《水力壓裂設計》

水力壓裂設計

HydraulicFracturing整理課件背景垂直井單相油流產量公式對具體井，地層條件(ko,h)、流體性質(o,Bo)和井特性(re,rw)已經確定。提高產量的措施:注水保持地層壓力;人工舉升降低井底流動壓力;對于低滲透儲層：水力壓裂整理課件第一節(jié)水力壓裂概述水力壓裂示意圖壓裂材料：壓裂液和支撐劑施工參數(shù)：排量和壓力壓裂設備：泵車(組)、液罐、砂車、儀表車整理課件力學觀點：裂縫形成與延伸是力學行為。生產角度：裂縫方位與形態(tài)影響壓裂改造效果

問題：儲層應力環(huán)境—地應力場(2)水力裂縫方位(3)破裂壓裂計算與預測基本思路：注水井采油井整理課件地應力存在于地殼內部的應力，是由于地殼內部的垂直運動和水平運動及其它因素綜合作用引起介質內部單位面積上的作用力。

地下巖石應力狀態(tài)：為三向不等壓壓縮狀態(tài).x（x）y(y)z(z)主應力:x，y，z;應變:x，y，z第二節(jié)、地應力分析與破裂壓力

1地應力場整理課件原地應力：重力應力構造應力孔隙流體壓力熱應力

地應力構成：原地應力+擾動應力。

整理課件其中：r(h)為上覆巖層密度，由密度測井曲線獲得。(1)重力應力（上覆壓力）為Boit孔隙彈性常數(shù)。有效垂向應力為整理課件由廣義虎克定律計算總應變研究對象：地層中任意單元體。整理課件由于泊松效應，垂向應力產生的側向壓力整理課件(2)構造應力定義：地殼的構造運動引起的巖體之間的相互作用力。是地應力的一個分量。來源：各種構造運動，包括：區(qū)域構造—巨大構造單元間的相互作用力；局部構造—產生于局部地區(qū)巖體之間。如斷層、巖層彎曲等。ABC整理課件特點構造應力屬于水平的平面應力狀態(tài)擠壓構造力引起擠壓構造應力張性構造力引起拉張構造應力構造運動的邊界影響使其在傳播過程中逐漸衰減。整理課件斷層和裂縫發(fā)育區(qū)—正斷層，水平應力x可能只有垂向應力z的1/3。右旋走向滑動斷層正斷層逆斷層—逆斷層或褶皺帶的水平應力可大到z的3倍。整理課件(3)熱應力原因：地層溫度變化引起的內應力增量。計算方法特點：與溫度變化、巖石力學性質有關產生環(huán)境：火燒油層、注蒸汽開采、注水整理課件2人工裂縫方位原理：裂縫面垂直于最小主應力方向當z最小時，形成水平裂縫；當Y或x>z，形成垂直裂縫。yxxyz整理課件顯裂縫地層很難出現(xiàn)人工裂縫。微裂縫地層

—垂直于最小主應力方向；

—基本上沿微裂縫方向發(fā)展，把微裂縫串成顯裂縫整理課件y二、水力壓裂造縫機理1井壁最終應力分布rxrRwxy整理課件(4)井壁上的總周向應力(應力迭加原理)

＝地應力+井筒內壓+滲濾引起的周向應力整理課件2水力壓裂造縫條件(1)形成垂直縫巖石破壞條件－壓為正，拉為負－最大有效周向應力大于水平方向抗拉強度整理課件有液體滲濾當破裂時，Pi=PF整理課件無液體滲濾當破裂時，Pi=PF整理課件(2)形成水平縫巖石破壞條件最大有效周向應力大于垂直方向抗拉強度整理課件有液體滲濾有效總垂向應力為：整理課件當破裂時，Pi=PF1.94整理課件無液體滲濾有效總垂向應力為：整理課件當破裂時，Pi=PF0.94整理課件3破裂壓力梯度定義理論計算(垂直裂縫形態(tài))礦場統(tǒng)計當αF<0.015～0.018MPa/m,形成垂直裂縫當αF>0.022～0.025MPa/m,形成水平裂縫整理課件三、地應力的測量及計算（1）礦場測量—水力壓裂法—井眼橢圓法（井壁崩落法）（2）巖心分析（實驗室）—滯彈性應變恢復（ASR）—微差應變分析（DSCA）（4）有限元計算（3）測井解釋整理課件第三節(jié)壓裂液壓裂液及其性能要求壓裂液添加劑壓裂液的流動性壓裂液的濾失性壓裂液對儲層的傷害壓裂液選擇整理課件壓裂液的組成前置液攜砂液頂替液（完整的壓裂泵注程序中還可以有清孔液、前墊液、預前置液）整理課件對壓裂液的性能要求(1)與地層巖石和地下流體的配伍性；(2)有效地懸浮和輸送支撐劑到裂縫深部；(3)濾失少；(4)低摩阻；(5)低殘渣、易返排；(6)熱穩(wěn)定性和抗剪切穩(wěn)定性。整理課件壓裂液對儲層的傷害壓裂液在地層中滯留產生液堵地層粘土礦物水化膨脹和分散運移產生的傷害壓裂液與原油乳化造成的地層傷害潤濕性發(fā)生反轉造成的傷害壓裂液殘渣對地層造成的損害壓裂液對地層的冷卻效應造成地層傷害壓裂液濾餅和濃縮對地層的傷害整理課件壓裂液液體污染(1)粘土水化與微粒運移(2)壓裂液在孔隙中的滯留（3）潤濕性整理課件壓裂液固相堵塞來源—基液或成膠物質的不溶物—降濾劑或支撐劑中的微?！獕毫岩簩Φ貙訋r石浸泡而脫落下來的微?！瘜W反應沉淀物等固相顆粒。作用—形成濾餅后阻止濾液侵入地層更遠處，提高了壓裂液效率，減少了對地層的傷害；—它又要堵塞地層及裂縫內孔隙和喉道，增強了乳化液的界面膜厚度而難破膠。整理課件壓裂液濃縮壓裂液的不斷濾失和裂縫閉合，導致交聯(lián)聚合物在支撐裂縫內的濃度提高（即濃縮）。支撐劑鋪置濃度對壓裂液濃縮因子有較大影響，隨著鋪砂濃度降低，壓裂液濃縮因子提高，此時不可能用常規(guī)破膠劑用量實現(xiàn)高濃縮壓裂液的徹底破膠，形成大量殘膠而嚴重影響支撐裂縫導流能力。整理課件第四節(jié)水力壓裂設計模型裂縫延伸二維模型卡特模型Carter，1957年GDK模型Christianovich、Geertsma、Deklerk

PKN模型Perkins和Kern提出,Norgren完善裂縫延伸三維模型整理課件一、卡特模型

1幾何模型HfLfWf整理課件2主要假設(1)裂縫等寬。(2)壓裂液從縫壁垂直而又線性地滲入地層;(3)地層中某點的濾失速度取決于此點暴露于液體中的時間,即:(4)地層中各點速度函數(shù)相同。(5)裂縫中各點壓力相同,均等于井底的延伸壓力。整理課件3計算公式忽略壓縮性，由物質平衡：Q(t)=QL(t)+QF(t)用拉氏變換,最終得裂縫面積公式:整理課件整理課件二、GDK模型1幾何模型Khristianovich、Geertsma、DeklerkDaneshyW(x,t)L(t)H整理課件2假設條件(1)巖石為均質各向同性。(2)巖石變形服從線彈性應力應變關系。(3)流體在縫內作一維層流流動,縫高方向裂縫呈矩形。(4)縫中X方向壓降由摩阻產生,不考慮動能和勢能影響。(5)裂縫高度和施工排量恒定。整理課件3理論基礎運用了體積平衡方程;壓降與寬度關系由泊稷葉理論導出;用England和Green公式求縫寬時,還運用了裂縫平衡延伸理論。此模型是現(xiàn)在最常用的兩個二維延伸模型之一。整理課件4計算公式整理課件式中整理課件三、PKN模型1幾何模型Perkins&Kern

NorgrenL(t)W(x,z,t)H整理課件2假設條件(1)裂縫為垂直裂縫,其高度恒定。(2)裂縫高度方向上為橢圓面,其橫截面最大寬度滿足Sneddon方程:W(x,t)=2(1-υ2)(p-σ)H/E(3)施工排量恒定(4)長度方向的變化采用物質平衡原理求得(5)裂縫前端液體壓力等于地層最小水平主應力。整理課件3計算公式壓降方程最終得長度方程寬度方程整理課件四、GDK和PKN模型的比較整理課件第五節(jié)支撐劑輸送—支撐劑的沉降特性—沉降布砂設計—懸浮布砂設計整理課件受力分析—固體顆粒的重力—流體對固體顆粒的浮力—顆粒的運動阻力重力浮力阻力顆粒一、支撐劑的沉降特性

1單顆粒自由沉降速度概念—自由沉降—干擾沉降整理課件重力浮力阻力重力浮力阻力顆粒整理課件F=Fg-Fb當F＝Fd時CD與雷諾數(shù)有關，雷諾數(shù)與UP有關整理課件整理課件Novotny公式當NRe2時UH/UP=5.5

當2<Nre<500時UH/UP=3.5

當NRe

500時UH/UP=22干擾沉降Brown公式整理課件3壁面影響當NRe1當NRe100當1<Nre<100用內插法求FW整理課件4顆粒形狀對沉降速度的影響支撐劑顆粒是不規(guī)則的顆粒，而不是規(guī)則的球體（有些接近于球形）—顆粒的形狀是不規(guī)則的，比同體積的球體表面積大；—顆粒的表面是粗糙的；—顆粒的形狀是不對稱的不規(guī)則顆粒的沉降速度小于球形顆粒的沉降速度整理課件支撐劑在冪律液體中的沉降用視粘度a代替整理課件思路支撐劑在裂縫高度上的分布平衡流速、平衡高度的計算砂堤的堆起速度平衡時間二、沉降型布砂設計整理課件1支撐劑在裂縫高度上的分布

概念：平衡狀態(tài)平衡流速平衡高度顆粒濃度分布(垂向)區(qū)域I：砂堤區(qū)域II：砂堤上的滾流區(qū)區(qū)域III：懸浮區(qū)區(qū)域IV：無砂區(qū)

分析整理課件2平衡流速與阻力流速平衡流速HEQhEQVEQ平衡高度整理課件問題1阻力速度的定義2區(qū)別牛頓流體和非牛頓流體的計算公式3復習濕周與過流面積的關系4區(qū)別層流和紊流下阻力速度與平衡流速的關系5砂堤堆起速度與流速和平衡流速的關系6砂堤堆起高度與時間的經驗關系7平衡時間的計算方法整理課件例6-3牛頓型壓裂液粘度μf=30mPa.s，密度f=1000kg/m3；石英砂支撐劑顆粒密度s=2650kg/m3，平均粒徑dp=1.14310-3m，砂比S=10%；裂縫高度Hf=10m，裂縫寬度w=4.7610-3m；試計算雙翼裂縫中排量Q為0.8和2.0m3/min時的平衡高度和平衡時間。整理課件解(1)計算支撐劑沉降速度假設支撐劑沉降處于層流狀態(tài)，按表6-8中公式計算自由沉降速度，vp=0.039m/s。校核流態(tài)：顆粒雷諾數(shù)NRep=1.49<2，與假設流態(tài)相符，故vp=0.0687m/s濃度校正系數(shù)：按Novotny公式，fc=0.97裂縫壁面校正系數(shù)：按Novotny公式，fw=0.84忽略剪切速度影響，支撐劑在裂縫中的沉降速度為vt=0.032m/s整理課件

(2)計算阻力速度按牛頓液計算阻力速度vwEQ=0.316m/s

(3)計算平衡流速a.攜砂液混合物密度ρse=1100kg/m3b.按紊流公式計算平衡流速vEQ=3.88m/sc.校核流態(tài)：雷諾數(shù)NRe=35000>3000,故平衡流速為vEQ=3.88m/s整理課件整理課件三、全懸浮布砂設計技術背景研究目的1.計算縫內砂比沿縫長變化基礎上，找出滿足設計要求的導流能力的加砂步驟2.避免在縫中出現(xiàn)砂比過高的砂卡現(xiàn)象整理課件1假設條件2計算單元劃分設攜砂液單元體積為P，則泵入時間為t=P/Q3濾失計算

濾失百分數(shù)（t時間后）i=濾失％＝Fi/FFi濾失體積F單元體積濾失后的剩余體積整理課件濾失體積

濾失百分數(shù)i=濾失％＝Fi/FFi濾失體積F單元體積濾失后的剩余體積整理課件4裂縫體積計算注入單元體積P=剩余體積F+濾失體積Fi

利用計算復利的方法，n次濾失后的剩余體積

整理課件因此，已知縫內砂濃度，可確定相應的地面砂濃度整理課件分析：S越小，濾失次數(shù)越多，要求地面加入的砂濃度越小用ST-S代替n

考慮濾失速度隨注入液量而變化

整理課件5支撐裂縫幾何尺寸停泵時的裂縫體積(即剩余體積)

支撐裂縫長度支撐裂縫寬度

整理課件說明：全懸浮式砂子分布應用懸浮壓裂液適合于低滲透儲層，因為這里并不需要很高的裂縫導流能力就能獲得較好的增產效果。優(yōu)點：支撐面積大缺點：導流能力不及沉降式砂子分布具體分析，擇優(yōu)采用改善支撐劑在裂縫中分布的方法整理課件第六節(jié)水力壓裂效果分析工藝效果：評價所實施壓裂工藝技術的適應性和有效性開發(fā)效果：評價水力壓裂在油田改造中的作用經濟效益分析：尋求壓裂提高技術水平和改善其經營管理的基本途徑整理課件一、工藝效果分析增產有效期：某井從壓裂施工后增產見效開始至壓裂前后產量遞減到相同的日產水平所經歷的時間。增產倍比：指相同生產條件下壓裂后與壓裂前的日產水平之比?！獔D版法—近似解析法—數(shù)值模擬法整理課件1McGuire&Sikora圖版

縱坐標為增產倍比

橫坐標為：整理課件a.對低滲透儲層（k<110-3m2）,很容易得到較高的裂縫導流能力比值（大于0.4），欲提高壓裂效果，應以增加裂縫長度為主。b.高滲透地層，不容易獲得較高的裂縫導流能力比值，提高裂縫導流能力是提高壓裂效果的主要途徑，不能片面追求壓裂規(guī)模而增加縫長。c.對一定縫長，存在一個最佳裂縫導流能力，超過該值而增加導流能力的效果甚微，例如對Lf/Le=0.5，當導流能力比值為0.5時，增加裂縫導流力基本上不能增加增產比Jf/J0。d.無傷害油井最大增產比為13.6倍。整理課件2Raymond&Binder公式法3數(shù)值模擬計算法整理課件二、水力壓裂經濟評價壓裂經濟分析準則(1)壓裂施工現(xiàn)值(2)壓裂施工凈現(xiàn)值(3)貼現(xiàn)償還時間(4)壓裂效益指數(shù)整理課件1產量遞減模式(1)定值百分數(shù)遞減(2)調和型遞減(3)雙曲線型遞減整理課件3壓裂經濟敏感性評價1）井網(wǎng)密度與最佳裂縫長度的關系2）儲層滲透率和裂縫長度3）裂縫導流能力的影響4）有效厚度的影響5）裂縫高度的影響6）壓裂液濾失性與防濾失添加劑7）鋪砂濃度和支撐帶滲透率的保持程度8）壓裂液粘度9）泵注排量與施工規(guī)模10)油氣價格和貼現(xiàn)率2成本構成整理課件第七節(jié)壓裂設計水力壓裂設計是在滿足地質、工程和設備條件下作出經濟有效的最優(yōu)方案。(1)正設計(2)反設計優(yōu)化壓裂設計任務（1）在給定的儲層與井網(wǎng)條件下，根據(jù)不同縫長和導流能力預測壓后生產動態(tài);（2）根據(jù)儲層條件選擇壓裂液、支撐劑和加砂濃度，并確定合理用量；（3）根據(jù)井下管柱與井口裝置的壓力極限選擇合理的泵注排量與泵注方式、地面泵壓和壓裂車數(shù)；（4）確定壓裂泵注程序；（5）進行壓裂經濟評價，使壓裂作業(yè)最優(yōu)化。整理課件一、選井選層考慮因素儲層地質特征、巖石力學性質、孔滲飽特性、油層油水接觸關系、巖層間界面性質與致密性、井筒技術要求。油氣井低產原因（1）由于鉆井、完井、修井等作業(yè)過程對地層傷害使近井地帶造成嚴重的堵塞；（2）油氣層滲透率很低，常規(guī)完井方法難以經濟開采；（3）“土豆狀”透鏡體地層，單井控油面積有限，難以獲得高產；（4）油氣藏壓力已經枯竭前三種情況可以采取適當?shù)膲毫汛胧?。整理課件1儲層物性評估儲層地質特征粘土礦物分析巖石力學性質巖心分析試井分析整理課件2井筒技術要求壓裂設計符合套管強度要求；固井質量合格；井底無落物。整理課件3儲層條件地質條件儲量和能量。壓裂侯選井1)低滲透地層：滲透率越低，越要優(yōu)先壓裂，越要加大壓裂規(guī)模。2)足夠的地層系數(shù)：一般要求kh>0.5×10-3μm2.m。3)含油飽和度：含油飽和度一般應大于35%。4)孔隙度：一般孔隙度為6～15%才值得壓裂；若儲層厚度大，最低孔隙度為6～7%。5)高污染井：壓裂作業(yè)只能改善受污染的表皮效應。整理課件二、確定入井材料1．優(yōu)選壓裂液體系(1)篩選基本添加劑（增稠劑、交聯(lián)劑、破膠劑），配制適合本井的凍膠交聯(lián)體系。(2)篩選與目的層配伍性好的粘土穩(wěn)定劑、潤濕劑、破乳劑、防蠟劑等添加劑系列。(3)篩選適合現(xiàn)場施工的耐溫劑、防腐劑、消泡劑、降阻劑、降濾劑、助排劑、pH值調節(jié)劑、發(fā)泡劑和轉向劑等。(4)對選擇的壓裂液，在室內模擬井下溫度、剪切速率、剪切歷程、階段攜砂液濃度來測定其流變性及摩阻系數(shù)，并按石油行業(yè)標準進行全面評定。2．選擇支撐劑依據(jù)目的層閉合壓力選擇支撐劑類型，并按石油行業(yè)標準對其性能進行全面評定，通過選擇支撐劑粒徑，鋪砂濃度和加砂方式滿足閉合壓力下無因次導流能力要求。整理課件整理課件三、水力壓裂設計計算1.施工排量必須大于地層的吸液能力Q吸考慮所需壓裂液量考慮摩阻壓力考慮設備能力這個約束條件支撐劑輸送2.井口施工壓力整理課件3壓裂設計單井壓裂設計包括：選井選層確定施工參數(shù)方案設計計算經濟技術分析和評價整理課件4壓裂施工模擬設計根據(jù)壓裂施工規(guī)模預測增產倍數(shù)

a.確定前置液量、混砂液量以及砂量；

b.選擇適當?shù)氖┕づ帕?、計算施工時間；

c.計算動態(tài)裂縫幾何尺寸；

d.支撐劑在裂縫中運移分布，確定支撐裂縫幾何尺寸；

e.預測增產倍比。整理課件前置液量確定根據(jù)增產要求確定裂縫長度和導流能力；Nolte提出了基于壓裂液效率確定前置液量的近似解析法。整理課件支撐劑用量確定整理課件施工泵壓及水功率施工水功率ＨＰ＝１６．５５ＰＰＱ式中:ＨＰ——井口施工水功率,ｋｗ；ＰＰ——施工泵壓，ＭＰａ；Ｑ——施工排量，ｍ３／ｍｉｎ壓裂車臺數(shù)按功率計算按排量計算整理課件例6-4已知油藏開發(fā)井網(wǎng)井距400×400m，壓裂井深度H=2500m，巖石彈性模量E=25000MPa，泊松比ν=0.15，破裂壓力梯度α=0.018MPa/m；油層有效厚度Hf=10m，滲透率k=2.0×10-3μm2，孔隙度φ=20%，地層溫度80oC，地層流體壓力pS=25.0MPa，地層流體粘度μr=2mPa.s，流體壓縮系數(shù)cf=6×10-3/MPa；射孔孔眼密度10孔/m，孔徑φ10，生產流壓pWf=15MPa，套管直徑φ127，油管直徑φ62，；蘭州石英砂粒徑dP=0.4-0.8mm，顆粒密度ρr=2650kg/m3。牛頓型壓裂液粘度μ=0.03Pa.s，密度ρf=1000kg/m3，初濾失系數(shù)SP=0，造壁性濾失系數(shù)c=8.62×10-4。施工排量Q=2.0m3/min。假設采用油管注液工藝，壓裂液在油管中的為摩阻0.6MPa/100m。試進行水力壓裂設計。整理課件

解（1）井口破裂壓力

pbreak=pF

-pH+pfpbreak=0.018×2500-10-6×1000×9.8×2500+0.6×2500/100=35.5MPa

(2)閉合應力選擇支撐劑時，為保險起見，通常按地層破裂壓力與井底流壓之差計算，即pc=pF-pwf=0.018×2500-15=30MPa(3)要求的裂縫長度要求最低鋪砂濃度為5kg/m2，查表6-4，所用支撐劑在閉合應力為30MPa下的導流能力為FRCD=0.15μm2-m，按MicGuire&Sikora圖版，其橫坐標為整理課件

要求裂縫長度:Lf=40%×200=80m(4）確定填砂面積

為保證80m的有效縫長，取Lf=90m；而且實際裂縫高度比油層厚度大5m。因此，填砂面積為A=2×Hf×Lf=2×15×90=2700m2(5）確定用液量按PKN模型計算裂縫寬度w=0.0038m平均縫寬wAVG=0.785×w=0.003m鋪砂濃度為5kg/m2時要求的裂縫寬度為0.0028m比較計算平均縫寬和要求縫寬，二者相近；否則重新計算。壓裂液濾失系數(shù)由于造壁性濾失系數(shù)較小，近似取為