采油工程-水力壓裂

1、水力壓裂技術(shù)水力壓裂技術(shù)利用利用100%100%的液體二氧化碳和石英砂進(jìn)行壓裂，無(wú)水無(wú)任何添加的液體二氧化碳和石英砂進(jìn)行壓裂，無(wú)水無(wú)任何添加劑，壓後壓裂液幾乎完全排出地層，可避免地層傷害。其關(guān)鍵劑，壓後壓裂液幾乎完全排出地層，可避免地層傷害。其關(guān)鍵技術(shù)是混合砂子進(jìn)入液體二氧化碳中的二氧化碳混合器。適用技術(shù)是混合砂子進(jìn)入液體二氧化碳中的二氧化碳混合器。適用於對(duì)驅(qū)替液、凍膠或表面活性劑的傷害敏感的地層，適合的儲(chǔ)於對(duì)驅(qū)替液、凍膠或表面活性劑的傷害敏感的地層，適合的儲(chǔ)層包括滲水層、低壓層及有微粒運(yùn)移的儲(chǔ)層以及水敏性?xún)?chǔ)層。層包括滲水層、低壓層及有微粒運(yùn)移的儲(chǔ)層以及水敏性?xún)?chǔ)層。用壓力將地層壓開(kāi)一條或幾條水

2、平的或垂直的裂縫，並用支用壓力將地層壓開(kāi)一條或幾條水平的或垂直的裂縫，並用支撐劑將裂縫支撐起來(lái)，減小油、氣、水的流動(dòng)阻力，溝通油、撐劑將裂縫支撐起來(lái)，減小油、氣、水的流動(dòng)阻力，溝通油、氣、水的流動(dòng)通道，從而達(dá)到增產(chǎn)增注的效果。氣、水的流動(dòng)通道，從而達(dá)到增產(chǎn)增注的效果。水力壓裂水力壓裂高能氣體壓裂高能氣體壓裂幹法壓裂幹法壓裂利用特定的發(fā)射藥或推進(jìn)劑在油氣井的目的層段高速燃利用特定的發(fā)射藥或推進(jìn)劑在油氣井的目的層段高速燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，壓裂地層形成多條自井眼呈放燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，壓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，有效地降射狀的徑向裂縫，清除油氣層污染及堵塞

3、物，有效地降低表皮係數(shù)，從而達(dá)到油氣井增產(chǎn)的目的的一種工藝技低表皮係數(shù)，從而達(dá)到油氣井增產(chǎn)的目的的一種工藝技術(shù)。術(shù)。利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過(guò)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(guò)地層吸收能力的排量注入井中，在井底憋起高壓；當(dāng)此壓力大於井壁附近的排量注入井中，在井底憋起高壓；當(dāng)此壓力大於井壁附近的地應(yīng)力和地層巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫；地應(yīng)力和地層巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，在井底附近地層產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)注入帶有支撐劑繼續(xù)注入帶有支撐劑(proppant)的攜砂液，裂縫向前延伸並的攜砂液，裂縫向前延伸並填以支撐劑，關(guān)井後裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近填以支撐劑，關(guān)井

4、後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和導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使井地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使井達(dá)到增產(chǎn)增注目的工藝措施。達(dá)到增產(chǎn)增注目的工藝措施。水力壓裂水力壓裂hydraulic fracturing：水力壓裂的工藝過(guò)程：水力壓裂的工藝過(guò)程：憋壓憋壓造縫造縫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(2) (2) 降低了井底附近地層中流體的滲流阻力：裂縫內(nèi)流體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(dòng)阻力小。流動(dòng)阻力小。水力壓裂增產(chǎn)增注的原理水力壓裂增產(chǎn)增注的原理: :(1) (1) 改變流體的滲流狀態(tài)：使原來(lái)徑向流動(dòng)改變?yōu)橛蛯?/p>

5、與改變流體的滲流狀態(tài)：使原來(lái)徑向流動(dòng)改變?yōu)橛蛯优c裂縫近似的單向流動(dòng)和裂縫與井筒間的單向流動(dòng)，消除了裂縫近似的單向流動(dòng)和裂縫與井筒間的單向流動(dòng)，消除了徑向節(jié)流損失，降低了能量消耗。徑向節(jié)流損失，降低了能量消耗。第一節(jié)第一節(jié) 造縫機(jī)理造縫機(jī)理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)部署提高採(cǎi)油速度提高採(cǎi)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)揮其在增所以，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。產(chǎn)、增注的作用。造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的地造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的地應(yīng)力及其分佈、巖石

6、的力學(xué)性質(zhì)、壓裂液的滲濾性質(zhì)應(yīng)力及其分佈、巖石的力學(xué)性質(zhì)、壓裂液的滲濾性質(zhì)及注入方式有密切關(guān)係。及注入方式有密切關(guān)係。圖圖6-1 6-1 壓裂過(guò)程井底壓力變化曲線壓裂過(guò)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一、油井應(yīng)力狀況一、油井應(yīng)力狀況( (一一) )地應(yīng)力地應(yīng)力xyzdzgHSZ0sZZP垂向應(yīng)力：上覆層的巖石重量。垂向應(yīng)力：上覆層的巖石重量。有效垂向應(yīng)力：有效垂向應(yīng)力：如果巖石處?kù)稄椥誀顟B(tài)，可根據(jù)廣義虎克定律建立巖石的如果巖石處?kù)稄椥誀顟B(tài)，可根據(jù)廣義虎克定律建立巖石的有效水平應(yīng)力與有效垂向應(yīng)力的關(guān)係：有效水

7、平應(yīng)力與有效垂向應(yīng)力的關(guān)係：xxE11yxE2zxE3在三向應(yīng)力作用下，在三向應(yīng)力作用下，x x軸方向上的應(yīng)變分別為：軸方向上的應(yīng)變分別為：SSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21max01321zyxxxxxE令：令： 得：得：yxzyx1由於存在側(cè)向應(yīng)力的約束，則：由於存在側(cè)向應(yīng)力的約束，則：側(cè)壓系數(shù)側(cè)壓系數(shù)考慮到構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，可以得到最大、最小水平考慮到構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，可以得到最大、最小水平主應(yīng)力為：主應(yīng)力為：1.1.井筒對(duì)地應(yīng)力及其分佈的影響井筒對(duì)地應(yīng)力及其分佈的影響( (二二) )井壁上的應(yīng)力井壁上的應(yīng)力圖圖6-2 6-2 無(wú)限大平板中鉆一

8、圓孔的應(yīng)力分布無(wú)限大平板中鉆一圓孔的應(yīng)力分布地層三維應(yīng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維方法處理地層三維應(yīng)力問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維方法處理2cos312124422rarayxyx圓孔周向應(yīng)力：圓孔周向應(yīng)力：(1) (1) 當(dāng)當(dāng) ， 時(shí)，時(shí)， ， 說(shuō)明圓孔壁上各點(diǎn)的說(shuō)明圓孔壁上各點(diǎn)的周向應(yīng)力相等，且與周向應(yīng)力相等，且與值無(wú)關(guān)。值無(wú)關(guān)。ar HyxHyx222(2) (2) 當(dāng)當(dāng) ， 時(shí)，時(shí)， 說(shuō)明最小周向應(yīng)力發(fā)生在說(shuō)明最小周向應(yīng)力發(fā)生在 方向上，而最大周向方向上，而最大周向應(yīng)力卻在應(yīng)力卻在 的方向上。的方向上。ar yxxy3180,0min。yx3270,90max。xy(3) (3) 隨著隨著 的增加，的增加，周向

9、應(yīng)力迅速降低。周向應(yīng)力迅速降低。r2.2.井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力井眼內(nèi)壓所引起的井壁應(yīng)力壓裂過(guò)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(guò)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(dǎo)致井壁上產(chǎn)生周向應(yīng)力。根據(jù)彈性力高。井筒內(nèi)壓必然導(dǎo)致井壁上產(chǎn)生周向應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)中的拉梅公式學(xué)中的拉梅公式( (拉應(yīng)力取負(fù)號(hào)拉應(yīng)力取負(fù)號(hào)) )：222222222aeaeieaeaieerrrrrPPrrrPrP當(dāng)當(dāng)re=re=、Pe=0Pe=0及及r=rar=ra時(shí)，井壁上的周向應(yīng)力為：時(shí)，井壁上的周向應(yīng)力為：iP即由於井筒內(nèi)壓而導(dǎo)致的周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，方向即由於井筒內(nèi)壓而導(dǎo)致

10、的周向應(yīng)力與內(nèi)壓大小相等，方向相反。相反。121siPPbrCC11213siixyPPP3.3.壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應(yīng)力壓裂液徑向滲入地層所引的井壁應(yīng)力由於注入井中的高壓液體在地層破裂前，滲入井筒周?chē)伸蹲⑷刖械母邏阂后w在地層破裂前，滲入井筒周?chē)貙又?，形成了另外一個(gè)應(yīng)力區(qū)，它的作用是增大了井地層中，形成了另外一個(gè)應(yīng)力區(qū)，它的作用是增大了井壁周?chē)鷰r石中的應(yīng)力。增加的周向應(yīng)力值為：壁周?chē)鷰r石中的應(yīng)力。增加的周向應(yīng)力值為：4.4.井壁上的最小總周向應(yīng)力井壁上的最小總周向應(yīng)力在地層破裂前，井壁上的最小總周向應(yīng)力應(yīng)為地應(yīng)力、在地層破裂前，井壁上的最小總周向應(yīng)力應(yīng)為地應(yīng)力、井筒內(nèi)壓及液體滲濾

11、所引起的周向應(yīng)力之和：井筒內(nèi)壓及液體滲濾所引起的周向應(yīng)力之和：ht二、造縫條件二、造縫條件（一）形成垂直裂縫的條件（一）形成垂直裂縫的條件當(dāng)井壁上存在的周向應(yīng)力達(dá)到井壁巖石的水平方向的抗拉強(qiáng)當(dāng)井壁上存在的周向應(yīng)力達(dá)到井壁巖石的水平方向的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石將在垂直于水平應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即度時(shí)，巖石將在垂直于水平應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與周向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。造縫條件為：在與周向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生垂直裂縫。造縫條件為：當(dāng)產(chǎn)生裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注入流體的壓力即為地層的破裂壓當(dāng)產(chǎn)生裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注入流體的壓力即為地層的破裂壓力：力：12123htxySFPP( (二二) )

12、形成水平裂縫的條件形成水平裂縫的條件當(dāng)井壁上存在的垂向應(yīng)力達(dá)到井壁巖石的垂向的抗張強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)井壁上存在的垂向應(yīng)力達(dá)到井壁巖石的垂向的抗張強(qiáng)度時(shí)，巖石將在垂直于垂向應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與垂巖石將在垂直于垂向應(yīng)力的方向上產(chǎn)生脆性破裂，即在與垂向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生水平裂縫。造縫條件為：向應(yīng)力相垂直的方向上產(chǎn)生水平裂縫。造縫條件為：vtZ當(dāng)產(chǎn)生水平裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注入流體的壓力等於地層的破當(dāng)產(chǎn)生水平裂縫時(shí)，井筒內(nèi)注入流體的壓力等於地層的破裂壓力：裂壓力：1211PPvtzsF12194. 1vtzsFPP實(shí)驗(yàn)修正：實(shí)驗(yàn)修正：( (三三) )破裂壓力梯度破裂壓力梯度( (破裂梯度破裂梯度)

13、)破裂梯度：地層破裂壓力與地層深度的比值。破裂梯度：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(jì)出來(lái)的破裂梯度值各油田根據(jù)大量壓裂施工資料統(tǒng)計(jì)出來(lái)的破裂梯度值為：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(jì)裂縫的形態(tài)：根據(jù)破裂梯度的大小估計(jì)裂縫的形態(tài)：? ?小於小於15151818時(shí)形成垂直裂縫時(shí)形成垂直裂縫? ?大於大於2323時(shí)形成水平裂縫時(shí)形成水平裂縫第二節(jié)第二節(jié) 壓裂液壓裂液壓裂液任務(wù)：壓裂液任務(wù)：破裂地層、造縫、降溫作用。一般用未交聯(lián)破裂地層、造縫、降溫作用。一般用未交聯(lián)的溶

14、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。必須使用交聯(lián)的壓裂液用。必須使用交聯(lián)的壓裂液( (如凍膠等如凍膠等) )。末尾頂替液：替液入縫，提高攜砂液效率和末尾頂替液：替液入縫，提高攜砂液效率和防止井筒沈砂。防止井筒沈砂。中間頂替液：攜砂液、防砂卡；中間頂替液：攜砂液、防砂卡；壓裂液的性能要求：壓裂液的性能要求：濾失少：濾失少：懸砂能力強(qiáng)：懸砂能力強(qiáng)：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?jiān)旱蜌堅(jiān)阂追蹬牛阂追蹬牛贺浽磸V、便於配製、價(jià)錢(qián)便宜。貨源廣、便於配製、價(jià)錢(qián)便宜。造長(zhǎng)縫、寬縫造長(zhǎng)縫、寬縫取決於它的粘度與造壁性取決於它

15、的粘度與造壁性取決於粘度取決於粘度摩阻愈小，用於造縫的有效功率愈大摩阻愈小，用於造縫的有效功率愈大熱穩(wěn)定性和抗機(jī)械剪切穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性和抗機(jī)械剪切穩(wěn)定性不應(yīng)引起粘土膨脹或產(chǎn)生沈澱而堵塞油層不應(yīng)引起粘土膨脹或產(chǎn)生沈澱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的損害減少壓裂液的損害一、壓裂液類(lèi)型一、壓裂液類(lèi)型水基壓裂液：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(chēng)為成膠劑稱(chēng)為成膠劑) )經(jīng)交鏈劑經(jīng)交鏈劑交鏈後形成的凍膠。施工結(jié)束後，為了使交鏈後形成的凍膠。施工結(jié)束後，為了使凍膠破膠還需要加入破膠劑。不適

16、用於水凍膠破膠還需要加入破膠劑。不適用於水敏性地層。敏性地層。多用稠化油，遇地層水後自動(dòng)破膠。缺點(diǎn)多用稠化油，遇地層水後自動(dòng)破膠。缺點(diǎn)是懸砂能力差、性能達(dá)不到要求、價(jià)格昂是懸砂能力差、性能達(dá)不到要求、價(jià)格昂貴、施工困難和易燃等。貴、施工困難和易燃等?；憾嘤玫?、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?dú)?、天然氣；發(fā)泡劑用相為二氧化碳、氮?dú)?、天然氣；發(fā)泡劑用非離子型活性劑。特點(diǎn)是易於返排、濾失非離子型活性劑。特點(diǎn)是易於返排、濾失少以及摩阻低等。缺點(diǎn)是砂比不能過(guò)高、少以及摩阻低等。缺點(diǎn)是砂比不能過(guò)高、井深不能過(guò)大。井深不能過(guò)大。2/13104 . 5fPKCtC

17、v二、壓裂液濾失性二、壓裂液濾失性壓裂液濾失到地層受三種機(jī)理控制：壓裂液濾失到地層受三種機(jī)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( (一一) )受壓裂液粘度控制的濾失係數(shù)受壓裂液粘度控制的濾失係數(shù)CC當(dāng)壓裂液粘度大大超過(guò)油藏流體的粘度時(shí)，壓裂液的濾失速當(dāng)壓裂液粘度大大超過(guò)油藏流體的粘度時(shí)，壓裂液的濾失速度主要取決於壓裂液的粘度，由達(dá)西方程可以導(dǎo)出濾失係數(shù)度主要取決於壓裂液的粘度，由達(dá)西方程可以導(dǎo)出濾失係數(shù)為：為：濾失速度為：濾失速度為：( (二二) )受儲(chǔ)層巖石和流體壓縮性控制的濾失係數(shù)受儲(chǔ)層巖石和流體壓縮性控制的濾失

18、係數(shù)CC當(dāng)壓裂液粘度接近于油藏流體粘度時(shí)，控制壓裂液濾失的是當(dāng)壓裂液粘度接近于油藏流體粘度時(shí)，控制壓裂液濾失的是儲(chǔ)層巖石和流體的壓縮性。根據(jù)體積平衡方程可得到運(yùn)算式：儲(chǔ)層巖石和流體的壓縮性。根據(jù)體積平衡方程可得到運(yùn)算式：2/13103 .4ffKCPCCfCf油藏綜合壓縮係數(shù)油藏綜合壓縮係數(shù)圖圖6-3 6-3 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(chǔ)層內(nèi)的壓差儲(chǔ)層內(nèi)的壓差壓縮并使油藏流壓縮并使油藏流體流動(dòng)的壓差體流動(dòng)的壓差裂縫壁面濾裂縫壁面濾餅的壓力差餅的壓力差（三）具有造壁性壓裂液濾失係數(shù)（三）具有造壁性壓裂液濾失係數(shù)CC濾失係數(shù)濾失係數(shù)CC是由實(shí)驗(yàn)

19、方法測(cè)定是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定圖圖6-4 6-4 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 mtgVsp濾失量ml 時(shí)間，min01234圖圖6-5 6-5 靜濾失曲線靜濾失曲線tAmv005.0濾失速度濾失速度AmC005. 0 造壁液體的濾失系數(shù)造壁液體的濾失系數(shù)tC 則則2/1 PPCCf實(shí)驗(yàn)壓差與實(shí)際施工過(guò)程中裂縫內(nèi)實(shí)驗(yàn)壓差與實(shí)際施工過(guò)程中裂縫內(nèi)外壓力差不一致，則應(yīng)進(jìn)行修正：外壓力差不一致，則應(yīng)進(jìn)行修正：圖圖6-6 6-6 動(dòng)濾失儀示意圖動(dòng)濾失儀示意圖圖圖6-7 6-7 動(dòng)靜濾失曲線比較圖動(dòng)靜濾失曲線比較圖CCCC11112222242

20、CCCCCCCCCCC( (四四) )綜合濾失係數(shù)綜合濾失係數(shù)壓裂液的濾失同時(shí)受三種機(jī)理控制，綜合濾失係數(shù)如下：壓裂液的濾失同時(shí)受三種機(jī)理控制，綜合濾失係數(shù)如下：CC由濾失帶壓力差控制的，由濾失帶壓力差控制的，CC是由壓縮帶壓力差控制是由壓縮帶壓力差控制的，的，CC由濾餅內(nèi)外壓力差控制的。由濾餅內(nèi)外壓力差控制的。根據(jù)分壓降公式可以得到綜合濾失係數(shù)的另一運(yùn)算式：根據(jù)分壓降公式可以得到綜合濾失係數(shù)的另一運(yùn)算式：推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)王鴻勳主編的推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)王鴻勳主編的水力壓裂設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算方法水力壓裂設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算方法( (石油工石油工業(yè)出版社，業(yè)出版社，1998.6)1998.6)DDDKn11naDK三、壓

21、裂液流變性三、壓裂液流變性( (一一) )各類(lèi)壓裂液的流變曲線各類(lèi)壓裂液的流變曲線1.1.牛頓壓裂液牛頓壓裂液(A(A曲線曲線) )圖圖6-8 6-8 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(yīng)力剪切應(yīng)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(chēng)為冪律流體，隨假塑型流體也稱(chēng)為冪律流體，隨剪切速率的增加，其斜率變小。剪切速率的增加，其斜率變小。nDK1n 視粘度視粘度3.3.其他流動(dòng)類(lèi)型的壓裂液其他流動(dòng)類(lèi)型的壓裂液賓漢型流體賓漢型流體(C(C曲線曲線) )Dy屈服假塑型流體屈服假塑型流體(D(D曲線曲線) )nyDK脹流型流體脹流型流體(E(E曲線曲線) )nD

22、K1n ( (二二) )冪律液體流動(dòng)過(guò)程中的視粘度計(jì)算冪律液體流動(dòng)過(guò)程中的視粘度計(jì)算從地面到地下裂縫中基本上可分為四種流動(dòng)過(guò)程，即地面管從地面到地下裂縫中基本上可分為四種流動(dòng)過(guò)程，即地面管線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動(dòng)。這四種流動(dòng)基本上分線、井筒、射孔孔眼和裂縫中的流動(dòng)。這四種流動(dòng)基本上分為兩大類(lèi)，即管流及縫流。為兩大類(lèi)，即管流及縫流。1.1.管流管流冪律液體在圓管內(nèi)流動(dòng)的本構(gòu)方程：冪律液體在圓管內(nèi)流動(dòng)的本構(gòu)方程：nnn41n3dv8K視粘度視粘度: :18413nnwdvnnK2.2.縫流縫流冪律液體在裂縫中流動(dòng)的本構(gòu)方程：冪律液體在裂縫中流動(dòng)的本構(gòu)方程：nnwWv6n31n2K視粘度視粘

23、度: :1nnfwv6n31n2K( (三三) )摩阻計(jì)算摩阻計(jì)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(jì)算理論計(jì)算比較複雜比較複雜經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算簡(jiǎn)化為無(wú)限大簡(jiǎn)化為無(wú)限大平板之間的層平板之間的層流處理流處理第三節(jié)第三節(jié) 支撐劑支撐劑填砂裂縫的導(dǎo)流能力：填砂裂縫的導(dǎo)流能力：在油層條件下，填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，常用在油層條件下，填砂裂縫滲透率與裂縫寬度的乘積，常用FRCDFRCD表示，導(dǎo)流能力也稱(chēng)為導(dǎo)流率。表示，導(dǎo)流能力也稱(chēng)為導(dǎo)流率。一、支撐劑的性能要求一、支撐劑的性能要求(1)(1)粒徑均勻，密度小粒徑均勻

24、，密度小(2)(2)強(qiáng)度大，破碎率小強(qiáng)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(lái)源廣，價(jià)廉來(lái)源廣，價(jià)廉閉合壓力閉合壓力二、二、 支撐劑的類(lèi)型支撐劑的類(lèi)型按其力學(xué)性質(zhì)分為兩大類(lèi)：按其力學(xué)性質(zhì)分為兩大類(lèi)：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(diǎn)是硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎特點(diǎn)是硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎韌性支撐劑韌性支撐劑 如核桃殼、鋁球等如核桃殼、鋁球等特點(diǎn)是變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎特點(diǎn)是變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎目前礦場(chǎng)上常用的支撐劑有兩種：一是天然砂；二是目前礦場(chǎng)上

25、常用的支撐劑有兩種：一是天然砂；二是人造支撐劑（陶粒）。人造支撐劑（陶粒）。( (一一) )天然砂天然砂主要礦物成分是粗晶石英主要礦物成分是粗晶石英適用於淺層或中深層的壓裂，成功率很高。適用於淺層或中深層的壓裂，成功率很高。( (二二) )人造支撐劑人造支撐劑( (陶粒陶粒) )礦物成份是氧化鋁、矽酸鹽和鐵礦物成份是氧化鋁、矽酸鹽和鐵鈦氧化物鈦氧化物形狀不規(guī)則，強(qiáng)度很高，適用于深井高閉合壓力的油氣形狀不規(guī)則，強(qiáng)度很高，適用于深井高閉合壓力的油氣層壓裂。陶粒的密度很高，特別在深井條件下由於高溫層壓裂。陶粒的密度很高，特別在深井條件下由於高溫和剪切作用，對(duì)壓裂液性能的要求很高。和剪切作用，對(duì)壓裂液

26、性能的要求很高。( (三三) )樹(shù)脂包層支撐劑樹(shù)脂包層支撐劑中等強(qiáng)度，密度小，便於攜砂與鋪砂。中等強(qiáng)度，密度小，便於攜砂與鋪砂。三、支撐劑在裂縫內(nèi)的分佈三、支撐劑在裂縫內(nèi)的分佈支撐劑在裂縫內(nèi)的分佈規(guī)律隨裂縫類(lèi)型支撐劑在裂縫內(nèi)的分佈規(guī)律隨裂縫類(lèi)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) )全懸浮型支撐劑分佈全懸浮型支撐劑分佈高粘壓裂液：壓裂液粘度足以把支撐劑完全懸浮起來(lái)，在高粘壓裂液：壓裂液粘度足以把支撐劑完全懸浮起來(lái)，在整個(gè)施工過(guò)程中沒(méi)有支撐劑的沈降，停泵後支撐劑充滿(mǎn)整整個(gè)施工過(guò)程中沒(méi)有支撐劑的沈降，停泵後支撐劑充滿(mǎn)整個(gè)裂縫內(nèi)，因而攜砂液到達(dá)的位置就

27、是支撐裂縫的位置。個(gè)裂縫內(nèi)，因而攜砂液到達(dá)的位置就是支撐裂縫的位置。裂縫內(nèi)的砂濃度裂縫內(nèi)的砂濃度( (裂縫內(nèi)砂比裂縫內(nèi)砂比) )：是指單位體積裂縫內(nèi)所含：是指單位體積裂縫內(nèi)所含支撐劑的質(zhì)量。支撐劑的質(zhì)量。裂縫閉合後的砂濃度裂縫閉合後的砂濃度( (鋪砂濃度鋪砂濃度) )：指單位面積裂縫上所鋪：指單位面積裂縫上所鋪的支撐劑質(zhì)量。的支撐劑質(zhì)量。地面砂比：?jiǎn)挝惑w積混砂液中所含的支撐劑質(zhì)量。地面砂比：?jiǎn)挝惑w積混砂液中所含的支撐劑質(zhì)量?；蛑蝿w積與壓裂液體積之比?；蛑蝿w積與壓裂液體積之比。假設(shè)地面每注入體積為假設(shè)地面每注入體積為VF(m3)VF(m3)的含砂液體為一個(gè)處理單元，的含砂液體為一個(gè)處理單

28、元，時(shí)間時(shí)間t t是注入此單元所需的時(shí)間。是注入此單元所需的時(shí)間。單元含砂液中濾失的體積百分?jǐn)?shù)：?jiǎn)卧耙褐袨V失的體積百分?jǐn)?shù)：）的剩余體積（地面單元體積液在縫中濾失體積濾失SVt2W1SVtC時(shí)間濾失面積濾失速度濾失體積濾失體積百分?jǐn)?shù)：濾失體積百分?jǐn)?shù)：ttCW2SVttC2W1SV濾失經(jīng)濾失後的縫內(nèi)砂濃度：經(jīng)濾失後的縫內(nèi)砂濃度：n0n0si1Ci1VFCVFCss0i1CC在忽略裂縫內(nèi)流動(dòng)阻力的情況下，可以認(rèn)為裂縫內(nèi)的在忽略裂縫內(nèi)流動(dòng)阻力的情況下，可以認(rèn)為裂縫內(nèi)的FRCDFRCD從縫從縫端到井底是線性增加的，因而要求砂濃度呈線性增加。端到井底是線性增加的，因而要求砂濃度呈線性增加。支撐面積很大

29、，能最大限度地將壓開(kāi)的面積全部支撐起來(lái)。支撐面積很大，能最大限度地將壓開(kāi)的面積全部支撐起來(lái)。全懸浮型支撐劑分佈特點(diǎn)：全懸浮型支撐劑分佈特點(diǎn)：適合於低滲透率地層，不需要很高的填砂裂縫導(dǎo)流能力就能適合於低滲透率地層，不需要很高的填砂裂縫導(dǎo)流能力就能有很好的增產(chǎn)效果。有很好的增產(chǎn)效果。( (二二) )沈降型支撐劑分佈沈降型支撐劑分佈由於剪切和溫度等降解作用由於剪切和溫度等降解作用, ,攜砂性能並不能達(dá)到全懸浮攜砂性能並不能達(dá)到全懸浮 部分支撐劑隨攜砂液一起向縫端運(yùn)動(dòng)，部分可能沈降下來(lái)。部分支撐劑隨攜砂液一起向縫端運(yùn)動(dòng)，部分可能沈降下來(lái)。支撐劑沈降速度、砂堤堆起高度等都與裂縫參數(shù)有關(guān)。支撐劑沈降速度、

30、砂堤堆起高度等都與裂縫參數(shù)有關(guān)。目前的研究仍是基於目前的研究仍是基於6060年代巴布庫(kù)克的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。年代巴布庫(kù)克的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.1.支撐劑在縫高度上的分佈支撐劑在縫高度上的分佈進(jìn)入裂縫的固體顆粒主要受到水平方向液體攜帶力、垂直進(jìn)入裂縫的固體顆粒主要受到水平方向液體攜帶力、垂直向下重力以及向上浮力的作用。向下重力以及向上浮力的作用。顆粒相對(duì)於攜帶液有沈降運(yùn)動(dòng)顆粒相對(duì)於攜帶液有沈降運(yùn)動(dòng) 粘滯阻力作用粘滯阻力作用平衡狀態(tài)平衡狀態(tài): :當(dāng)液體的流速逐漸達(dá)到使顆粒處?kù)稇腋顟B(tài)的當(dāng)液體的流速逐漸達(dá)到使顆粒處?kù)稇腋顟B(tài)的能力時(shí)，顆粒處?kù)锻Ｖ股蚪档臓顟B(tài)。能力時(shí)，顆粒處?kù)锻Ｖ股蚪档臓顟B(tài)。平衡流速：平衡流速：平衡

31、時(shí)的流速，也即攜帶顆粒最小的流速。平衡時(shí)的流速，也即攜帶顆粒最小的流速。注入濃度注入濃度圖圖6-10 6-10 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(lái)的的砂堤，沉降下來(lái)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)，顆粒分布不懸浮區(qū)，顆粒分布不均勻，存在濃度梯度均勻，存在濃度梯度無(wú)砂區(qū)無(wú)砂區(qū)增加地面排量增加地面排量 、與與區(qū)均將變薄，區(qū)均將變薄，區(qū)則變厚區(qū)則變厚流速足夠大流速足夠大 區(qū)可能完全消失區(qū)可能完全消失再增加排量再增加排量 濃度梯度剖面消失，成為均質(zhì)的懸浮流濃度梯度剖面消失，成為均質(zhì)的懸浮流EQEQ

32、WhQVEQEQEQWVQHhHH00scEQWEQWU50. 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湯姆斯解法：利用顆粒自由沈降速度與阻力速度的比值，湯姆斯解法：利用顆粒自由沈降速度與阻力速度的比值，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。阻力速度阻力速度牛頓液體牛頓液體非牛頓液體非牛頓液體71. 0PhaPPEQWPdR4dU041. 0UUhEQWEQRUVsc446.32hEQWEQRUVsc446. 3226501100000CCsc阻力速度與平衡流速的關(guān)係阻力速度與平衡

33、流速的關(guān)係: :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。1S112650S1000scVVKdtdHEQ 3.3.砂堤的堆起速度砂堤的堆起速度當(dāng)縫中流速達(dá)到平衡流速時(shí)，砂堤停止增高，處?kù)镀胶鉅顟B(tài)當(dāng)縫中流速達(dá)到平衡流速時(shí)，砂堤停止增高，處?kù)镀胶鉅顟B(tài)砂堤的堆起速度與砂堤上面過(guò)流高度的變化方向相反砂堤的堆起速度與砂堤上面過(guò)流高度的變化方向相反dtWhQKhhhdhEQEQKtUZUln1EQEQhHhhU0EQEQHhZ EQEQHWhQKK4.4.平衡時(shí)間平衡時(shí)間假設(shè)砂堤達(dá)到平衡高度的假設(shè)砂堤達(dá)到

34、平衡高度的9595，認(rèn)為已達(dá)到平衡高度，認(rèn)為已達(dá)到平衡高度KZtEQ395.0四、支撐劑的選擇四、支撐劑的選擇支撐劑的選擇主要是指選擇其類(lèi)型和粒徑。支撐劑的選擇主要是指選擇其類(lèi)型和粒徑。選擇的目的是為了達(dá)到一定的裂縫導(dǎo)流能力。選擇的目的是為了達(dá)到一定的裂縫導(dǎo)流能力。對(duì)低滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫長(zhǎng)度為主。對(duì)低滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫長(zhǎng)度為主。對(duì)中高滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫導(dǎo)流能力為主。對(duì)中高滲地層，水力壓裂應(yīng)以增加裂縫導(dǎo)流能力為主。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(qiáng)度）支撐劑的強(qiáng)度2 2）粒徑及其分佈）粒徑及其分佈3 3）支撐劑類(lèi)型與鋪砂濃度）支撐劑類(lèi)型與

35、鋪砂濃度4 4）其他因素）其他因素 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第四節(jié)第四節(jié) 壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)壓裂設(shè)計(jì)的任務(wù)：壓裂設(shè)計(jì)的任務(wù)：優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)可行的增產(chǎn)方案優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)可行的增產(chǎn)方案壓裂設(shè)計(jì)的原則：壓裂設(shè)計(jì)的原則：最大限度發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用最大限度發(fā)揮油層潛能和裂縫的作用使壓裂後油氣井和注入井達(dá)到最佳狀態(tài)使壓裂後油氣井和注入井達(dá)到最佳狀態(tài)壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)壓裂井的有效期和穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)壓裂設(shè)計(jì)的方法：壓裂設(shè)計(jì)的方法：根據(jù)油層特性和設(shè)備能力，以獲取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益為目根據(jù)油層特性和設(shè)備能力，以獲取最大產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，在優(yōu)選裂縫幾何

36、參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的加砂方案。標(biāo)，在優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的加砂方案。壓裂設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容：壓裂設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容：裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計(jì)；壓裂液類(lèi)型、配方選擇及注液程式；裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設(shè)計(jì)；壓裂液類(lèi)型、配方選擇及注液程式；支撐劑選擇及加砂方案設(shè)計(jì)；壓裂效果預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)分析等。區(qū)支撐劑選擇及加砂方案設(shè)計(jì)；壓裂效果預(yù)測(cè)和經(jīng)濟(jì)分析等。區(qū)塊整體壓裂設(shè)計(jì)還應(yīng)包括采收率和開(kāi)採(cǎi)動(dòng)態(tài)分析等。塊整體壓裂設(shè)計(jì)還應(yīng)包括采收率和開(kāi)採(cǎi)動(dòng)態(tài)分析等。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

37、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(zhǎng)、寬、高和導(dǎo)流能力指填砂裂縫的長(zhǎng)、寬、高和導(dǎo)流能力麥克奎爾與西克拉用電模型研究了垂直裂縫條件下增產(chǎn)麥克奎爾與西克拉用電模型研究了垂直裂縫條件下增產(chǎn)倍數(shù)與裂縫幾何尺寸和導(dǎo)流能力的關(guān)係。倍數(shù)與裂縫幾何尺寸和導(dǎo)流能力的關(guān)係。假設(shè)：擬穩(wěn)定流動(dòng)；定產(chǎn)或定壓生產(chǎn)；正方形泄油面積；假設(shè)：擬穩(wěn)定流動(dòng)；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(guò)整個(gè)產(chǎn)層。外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過(guò)整個(gè)產(chǎn)層。圖圖6-12 6-12 麥克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(duì)導(dǎo)流能力相對(duì)導(dǎo)流能力無(wú)因次增產(chǎn)

38、倍數(shù)無(wú)因次增產(chǎn)倍數(shù)裂縫導(dǎo)流能力愈高，增產(chǎn)倍數(shù)也愈高；造縫愈長(zhǎng)，倍數(shù)也愈高裂縫導(dǎo)流能力愈高，增產(chǎn)倍數(shù)也愈高；造縫愈長(zhǎng)，倍數(shù)也愈高左邊左邊 要提高增產(chǎn)倍數(shù)，則應(yīng)以增加裂縫導(dǎo)流能力為主要提高增產(chǎn)倍數(shù)，則應(yīng)以增加裂縫導(dǎo)流能力為主右邊右邊 曲線趨於平緩，增產(chǎn)主要靠增加縫的長(zhǎng)度曲線趨於平緩，增產(chǎn)主要靠增加縫的長(zhǎng)度低滲油藏低滲油藏 增加裂縫長(zhǎng)度比增加裂縫導(dǎo)流能力對(duì)增產(chǎn)更有利增加裂縫長(zhǎng)度比增加裂縫導(dǎo)流能力對(duì)增產(chǎn)更有利高滲油藏高滲油藏 應(yīng)以增加導(dǎo)流能力為主應(yīng)以增加導(dǎo)流能力為主對(duì)一定的裂縫長(zhǎng)度，存在一個(gè)最佳的裂縫導(dǎo)流能力對(duì)一定的裂縫長(zhǎng)度，存在一個(gè)最佳的裂縫導(dǎo)流能力二、裂縫幾何參數(shù)計(jì)算模型二、裂縫幾何參數(shù)計(jì)算模型二

39、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是裂縫的擴(kuò)展和裂縫內(nèi)的流體流動(dòng)方式不同：主要差別是裂縫的擴(kuò)展和裂縫內(nèi)的流體流動(dòng)方式不同：二維模型假設(shè)裂縫高度是常數(shù)，即流體僅沿縫長(zhǎng)方向二維模型假設(shè)裂縫高度是常數(shù)，即流體僅沿縫長(zhǎng)方向流動(dòng)。流動(dòng)。真三維模型認(rèn)為縫高沿縫長(zhǎng)方向是變化的，在縫長(zhǎng)、縫真三維模型認(rèn)為縫高沿縫長(zhǎng)方向是變化的，在縫長(zhǎng)、縫高方向均有流動(dòng)高方向均有流動(dòng)( (即存在壓力降即存在壓力降) )。擬三維模型認(rèn)為縫高沿縫長(zhǎng)方向是變化的，但裂縫內(nèi)擬三維模型認(rèn)為縫高沿縫長(zhǎng)方向是變化的，但裂縫內(nèi)仍是一維流動(dòng)仍是一維流動(dòng)( (縫長(zhǎng)縫長(zhǎng)) )。

40、（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(shè)：基本假設(shè)：裂縫是等寬的；裂縫是等寬的；濾失量濾失量QL(t)QL(t) tQ tQL tQtQtQFL+ += = dddAtv2tQt0L裂縫體積變化裂縫體積變化QF(t)QF(t) dtdAWtQF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；縫壁上某點(diǎn)的濾失速度取決於此點(diǎn)暴露於液體中的時(shí)間；縫壁上某點(diǎn)的濾失速度取決於此點(diǎn)暴露於液體中的時(shí)間；縫壁上各點(diǎn)的速度函數(shù)是相同的；縫壁上各點(diǎn)的速度函數(shù)是相同的；裂縫內(nèi)各點(diǎn)壓力相等，等於井底延伸壓力。裂縫內(nèi)各點(diǎn)壓力相等，等於井底延伸壓力。（二）（二）PK

41、NPKN模型（縫寬公式）模型（縫寬公式）基本假設(shè)：基本假設(shè)：巖石是彈性、脆性材料，當(dāng)作用於巖石上的張應(yīng)力大於巖石是彈性、脆性材料，當(dāng)作用於巖石上的張應(yīng)力大於某個(gè)極限值後，巖石張開(kāi)破裂；某個(gè)極限值後，巖石張開(kāi)破裂；縫高在整個(gè)縫長(zhǎng)方向上不變，即在上、下層受阻；造縫段縫高在整個(gè)縫長(zhǎng)方向上不變，即在上、下層受阻；造縫段全部射孔，一開(kāi)始就壓開(kāi)整個(gè)地層；全部射孔，一開(kāi)始就壓開(kāi)整個(gè)地層；裂縫斷面為橢園形，最大縫寬在裂縫中部；裂縫斷面為橢園形，最大縫寬在裂縫中部；縫內(nèi)流體流動(dòng)為層流；縫內(nèi)流體流動(dòng)為層流；縫端部壓力等於垂直於裂縫壁面的總應(yīng)力；縫端部壓力等於垂直於裂縫壁面的總應(yīng)力；不考慮壓裂液濾失於地層。不考慮壓裂液濾失於地層。裂縫面積裂縫面積 WtC2x1x2xerfceC4QWtA2x2根據(jù)導(dǎo)出的裂縫面積公式，如果已知縫寬，則可求出水平根據(jù)導(dǎo)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(zhǎng)度。裂縫半徑和垂直裂縫長(zhǎng)度。 4/13243cf1HQLE601PxP 4/12maxELQ16012xW對(duì)非牛頓液液體，最大縫寬為：對(duì)非牛頓液液體，最大縫寬為：2n21 n1fnn2n maxELHKQ6011n1n21n3128W 裂縫的平均寬度：裂縫