水力压裂原理

3、求取
• 实验室岩心试验
使用压裂目的层和裂缝在垂向上可以穿透或起遮挡作用岩 层的岩心，在就地条件下（就地围岩压力、孔隙压力、地 层温度与含水饱和度），进行单轴或三轴试验，测定岩石 的静态或动态的泊松比和弹性模量。
单轴和三轴试验
静态和动态试验
一般，用动态试验测取的泊松比与弹性模量值大于静态值。 岩石中天然裂隙或天然裂缝愈多，两者的差异愈大。
⑵岩石的弹性模量
岩石受拉应力或压应力时，当 负荷增加到一定程度后，应力 与应变曲线变成线性关系，比 例常数即为弹性模量。计算单 位以MPa表示。
2 1
E
2、作用 • 泊松比是使用测井方法确定地层水平主应力值及其垂向 分布的重要参数 • 弹性模量在应用线弹性压力—应变理论推导的压裂模型 中关系到裂缝的几何尺寸 • 缝宽与弹性模量成反比 • 控制缝高
2、作用
1）反映油气藏驱动能量的大小。
2）目前地层压力或静止压力是压裂选井选层的主要依据。
3）选择压裂液类型的依据之一。
3）检验压前生产状况，预测压后产量与评价压裂效果。
4）诸多参数是地层压力的函数，包括，有效渗透率、原 油黏度、杨氏模量、地层破裂压力
闭合压力:随油气井的投产开采，地层压力产生变化， 将使裂缝闭合压力，储层与上、下遮挡层的地应力差，有 效渗透与孔隙度，杨氏模量，泊松比与岩石抗张强度，地 下原油粘度，体积系统与压缩系统等储层特征参数随之变 化。
⑵地层流体粘度
• 又称为粘滞系数。是指在地层条件下油气内部摩擦引起 的阻力。计算单位以mPa·s表示。
• 地层原油粘度除受其他层温度和地层压力影响外，还受 到构成油的组分和天然气在原油中溶解度的影响。
⑶地层流体压缩系数
• 原油压缩系数定义为，在地层条件下每变化1MPa压力， 单位体积原油的体积变化率。它是油藏弹性能量的一个量 度。计量单位以MPa-1表示。
⑶静止压力
静止压力也称为油气层压力。它是指油气井在关井后，待 压力恢复到稳定状态时所测得的油气层中部压力，简称为 静压。
⑷储层流体压力
储层岩石与该岩石内的流体所受的压力是不同的，油气藏 不但与周围广大的水体相连通，而且还有补给源。因此， 油气藏内的流体压力（简称为油层压力或孔隙压力）常等 于或相当于其埋深的静水柱压力。
垂向主应力σz可表示为：
z z Ps
扣除了地层孔隙压力的作用后，直接作用在岩层骨架（基 质）颗粒上的应力，也称为垂直骨架应力。由于压实作用 随深度而不同，因此，有效上覆岩层压力（有效垂向主应 力）梯度是深度的函数，且随不同的构造而不同。
⑵水平主应力
• 未受地质构造运动扰动过：泊松比ν愈大，水平主应力 愈接近垂向主应力
3、求取
• 以岩心资料分析为基础，单层试油资料为依据，利用测 井解释资料加以确定。并应根据试采和开发资料进行检验 和修正
• 使用油气田有效厚度等值图估算压裂井层的有效厚度
含油饱和度
1、定义 • 在原始状态下，储层中原由体积占有效孔隙体积的百分 数
S o 1 Sw 2、作用 • 检验压前生产状况，预测压后产量，评价压裂效果 3、求取 • 岩心测试 • 测井方法
• 测井曲线孔隙度-渗透率图版
• 油气田等渗透率图
• 当压裂层段由多层组成时，应将各层有效渗透率用有效 厚度加权平均法来计算该层段的平均有效渗透率
K K1h1 Knhn h
有效孔隙度
1、定义 • 岩石中连同孔隙体积占岩石总体积的百分数，计量单位： 小数、百分数 2、作用 • 检验压前生产动态，预测压后效果，评价呀列效果 • 在纵向、平面上的分布是选井选层的主要依据 3、求取 • 室内压汞实验 • 测井资料 • 邻井同层资料
裂缝垂直于最小主应力
水力裂缝形态：
σZ>σH σH >σZ
垂直裂缝 水平裂缝
水力压裂增产机理
压裂优化设计
压裂优化设计与压裂液筛选研究的简单流程
压裂优化设计：
✓ 确定可靠的设计参数 ✓ 通过油藏模型与经济模型进行压后产量预测及 经济评价，优化裂缝几何尺寸和导流能力 ✓ 使用水力压裂模型进行设计计算，确定施工参 数，最终获得一个优化的压裂设计方案
• 根据岩性、粘度和胶结情况选取弹性模量和泊松比
地应力及其垂向分布
1、定义
地下埋藏的岩层，由于受上覆岩层的重力作用和构造运动 的影响，岩层处于压应力状态。作用在地下某岩石单元体
上的垂向主应力σz和水平主应力σx，σy称之为就地应力。 它们既相互垂直，又不相等，即有σz≠σx≠σy，地应力的
单位以MPa表示。
讨论内容
一、原理与基本概念
造缝机理、增产机理、优化设计原理、基本概念
二、压裂材料
1、定义、功能、发展历史 2、压裂液化学 3、压裂液试验化学 4、压裂液优化设计 5、支撑剂种类及性能特点 6、支撑剂性能评价方法 7、裂缝导流能力优化 8、实例
三、质量控制
1、目的和意义 2、主要内容及规范 3、实例
水力压裂原理 与基本概念
(KW ) f
k xi
3
3、求取
• 压力恢复：代表地层的平均有效渗透率值
K BU
2.12 10 3 qB
mh
• 生产测试分析：反映地层有效渗透率与井壁效应的综合作用
K PI
228 .4qB ln(re
h( pws pwf
/ rw ) )
• 就地条件下岩心测试
• 生产动态历史拟合：包含井壁效应
• 常规岩心分析：比承受应力条件下测得的值要高1～2个 数量级
有效厚度
1、定义 • 在目前经济技术条件下具有产出工业性油气的储层厚度。 即，在储层中扣除不符合标准的隔层（如泥质夹层或致密 夹层）剩下的厚度，单位以m表示。 2、作用 • 检验压前生产状况，预测压后产量，评价压裂效果 • 压裂选井选层的主要依据 • 设计最优化的关键参数之一，在相同条件下，最佳裂缝 长度随时有效厚度的增加而变短 • Kehe、Ke/he、Kehe/μ
3、求取 1）压力恢复，测试确定油气层的静压。 2）根据本井的静压梯度推算压裂目的层的静压。 3）使用油气田的等压图推算压裂井、层的静压。 4）借用邻井、井组、区块或油气藏的目前地层压力值
地层流体密度、粘度与压缩系数
1、定义 ⑴地层流体密度 • 单位原油（气）体积的质量。单位以g/cm3，kg/cm3 或t/m3（气以kg/m3）表示。 • 地面脱气原油的密度是指在常压（0.101MPa）和20℃ 条件下测量的密度。它与在常压和4℃条件下纯水密度的 比值称之为地面脱气原油的相对密度。 • 气体的相对密度是指在标准温度（293K）和标准压力 （0.101MPa）条件下气体密度与干燥空气密度的比值。
地层温度
1、定义 • 在静态无干扰条件下所具有的温度。在单位以℃表示。 • 地层温度随埋藏深度的增加而增加，同时，还受岩石性 质（主要是岩石导热率）和局部地区的地质条件的影响， 是各种因素综合作用的结果，在各地区不是一个常数。 2、作用 • 选择压裂液的主要依据 • 控制压裂液在缝中粘度、流态指数与稠度系数等设计参 数的重要因素 • 确定不同缝长处的温度，决定不同缝长上添加剂的浓度
• 测井技术： 换算动态或静态值
E
1.60 107
(1
2 )(1 )[b (1 )v2p
(1
)
f
]
E 0.0138G(1 )
F 1
2G
G
109 b
vs2
• 推算弹性模量
• 由现场实测的地层破裂压力，裂缝闭合压力，就地水平 主应力等值，反算岩石的泊松比和弹性模量
• 近似计算动态或静态的泊松比与弹性模量
x
y
v 1
vz
• 受地质构造运动的影响，但构造力在水平各个方向上均 相等
x
y
Байду номын сангаас
1
z
• 构造应力在两个水平方向上不等
x
v 1
v
z
y
v 1
v
z
2、作用
• 垂向与水平主应力的相对大小，决定了水力裂缝的形态 和方位
• 就地条件下，进行储层物性、岩石力学参数以及裂缝方 位等岩心（或定向岩心）试验中，地应力值是必不可少的 试验依据
3、求取 • 长时间关井，在无干扰的静态条件下测量地层温度 • 借助井下温度计在无干扰的静态条件下，测量不同深度 温度值，获得地温梯度，再求出压裂目的层的地层温度 • 使用测井的井温曲线推算地层温度 • 根据经验估算
地层压力
1、定义 地层压力是一统称。分为原始地层压力，目前地层压力和 静止压力。计量单位为MPa。 ⑴原始地层压力 原始地层压力是指油气层在未开采前从探井中测得的油气 层中部的压力。原始地层压力一般随埋藏深度的增加而增 加。 ⑵目前地层压力 油气藏投入开发后，在某一时期内测得的油气层中部压力 称之为该时期的目前地层压力。
2、作用 • 与有效渗透率、有效厚度结合，反映储层的流动能力 • 压裂液滤失系数与之相关，因此，其影响到裂缝的几何 尺寸 • 预测压后产量、经济评价中的重要参数。 3、求取 • 高压物性取样，在模拟地层条件下进行PVT试验分析 • 相关经验公式计算
泊松比与弹性模量
1、定义
⑴岩石的泊松比
当岩石受抗压应力时，在弹性 范围内，岩石的侧向应变与轴 向应变的比值。
压裂液筛选研究：
✓ 了解储层岩石及流体性质、地层温度、施工规 模等参数 ✓ 筛选主剂及各种添加剂，优化配方 ✓ 进行压裂液配伍性、流变性、伤害性评价实验
必须确定可靠、全面的参数
不可控制参数 可控制参数
裂缝参数优化 施工参数优化 压裂液筛选 现场分析 压后评估
油 地 完 岩原 岩 储 压 措经 藏 层 井 石生 矿 层 裂 施济 基 基 基 力裂 分 流 施 效评 础 础 础 学缝 析 体 工 果价 数 数 数 参描 数 性 数 数参 据 据 据 数述 据 质 据 据数