水力压裂力学-5
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
水力压裂力学第二版
水力压裂力学第二版
【原创实用版】
目录
1.水力压裂力学概述
2.水力压裂力学的基本原理
3.水力压裂力学的应用领域
4.水力压裂力学的优缺点分析
5.水力压裂力学的未来发展趋势
正文
水力压裂力学是一门研究水力压裂技术原理和应用的学科，主要通过使用水、气体或其他液体对岩石进行压裂，以提高油气井的开发效率和产量。
近年来，随着油气勘探开发技术的不断进步，水力压裂力学得到了越来越广泛的应用。
水力压裂力学的基本原理是利用水力压力对岩石进行压裂，从而形成微裂缝，使油气能够顺畅地从岩石孔隙中流出。
水力压裂过程中，一般会加入一定比例的支撑剂，如砂、陶粒等，以保持微裂缝的稳定性，防止其闭合。
水力压裂力学的应用领域主要包括油气井的开发、提高油气井产量、改善油气井的生产状况等。
水力压裂技术可以有效地解决油气井低产、低效的问题，提高油气井的开发效益。
水力压裂力学的优缺点分析如下：优点包括提高油气井的开发效率和产量、延长油气井的生产寿命、降低油气开发成本等。
缺点则包括可能引发地震、地下水污染、生态破坏等问题。
未来，水力压裂力学的发展趋势将主要体现在以下几个方面：一是技术创新，提高水力压裂效果和安全性；二是环保意识的加强，减少水力压
裂对环境的影响；三是跨学科研究，结合其他领域的先进技术，提高水力压裂效果和安全性。
总之，水力压裂力学是一门具有广泛应用前景和重要意义的学科，对于油气勘探开发具有重要意义。
水力压裂力学-5
– 预前置液、顶替液—一般完井作业液可代替 – 前置液、携砂液—特殊的完井液
按不同化学性状分类（分散介质）
– 水基--交联冻胶、线性胶 – 油基—稠化柴油（原油）、油冻胶 – 乳化—水包油、油包水乳化（水基-线性、交联） – 泡沫—氮气、二氧化碳、双元 – 清洁胶束－表面活性剂 – 醇基—甲醇 – 气体—纯液态二氧化碳
第三代泡沫压裂液：80年代末～90年代初，水+起泡剂+聚合物+交联剂，以
N2泡沫压裂液为主,粘度和稳定性进一步提高，造缝和携砂能力增强，适合于 高温深井大型水力压裂，砂液比达5lb／gal ；
第四代泡沫压裂技术：恒定内相技术，控制内相体积，降低施工摩阻,满足
大型泡沫压裂施工。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
泡沫压裂液流变学特性
泡沫压裂液为同时具有剪切变稀、粘弹性和触变性的非牛顿流体； 泡沫压裂液的流动曲线，可分别用幂率模型、Ellis模型、Cross模 型和Carreau模型，以及修正共转Jeffreys 模型进行表征，但仅就 描述粘度曲线而言，幂率模型更为简捷实用；
压裂场景图片
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中国石油勘探开发研究院廊坊分院
液罐车和混砂车
压裂场景图片
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
压裂泵车和施 工压力曲线
压裂场景图片
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支撑剂罐车
压裂液技术发展回顾
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1948年水力压裂开始用于油井增产，使用油基压裂液（原油、凝固汽油、
• 典型的破胶剂是无水乙酸钠、碳酸氢盐、氧化钙和/或氨水溶 液。
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水力压裂技术资料
一. 水力压裂造缝及增产机理
裂缝方向总是垂直于最小主应力
A 当 z 最小时，形成水平裂缝；
B 当 z
x y ，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 y 方向；
C 当z
y x ，形成垂直裂缝，裂缝面垂直于 x 方向；
A
B
C
一. 水力压裂造缝及增产机理
理想形态水平裂缝示意图
低分子压裂液（可重复使用）
含砂液流变性
缔合压裂液
压裂液伤害机理
VDA（清洁自转向酸）
应力敏感性
改变相渗特性的压裂液
超低密度支撑剂
清洁泡沫压裂液
绪 论
（一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套）
三、现场应用研究
目前的领先技术
裂缝诊断
开发压裂技术
支撑剂回流控制技术
加砂量较小，主要是解除近井地带污染。
第二代压裂(1970’-1980’)：中型压裂（Medium Fracturing）
加砂量增加，压裂规模增大，提高低渗透油层导流能力。
第三代压裂(1980’-1990’)：端部脱砂压裂（Tip Screen Out-TSO）
应用到中、高渗储层，主要是大幅度提高储层导流能力。
嵌
试
验
二. 水力压裂入井材料
2.1 压裂液
1、压裂液(Fracturing Fluid)的定义
——是压裂施工的工作液，其主要功能是传递能量，使油层张开裂缝，并
沿裂缝输送支撑剂，从而在油层中条形成一高导流能力通道，以利油、气
由地层远处流向井底，达到增产目的。
2、压裂液的功能
（1）前置液(Pad Fluid)：造缝、降温
（3）复杂岩性储层改造技术；
第6章 水力压裂技术(20130325)
（2）破裂压力计算方法
裂缝方位： 水力裂缝总是沿着垂直于最小主应力方向延伸。 （1）σz=min(σx ,σy ,σz) 水平缝 垂直缝
（2）σx(σy)=min(σx ,σy ,σz) 方向：取决于最小主应力方向
4.破裂压力梯度
破裂压力梯度用下式表示：
地层破裂压力 油层中部深度
浅层：水平缝
2）粒径及其分布 3）支撑剂类型与铺砂浓度 4）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等
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第四节
压裂设计的任务：
压裂设计
优选出经济可行的增产方案
压裂设计的原则：
最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用 使压裂后油气井和注入井达到最佳状态
压裂井的有效期和稳产期长
压裂设计的方法：
根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效 益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂 方案。
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。
(2)受地层流体压缩性控制CⅡ ：
当压裂液粘度接近油藏流体粘度时，控制压 裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性，这是因 为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压 裂液才得以滤失进去。
C
kCf 4.3 10 P r
3
1/ 2
s 式中： μr－地层流体粘度，mPa· ；
1 C
第五章水力压裂技术
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。
水力压裂
现场测试方法
利用长源距声波测井（LSDS）取得纵波速度和 利用长源距声波测井（LSDS） 横波速度，利用密度测井求得岩石密度， 横波速度，利用密度测井求得岩石密度，可获 得岩石力学参数的动态值。 得岩石力学参数的动态值。
E d = ρ bυ s2
2 3υ p − 4υ s2 2 υ p − υ s2
地如果破裂压力梯度小于0.0150.018 ①地如果破裂压力梯度小于0.0150.018 MPa／m 时， 多为水平裂缝； 多为水平裂缝； 如果破裂压力梯度大于0.023 ②如果破裂压力梯度大于0.023 MPa／ m 时，多为垂 直裂缝。 直裂缝。
二、地层破裂压力
采集方法 理论计算方法— 理论计算方法 Eaton法 法
IC
I
K I≥ K
IC
岩石断裂韧性的大小与施工泵压（ 岩石断裂韧性的大小与施工泵压（即破裂压力和裂缝延伸压力 的高低呈正比， ）的高低呈正比，与水力裂缝缝长的长短呈反比 。 在一定条件下， 在一定条件下，岩石断裂韧性的大小可使水力裂缝方位不再沿 水平最大主应力方位延伸而发生转向。 水平最大主应力方位延伸而发生转向。
水力压裂造缝及增产机理 压前评估（压裂选井选层） 压前评估（压裂选井选层） 压裂材料的优化选择 水力压裂设计 水力裂缝诊断 压后评估
水力压裂介绍
储层分布、物性特征、流体特征
储层深度、厚度及其展布
压力、温度
岩性特征：长石含量、石英含量、岩屑含量 等
胶结类型
含油面积、储量 .
30
（1）压裂施工过程模拟 裂缝几何尺寸是产量预测所必须的数据，通常 采用施工模拟来估算。利用计算机技术，对裂 缝延伸和支撑剂运移等动态过程进行模拟，可 较准确地预见施工过程及结果
.
26
压裂优化设计
.
27
压裂方案设计对于压裂措施的实施具有纲领性的意义 和指导性的作用，长期的生产实践表明，其对增产效果的 影响可概括为压裂方案设计的可行性、合理性和经济性。
可行性是指压裂设计确定的施工方案风险低、成功率 高，工艺技术可靠
济性是指压裂设计确定的施工规模有利于获得最大措 施效益
合理性是指压裂设计确定的人工裂缝与储层相匹配， 在相同的规模下有利于获得最佳的增产效果
.
32
（3）施工材料的选择 压裂液、添加剂和支撑剂的选择是压裂设计的一个重要环 节。它们的特性将直接影响压裂增产效果。对于压裂液应 考虑其粘度、液体滤失摩阻、返排、与储层岩石的配伍性 及费用和来源。对于支撑剂要考虑一定应力下支撑剂的渗 透率及与储层渗透率的比较，通过孔眼和裂缝时支撑剂的 可输运性，也要考虑费用及来源
七十年代，进入低渗透油田的勘探开发领域，由于压裂
技术的应用，大大增加了油气的可采储量，使本来没有
工业开采价值的低渗透油气藏，成为具有相当工业储量
和开发规模的大油气田
.
3
八十年代，水力压裂已不再仅仅被孤立地作为单井的增产、 增注措施来考虑，而是与油藏工程紧密结合起来，用于调 整层间矛盾（调整产液剖面）、改善驱油效率，成为提高 动用储量、原油采收率和油田开发效益的有力技术措施
第五章：水力压裂技术
B——原油体积系数，m3(地下)／m3(地面)。
o——地面原油的密度。
地面排量按 Q排 Q吸 来确定。
3）地面泵压的计算
目的是为了在满足裂缝需要的压力和排量的基础上，充分发挥设备的能 力，减少使用设备的台数。压裂时地面泵压可由下列公式估算：
P 泵 压 P 井 口 P 破 P 摩 阻 P 局 损 P 液 柱
式中 Pe ——厚壁筒外边界压力，Pa；（井眼内压在外边界产生的压力） re ——厚壁筒外边界半径，m； ra ——厚壁筒内半径，m； Pi ——内压，Pa r ——距井轴半径，cm。
当re =∞、Pe=0、r= ra 时，井壁上的周向应力为：
σθ=－Pi
即：由于井筒内压而导致的井壁周向应力与内压大小相等， 但符号相反。（利用无穷大定理推导）
裂缝的导流能力：裂缝宽度与填砂裂缝渗透率的乘积。
无因次裂缝导流能力表达式：
K f W
要想使低渗层和高渗层有同 样的高导流能力，从公式中变 换两个参数W 和 Xf。
C fD
K f W KXf
PKN模型
KGD二维裂缝延伸模型
KGD模型
五．水力压裂增产增注原理
1．压裂前流体从底层流向井底的流动形态
（1）流体流动过程复杂 （2）污染带和井底周围应力集中，近井地带渗透率低，井筒 附近渗流阻力大
（一）形成垂直裂缝的条件： 1．当存在液体渗滤时
如果岩石的破裂是纯张力破裂，当井壁上存在的周向应力达到井壁 岩石的水平方向的抗拉强度σth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。
此时有： = -σth，代入（5—8）式，并换为有效应力( x x ps,
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
压裂原理
§4.水力压裂在油田开发中，人们发现，在对油层进行高压注水时，油层的吸水量开始随注水压力的上升而按一定比例增加。
开始当压力值突破某一限度时，就会出现吸水量成几倍或几十倍的增加，远远超出了原来的比例，而且当突破某一限度后即使压力降低一些，其吸水量仍然很大。
实践中的这一偶然发现，给人们以认识油的新启示：既然油层通过高压作用能提高注入量，那么通过高压作用能否提高油层的产量呢？经过多次证明：油层通过高压作用后，不但可以提高产量，而且能较大幅度的提高产量。
最早进行压裂工作的是1947年在美国的湖果顿气田克列帕1号井进行的，苏联是1954年开始的，而我国是1952年在延长油矿开始的。
40年代末水力压裂常作为一口井的增产措施来对待，但发展至今在油气田开发中的意义，已远远超过了一口井的增产增注作用。
在一定条件下能起到改善采油或注水剖面，提高注水效果，加快油田开发速度和经济效果的作用。
近些年来，国外在开发极低渗透率（以微达西计）的气田中，水力压裂起到了关键性的作用。
本来没有开采价值的气田，经大型压裂后成为有相当储量及开发规模很大的气田。
从这个意义上讲，水力压裂在油气资源的勘探上起者巨大的作用。
由于上述原因，水力压裂无论在理论上、设备上、工艺上，在短短的几十年来发展的很快。
现今的压裂设备能力，一次施工可用液量3000~4000米3，加砂300米3，可压开6000米的井深，裂缝长达1000米。
从实践中，我们认识到压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要措施。
其优点是：施工简单、成本较低、增产（注）显著。
适用于岩性微密、低渗透地层。
§4.1压裂的增产原理一.压裂的过程压裂是靠水（液体）传导压力的，故也叫水力压裂。
其过程是：在地面采用高压大排量的泵，利用液体传压的原理，将具有一定粘度的液体以大于油层吸收能力的排量向井内注入，使井筒内的压力逐渐提高。
当压力增高到大于油层破裂所需要的压力时，油层就会形成一条或几条水平或垂直裂缝。
水力压裂介绍ppt课件
水力压裂原理 水力压裂工艺 压裂优化设计
1
水力压裂原理
2
压裂技术的发展历程
1947年在美国进行了首次水力压裂增产作业，由于增产 效果十分显著，因此对压裂艺技术的研究和应用受到普 遍重视
五、六十年代，压裂主要作为单井的增产、增注措 施后，对油田开采动态和开发效果的影响
水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术 措施。当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，在井底附近憋起超过井壁附近地 应力及岩石抗张强度的压力后，即在地层中形成裂缝。 随着带有支撑剂的液体注入裂缝中，裂缝逐渐向前延伸。 这样在地层中形成了足够长度一定宽度及高度的填砂裂 缝。由于它具有很高的渗滤能力，使油气能够通畅流入 井中，起到增产增注的作用
6
水力压裂原理
7
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9
水力压裂造缝机理 形成水力裂缝的条件：
地应力的大小及其分布 岩石力学性质 压裂液性能 注入方式
10
三向主应力： σ X、σ Y、σ Z
裂缝垂直于最小主应力
水力裂缝形态：
σ Z>σ H σ H >σ Z
垂直裂缝 水平裂缝
11
水力压裂增产机理
1、改变流型 在压裂前，地层中的流体是径向地流向井底，压裂后由 于地层中形成了一条高导流能力的填砂裂缝，从井底延 伸至地层深处，所以流体就先单向地进入裂缝中，然后 单向地流入井底。从原来的径向流改变为单向流，就节 省了大量的能量
20
计算炮眼摩阻碍的公式为：
Ppf=
3.57Q2ρ n2d4
×106
式中：Ppf：炮眼摩阻，10-1MPa; Q: 注入排量，m3/min； ρ ：压裂液密度，kg/m3 n：射孔炮眼数量； d：炮眼平均直径，mm
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
(3) 热应力 • 产生原因 • 特点 • 计算方法
T TET x y 1
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，把微裂缝串成显裂缝。
二、 水力压裂造缝机理
1 井壁最终应力分布
• 各类压裂液的流变曲线 • 幂律液的视粘度
• 摩阻计算
1 压裂液的流变曲线
牛顿型液体 非牛顿型液体 – 假塑性液体 – 宾汉型液体 – 屈服—假塑性液体 – 胀流型液体 – 触变性液体 – 流凝性液体 – 粘弹性液体
(1) 牛顿型液体 流变模型或称本构方程 (2) 非牛顿型液体 定义:
(2) 交联剂
两性金属（非金属）含氧酸盐 —硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等 弱酸强碱盐 无机盐类两性金属盐 —如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆 等强酸弱碱盐 无机酸脂 —如钛酸脂、锆酸脂 醛类 —甲醛、乙醛、乙二醛等
(3) 破胶剂 生物酶体系 适用温度21—54℃,pH值范围pH=3—8,最佳pH=5 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。 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 碳酸铵盐、氧化钙和/或氨水溶液
n
宾汉型液体
在一定的剪切应力作用下才能流动， 最后接近牛顿液体，剪切应力与剪切速率成 线性关系。 • 本构方程
Y
• 典型压裂液:泡沫压裂液
粘弹性液体
• 流体特征：
当除掉剪切力时，这种流体会恢复或
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中国石油勘探开发研究院廊坊分院
油基压裂液系统 • 1稠化剂和交联剂 • 现今最普遍采用的油基压裂液是铝磷酸脂与碱的反应产物。 • 典型的稠化剂为有机脂肪醇与无机非金属氧化物五氧化二磷生 成的磷酸酯 • 用铝酸钠进行交联，可形成磷酸酯铝盐的网状结构，而成为高 粘度油冻胶，并提高了温度稳定性。
• 2破胶剂
流变特性符合幂律模型，即τ= K′· γ K′为1.50～2.50Pas n′；
n′
，其中，n′为0.4～0.6，
目前，胶束流体最高耐温能力可达100℃ 80℃配方粘度：70～100mPa.s（60min，170s-1） 具有粘弹特性，以弹性为主（G′＞ G″），储能模量G′为32.5Pa， 损耗模量G″为2.8Pa； 支撑剂沉降: 成都陶粒20目, 0.5～1.5×10-3 m/min
泡沫压裂液
CO2泡沫压裂液适用性
应用范围广：油气井，高温、低温油气藏，深井； 特别应用于低压、水敏性油气藏。
CO2泡沫压裂液的特点
密度高：接近水的密度，适合深井施工；浮力大，携砂能力强； CO2泡 水溶性较好，压后缓慢释放，提供了良好的溶解气驱，利于返排； 沫压 水溶液pH值低(3～5)，降低了压裂液对基质的伤害； 裂液 水溶液具有低的表面张力，有利于压裂液返排。 的特 不足 酸性影响流变性能，提高稳定剂和起泡剂的用量； 点 与高沥青质、高含蜡原油混合，形成酸渣和蜡析出。
采用 5 参数粘弹触变性本构方程可描述典型的泡沫压裂液流体的触 变环，模型计算值与实验值吻合良好；
用广义 Maxwell 粘弹性本构方程可描述泡沫压裂液流体的粘弹性， 证明泡沫压裂液流体具有松弛时间谱。
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清洁压裂液体系
清洁压裂液无残渣，对裂缝渗透率 保持高，主要缺点是成本高，国外 现场施工超过20000井次，仅2002年 就超过6000井次
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压裂液基本原理和评价技术
压裂酸化施工流程示意图
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工艺设计
顶替液 前置液
压裂（酸 化）流体
流 体
支撑剂
携砂液
支撑剂
岩 石
支撑裂缝
动态裂缝
压裂场景图片
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压裂场景图片
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立式和卧式配 液罐
添 加 剂 种 类 作 用 稠化剂 增粘溶剂，并提供可交联基团 交联（螯合剂） 提供交联离子，交联稠化剂 杀菌剂 （细菌抑制剂） 杀灭压裂液基液中的细菌 消泡剂 抑制压裂液配制过程中的泡沫形成 降滤失剂 降低压裂液滤失量 分散剂 改善烃降滤失剂的分散稳定性 PH 调节剂 调节溶液 pH 值 缓冲体系 缓冲调节 pH 值变化 温度稳定剂 提高压裂液耐温能力 降阻剂 降低摩察阻力 起泡剂 泡沫压裂液形成泡沫 乳化剂 乳化压裂液的油水乳化 破胶剂 破胶降解，降低分子量 粘土稳定剂 稳定粘土矿物，防止分散运移堵塞 助排剂 降低表面 / 界面张力 破乳剂 减少压裂液在地层的油水乳化 阻垢剂 防止压裂液在地层的垢形成 滤饼溶解剂 溶解在压裂过程中形成的滤饼 低温破胶活化剂 活化低温破胶活性物质 胶束剂 胶束压裂液中形成胶束
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三、乳化压裂液 • 乳化压裂液粘度随着水相中聚合物浓度及油相体积 比例增加而增大。 • 由于乳化压裂液含水量少、稠化剂用量低，同时在 地层中乳化剂被地层吸附而自动破乳，具有低损害、 易返排的特点。 • 乳化压裂液不足之处在于较高摩阻、高成本(除非原 油能回收)，同时热稳定性较差，上限温度120℃。
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泡沫压裂液流变学特性
泡沫压裂液为同时具有剪切变稀、粘弹性和触变性的非牛顿流体； 泡沫压裂液的流动曲线，可分别用幂率模型、Ellis模型、Cross模 型和Carreau模型，以及修正共转 Jeffreys 模型进行表征，但仅就 描述粘度曲线而言，幂率模型更为简捷实用；
使用状况 压裂液类型 优 点 缺 点 适用范围 国外 水基压裂液 廉价、安全、可操 作性强、性能好 降低相对渗透 率，伤害较高 除强水敏性储 层外均可使用 强水敏、低压 储层 低压、水敏储 层 水敏、低压储 层、低中温井 高渗透油气储 层 60～65
% 国内 ≥90
油基压裂液
配伍性好、密度低， 成本高，安全性 易返排伤害小 差，耐温较低 密度低、易返排， 伤害小、携砂性好 残渣少、滤失低、 伤害较小 施工压力高，需 特殊设备 摩阻较高，油水 比例较难控制
• 典型的破胶剂是无水乙酸钠、碳酸氢盐、氧化钙和/或氨水溶 液。
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三、乳化压裂液
• 两相：水和油（加表面活性剂） ，分散相为内相。
• 水相由线性胶或交联冻胶压裂液即聚合物稠化剂和 含有表面活性剂的淡水或盐水配制而成 • 油相可以是原油或柴油。 • 油外相乳化液的粘性与基油十分相似，所以油外相 乳化液产生与油的高粘度相联系的高摩擦阻力。 • 水的粘度低，且水相中加入聚合物可以降低摩阻， 因此水外相乳化液具有较低的摩擦阻力。
≤5
≤3
泡沫压裂液
25～30
≤3
பைடு நூலகம்
乳化压裂液
≤5
≤2
清洁压裂液
无聚合物、无残渣、 粘度低、滤失较 低伤害 大、成本高
≤2
试验
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• 一、水基压裂液体系 • 水基压裂液以水为分散介质，添加各种处理剂，形 成具有压裂工艺所需的较强综合性能的工作液。 • 它分为线性胶压裂液与交联冻胶压裂液。 • 一般含有水溶性聚合物及其它添加剂具有可流动状 态的水溶液被称为线性胶压裂液（有时也称稠化 水）。 • 在线性胶中加入交联剂及其它添加剂形成具有粘弹 性的交联冻胶被称为交联冻胶压裂液。 • 清水中含有少量减阻剂用作压裂液称为清水压裂液。
油基压裂液添加剂
目前国内外常用的磷酸酯铝盐油冻胶压裂液主要由稠化剂、交联剂和破 胶剂组成。
泡沫压裂液添加剂
气体（空气、氮气和二氧化碳 ）、液体、起泡剂、稳泡剂 清洁胶束压裂液添加剂
清洁胶束压裂液主要由稠化剂、盐和破胶剂组成。
压裂液添加剂分类及作用
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无聚合物压裂液 无残渣滞留堵塞裂缝。20/40目支撑剂、 38度和1000 psi
常规聚合物压裂液滞留残渣将破坏裂缝和 堵塞支撑剂。此测试结果是用30-lbm 硼酸盐作交联剂， 用酶作破胶剂在20/40目支撑剂、38度和1000 psi 。瓜 胶用甲基蓝染色
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清洁压裂液体系
理论基础--化学成因
粘弹性表活剂viscoelastic surfactant molecules 形成虫形的胶束form long, wormlike micelles 胶束缠绕Entanglement of the micelles 形成网状结构a network structure 破胶机理：有机物或亲油性物质
皂化凝胶油体系）；
50年代末期，发现了瓜尔胶可作为水基压裂液的稠化剂，产生了现代压裂 液化学；
60年代开展了瓜尔胶改性研究及其交联水基压裂液体系（B、Al）；
70年代提高水基压裂液体系（无机钛和锆）、泡沫液； 80年代有机钛、锆交联水基压裂液体系及其泡沫压裂液体系（N2和CO2）， 微观结构、流变学特性、伤害与保护； 90年代有机硼交联水基压裂液新体系，胶囊破胶剂技术 2000年以后低稠化剂浓度水基压裂液和清洁压裂技术。
乳化剂、起泡剂、消泡剂、减阻剂
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对压裂液的基本要求
与储层配伍 易于注入摩阻低
低滤失
耐温、耐剪切 破胶迅速彻底、易清除
对地层、支撑剂带低伤害
易于控制、安全 经济实用
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压裂液的类型与基本性质
按不同工艺作用分类
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压裂液描述
预前置液、前置液、携砂液、顶替液
稠化剂(可以是水或其它分散介质粘度增加的聚合物) 交联剂(能够使线性聚合物通过分子间化学键形成体形聚合物的化学剂) 破胶剂、降滤失剂、温度稳定剂、pH调节剂、杀菌剂 粘土稳定剂、破乳剂、助排剂、滤饼溶解剂
压裂场景图片
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液罐车和混砂车
压裂场景图片
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压裂泵车和施 工压力曲线
压裂场景图片
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支撑剂罐车
压裂液技术发展回顾
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1948年水力压裂开始用于油井增产，使用油基压裂液（原油、凝固汽油、
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二、油基压裂液系统 • 油基压裂液是以油为溶剂或分散介质，加入各种添 加剂满足压裂工艺性能要求而形成的压裂液。 • 在强水敏性储层，使用油基压裂液有利于避免由水 基液而引起的地层损害。
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• 使用油基压裂液的首要缺点是易燃性，施工安全性差； • 大多数情况下，泵送摩阻明显高于水基压裂液体系； • 与水相比，静水压头小，相同条件下要求压裂的泵压也较高； • 由于以油为介质，添加剂用量大，成本高； • 现场配制及质量控制也较水基压裂液系统难。 • 一般油基压裂液于现场应用较少。
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清洁压裂液体系
清洁压裂液与聚合物压裂液对比
水基压裂液与清洁压裂液造缝特性对比
聚合物压裂
清洁压裂液压裂 页岩
砂 体
页岩
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清洁压裂液体系
清洁压裂液流变特性
流体具有剪切变稀特性，即随着剪切速率的增加，流体粘度降低，同 时随着剪切速率的降低，粘度增加；