水力压裂设计
采油工程第5章水力压裂技术
(1) 前置液：它的作用是破裂地层并造成一定几何尺寸的 裂缝以备后面的携砂液进入。在温度较高的地层里，它还可起 一定的降温作用。有时为了提高前置液的工作效率，在前置液 中还加入一定量的细砂以堵塞地层中的微隙，减少液体的滤失 (2) 携砂液:它起到将支撑剂带入裂缝中并将支撑剂填在裂 缝内预定位置上的作用。在压裂液的总量中，这部分比例很大 携砂液和其他压裂液一样，有造缝及冷却地层的作用。携砂液 由于需要携带密度很高的支撑剂，所以必须使用交联的压裂液 (如冻胶等)。 (3) 顶替液:中间顶替液用来将携砂液送到预定位置，并有 预防砂卡的作用；最后顶替液是注完携砂液后将井筒中全部携 砂液顶替到裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。
乳化压裂液适用于水敏、低压地层。 其他应用的压裂液还有聚合物乳状液、酸基压裂液和醇基 压裂液等，它们都有各自的适用条件和特点，但在矿场上应用 很少。
5.3 支撑剂
支撑剂的作用在于支撑、分隔开裂缝的两个壁面，使压裂施工结束后 裂缝能够得到有效支撑，从而消除地层中大部分径向流，使井液以线性流 方式进入裂缝。水力压裂的目标是在油气层内形成足够长度的高导流能力 填砂裂缝，所以，水力压裂工程中的各个环节都是围绕这一目标选择支撑 剂类型、粒径和携砂液性能以及施工工序等。 支撑剂的性能好坏直接影响着压裂效果。填砂裂缝的导流能力是评价 压裂效果的重要指标。填砂裂缝的导流能力是在油层条件下，填砂裂缝渗 透率与裂缝宽度的乘积，导流能力也称为导流率。 5.3.1 支撑剂的性能要求 （1）粒径均匀，密度小。支撑剂的分选不好，小粒径的支撑剂会运 移到大粒径砂所形成的孔隙中，堵塞渗流通道，影响填砂裂缝导流能力， 所以对支撑剂的粒径大小和分选程度有一定的要求。 （2）强度大，破碎率小。支撑剂的强度是其性能的重要指标。水力 压裂结束后，裂缝的闭合压力作用于裂缝中的支撑剂上，当支撑剂强度比 缝壁面地层岩石的强度大时，支撑剂有可能嵌人地层里；缝壁面地层岩石
水力压裂
携砂液
防止井筒沉砂。
水力压裂技术
压裂液的性能要求： ①滤失少： ③摩阻低： 造长缝、宽缝 取决于它的粘度与造壁性
②悬砂能力强：取决于粘度 摩阻愈小，用于造缝的有效功率愈大
④稳定性好： 热稳定性和抗机械剪切稳定性 ⑤配伍性好： 不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层 ⑥低残渣： ⑦易返排： 以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率 减少压裂液的损害
1 x1 x E
x2
E
y
x3
E
z
水力压裂技术
由于存在侧向应力的约束，则：
x x1 x 2 x 3
令： x 得：
1 x y z 0 E
y
x y
1
z
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平 侧压系数 主应力为：
水力压裂技术
(二)井壁上的应力 1.井筒对地应力及其分布的影响
地层三维应力问题转化为二维方法处理
y H (1) 当 当 r ， ra a x (2) ， x y 时， (3) 随着 时， 2 2的增加， 3 H ， 2 x x y min 0 ,180 y
3
压缩并使油藏流 体流动的压差
使压裂液滤失于 储层内的压差 裂缝壁面滤 饼的压力差
水力压裂技术
（三）具有造壁性压裂液滤失系数CⅢ
滤失系数CⅢ是由实验方法测定
加压口
滤 失 量 ml
α
Vsp
tg m
筛座 （含滤纸或岩心片） 出液口 图4-4 静滤失仪示意图
0
1
2 3min 4 时间，
第五章水力压裂技术
第五章 水力压裂技术§5—1 水力压裂力学地层中形成水力裂缝的过程与液体流动特性及岩石的力学性质有关。
水力造缝的本质是岩石在液体压力作用下的破裂与变形问题，因此造缝特性与岩石的受力及力学性质有关。
一．地应力场1．地应力场概念：地应力是由于岩石变形引起的介质内部单位面积上的作用力。
地应力场：是指地应力大小和方向在地层空间位置的分布。
2．地应力剖面概念地应力剖面是指研究地应力大小在纵向上的变化。
二．地应力的类型（1）原地应力：开发之前地应力原始大小。
（2）扰动应力：开发引起的地应力改变。
（3）构造应力：由构造运动在岩体中引起的应力。
（4）残余应力：除去外力后尚残存在岩石中的应力。
（5）重力应力：由上覆岩层的质量引起的地应力。
（6）热应力：由于地层温度发生变化在其内部引起的内应力增量。
（7）分层地应力：按地层分层给出不同的地应力。
（8）古地应力和现今地应力：某地质时期或重要地质事件前的地应力称古地应力。
目前存在或正在活动的称现今地应力。
石油工程关心的是现今地应力。
3．地应力测试1）长源距声波与密度测井方法该方法通过测井取得剖面上变化的岩石的纵波速度P υ和横波速度S υ，然后求出岩石泊松比ν的纵向变化，利用下式求出最小水平主应力σh ，而取得地应力剖面。
σh ()1P P ννσααν=-+- 4—12222212P S P S υυνυυ-=- 4—2 式中：σv —上覆层压力，通过密度测井得到。
P —地层压力；α—孔隙弹性系数，通过实验测的。
2）测试压裂方法（现场常用）测试压裂：是将不含砂的压裂液注入地层，造缝后停泵侧压力降落曲线，待曲线上出现拐点后测试结束，出现拐点时相应的压力即裂缝闭合压力，其大小与岩层中垂直于裂缝面的应力值相等，也即就是地层最小主应力。
如图4—1 所示。
上图中，产生人工裂缝后停泵，裂缝停止扩展处于临界闭合状态，闭合压力为P s 。
图4—1 水力压裂测试典型压力曲线结论：可以认为，裂缝临界闭合时，裂缝内的流体压力等于裂缝闭合的最小地应力。
煤层气井水力压裂技术
适用于低渗透煤层，能够提高煤 层的渗透性，增加天然气产量， 是煤层气开发中的关键技术之一 。
技术原理
01
02
03
高压水流注入
通过高压水泵将高压水流 注入煤层，利用水压将煤 层压裂。
支撑剂填充
在压裂过程中，向裂缝中 填充支撑剂，如砂石等， 以保持裂缝处于开启状态。
气体流动
压裂后，煤层中的天然气 通过裂缝和孔隙流动，被 开采出来。
智能化发展
利用人工智能、大数据和物联网技术，实现水力压裂过程 的实时监测、智能分析和自动控制，提高压裂效率和安全 性。
绿色环保
研发低污染或无污染的压裂液和支撑剂，降低压裂过程对 环境的影响，同时加强废弃物的处理和回收利用。
多层压裂和水平井压裂
发展多层压裂和水平井压裂技术，提高煤层气开采效率， 满足市场需求。
煤层孔隙度
孔隙度决定了煤层的储存空间和吸附能力，孔隙度高的煤层有利于 气体的吸附和扩散。
压裂液性能
பைடு நூலகம்
粘度
粘度是压裂液的重要参数，它决 定了压裂液在煤层中的流动阻力， 粘度越高，流动阻力越大。
稳定性
压裂液的稳定性决定了其在高压 和高剪切条件下保持稳定的能力， 稳定性好的压裂液能够保持较好 的流动性和携砂能力。
解决方案
为了降低水力压裂技术的成本，研究 人员和工程师们正在探索新型的压裂 液和支撑剂，以提高其性能并降低成 本。同时，优化压裂施工方案、提高 施工效率也是降低成本的有效途径。 此外，加强设备的维护和保养、提高 设备的利用率也是降低水力压裂成本 的重要措施之一。
06
水力压裂技术的前景展 望
技术发展方向
能力和导流能力。
裂缝网络设计
裂缝走向
水力压裂技术的研究与优化设计
水力压裂技术的研究与优化设计水力压裂技术是一种利用高压水流对地下岩层进行压裂以增强油气开采的技术。
近年来，随着页岩气、煤层气等非常规油气资源的不断开采，水力压裂技术成为不可或缺的一环。
然而，水力压裂技术并非完美无缺，存在许多问题，需要不断地探索研究和优化设计。
一、水力压裂技术的基本原理水力压裂技术是通过高压水流将地下岩层进行压裂，形成裂缝，增加油气在岩石中的流动性，并将油气压入井口，从而实现油气的开采。
水力压裂技术的关键是高压水泵和压裂液的配方，高压水泵将压裂液注入岩层中，通过岩层本身的弹性变形和裂缝的扩展，使得压裂液能够在岩层中迅速扩散，形成裂缝，从而增加油气的渗透。
二、水力压裂技术存在的问题1. 岩层破碎度不佳水力压裂技术虽然可以将地下岩层压裂形成裂缝，但是对破碎度的要求很高，破碎度不佳会导致压裂液不能充分扩散，从而效果不理想。
2. 压裂液的配方需要完善压裂液的成分复杂，需要根据不同的岩石类型、油气特征、地质条件等进行优化设计。
目前，压裂液的成分还存在很多问题，如杂质较多、影响地下水质的问题等。
3. 环境污染问题水力压裂技术的实施需要大量的水资源和压裂液，这些液体在压裂后常常无法回收，会对地下水和土壤造成污染，给生态环境带来威胁。
三、水力压裂技术的研究与进展为了克服水力压裂技术存在的问题，国内外科学家进行了大量的研究。
近年来，我国取得了一些重要进展，如：1. 新型的压裂液新型的压裂液能够更好地适应不同的岩石类型、油气特征和地质条件，能够更好地发挥水力压裂技术的作用，并减少环境污染。
2. 岩层力学参数的确定优化的水力压裂技术需要准确的岩层力学参数，这是一个复杂而难以确定的问题。
近年来，我国研究人员通过实验和数值模拟，确定了不同地貌条件下的岩层参数，为水力压裂技术的实施提供了重要依据。
3. 确定施工参数水力压裂技术的实施需要根据地质条件和油气特点确定不同的施工参数。
研究人员通过实地观测和模拟，确定了不同地区、不同类型页岩气和煤矿的施工参数，为水力压裂技术的推广和应用提供了重要依据。
第3章 水力压裂裂缝扩展模型及几何参数计算
3.3 垂直缝压裂模拟技术
现在采用较普遍的裂缝扩展模型有二维的 PKN模型、KGD模型、RADIAL模型，以及拟三维 模型和全三维模型。
这些模型都是在一定简化条件的假设下建 立起来的，与所描述的实际过程有不同程度的 偏离，尽管如此，其模拟的结果完全可以用于 指导压裂施工设计的制定及实施。
9
（一）卡特模型（裂缝面积公式）
≈
3π
16
dp 64 q(x)μ dx = − π H(x)W03
27
（六）拟（假）三维裂缝扩展模型
裂缝扩展准则：
∫ KI =
1
π H(x) 2
+ H(x) 2
H(x) −
2
p(
y)(
H H
( (
x x
) )
2+ 2−
y1 ) 2 dy
y
⎡
dp( x) dx
=
−
dH ( x) dx
⎢ ⎢ ⎢
⎣
KIc
在岩石泊松比ν=0.25时，吉尔兹玛方程为：
缝长：
L
=
1
2π
Qt HC
缝宽： W = 0.135 4 μQL2
GH 23
（五）径向裂缝扩展模型
PKN、KGD模型是假定水平 应力小于垂向应力，还假定裂 缝高度一定，裂缝沿垂直方向 扩展。
当垂向应力比水平应力小 时，将导致裂缝沿水平或倾斜 方向扩展，产生了径向裂缝扩 展模型。
支撑剂分布以及压裂施工
顶层
的动态特征。地层的弹性 产层
响应被模拟为三维问题，
从而取消了二维平面应变 底层
假设。
30
（七）全（真）三维裂缝扩展模型
y wellbore element tip element x
第6章 水力压裂技术(20130325)
①预测不同裂缝长度和导流能力下的产量，并 绘制产量与缝长和无因次导流能力关系曲线
②根据产量要求，优选裂缝参数 ③选择支撑剂类型 ④确定尾随支撑剂体积和尾随比 ⑤根据地层条件选择压裂液
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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
地面砂比：
支撑剂体积与压裂液体积之比。
在忽略裂缝内流动阻力的情况下，可以认为裂缝内的 FRCD从缝端到井底是线性增加的，因而要求砂浓度呈线性 增加。
全悬浮型支撑剂分布特点：
适合于低渗透率地层，不需要很高的填砂裂缝导流能 力就能有很好的增产效果；支撑面积很大，能最大限度地 将压开的面积全部支撑起来。
FRCD＝Wf˙Kf＝（KW）f
裂缝参数：Lf，FRCD，是最关键的因素； 最大缝宽： Wmax， Wf
4 Wmax
动态缝宽：施工过程中的裂缝宽度；～10mm 支撑缝宽：裂缝闭合后的宽度 W支；3～5mm。
一、支撑剂的要求 1.粒径均匀；
2.强度大，破碎率小； 3.圆度和球度高；
4.密度小； 5.杂质少。
(一)全悬浮型支撑剂分布 高粘压裂液：
压裂液粘度足以把支撑剂完全悬浮起来，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个裂 缝内，因而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(铺砂浓度)：
是指单位体积裂缝内所含支撑剂的质量。 裂缝内的砂浓度(裂缝内砂比)：
指单位裂缝面积上所铺的支撑剂的质量。
3.水力压裂增产增注原理
（1）降低井底附近地层渗流阻力。
（2）改变了流动形态，由径向流→双线性流（地
层线性流向裂缝，裂缝内流体线性流入井筒）。
4.水力压裂过程
第06章水力压裂分析PPT课件
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力 应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的
周向应力 之 和3 ：y x . P i P i P s1 1 2 25
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件
当井壁上存在的周向应力超过井壁岩 石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在 垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂， 即在与周向应力相垂直的方向上产生垂 直裂缝。造缝条件为：
th
.
26
1）当有滤失时：
x x ps x x ps
y y ps y y ps
当产生裂 缝时，井 筒内注入 流体的压 力等于地 层的破裂 压力：
pi pi
3 y x P i P i P s1 1 2
3 y x(p ip s) 2 1 1 2
h t
PF
.
PS
伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭
合在支撑剂上，从而在井底附近
地层内形成具有一定几何尺寸和
导流能力的填砂裂缝，使井达到
增产增注目的工艺措施。 .
2
压裂材料
压
支
裂
撑
液
剂
.
3
水力压裂的工艺过程：
憋压 造逢
裂缝延伸 充填支撑剂
裂缝闭合
压力/砂比/(MPa/%) 排量/(方/分)
80
4
70
3.5
60
3
50
2.5
1.裂缝形成条件
2.裂缝形态(垂直、水平缝)
3.裂缝方位
造缝条件及裂缝形态、方位等与井底附近地
层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂
液的渗滤性质及注入方式. 有密切关系。
水力压裂技术
第四章 水力压裂技术水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中， 在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层 产生裂缝。
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，关井后裂缝闭合在 支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到 增产增注的目的。
水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向裂缝近似性的单向流动和裂缝与井筒间的单向流 动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗。
因而油气井产量或注水井注入量就会大幅 度提高。
第一节 造缝机理在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，对有效地发挥压裂在增产、 增注中的作用都是很重要的。
在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确 定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以 提高开采速度，而且还可以提高最终采收率。
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压 裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。
图4一l 是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲 线。
P F 是地层破裂压力，P E 是裂缝延伸压力，P S 是地层压力。
图4一l 压裂过程井底压力变化曲线a — 致密岩石;b —微缝高渗岩石 在致密地层内，当井底压力达到破裂压力P F 后，地层发生破裂(图4—1中的a 点)，然后在较低的延伸压力P E 下，裂缝向前延伸。
对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明 显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图4—1中的b 点)。
一、油井应力状况一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向 主应力σZ 和水平主应力σH (σH 又可分为两个相互垂直的主应力σx ，σY )。
王台铺煤矿综采工作面水力压裂设计
⑺、压裂前拉警戒线，检查接头部位密封情况，确保无误后方可开始压裂。
⑻、高压泵运行过程中，操作人员应时刻注意观察各管路接头是否正常，有无异常现象，如有异常应及时停止作业，对存在的隐患及时处理，一切正常后方可继续施工。
⑼、压裂过程中，保证一定的注水时间，确保压裂、软化充分，同时注意观察压裂孔周围顶板，煤壁，若有水渗出，立即停止压裂。
①第一组
如图2所示，钻孔长度为70m，孔间距为25m，钻孔仰角为10°，钻孔水平投影与巷道夹角为70°，钻孔采用直径为Φ56mm的钻头进行钻进，钻孔方向朝综采工作面采空区。
图2综采工作面顺槽钻孔布置（第一组）
②第二组
为减小综采工作面机头、机尾顶板悬顶面积，特在综采工作面两顺槽进行补充钻孔，补充钻孔布置为双侧布置，如图3所示，钻孔长度为27m，孔间距为25m，第二组钻孔与第一组钻孔交错布置，钻孔仰角为22°，钻孔水平投影与巷道夹角为15°，钻孔采用直径Φ56mm的钻头进行钻进，钻孔方向朝综采工作面采空区。
定向水力压裂采用倒退式压裂法，首先在68m处利用封孔器进行封孔，上下封孔器位于开槽两侧，然后分别在60m、50m、40m、30m、20m、10m处封孔压裂。
封孔器的安装：连接安装封孔器，然后接静压水对封孔器进行排气、试压，保证运作正常，通过高压胶管将连接好的手动泵和储能器与封孔器连接，连接处“O”型密封圈密封，连接采用快速连接方式。
水力压裂实施方案
水力压裂实施方案水力压裂是一种油气田开发中常用的增产技术，通过注入高压水将油气层岩石破裂，从而增加裂缝面积，提高油气产量。
在实施水力压裂时，需要严格按照一定的方案进行操作，以确保施工的安全和效果。
下面将针对水力压裂的实施方案进行详细介绍。
一、前期准备工作。
1. 油气层地质勘探，在确定进行水力压裂的油气层之前，需要进行地质勘探，了解油气层的地质条件和裂缝分布情况，为后续的施工提供依据。
2. 设备检查与准备，在实施水力压裂前，需要对压裂设备进行全面的检查，确保设备完好无损，并做好相应的准备工作，包括备足压裂液、检查管道连接等。
3. 安全防护措施，在施工前，要对现场进行安全评估，制定安全施工方案，确保施工人员的安全，同时做好环境保护工作，避免对周围环境造成影响。
二、施工操作流程。
1. 井口准备工作，将压裂设备与井口进行连接，进行密封检查，确保压裂液不会泄漏。
2. 压裂液注入，将预先准备好的压裂液注入到井下，通过高压泵将压裂液注入到油气层中，压裂液的注入速度和压力需要根据具体的地质条件进行调整。
3. 压裂过程监控，在压裂过程中，需要对压裂参数进行实时监控，包括压力、流量、注入速度等，及时调整压裂参数，确保压裂效果。
4. 压裂结束与产能评估，当压裂液注入完毕后，需要进行一定的停顿时间，观察裂缝情况，并对产能进行评估，以确定压裂效果。
三、施工后处理工作。
1. 设备清洗与维护，在压裂结束后，需要对压裂设备进行清洗和维护，确保设备的正常使用。
2. 数据分析与总结，对施工过程中的各项数据进行分析和总结，为后续的施工提供经验和参考。
3. 安全检查与环境保护，对施工现场进行安全检查，做好环境保护工作，确保施工过程中不会对环境造成污染。
通过以上的实施方案，可以有效地进行水力压裂施工，提高油气田的产能，实现油气资源的有效开发利用。
在实际施工中，需要严格按照方案进行操作，并根据具体的地质条件进行调整，以确保施工的安全和效果。
第6章水力压裂
KC f φ −3 C ΙΙ = 4 . 3 × 10 ∆ P µ f
1/ 2
Cf—油藏综合压缩系数
图6-3 滤失后 地层中 压力分 布示意 图
压缩并使油藏流 体流动的压差 使压裂液滤失于 储层内的压差 裂缝壁面滤 饼的压力差
（三）具有造壁性压裂液滤失系数CⅢ
具有固相颗粒及添加有防滤失剂的压裂液，滤失速度受造壁性控制
三、压裂液流变性
(一)各类压裂液的流变曲线 1.牛顿压裂液(A曲线) . 压裂液( 曲线)
Cr α = 1− Cb
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应 地应 力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和： 井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力
1 − 2ν σ θ = (3σ y − σ x ) − Pi + (Pi − Ps )α 1 −ν
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件 当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗 水平方向的抗 垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂， 拉强度时，岩石将在垂直于水平应力 拉强度 垂直于水平应力 即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。 造缝条件为：
3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力 3.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，渗入井筒 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：
1 − 2ν σ θ = (Pi − Ps )α 1 −ν
4.井壁上的最小总周向应力
滤失系数CⅢ是由实验方法测定
加压口
滤 失 量 ml
α
V sp
tg α = m
筛座 （含滤纸或岩心片） 出液口 图6-4 静滤失仪示意图
第五章：水力压裂技术
σ 此时有： 代入（ 并换为有效应力( 此时有： θ = -σth，代入（5—8）式，并换为有效应力 ）
σ x = σ x − ps,
σ y = σ y − ps ,σ θ = σ θ − pi ) , 则可得到垂直裂缝时的破裂压力，当产生 则可得到垂直裂缝时的破裂压力，
垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力Pi即为地层的破裂压力Pf，所以形 垂直裂缝时，井筒内注入流体的压力 即为地层的破裂压力 成垂直裂缝的条件： 成垂直裂缝的条件：
σH ——最大水平主应力，Pa； ——最大水平主应力 Pa； 最大水平主应力，
ξ1，ξ2——水平应力构造系数，可由室内测试试验结果推算，无 ——水平应力构造系数 可由室内测试试验结果推算， 水平应力构造系数，
式中 因次； 因次；
ν
α
E
——泊松比，无因次； ——泊松比，无因次； 泊松比 ——岩石弹性模量 Pa； 岩石弹性模量， ——岩石弹性模量，Pa； ——毕奥特(Biot)常数 无因次。 毕奥特(Biot)常数， ——毕奥特(Biot)常数，无因次。
构造对应力的影响 a—逆断层区域 H=3σz 逆断层区域σ 逆断层区域 b—正断层区域 z=3σH 正断层区域σ 正断层区域
人工裂缝方向示意图
（三）井壁上的应力
1．井筒对地应力及其分布的影响 ．
钻井后， 钻井后，井壁及其周围地 应力分布受到井筒的影响， 应力分布受到井筒的影响， 很复杂。简化起见， 很复杂。简化起见，将地 层中三维应力用二维方法 来处理。 来处理。用无限大平板中 钻有一个圆孔的受力情况 来分析。如图5—2所示。 所示。 来分析。如图 所示 在无限大平板上钻了圆孔 之后， 之后，使板内原来平衡的 应力重新分布， 应力重新分布，造成圆孔 附近的应力集中。 附近的应力集中。
第六章 水力压裂
第六章水力压裂水力压裂(hydraulic fracturing)是利用地面高压泵组，以超过地层吸液能力的排量将高粘压裂液泵入井内而在井底产生高压，当该压力超过井壁附近地应力并达到岩石抗张强度，使地层产生裂缝。
继续注入压裂液使水力裂缝逐渐延伸；随后注入带有支撑剂的混砂液，使水力裂缝继续延伸并在缝中充填支撑剂。
停泵后，由于支撑剂对裂缝壁面的支撑作用，在地层中形成足够长的、足够宽的填砂裂缝，从而实现油气井增产和注水井增注。
图6-1为水力压裂作业示意图。
水力压裂的增产增注机理主要体现在：(1) 沟通非均质性构造油气储集区，扩大供油面积；(2) 将原来的径向流改变为线性流和拟径向流，从而改善近井地带的油气渗流条件；(3) 解除近井地带污染。
水力压裂主要用于砂岩油气藏，在部分碳酸岩油气藏也得到成功应用。
图6-1 水力压裂作业示意图1—混砂车；2—砂车(罐)；3—液罐（组）；4—压裂泵车(组)；5—井口；6—压裂管柱；7—动态裂缝；8—支撑裂缝；9—压裂液；10—储层本章从水力压裂系统工程角度全面阐述压裂造缝机理、压裂液材料性能与评价方法、裂缝延伸模拟、支撑剂在裂缝中运移分布、水力压裂设计和水力裂缝诊断评估方法，并扼要介绍水力压裂技术新发展。
第一节水力压裂造缝机理水力压裂裂缝的形成和延伸是一力学行为，水力裂缝的形态与方位对于有效发挥压裂对储层的改造作用密切相关，必须掌握水力压裂的裂缝起裂与延伸过程的力学机制。
本节从地应力场分析及获取方法入手介绍水力裂缝的形成机理、造缝条件、裂缝形态与方位、破裂压力预测方法。
图6-2为水力压裂施工泵压变化的典型示意曲线。
F点对应于地层破裂压力（使地层破裂所需要的井底流体压力），E点为瞬时停泵压力（即压裂施工结束或其它时间停泵时的压力），反映裂缝延伸压力（使裂缝延伸所需要的压力），C点对应于闭合压力（即裂缝刚好能够张开或恰好没有闭合时的压力），S点为地层压力。
压裂过程中的泵压是地应力场、压裂液在裂缝中流动摩阻和井筒压力的综合作用结果。
水力压裂课件
2 地层流体压缩性影响的滤失系数Cc
– 地层流体可压缩，其压缩系数为ＣＲ – ΔＰＣ＝ＰＣ－ＰＲ为常数； – 渗滤前缘的位置不随时间变化。
3 造壁性影响的滤失系数Cw
– 滤饼的沉积厚度ΔＬｗ与通过缝壁的滤失量 成比例关系，即α＝Ｖｗ／ΔＬｗ，α为累积
– 滤饼对压裂液的渗透率Ｋｗ与其厚度的大 小无关，亦即Ｋｗ
– 滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律。
方法：静态法 动态法
4 动态滤失与静态滤失的比较
4 综合滤失系数
P Pw PV PC
Pw PV PV Pc PC Ps
Pw Pv
Pc
Ps
通常，用P代替PW，PV，PC
综合滤失系数
(1)调和平均法
1 1 1 1 C C1 C2 C3
(2) 压力平衡法：
压裂液的组成
• 前置液 • 携砂液 • 顶替液 （完整的压裂泵注程序中还可以有清孔液、前
垫液、预前置液）
对压裂液的性能要求
(1) 与地层岩石和地下流体的配伍性； (2) 有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部； (3) 滤失少 ； (4) 低摩阻 ； (5) 低残渣、易返排 ； (6) 热稳定性和抗剪切稳定性 。
氧化破胶剂 适用于pH=3~14。普通氧化破胶剂适用温度54~93℃，延迟 活化氧化破胶剂适用温度83~116℃。常用氧化破胶剂是过 硫酸盐（过硫酸氨）、过氧化物（H202)
有机弱酸 很少用作水基压裂液的破胶剂 适用温度大于93。
油基压裂液中典型的破胶剂是碳酸铵盐、液
(3) 热应力
2 人工裂缝方位
裂缝方向总是垂直于最小主应力
• 显裂缝地层很难出现人工裂缝。 • 微裂缝地层 —垂直于最小主应力方向； —基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂
采油工程(水力压裂)
3、支撑剂对裂缝的导流能力的影响 、 支撑剂的强度、尺寸、 支撑剂的强度、尺寸、排列及浓度都会直接影响 到裂缝的宽度和渗透率， 到裂缝的宽度和渗透率，同时还要考虑到支撑 剂与地层特性的相互关系。 剂与地层特性的相互关系。 1）在不同的闭合压力及岩性条件下，支撑剂的强 ）在不同的闭合压力及岩性条件下， 度对裂缝的导流能力的影响 2）不同类型支撑剂及其在裂缝内的铺置浓度对裂 ） 缝的导流能力的影响 3）支撑剂颗粒大小、均匀程度对裂缝的导流能力 ）支撑剂颗粒大小、 的影响 4）支撑剂裂缝的导流能力的影响 ） 4、支撑剂在裂缝中运行 、
3）当比值Kf·Wf/Kh（水平裂缝）或 Kf·Wf/K（垂 ）当比值 （水平裂缝） （ 直裂缝）较小时， 直裂缝）较小时，增产水平裂缝的半径或垂直裂 缝的长度，增产效果不显著； 缝的长度，增产效果不显著；当水平裂缝的半径 或垂直裂缝的长度较小时，增大比值Kf·Wf/Kh 或垂直裂缝的长度较小时，增大比值 水平裂缝） ），即增大 （水平裂缝）或 Kf·Wf/K（垂直裂缝），即增大 （垂直裂缝）， 裂缝的导流能力，增产效果提高不显著。 裂缝的导流能力，增产效果提高不显著。 5）对垂直裂缝而言，增产倍数与产层厚度无关。水 ）对垂直裂缝而言，增产倍数与产层厚度无关。 平裂缝的增产倍数与产层厚度有关， 平裂缝的增产倍数与产层厚度有关，产层越薄增 产倍数越多。另一方面，厚油层形成水平裂缝时， 产倍数越多。另一方面，厚油层形成水平裂缝时， 如多压开几条缝，相当增大了裂缝的宽度， 如多压开几条缝，相当增大了裂缝的宽度，可以 获得更高的增产效果。 获得更高的增产效果。 压裂实践证明，孔隙性油气层， 压裂实践证明，孔隙性油气层，压裂增产倍数一般 几倍，若裂缝沟通了天然裂缝或高渗透区， 几倍，若裂缝沟通了天然裂缝或高渗透区，增产 倍数可以达到几十倍。 倍数可以达到几十倍。
水力压裂设计范文
水力压裂设计范文1.地质条件评价：首先需要对地质条件进行评估，包括页岩岩性、页岩厚度、岩性变化等因素，以便确定水力压裂的目标和方案。
2.选井：根据地质评估结果，选择最适合进行水力压裂的井位，通常优先选择丰富的页岩气井。
3.设计压裂参数：根据地质条件、井深、井径等因素，确定合理的压裂参数，包括注入压力、注入速率、注入液体积等。
4.设计压裂流体：根据所需的裂缝扩展能力和流体性能要求，选择合适的压裂液体组份，并确定各组份的配比。
5.压裂液体性能测试：对配置好的压裂液体进行性能测试，包括黏度、破裂强度、流变性能等。
6.湖北选址设计：根据地质条件、井迹布局等因素，在选定的井位上进行水力压裂选址设计，包括裂缝的产生和传播方向等。
7.持续监测：在压裂过程中，应持续监测压力、流量和液体性能等参数，及时调整压裂参数和液体配比。
8.压裂施工：根据设计方案进行压裂施工，包括井筒清洗、封堵、压泵操作等。
9.压裂效果评估：压裂后需要对产出效果进行评估，包括产量、油气压力、裂缝长度和宽度等。
10.优化改进：根据评估结果，对压裂参数和液体配比进行优化改进，以提高水力压裂效果。
1.岩石力学特性：岩石的强度、弹性和脆性等特性对水力压裂的效果有着重要影响。
了解岩石的这些特性有助于确定合适的压裂参数和液体配比。
2.压裂液体组份：压裂液体的组份和配比决定了液体的黏度、破裂强度和流变性能等。
合理配置压裂液体有助于扩大裂缝并提高油气的产出率。
3.注入压力和速率：注入压力和速率对裂缝的产生和传播起着重要作用。
过高的注入压力和速率可能导致过度破坏岩石，而过低的压力和速率则会影响裂缝的扩展能力。
4.井筒布局：井筒布局对水力压裂的效果也有一定影响。
合理的井迹设计能够最大限度地扩展裂缝，提高油气的产出。
5.持续监测和优化改进：持续监测压力、流量和液体性能等参数，并根据评估结果进行优化改进，以提高水力压裂效果。
总的来说，水力压裂设计是一项复杂的工作，需要综合考虑地质条件、岩石力学特性、压裂液体组份和压裂参数等因素。
水力压裂设计
3 y
x
2(Pi
Ps)
(Pi
Ps )
1 2 1
h t
3
y
x
(Pi
Ps )
h t
当破裂时，Pi=PF
PF
3 y
x
h t
Ps
(2) 形成水平缝
岩石破坏条件
v t
最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度
有液体渗滤
z
二、 GDK 模型
1 几何模型
H
Khristianovich、
Geertsma、Deklerk
L(t)
Daneshy
2 假设条件
(1)岩石为均质各向同性。
(2)岩石变形服从线弹性应力应变关系。 (3)流体在缝内作一维层流流动, 缝高方向
裂缝呈矩形。 (4)缝中X方向压降由摩阻产生, 不考虑动
能和势能影响。 (5)裂缝高度和施工排量恒定。
水力压裂设计 Hydraulic Fracturing
背景 垂直井单相油流 产量公式
对具体井，地层条件( ko, h)、流体性质 ( o, Bo)和井特性( re, rw )已经确定。提高产 量的措施:
注水保持地层压力; 人工举升降低井底流动压力; 对于低渗透储层：水力压裂
第一节 水力压裂概述
（2）岩心分析（实验室） —滞弹性应变恢复 （ASR） —微差应变分析 （DSCA）
（3） 测井解释 （4） 有限元计算
第三节 压裂液
压裂液及其性能要求 压裂液添加剂 压裂液的流动性 压裂液的滤失性 压裂液对储层的伤害 压裂液选择
水力压裂技术
第四章 水力压裂技术水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中， 在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层 产生裂缝。
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，关井后裂缝闭合在 支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到 增产增注的目的。
水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向裂缝近似性的单向流动和裂缝与井筒间的单向流 动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗。
因而油气井产量或注水井注入量就会大幅 度提高。
第一节 造缝机理在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，对有效地发挥压裂在增产、 增注中的作用都是很重要的。
在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确 定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以 提高开采速度，而且还可以提高最终采收率。
造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压 裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。
图4一l 是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲 线。
P F 是地层破裂压力，P E 是裂缝延伸压力，P S 是地层压力。
图4一l 压裂过程井底压力变化曲线a — 致密岩石;b —微缝高渗岩石 在致密地层内，当井底压力达到破裂压力P F 后，地层发生破裂(图4—1中的a 点)，然后在较低的延伸压力P E 下，裂缝向前延伸。
对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明 显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图4—1中的b 点)。
一、油井应力状况一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向 主应力σZ 和水平主应力σH (σH 又可分为两个相互垂直的主应力σx ，σY )。
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二、水力压裂造缝机理
1 井壁最终应力分布
y
y
x
Rw r
r x
(4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理)
＝地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力
1 2 (3 y x ) Pi ( Pi Ps ) 1
2 水力压裂造缝条件
(1) 形成垂直缝
岩石破坏条件
1 地应力场
地应力 存在于地壳内部的应力，是由于地 壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综 合作用引起介质内部单位面积上的作用力。 地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态.
z (z)
主应力: x ， y， z ; 应变: x， y， z
y (y)
x（x）
地应力构成：原地应力 + 扰动应力。
h t
y y Ps x x Ps P i
Ps
无液体渗滤
Ps
1 2 h 3 y x 2( Pi Ps ) ( Pi Ps ) t 1
3 y x ( Pi Ps )
1 2 z Pi ( Pi Ps ) 1 1 2 z ( Pi Ps ) tv 1
当破裂时，Pi=PF
PF
1 2 1 1
1.94
z
v t
Ps
无液体渗滤
z Ps z
有效总垂向应力为： z －Pi z
1
z
泊 松 比 0.21 0.25 0.25 0.35 0.30 0.30
岩石类型 杨氏模量， 泊 松 104MPa 比 4.4 0.15 硬砂岩 2.1 0.17 中硬砂岩 0.3 0.20 软砂岩 7.4 0.25 硬灰岩 0.27 中硬灰岩 0.8 0.30 软灰岩
杨氏模量， 104MPa 7.4 4.0~8.4 2.0~6.0 2.0~5.0 1.0~3.5 1.0~2.0
特点：与温度变化、岩石力学性质有关 产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水
2 人工裂缝方位
原理：裂缝面垂直于最小主应力方向 当z最小时，形成水平裂缝； 当Y或x>z，形成垂直裂缝。
z
y y
x
x
显裂缝地层很难出现人工裂缝。 微裂缝地层 —垂直于最小主应力方向； —基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝
－压为正，拉为负
h t
－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度
有液体渗滤
1 2 h 3 y x 2( Pi Ps ) ( Pi Ps ) t 1
当破裂时，Pi=PF
3 y x PF 1 2 2 1
当破裂时，Pi=PF
h t
PF 3 y x Ps
h t
(2)
形成水平缝
岩石破坏条件
v t
最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度
有液体渗滤
1 2 z ( Pi Ps ) z 1
有效总垂向应力为： z －Pi z
水力压裂设计 Hydraulic Fracturing
背景 垂直井单相油流 产量公式
对具体井，地层条件( ko, h)、流体性质 ( o, Bo)和井特性( re, rw )已经确定。提高产 量的措施:
注水保持地层压力; 人工举升降低井底流动压力; 对于低渗透储层：水力压裂
第一节
水力压裂概述
3 破裂压力梯度
定义
理论计算
(垂直裂缝形态)
P F H
pF 2v z 1 3v p s F H 1 v H 1 v H
(2) 构造应力
定义：地壳的构造运动引起的岩体之间的相 互作用力。是地应力的一个分量。
A B C
来源：各种构造运动，包括：
区域构造—巨大构造单元间的相互作用力；
局部构造—产生于局部地区岩体之间。如断 层、岩层弯曲等。
特点 构造应力属于水平的平面应力状态 挤压构造力引起挤压构造应力 张性构造力引起拉张构造应力
x xx xy xz
1 [ x ( y z )] E
y yy yz yx
1 [ y ( z x )] E
由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力
x y 0 x y
岩石类 型 砾岩 白云岩 花岗岩 泥岩 页岩 煤
构造运动的边界影响使其在传播过程
中逐渐衰减。
• 断层和裂缝发育区 — 正断层，水平应力x可能只 有垂向应力z的1/3。 — 逆断层或褶皱带的水平应力 可大到 z的3倍。
正断层
右旋走向滑动断层
逆断层
(3) 热应力 原因：地层温度变化引起的内应力增量。 计算方法
T ET x y 1
压裂材料：压裂 液和支撑剂 施工参数：排量 和压力
压裂设备：泵车
(组)、液罐、砂
水力压裂示意图
车、仪表车
力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。
生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果
注水井
问题： (1) 储层应力环境—地应力场
采油井
(2) 水力裂缝方位 (3) 破裂压裂计算与预测 基本思路：
第二节、地应力分析与破裂压力
1 2 z Pi ( Pi Ps ) 1 1 2 v z ( Pi Ps ) t 1
z z －Pi
z ( Pi Ps )
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
z
1
v t
Ps
0.94
原地应力：重力应力 构造应力
孔隙流体压力
热应力
(1) 重力应力（上覆压力）
z 10
6
H
0
r (h) gdh
其中：r(h) 为上覆岩层密度，由密度测 井曲线获得。 有效垂向应力为
z z ps
为Boit孔隙弹性常数。
研究对象：地层中任意单元体。
由广义虎克定律计算总应变