壓力與地層深度的比值。 各油田根據(jù)大量壓裂施工資料統(tǒng)計出來的破裂梯度各油田根據(jù)大量壓裂施工資料統(tǒng)計出來的破裂梯度 值為：值為： (15(1518)18)(22(2225)25) 深地層深地層垂直裂縫垂直裂縫 淺地層淺地層水平裂縫水平裂縫 根據(jù)破裂梯度的大小估計根據(jù)破裂梯度的大小估計裂縫的形態(tài)裂縫的形態(tài)： u 小于小于15151818時形成垂直裂縫時形成垂直裂縫 u 大于大于2323時形成水平裂縫時形成水平裂縫 17 （）停泵（）停泵 （）泵注排量等于濾失量（）泵注排量等于濾失量 18 壓裂液任務：壓裂液任務： 破裂地層、造縫、降溫作用破裂

15、地層、造縫、降溫作用。一般用未交聯(lián)。一般用未交聯(lián) 的溶膠。的溶膠。 攜帶支撐劑、充填裂縫、造縫及冷卻地層作攜帶支撐劑、充填裂縫、造縫及冷卻地層作 用。用。必須使用交聯(lián)的壓裂液必須使用交聯(lián)的壓裂液( (如凍膠等如凍膠等) )。 末尾頂替液：末尾頂替液：替液入縫，提高攜砂液效率和替液入縫，提高攜砂液效率和 防止井筒沉砂。防止井筒沉砂。 中間頂替液：中間頂替液：送送攜送砂液、防砂卡；攜送砂液、防砂卡； 19 一、壓裂液的性能要求一、壓裂液的性能要求 濾失少：濾失少： 懸砂能力強：懸砂能力強： 摩阻低：摩阻低： 穩(wěn)定性好：穩(wěn)定性好： 配伍性好：配伍性好： 低殘渣：低殘渣： 易返排：易返排： 貨源廣、便

16、于配制、價錢便宜。貨源廣、便于配制、價錢便宜。 造長縫、寬縫造長縫、寬縫取決于它的粘度與造壁性取決于它的粘度與造壁性 取決于粘度取決于粘度 摩阻愈小，用于造縫的有效功率愈大摩阻愈小，用于造縫的有效功率愈大 熱穩(wěn)定性和抗機械剪切穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性和抗機械剪切穩(wěn)定性 不應引起粘土膨脹或產(chǎn)生沉淀而堵塞油層不應引起粘土膨脹或產(chǎn)生沉淀而堵塞油層 以免降低油氣層和填砂裂縫的滲透率以免降低油氣層和填砂裂縫的滲透率 減少壓裂液對地層的傷害減少壓裂液對地層的傷害 大！大！ 20 水基壓裂液：水基壓裂液： 油基壓裂液：油基壓裂液： 泡沫壓裂液：泡沫壓裂液： 用水溶脹性聚合物用水溶脹性聚合物( (稱為成膠劑稱為成膠劑)

17、 )經(jīng)交鏈劑經(jīng)交鏈劑 交鏈后形成的凍膠。施工結束后，為了使交鏈后形成的凍膠。施工結束后，為了使 凍膠破膠還需要加入破膠劑。不適用于水凍膠破膠還需要加入破膠劑。不適用于水 敏性地層。敏性地層。 多用稠化油，遇地層水后自動破膠。缺點多用稠化油，遇地層水后自動破膠。缺點 是懸砂能力差、性能達不到要求、價格昂是懸砂能力差、性能達不到要求、價格昂 貴、施工困難和易燃等。貴、施工困難和易燃等。 基液多用淡水、鹽水、聚合物水溶液；氣基液多用淡水、鹽水、聚合物水溶液；氣 相為二氧化碳、氮氣、天然氣；發(fā)泡劑用相為二氧化碳、氮氣、天然氣；發(fā)泡劑用 非離子型活性劑。特點是易于返排、濾失非離子型活性劑。特點是易于返排

18、、濾失 少以及摩阻低等。缺點是砂比不能過高、少以及摩阻低等。缺點是砂比不能過高、 井深不能過大。井深不能過大。 21 2/1 3 104 . 5 f PK C t C v 壓裂液濾失到地層受三種機理控制：壓裂液濾失到地層受三種機理控制： 壓裂液的粘度、壓裂液的粘度、油藏巖石和流體的壓縮性。油藏巖石和流體的壓縮性。 壓裂液的造壁性壓裂液的造壁性 當當壓裂液粘度大大超過油藏流體的粘度壓裂液粘度大大超過油藏流體的粘度時，壓裂液的濾時，壓裂液的濾 失速度主要取決于壓裂液的粘度，由達西方程可以導出濾失失速度主要取決于壓裂液的粘度，由達西方程可以導出濾失 系數(shù)為：系數(shù)為： 濾失速度為：濾失速度為： 22

19、當壓裂液粘度接近于油藏流體粘度時，控制壓裂液濾失當壓裂液粘度接近于油藏流體粘度時，控制壓裂液濾失 的是儲層巖石和流體的壓縮性。根據(jù)體積平衡方程可得到表的是儲層巖石和流體的壓縮性。根據(jù)體積平衡方程可得到表 達式：達式： 2/1 3 103 .4 f f KC PC 23 濾失系數(shù)濾失系數(shù)C C 是由實驗方法測定 是由實驗方法測定 靜濾失儀示意圖靜濾失儀示意圖 加壓口加壓口 篩座篩座 （含濾紙或巖心片）（含濾紙或巖心片） 出液口出液口 mtg Vsp 濾 失 量 ml 時間，min 0 1234 靜濾失曲線靜濾失曲線 tA m v 005.0 濾失速度濾失速度 A m C 005. 0 造壁液體的

20、濾失系數(shù)造壁液體的濾失系數(shù) t C 則則 24 2/1 P P CC f 實驗壓差與實際施工過程中裂縫內(nèi)實驗壓差與實際施工過程中裂縫內(nèi) 外壓力差不一致，則應進行修正：外壓力差不一致，則應進行修正： 動濾失儀示意圖動濾失儀示意圖 動靜濾失曲線比較圖動靜濾失曲線比較圖 25 CCCC 1111 壓裂液的濾失同時受三種機理控制，綜合濾失系數(shù)如下：壓裂液的濾失同時受三種機理控制，綜合濾失系數(shù)如下： 在研究在研究C C 和 和C C 時，常將計算公式中的壓力差取值 時，常將計算公式中的壓力差取值 為裂縫延伸壓力與地層壓力之差。實際上為裂縫延伸壓力與地層壓力之差。實際上C C 由 由濾失帶濾失帶 壓力差壓

21、力差控制的，控制的，C C 是由 是由壓縮帶壓力差壓縮帶壓力差控制的，控制的，C C 由 由濾濾 餅內(nèi)外壓力差控制的餅內(nèi)外壓力差控制的。 26 濾失后濾失后 地層中地層中 壓力分壓力分 布示意布示意 圖圖 使壓裂液濾失于使壓裂液濾失于 儲層內(nèi)的壓差儲層內(nèi)的壓差 壓縮并使油藏流壓縮并使油藏流 體流動的壓差體流動的壓差 裂縫壁面濾裂縫壁面濾 餅的壓力差餅的壓力差 22222 4 2 CCCCCCC CCC C 根據(jù)分壓降公式可以得到綜合濾失系數(shù)的另一表達式：根據(jù)分壓降公式可以得到綜合濾失系數(shù)的另一表達式： 推導過程詳見王鴻勛教授主編的推導過程詳見王鴻勛教授主編的水力壓裂設計數(shù)水力壓裂設計數(shù) 值計算

22、方法值計算方法( (石油工業(yè)出版社，石油工業(yè)出版社，1998.6)1998.6) 27 D DDK n 1 1 n a DK 1.1.牛頓壓裂液牛頓壓裂液(A(A曲線曲線) ) 壓裂液流變曲線壓裂液流變曲線 剪切速度剪切速度 剪切應力剪切應力 2.2.假塑型壓裂液假塑型壓裂液(B(B曲線曲線) ) 假塑型流體也稱為冪律流體，隨剪假塑型流體也稱為冪律流體，隨剪 切速率的增加，其斜率變小。切速率的增加，其斜率變小。 n DK 1n 視粘度視粘度 A A B B 28 3.3.其它流動類型的壓裂液其它流動類型的壓裂液 賓漢型流體賓漢型流體(C(C曲線曲線) ) D y 屈服假塑型流體屈服假塑型流體(

23、D(D曲線曲線) ) n y DK 脹流型流體脹流型流體(E(E曲線曲線) ) n DK 1n 壓裂液流變曲線壓裂液流變曲線 剪切速度剪切速度 剪切應力剪切應力 C C D D E E 29 從地面到地下裂縫中基本上可分為四種流動過程，從地面到地下裂縫中基本上可分為四種流動過程，即地即地 面管線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動面管線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動。這四種流動基本上。這四種流動基本上 分為兩大類，即分為兩大類，即管流管流及及縫流縫流。 1.1.管流管流 冪律液體在圓管內(nèi)流動的本構方程：冪律液體在圓管內(nèi)流動的本構方程： nn w n n d v K 4 138 視粘度視粘度: : 1

24、 8 4 13 nn p d v n n K 30 2.2.縫流縫流 冪律液體在裂縫中流動的本構方程：冪律液體在裂縫中流動的本構方程： nn w W v6 n3 1n2 K 視粘度視粘度: : 1nn f w v6 n3 1n2 K ( (三三) )摩阻計算摩阻計算 油管內(nèi)摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內(nèi)摩阻壓力降油管內(nèi)摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內(nèi)摩阻壓力降 根據(jù)多相流根據(jù)多相流 理論計算理論計算 比較復雜比較復雜 經(jīng)驗公式計算經(jīng)驗公式計算 簡化為無限大簡化為無限大 平板之間的層平板之間的層 流處理流處理 31 填砂裂縫的導流能力：填砂裂縫的導流能力： 在油層條件下，填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，在

25、油層條件下，填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積， 常用常用FRCDFRCD表示，導流能力也稱為導流率。表示，導流能力也稱為導流率。 (1)(1)粒徑均勻，密度小粒徑均勻，密度小 (2)(2)強度大，破碎率小強度大，破碎率小 (3)(3)園度和球度高園度和球度高 (4)(4)雜質(zhì)含量少雜質(zhì)含量少 (5)(5)來源廣，價廉來源廣，價廉 閉合壓力閉合壓力 32 按其力學性質(zhì)分為兩大類：按其力學性質(zhì)分為兩大類： u脆性支撐劑脆性支撐劑 如石英砂、玻璃球等如石英砂、玻璃球等 特點特點：硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎：硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎 u韌性支撐劑韌性支撐劑 如核桃殼、鋁球等如核桃殼

26、、鋁球等 特點特點：變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎：變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎 目前礦場常用支撐劑：一是天然砂；目前礦場常用支撐劑：一是天然砂； 二是人造支撐劑（陶粒）。二是人造支撐劑（陶粒）。 33 主要礦物成分是粗晶石英主要礦物成分是粗晶石英 適用于淺層或中深層的壓裂，成功率很高。適用于淺層或中深層的壓裂，成功率很高。 礦物成份是氧化鋁、硅酸鹽和鐵礦物成份是氧化鋁、硅酸鹽和鐵鈦氧化物鈦氧化物 形狀不規(guī)則，強度很高，適用于深井高閉合壓力的油氣層壓裂。形狀不規(guī)則，強度很高，適用于深井高閉合壓力的油氣層壓裂。 中等強度，密度小，便于攜砂與鋪砂。中等強度，密度小，便于攜

27、砂與鋪砂。 陶粒的密度很高，特別在深井條件下由于高溫和剪切作用，陶粒的密度很高，特別在深井條件下由于高溫和剪切作用， 對壓裂液性能的要求很高。對壓裂液性能的要求很高。 34 支撐劑在裂縫內(nèi)的分布規(guī)律隨裂縫類型支撐劑在裂縫內(nèi)的分布規(guī)律隨裂縫類型( (水平、垂直縫水平、垂直縫) ) 和攜砂液性能而異。和攜砂液性能而異。 ( (一一) )全懸浮型支撐劑分布全懸浮型支撐劑分布 高粘壓裂液：高粘壓裂液：壓裂液粘度足以把支撐劑完全懸浮起來，在整個施工過壓裂液粘度足以把支撐劑完全懸浮起來，在整個施工過 程中沒有支撐劑的沉降，停泵后支撐劑充滿整個裂縫內(nèi)，因而攜砂液程中沒有支撐劑的沉降，停泵后支撐劑充滿整個裂縫

28、內(nèi)，因而攜砂液 到達的位置就是支撐裂縫的位置。到達的位置就是支撐裂縫的位置。 裂縫內(nèi)砂濃度裂縫內(nèi)砂濃度( (裂縫內(nèi)砂比裂縫內(nèi)砂比) )：單位體積裂縫內(nèi)所含支撐劑的質(zhì)量。單位體積裂縫內(nèi)所含支撐劑的質(zhì)量。 裂縫閉合后砂濃度裂縫閉合后砂濃度( (鋪砂濃度鋪砂濃度) )：單位面積裂縫上所鋪的支撐劑質(zhì)量。單位面積裂縫上所鋪的支撐劑質(zhì)量。 地面砂比：地面砂比：單位體積混砂液中所含的支撐劑質(zhì)量。單位體積混砂液中所含的支撐劑質(zhì)量。 或支撐劑體積與壓裂液體積之比。或支撐劑體積與壓裂液體積之比。 35 假設地面每注入體積為假設地面每注入體積為VF(m3)的含砂液體為一個處理單元，時的含砂液體為一個處理單元，時 間

29、間t是注入此單元所需的時間。是注入此單元所需的時間。 單元含砂液中濾失的體積百分數(shù)：單元含砂液中濾失的體積百分數(shù)： ）的剩余體積（地面單元體積液在縫中 濾失體積 濾失 SV t2 W 1 SV t C 時間濾失面積濾失速度濾失體積 濾失體積百分數(shù)：濾失體積百分數(shù)： t t C WSV t t C W SV 2 2 1 濾失 經(jīng)濾失后的縫內(nèi)砂濃度：經(jīng)濾失后的縫內(nèi)砂濃度： n 0 n 0 s i1C i1 VF CVF C s s 0 i1 C C 36 在忽略裂縫內(nèi)流動阻力的情況下，可以認為裂縫內(nèi)的在忽略裂縫內(nèi)流動阻力的情況下，可以認為裂縫內(nèi)的FRCDFRCD從從 縫端到井底是線性增加的，因而要

30、求砂濃度呈線性增加?？p端到井底是線性增加的，因而要求砂濃度呈線性增加。 u 支撐面積很大，能最大限度地將壓開的面積全部支撐起來。支撐面積很大，能最大限度地將壓開的面積全部支撐起來。 全懸浮型支撐劑分布特點：全懸浮型支撐劑分布特點： u 適合于低滲透率地層，不需要很高的填砂裂縫導流能力就能有適合于低滲透率地層，不需要很高的填砂裂縫導流能力就能有 很好的增產(chǎn)效果。很好的增產(chǎn)效果。 37 ( (二二) )沉降型支撐劑分布沉降型支撐劑分布 l由于剪切和溫度等降解作用由于剪切和溫度等降解作用, ,攜砂性能并不能達到全懸浮部分攜砂性能并不能達到全懸浮部分 支撐劑隨攜砂液一起向縫端運動，部分可能沉降下來。支

31、撐劑隨攜砂液一起向縫端運動，部分可能沉降下來。 l支撐劑沉降速度、砂堤堆起高度等都與裂縫參數(shù)有關。支撐劑沉降速度、砂堤堆起高度等都與裂縫參數(shù)有關。 l目前的研究仍是基于目前的研究仍是基于6060年代巴布庫克的實驗結果。年代巴布庫克的實驗結果。 38 1.1.支撐劑在縫高度上的分布支撐劑在縫高度上的分布 縫內(nèi)固體顆粒主要受到水平方向縫內(nèi)固體顆粒主要受到水平方向液體攜帶力液體攜帶力、垂直向、垂直向 下下重力重力以及向上以及向上浮力浮力的作用。的作用。 顆粒相對于攜帶液有沉降運動顆粒相對于攜帶液有沉降運動粘滯粘滯阻力阻力作用作用 當液體的流速逐漸達到使顆粒處于懸浮狀態(tài)的當液體的流速逐漸達到使顆粒處于

32、懸浮狀態(tài)的 能力時，顆粒處于停止沉降的狀態(tài)。能力時，顆粒處于停止沉降的狀態(tài)。 平衡時的流速，也即攜帶顆粒最小的流速。平衡時的流速，也即攜帶顆粒最小的流速。 注入濃度注入濃度 顆粒在縫高上的濃度分布顆粒在縫高上的濃度分布 沉降下來的的砂堤，沉降下來的的砂堤， 在平衡狀態(tài)下砂堤的在平衡狀態(tài)下砂堤的 高度為平衡高度高度為平衡高度 砂堤面上的顆粒滾流區(qū)砂堤面上的顆粒滾流區(qū) 懸浮區(qū)，顆粒分布不均懸浮區(qū)，顆粒分布不均 勻，存在濃度梯度勻，存在濃度梯度 無砂區(qū)無砂區(qū) 增加地面排量增加地面排量 、與與區(qū)均將區(qū)均將變薄變薄，區(qū)則區(qū)則變厚變厚 流速足夠大流速足夠大 區(qū)可能區(qū)可能完全消失完全消失 再增加排量再增加排

33、量 濃度梯度剖面濃度梯度剖面消失消失，成為，成為均質(zhì)的懸浮流均質(zhì)的懸浮流 40 EQ EQ Wh Q V EQ EQEQ WV Q HhHH 00 sc EQW EQW U 50. 0 4 054. 0 P hPP EQW P d RdU U U 2.2.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 EQ0EQ HHh 湯姆斯解法：湯姆斯解法：利用顆粒利用顆粒自由沉降速度自由沉降速度與與阻力速度阻力速度的比值，先得的比值，先得 到阻力速度，再求出平衡流速。到阻力速度，再求出平衡流速。 阻力速度阻力速度 牛頓液體牛頓液體 非牛頓液體非牛頓液體 71. 0 P h a PP E

34、QW P d R4dU 041. 0 U U 41 hEQW EQ RU V sc 4 46.3 2 hEQW EQ RU V sc 4 46. 3 2 2650 1 1000 0 0 C C sc 阻力速度與平衡流速的關系阻力速度與平衡流速的關系: : 層流層流 紊流紊流 混砂液密度混砂液密度 砂比砂比S S表示加砂濃度，砂比是砂堆體積與壓裂液體積之比。表示加砂濃度，砂比是砂堆體積與壓裂液體積之比。 1S1 12650S1000 sc 42 VVK dt dH EQ 3.3.砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度 當縫中流速達到平衡流速時，砂堤停止增高，處于平衡狀態(tài)當縫中流速達到平衡流速時，砂堤停止增

35、高，處于平衡狀態(tài) 砂堤的堆起速度與砂堤上面過流高度的變化方向相反砂堤的堆起速度與砂堤上面過流高度的變化方向相反 dt Wh QK hh hdh EQEQ KtUZUln1 EQ EQ hH hh U 0 EQ EQ H h Z EQEQ HWh QK K 4.4.平衡時間平衡時間 假設砂堤達到平衡高度的假設砂堤達到平衡高度的9595，認為已達到平衡高度，認為已達到平衡高度 K Z t EQ 395.0 43 支撐劑的選擇主要是指選擇其支撐劑的選擇主要是指選擇其類型和粒徑類型和粒徑。 選擇的目的是為了達到一定的選擇的目的是為了達到一定的裂縫導流能力裂縫導流能力。 對對低滲低滲地層，水力壓裂應以增

36、加地層，水力壓裂應以增加裂縫長度裂縫長度為主。為主。 對對中高滲中高滲地層，水力壓裂應以增加地層，水力壓裂應以增加裂縫導流能力裂縫導流能力為主。為主。 影響支撐劑選擇的因素：影響支撐劑選擇的因素： 1 1）支撐劑的強度）支撐劑的強度 2 2）粒徑及其分布）粒徑及其分布 3 3）支撐劑類型與鋪砂濃度）支撐劑類型與鋪砂濃度 4 4）其它因素）其它因素 如支撐劑的質(zhì)量、密度以及顆粒園球度等如支撐劑的質(zhì)量、密度以及顆粒園球度等 研究研究 表明表明 Wh y? 44 壓裂設計的任務壓裂設計的任務：優(yōu)選出經(jīng)濟可行的增產(chǎn)方案優(yōu)選出經(jīng)濟可行的增產(chǎn)方案 壓裂設計的原則：壓裂設計的原則： 最大限度發(fā)揮油層潛能和裂

37、縫的作用最大限度發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用 使壓裂后油氣井和注入井達到最佳狀態(tài)使壓裂后油氣井和注入井達到最佳狀態(tài) 壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長 壓裂設計的方法：壓裂設計的方法： 根據(jù)油層特性和設備能力，以獲取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟效益為目根據(jù)油層特性和設備能力，以獲取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟效益為目 標，優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)，設計合適的加砂方案。標，優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)，設計合適的加砂方案。 45 壓裂設計方案的內(nèi)容：壓裂設計方案的內(nèi)容： l 裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設計；裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設計； l 壓裂液類型、配方選擇及注液程序；壓裂液類型、配方選擇及注液程序； l 支撐劑選擇及加砂方案設計；支撐劑選擇

38、及加砂方案設計； l 壓裂效果預測和經(jīng)濟分析等。壓裂效果預測和經(jīng)濟分析等。 l 區(qū)塊整體壓裂設計還應包括采收率和開采動態(tài)分析等。區(qū)塊整體壓裂設計還應包括采收率和開采動態(tài)分析等。 46 一、影響壓裂井增產(chǎn)幅度的因素一、影響壓裂井增產(chǎn)幅度的因素 油層特性油層特性 裂縫幾何參數(shù)裂縫幾何參數(shù) 指壓裂層的滲透率、孔隙度、流體物性、油指壓裂層的滲透率、孔隙度、流體物性、油 層能量、含油豐度和泄油面積等層能量、含油豐度和泄油面積等 指填砂裂縫的長、寬、高和導流能力指填砂裂縫的長、寬、高和導流能力 麥克奎爾與西克拉用麥克奎爾與西克拉用電模型電模型研究了垂直裂縫條件下增產(chǎn)研究了垂直裂縫條件下增產(chǎn) 倍數(shù)與裂縫幾何

39、尺寸和導流能力的關系。倍數(shù)與裂縫幾何尺寸和導流能力的關系。 假設：擬穩(wěn)定流動；定產(chǎn)或定壓生產(chǎn)；正方形泄油面積；假設：擬穩(wěn)定流動；定產(chǎn)或定壓生產(chǎn)；正方形泄油面積； 外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過整個產(chǎn)層。外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過整個產(chǎn)層。 47 左邊左邊 要提高增產(chǎn)倍數(shù)，則應以增加裂縫導流能力為主要提高增產(chǎn)倍數(shù)，則應以增加裂縫導流能力為主右邊右邊 曲線趨于平緩，增產(chǎn)主要靠曲線趨于平緩，增產(chǎn)主要靠增加縫的長度增加縫的長度 低滲油藏低滲油藏 增加裂縫長度比增加裂縫導流能力對增產(chǎn)更有利增加裂縫長度比增加裂縫導流能力對增產(chǎn)更有利 高滲油藏高滲油藏 應以增加導流能力為主應以增加導流能力為主 麥克

40、奎西克拉垂直裂縫增產(chǎn)倍數(shù)曲線麥克奎西克拉垂直裂縫增產(chǎn)倍數(shù)曲線 相對導流能力相對導流能力 無因次增產(chǎn)倍數(shù)無因次增產(chǎn)倍數(shù) 裂縫導流能力愈高，增產(chǎn)倍數(shù)也愈高；造縫愈長，倍數(shù)也愈高裂縫導流能力愈高，增產(chǎn)倍數(shù)也愈高；造縫愈長，倍數(shù)也愈高 對一定的裂縫長度，存在一個最佳的裂縫導流能力。對一定的裂縫長度，存在一個最佳的裂縫導流能力。 48 二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二、裂縫幾何參數(shù)計算模型 二維二維(PKN(PKN、KGD)KGD)、擬三維、擬三維(P3D)(P3D)和真三維模型和真三維模型 主要差別主要差別是裂縫的擴展和裂縫內(nèi)的流體流動方式不同：是裂縫的擴展和裂縫內(nèi)的流體流動方式不同： 二維模型假設二維模型

41、假設裂縫高度裂縫高度是是常數(shù)常數(shù)，即流體僅沿縫長方向，即流體僅沿縫長方向 流動。流動。 真三維模型認為真三維模型認為縫高沿縫長方向是變化的縫高沿縫長方向是變化的，在，在縫長、縫長、 縫高方向均有流動縫高方向均有流動( (即存在壓力降即存在壓力降) )。 擬三維模型認為擬三維模型認為縫高沿縫長方向是變化的縫高沿縫長方向是變化的，但裂縫，但裂縫 內(nèi)仍是內(nèi)仍是一維流動一維流動( (縫長縫長) )。 49 （一）卡特模型（裂縫面積公式）（一）卡特模型（裂縫面積公式） 基本假設：基本假設： 裂縫是等寬的；裂縫是等寬的； 壓裂液從縫壁面垂直而又線性地滲入地層；壓裂液從縫壁面垂直而又線性地滲入地層； 縫壁上

42、某點的濾失速度取決于此點暴露于液體中的時間；縫壁上某點的濾失速度取決于此點暴露于液體中的時間； 縫壁上各點的速度函數(shù)是相同的；縫壁上各點的速度函數(shù)是相同的； 裂縫內(nèi)各點壓力相等，等于井底延伸壓力。裂縫內(nèi)各點壓力相等，等于井底延伸壓力。 二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二、裂縫幾何參數(shù)計算模型 50 濾失量濾失量Q QL L(t)(t) tQ tQL tQtQtQ FL += d d dA tv2tQ t 0 L 裂縫體積變化裂縫體積變化Q QF F(t)(t) dt dA WtQF 裂縫面積裂縫面積 W tC2 x 1 x2 xerfce C4 QW tA 2 x 2 根據(jù)導出的裂縫面積公式，如果已知

43、縫寬，則可求出水平裂縫根據(jù)導出的裂縫面積公式，如果已知縫寬，則可求出水平裂縫 半徑和垂直裂縫長度。半徑和垂直裂縫長度。 二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二、裂縫幾何參數(shù)計算模型 51 （二）（二）PKNPKN模型（縫寬公式）模型（縫寬公式） 基本假設：基本假設： 巖石是彈性、脆性材料，當作用于巖石上的張應力大于某個極巖石是彈性、脆性材料，當作用于巖石上的張應力大于某個極 限值后，巖石張開破裂；限值后，巖石張開破裂； 縫高在整個縫長方向上不變，即在上、下層受阻；造縫段全部縫高在整個縫長方向上不變，即在上、下層受阻；造縫段全部 射孔，一開始就壓開整個地層；射孔，一開始就壓開整個地層； 裂縫斷面為橢園形，最

44、大縫寬在裂縫中部；裂縫斷面為橢園形，最大縫寬在裂縫中部； 縫內(nèi)流體流動為層流；縫內(nèi)流體流動為層流； 縫端部壓力等于垂直于裂縫壁面的總應力；縫端部壓力等于垂直于裂縫壁面的總應力； 不考慮壓裂液濾失于地層。不考慮壓裂液濾失于地層。 二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二、裂縫幾何參數(shù)計算模型 52 4/1 3 24 3 cf 1H QLE 60 1 PxP 4/1 2 max E LQ1 60 1 2xW 對非牛頓液液體，最大縫寬為：對非牛頓液液體，最大縫寬為： 2n2 1 n1 f nn 2 n max E LHKQ 60 1 1 n 1n2 1n 3 128 W 裂縫的平均寬度：裂縫的平均寬度： max

45、W 4 W PKN PKN縫寬公式縫寬公式與與卡特面積公式卡特面積公式聯(lián)立，給定一個縫寬，通聯(lián)立，給定一個縫寬，通 過迭代求解縫寬和縫長。過迭代求解縫寬和縫長。 E xPH xw f )()1 (2 )( 2 max 二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二、裂縫幾何參數(shù)計算模型 53 （三）（三）KGDKGD模型模型 基本假設：基本假設： 地層均質(zhì)，各向同性；地層均質(zhì)，各向同性； 線彈性應力一應變；線彈性應力一應變； 裂縫內(nèi)為層流，考慮濾失；裂縫內(nèi)為層流，考慮濾失； 縫寬截面為矩形，側向為橢園形?？p寬截面為矩形，側向為橢園形。 縫寬：縫寬： 4 1 W 2 max P P GH QL 60 1184 W

46、縫長縫長： L L Pmax 2 erfce1 2 S8W HC32 Q L L 二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二、裂縫幾何參數(shù)計算模型 54 HC tQ L 2 1 4 2 135. 0 GH QL W （四）吉爾茲瑪模型（四）吉爾茲瑪模型 該模型以牛頓液體為基礎，流動方程采用了泊稷葉該模型以牛頓液體為基礎，流動方程采用了泊稷葉 理論，巖石破裂方程采用英格蘭理論，巖石破裂方程采用英格蘭格林公式。假設縫端格林公式。假設縫端 部的閉合圓滑，并考慮液體的濾失作用。部的閉合圓滑，并考慮液體的濾失作用。 在巖石泊松比在巖石泊松比=0.25=0.25時，吉爾茲瑪方程為：時，吉爾茲瑪方程為： 縫長：縫長： 縫寬：縫寬： 二、裂縫幾何參數(shù)計算模型二、裂縫幾何參數(shù)計算模型 55 三、壓裂效果預測三、壓裂效果預測 效果預測有增產(chǎn)倍數(shù)和產(chǎn)量預測兩種效果預測有增產(chǎn)倍數(shù)和產(chǎn)量預測兩種 l 垂直縫的增產(chǎn)倍數(shù)一般可用麥克奎爾垂直縫的增產(chǎn)倍數(shù)一般可用麥克奎爾西克拉增產(chǎn)西克拉增產(chǎn) 倍數(shù)曲線確定；水平縫可用解析公式計算倍數(shù)曲線確定；水平縫可用解析公式計算。 l 產(chǎn)量、壓裂的有效期和累積增產(chǎn)量等的預測可用典型產(chǎn)量、壓裂的有效期和累積增產(chǎn)