第6章水力壓裂

1、第六章 水力壓裂技術2 利用地面高壓泵組，將高粘液體以大大超過地層吸收能利用地面高壓泵組，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力和地層巖石抗張強度時，在井底附近地層產生裂近的地應力和地層巖石抗張強度時，在井底附近地層產生裂縫；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，關井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層撐劑，關井后裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近地層內內形成具有一定幾何尺寸和導流能力的填砂裂縫，使井達到增形成具有一定

2、幾何尺寸和導流能力的填砂裂縫，使井達到增產增注目的工藝措施。產增注目的工藝措施。水力壓裂：水力壓裂：水力壓裂的工藝過程：水力壓裂的工藝過程：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4(2) (2) 降低了井底附近地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：裂縫內流體裂縫內流體流動阻力小。流動阻力小。水力壓裂增產增注的原理水力壓裂增產增注的原理: :(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，消除了裂縫近似的單向流動和裂縫與井筒間的單向流動，消除了

3、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。5678第一節(jié)第一節(jié) 造縫機理造縫機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部署井網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、增注的作用。其在增產、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造縫條件及裂縫的形態(tài)、方位等與井底附近地層的的地應力及其分布地應力及其分布、巖石的力學性質巖石的力學性質、壓裂液的滲濾壓裂液的滲濾性質性質及及注入方式注入方式有密切關系。有密切關系。圖圖6-1 6-1 壓

4、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一、油井應力狀況一、油井應力狀況( (一一) )地應力地應力xyzdzgHSZ0sZZP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：11SSZHSSZHPEPEPEPE11212111212121min21max如果巖石處于彈性狀態(tài)，如果巖石處于彈性狀態(tài)，考慮到構造應力等因素的影響，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：可以得到最大、最小水平主應力為：1.1.井筒對地應力及其分布的影響井

5、筒對地應力及其分布的影響( (二二) )井壁上的應力井壁上的應力圖圖6-2 6-2 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化為二維方法處理地層三維應力問題轉化為二維方法處理2cos312124422rarayxyx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 HyxHyx222131.1.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( (二二) )井壁上的應力井壁上的應力圖圖6-2 6-2 無限大平板中鉆一圓

6、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化為二維方法處理地層三維應力問題轉化為二維方法處理2cos312124422rarayxyx圓孔周向應力（彈性力學）：圓孔周向應力（彈性力學）：(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 yxxy3180,0min。yx3270,90max。xy141.1.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( (二二) )井壁上的應力井壁上的應力圖圖6-2 6-2 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

7、應力分布地層三維應力問題轉化為二維方法處理地層三維應力問題轉化為二維方法處理2cos312124422rarayxyx圓孔周向應力（彈性力學）：圓孔周向應力（彈性力學）：(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。r2.2.井眼內壓所引起的井壁應力井眼內壓所引起的井壁應力 壓裂過程中，向井筒內注入高壓液體，使井內壓力很壓裂過程中，向井筒內注入高壓液體，使井內壓力很快升高。井筒內壓必然導致井壁上產生周向應力。根據(jù)彈快升高。井筒內壓必然導致井壁上產生周向應力。根據(jù)彈性力學中的拉梅公式性力學中的拉梅公式( (拉應力取負號拉應力取負號) )：222222222aeae

8、ieaeaieerrrrrPPrrrPrP 當當r re e=時，井眼內壓造成的周向應力為：時，井眼內壓造成的周向應力為：iP 即由于井筒內壓而導致的周向應力與內壓大小相等，即由于井筒內壓而導致的周向應力與內壓大小相等，方向相反。方向相反。 當當r=rr=ra a時，井壁上的周向應力為：時，井壁上的周向應力為：0121siPPbrCC11213siixyPPP3.3.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)，它的作用是增大周圍地層中，形成了另外一個應

9、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：了井壁周圍巖石中的應力。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，井壁上的最小總周向應力應為在地層破裂前，井壁上的最小總周向應力應為地應地應力力、井筒內壓井筒內壓及及液體滲濾液體滲濾所引起的周向應力之和：所引起的周向應力之和：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生脆性破裂，的方

10、向上產生脆性破裂，即在與周向應力相垂直的方向上產生垂直裂縫。造縫條件為：即在與周向應力相垂直的方向上產生垂直裂縫。造縫條件為： 當產生裂縫時，井筒內注入流體的壓力即為地層的破當產生裂縫時，井筒內注入流體的壓力即為地層的破裂壓力：裂壓力：12123htxySFPP當井壁上存在的周向應力達到井壁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，將巖石的水平方向的抗拉強度時，將產生產生 垂向垂向 裂縫裂縫 ( (二二) )形成水平裂縫的條件形成水平裂縫的條件 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

11、應力垂直于垂向應力的方向上產生脆性破裂，即的方向上產生脆性破裂，即在與垂向應力相垂直的方向上產生水平裂縫。造縫條件為：在與垂向應力相垂直的方向上產生水平裂縫。造縫條件為：vtZ 當產生水平裂縫時，井筒內注入流體的壓力等于地層的當產生水平裂縫時，井筒內注入流體的壓力等于地層的破裂壓力：破裂壓力：1211PPvtzsF12194.1vtzsFPP實驗修正：實驗修正：當井壁上存在的周向應力達當井壁上存在的周向應力達到井壁巖石的垂向的抗拉強到井壁巖石的垂向的抗拉強度時，將產生度時，將產生 水平水平 裂縫裂縫 ( (三三) )破裂壓力梯度破裂壓力梯度( (破裂梯度破裂梯度) )破裂梯度破裂梯度：地層破裂

12、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)計出來的破裂梯度值為：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： (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)： 小于小于15151818時形成時形成垂直裂縫垂直裂縫 大于大于2323時形成時形成水平裂縫水平裂縫地層破裂壓力是井下地層壓力，單位為地層破裂壓力是井下地層壓力，單位為kPakPa，深度單位為，深度單位為m m20三、裂縫停止延伸的條件三、裂縫停止延伸的條件（）停泵（）停

13、泵（）泵注排量等于濾失量（）泵注排量等于濾失量第二節(jié)第二節(jié) 壓裂液壓裂液壓裂液任務：壓裂液任務：破裂地層、造縫、降溫作用破裂地層、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：替液入縫替液入縫，提高攜砂液效率和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：送送攜砂液、防砂卡攜砂液、防砂卡；根據(jù)壓裂過程中作用不同，根據(jù)壓裂過程中作用不同，壓裂液可分為壓裂液可分為 前置液前置液、攜砂液攜砂液

14、、頂替液頂替液 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：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生沉淀而堵塞油層不應引起粘土膨脹或產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

15、少壓裂液對地層的傷害 一、壓裂液類型一、壓裂液類型水基壓裂液：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( (稱為成膠劑稱為成膠劑) )經交鏈劑經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

16、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、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。2/13k104 . 5fPCtCv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( (一一) )受壓裂液粘度控制的濾失系數(shù)受壓裂液粘度控制的濾失系數(shù)C C 當當壓裂液粘度大

17、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：( (二二) )受儲層巖石和流體壓縮性控制的濾失系數(shù)受儲層巖石和流體壓縮性控制的濾失系數(shù)C C 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。這是因為儲層巖石和流體受的是儲層巖石和流體的壓縮性。這是因為儲層巖石和流體受到壓縮，讓出一部分空間壓裂液才得以濾失進去。根據(jù)體積到壓縮，讓出一部分空間壓裂液

18、才得以濾失進去。根據(jù)體積平衡方程可得到表達式：平衡方程可得到表達式：2/13k103 .4ffCPCC Cf f油藏綜合壓縮系數(shù)油藏綜合壓縮系數(shù)（三）具有造壁性壓裂液濾失系數(shù)（三）具有造壁性壓裂液濾失系數(shù)C C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 時間，min01234圖圖6-5 6-5 靜濾失曲線靜濾失曲線27（三）具有造壁性壓裂液濾失系數(shù)（三）具有造壁性壓裂液濾失系數(shù)C C mtgVsp濾失量ml 時間，min01234圖圖6-5 6

19、-5 靜濾失曲線靜濾失曲線tAmv005.0AmC005. 0 造壁液體的濾失系數(shù)造壁液體的濾失系數(shù)tC 則濾失速度：則濾失速度：tmVVsp濾失量與時間的關系：濾失量與時間的關系：濾失量除以濾紙或巖心斷面濾失量除以濾紙或巖心斷面積積A A，并對時間求導，得到，并對時間求導，得到濾濾失速度失速度：2/1 PPCCf實驗壓差與實際施工過程中裂縫內實驗壓差與實際施工過程中裂縫內外壓力差不一致，則應進行修正：外壓力差不一致，則應進行修正：圖圖6-6 6-6 動濾失儀示意圖動濾失儀示意圖圖圖6-7 6-7 動靜濾失曲線比較圖動靜濾失曲線比較圖CCCC1111( (四四) )綜合濾失系數(shù)綜合濾失系數(shù)壓裂

20、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為裂時，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。實際上縫延伸壓力與地層壓力之差。實際上C由由濾失帶壓力濾失帶壓力差差控制的，控制的，C 是由是由壓縮帶壓力差壓縮帶壓力差控制的，控制的，C由由濾餅內濾餅內外壓力差外壓力差控制的控制的。30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層內的壓差儲層內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

21、濾餅的壓力差餅的壓力差2222242CCCCCCCCCCC根據(jù)根據(jù)分壓降公式分壓降公式可以得到綜合濾失系數(shù)的另一表達式：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主編的推導過程詳見王鴻勛主編的水力壓裂設計數(shù)值計算方法水力壓裂設計數(shù)值計算方法(石油工石油工業(yè)出版社，業(yè)出版社，1998.6)DDDKn11naDK三、壓裂液流變性三、壓裂液流變性 ( (一一) )各類壓裂液的流變曲線各類壓裂液的流變曲線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

22、流體也稱為冪律流體，隨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。剪切速率的增加，其斜率變小。nDK1n 視粘度視粘度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) )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) )nDK1n ( (二二) )冪律液體流動過程中的視粘度計算冪律液體流動過程中的視粘度計算 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。

23、這四種流動基本上分為兩大類，即上分為兩大類，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流動的本構方程：冪律液體在圓管內流動的本構方程：nnwnndvK4138視粘度視粘度: :18413nnpdvnnK2.2.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：nnwWv6n31n2K視粘度視粘度: :1nnfwv6n31n2K( (三三) )摩阻計算摩阻計算油管內摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內摩阻壓力降油管內摩阻、射孔孔眼摩阻、裂縫內摩阻壓力降第三節(jié)第三節(jié) 支撐劑支撐劑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，在油層

24、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。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，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)雜質含量少雜質含量少(5)(5)來源廣，價格適宜來源廣，價格適宜二、二、 支撐劑的類型支撐劑的類型按其力學性質分為兩大類：按其力學性質分為兩大類：脆性支撐劑脆性支撐劑如石英砂、玻璃球等如石英砂、玻璃球等特點特點是硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎是硬度大，變形小，在高閉合壓力下易破碎韌性支撐劑韌性支撐

25、劑 如核桃殼、鋁球等如核桃殼、鋁球等特點特點是變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎是變形大，承壓面積大，在高閉合壓力下不易破碎目前礦場上常用的支撐劑有兩種：一是目前礦場上常用的支撐劑有兩種：一是天然砂天然砂；二是二是人造支撐劑人造支撐劑（陶粒）。（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。( (二二) )人造支撐劑人造支撐劑( (陶粒陶粒) )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形狀不規(guī)則，強

26、度很高，適用于深井高閉合壓力的油氣層壓裂。層壓裂。陶粒的密度很高，特別在深井條件下由于高溫和剪切作陶粒的密度很高，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。用，對壓裂液性能的要求很高。( (三三) )樹脂包層支撐劑樹脂包層支撐劑中等強度，密度小，便于攜砂與鋪砂。中等強度，密度小，便于攜砂與鋪砂。三、支撐劑在裂縫內的分布三、支撐劑在裂縫內的分布支撐劑在裂縫內的分布規(guī)律隨支撐劑在裂縫內的分布規(guī)律隨裂縫類型裂縫類型( (水平、水平、垂直縫垂直縫) )和和攜砂液性能攜砂液性能而異。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

27、全懸浮起來，在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，因而攜砂液到達的位置就是支撐裂縫的位置。個裂縫內，因而攜砂液到達的位置就是支撐裂縫的位置。裂縫內的砂濃度裂縫內的砂濃度( (裂縫內砂比裂縫內砂比) )：是指單位體積裂縫內所含是指單位體積裂縫內所含支撐劑的質量。支撐劑的質量。裂縫閉合后的砂濃度裂縫閉合后的砂濃度( (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量。的支撐劑質量。地面砂比地面砂比：單位體積混砂液中所含的支撐劑質量。單位體積混砂液中所含的支撐劑

28、質量。或支撐劑體積與壓裂液體積之比?；蛑蝿w積與壓裂液體積之比。 假設地面每注入體積為假設地面每注入體積為VF(mVF(m3 3) )的含砂液體為一個處理單的含砂液體為一個處理單元，時間元，時間t 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SVt2W1SVtC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)：ttCWSVttCWSV221濾失經濾失后的縫內砂濃度：經濾失后的縫內砂濃度：n0n0si1Ci1VFCVFCss0i1CC 在忽略裂縫內流動阻力的情況下，可以認為

29、裂縫內的在忽略裂縫內流動阻力的情況下，可以認為裂縫內的FRCD(FRCD(填砂裂縫導流能力填砂裂縫導流能力) )從縫端到井底是線性增加的，因而從縫端到井底是線性增加的，因而要求砂濃度呈線性增加。要求砂濃度呈線性增加。支撐面積很大，支撐面積很大，能最大限度地將壓開的面積全部支撐起來。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：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效果。有很好的增產效果。39( (二二) )沉降型支撐劑分布沉降型支撐劑分布由于剪切和溫度等降解作用由于剪切和溫度等

30、降解作用, ,攜砂性能并不能達到全懸浮，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。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。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。1.1.支撐劑在縫高度上的分布支撐劑在縫高度上的分布 進入裂縫的固體顆粒主要受到進入裂縫的固體顆粒主要受到水平方向液體攜帶力、水平方向液體攜帶力、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。 顆粒相對于攜帶液有沉降運動顆

31、粒相對于攜帶液有沉降運動 粘滯阻力作用粘滯阻力作用平衡狀態(tài)平衡狀態(tài): :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)。平衡流速：平衡流速：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)，顆粒分布不懸浮區(qū)，顆粒分布不均勻，存在濃度梯度均勻，存在

32、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量 濃度梯度剖面濃度梯度剖面消失消失，成為成為均質的懸浮流均質的懸浮流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，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表示加砂濃度表示加砂濃度，砂比是砂堆體積與壓裂液體積之比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，砂堤停止增高，處于平衡狀態(tài)砂堤的堆起速度與砂堤

34、上面過流高度砂堤的堆起速度與砂堤上面過流高度的變化方向相反的變化方向相反dtWhQKhhhdhEQEQKtUZUln1EQEQhHhhU0EQEQHhZ EQEQHWhQKK4.4.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

35、，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 如支撐劑的質量、密度以及顆粒園球度等如支撐劑的質量、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) 壓裂設計壓裂設計壓裂設計的任務壓裂設計的任務：優(yōu)選出經濟可行的增產方案優(yōu)選出經濟可行的增產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

36、氣井和注入井達到最佳狀態(tài)壓裂井的有效期和穩(wěn)產期長壓裂井的有效期和穩(wěn)產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，以獲取最大產量或經濟效益根據(jù)油層特性和設備能力，以獲取最大產量或經濟效益為目標，優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)，設計合適的加砂方案。為目標，優(yōu)選裂縫幾何參數(shù)，設計合適的加砂方案。壓裂設計方案的內容：壓裂設計方案的內容： 裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設計；壓裂液類型、配方選擇及注裂縫幾何參數(shù)優(yōu)選及設計；壓裂液類型、配方選擇及注液程序；支撐劑選擇及加砂方案設計；壓裂效果預測和經濟液程序；支撐劑選擇及加砂方案設計；壓裂效果預測和經濟分析等。區(qū)塊整體壓裂設計還應包括采收率和開采動態(tài)分析分析等。區(qū)塊

37、整體壓裂設計還應包括采收率和開采動態(tài)分析等。等。一、影響壓裂井增產幅度的因素一、影響壓裂井增產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電模型研究了垂直裂縫條件下增產麥克奎爾與西克拉用電模型研究了垂直裂縫條件下增產倍數(shù)與裂縫幾何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：假設：擬穩(wěn)定流動；定產或定壓生產；正方形泄油面積；擬穩(wěn)定流動；定產或定壓生產；正方形泄

38、油面積；外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過整個產層。外邊界封閉；可壓縮流體；裂縫穿過整個產層。圖圖6-12 6-12 麥克奎爾西克拉垂直裂縫增產倍數(shù)曲線麥克奎爾西克拉垂直裂縫增產倍數(shù)曲線相對導流能力相對導流能力無因次增產倍數(shù)無因次增產倍數(shù)裂縫導流能力愈高，增產倍數(shù)也愈高；造縫愈長，倍數(shù)也愈高裂縫導流能力愈高，增產倍數(shù)也愈高；造縫愈長，倍數(shù)也愈高左邊左邊 要提高增產倍數(shù)，則應以增加要提高增產倍數(shù)，則應以增加裂縫導流能力裂縫導流能力為主為主右邊右邊 曲線趨于平緩，增產主要靠曲線趨于平緩，增產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更有利增加裂縫長度比增加裂

39、縫導流能力對增產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裂縫穿透比裂縫穿透比wefr/R.ln.J/J47201370410471. 240AKWKff縫長縫長(單翼單翼)與供油半徑與供油半徑的比的比 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的流體流動方式不同：是裂縫的擴展和裂縫內的流體流動方式不同： 二維模型假設二維模型假設裂縫高度裂縫高

40、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縫高沿縫長方向是變化的，在的，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縫高沿縫長方向是變化的，但裂縫的，但裂縫內仍是內仍是一維流動一維流動( (縫長縫長) )。（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；縫壁上某點的濾失速度取決于此點暴露于液體中的時間

41、；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；裂縫內各點壓力相等，等于井底延伸壓力。裂縫內各點壓力相等，等于井底延伸壓力。裂縫面積裂縫面積WtC2x1x2xerfceC4QWtA2x2根據(jù)導出的裂縫面積公式，如果已知縫寬，則可求出水平根據(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。裂縫半徑和垂直裂縫長度。濾失量濾失量Q QL L(t)(t) tQ tQL t Qt Qt QFL+= dddAtv2tQt0L裂縫體積變化裂縫體積變化Q QF F(t)(t) dtdAtQF水力壓裂過程中，注入裂縫中的壓裂液

42、水力壓裂過程中，注入裂縫中的壓裂液Q(t),Q(t),一部份濾失一部份濾失于地層于地層Q QL L(t)(t)，一部分使裂縫的體積增加，一部分使裂縫的體積增加Q QF F(t)(t)，即：，即：52（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；某個極限值后，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；全部射孔，一開始就壓開整個地層；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；縫內流體流動為層流；縫內流體流動為層流；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。 4/13243cf1HQLE601PxP 4/12max16012wELQx對非牛頓液液體，最大縫寬為：對非牛頓液液體，最大縫寬為：2n21 n1fnn2n maxELHKQ6011