采油工程 第6章水力压裂
第6章++水力压裂力学
单元体模型将裂缝视为一系列相连的单元对待， 不需要对裂缝形态进行假设，但一般假设为平面 应变，流体垂向流动计算与裂缝几何形状之间没 有做完全耦合。
压裂设计是通过由Carter的方法得到与时间有 关的缝长与由Kern模型确定的缝宽之间反复迭代， 直到得到相容解
Nordgren（1972）
连续性方程（即质量守恒）：
qx qL
A0 t
（6.18）
q —— 流体通过某一横截面的体积流速 A—— 裂缝的横截面积（对于PKN模型为πwhf/4） qL——单位长度上滤失体积流速 qL 2hfuL
为了包括瞬时滤失Sp的影响，应该以 ww+(8/π)Sp代替ww 。
6.2.2.4 PKN 和 KGD 模型的假设
平面裂缝（裂缝沿最小主应力垂直方向扩展） 流动沿缝长一维流动 流体为牛顿流体 滤失特性由滤失理论（6.13）得到的简单表达式所控制 地层岩石为连续、均匀、各向同性的线弹性体 裂缝被认为缝高不变，完全在某一给定的地层中扩展
R3 23F3E2 312 2qit
（6.7）
整理得到R：
15
R12981Eqi22t22qit
（6.8）
6.2.2 水力压裂二维模拟
PKN模型
假设每一垂向截面独立作用，即假设截面的压力是由
高度控制的而非由缝长控制的。
在缝长远大于缝高的条件下成立 没有考虑断裂力学和缝端的影响，而主要考虑了缝内
006—水力压裂
造缝(Fracture Initiation)机理 应力状况、裂缝形成条件 压裂液(Frac fluid) 类型、滤失性、流变性 支撑剂(Proppant) 性能要求、类型、在裂缝的分 布特性、选择 压裂设计 裂缝参数计算、压裂效果评价
高导流能力的填砂裂缝
降低流体渗流阻力 高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小 降低流体渗流阻力，高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小
第一节 造缝机理
地层应力关系
第一节 造缝机理
原始地层应力：垂向应力σz、最大水平主应力σx (σhmax ) 最小水平主应力σy (σhmin ) 原始地层应力经过简单计算便可得到，作为其它应力计算的基础 数据 对于确定的深度h，钻井后柱坐标下各应力与原始地层主应力的关 系为 为
地层钻孔后，造成地 层应力集中，改变了 地层应力分布状况， 地层应力不能再简单 地用三个主应力表示
第一节 造缝机理
第一节 造缝机理
裂缝是如何被压开的?！
一般情况：
当井筒内压力较低时，井壁周围的切向应力表
现为压应力
井筒流体压力会影响井眼附近岩石的切向应力 随着井筒流体增加（同时井眼附近地层的孔隙
(1)σx≠ σy导致σθ与θ有关 (2) r rw： min 0,180 3 y x
Zt z Pwf Pr 1
1 2 1
4
2013/12/9
水平裂缝形成条件
水平裂缝形成条件
Pwf Pr
第一节 造缝机理
井筒压力是唯一人为可控的因素，知道了破裂
(3) 随着 r 增加，切向应力 σθ 减小，井壁应力集中 地层破裂压力大于裂缝延伸压力的原因之一
延大采油工程习题集及答案06水力压裂技术
第六章水力压裂技术一、名词解释1、水力压裂：常简称为压裂，指利用水力作用使油层形成裂缝的方法，是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。
2、地应力：指赋存于地壳岩石中的内应力。
3、地应力场：地应力在空间的分布。
4、破裂压力梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。
αF=5、闭合压力（应力）：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。
6、分层压裂：分压或单独压开预定的层位，多用于射孔完成的井。
7 、裂缝的方位：裂缝的延伸（扩展）方向。
8、压裂液：压裂过程中，向井内注入的全部液体。
9、水基压裂液：以水为基础介质，与各种添加剂配制而成的压裂工作液。
10、交联剂：能将溶于水中的高分子链上的活性基团以化学链连接成三维网状型的结构，使聚合物水溶液形成水基交联冻胶压裂液。
11、闭合压力：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。
二、叙述题1、简述岩石的破坏及破坏准则。
答案要点：脆性与塑性岩石：在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石叫脆性岩石，总应变大于5%的岩石叫塑性岩石，总应变介于3～5%的岩石叫半脆性岩石。
岩石的破坏类型：拉伸破坏；剪切破坏；塑性流动。
其中拉伸破坏与剪切破坏主要发生在脆性岩石。
塑性流动主要发生在塑性岩石。
2、简述压裂液的作用。
答案要点：按泵注顺序和作用，压裂液可分前置液、携砂液和顶替液。
其中，携砂液是压裂液的主体液。
○1前置液的作用：造缝、降温；○2携砂液的作用：携带支撑剂、延伸造缝、冷却地层；○3顶替液的作用：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；注完携砂液后要用顶替液将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。
3、简述压裂液的性能及要求。
答案要点：滤失少；悬砂能力强；摩阻低；稳定性；配伍性；低残渣；易返排；货源广、便于配制、价钱便宜。
4、压裂液有哪几种类型？答案要点：水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳化压裂液、醇基压裂液、胶束压裂液。
第六章 水力压裂 西南石油采油工程课件
h t
－压为正，拉为负
－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度（最
大张应力原则）
有液体渗滤
y y Ps
x x Ps Pi
3 y
x
2(Pi
Ps ) (Pi
Ps
)
1 2 1
h t
当破裂时，Pi=PF
PF
3
y
x
h t
2 1 2
Ps
1
无液体渗滤
Ps
3 y
根据预测
2010年中国石油消费总量：3.5亿吨 石油产量：1.8亿吨
对外依存度：50%
2020年中国石油消费总量：4.5亿吨 石油产量：1.8亿吨
对外依存度：60%
如果2030年至2040年经济持续增长，需要进口5 亿吨以上，对外依存度将达到80%以上。
我国未来15年的经济增长将维持在7%以上， 原油需求将至少以4%左右的速度增加，但原油产 量增长速度难以超过9%，原油供需缺口逐年加大， 我国原油的生命线将越来越脆弱。
1 井壁最终应力分布
y
y
r
x
rw r
x
（1）井筒处应力分布
r
x
y
2
1
rw2 r2
x
y
2
1
4rw2 r2
3rw4 r4
cos 2
x
y
2
1
rw2 r2
x
y
2
1
3rw4 r4
cos 2
r
x
y
2
1 2rw2 r23rw4 r4sin
2
x、y—x方向和y方向上应力，Pa；
增产措施 Reservoir stimulation
第6章水力压裂
地层三维应力问题转化为二维方法处理
(2) 当 r ，a 时 x， y
r (时1 ，)(周m3i当n向) 随应r2着，力，0ax,1迅80。的2速3x增降y说y加低2y，。Hx H
明 圆max孔 壁 上90各,270。点 的3 周x y
说向明应最力小相周等向，应且力与发值生在
无限大平板中钻一圆孔的应力分布
圆孔周向应力（弹性力学）：
无方关向。上，而最大周向应 力却y 在 的方向上。
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4
cos2
x
11
一、油井应力状况
2.井眼内压所引起的井壁应力
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很快升 高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹性力学中 的拉梅公式(拉应力取负号)：
6
第一节 造缝机理
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。
破裂压力 延伸压力
地层压力
压裂过程井底压力变化曲线
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
7
一、油井应力状况
(一)地应力
垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
Pi
Ps
1 2 1
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
Pi
Pi
Ps
1 2 1
13
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 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：
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。
第六章 水力压裂技术
第六章水力压裂技术水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。
它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，使井达到增产增注目的工艺措施。
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流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与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。
如果水力裂缝能连通油气层深处的产层(如透镜体)和天然裂缝，则增产的效果会更明显。
另外，水力压裂对井底附近受损害的油气层有解除堵塞作用。
6.1 造缝机理在水力压裂中，了解造缝的形成条件、裂缝的形态(垂直或水平)、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，相反，则可能会出现生产井过早水窜，降低最终采收率。
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6-1是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲线。
P是地层破裂压力，E P是裂缝延伸压力，S P是地层压力。
F238239图6-1 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F P 后，地层发生破裂(图6-1中的a)，然后在较低的延伸压力E P 下，裂缝向前延伸。
水力压裂原理周六
造壁性压裂液 P= Pw + PV+PC
C
2CV CCCW
CV CW CV2CW2 4CC2 (CV2 CW2 )
4、压裂液对储层的伤害
按压裂液作用位置分： 地层基质伤害 支撑裂缝伤害
按流体性质分： 液体伤害 固体伤害 压裂液滤饼和浓缩胶
压裂液对储层的伤害
我国支撑剂物理性质评价结果表
三、 裂缝导流能力评价
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
z z Ps
—孔隙弹性常数
由广义虎克定律计算总应变
x x1 x2 x3
1 E
[
x
(
y
z )]
由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
(2) 构造应力
在断层和裂缝发育区是应力释放区。 — 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。
地层流体的压缩 地层流体粘度及压缩控制过程
压裂液滤失系数
造壁性影响的滤失系数
Cw
m 2A
0.5m A
当P试验P真实时
Cw Cw
Pf Pa
压裂液粘度影响的滤失系数
Cv 0.17
第6章水力压裂-习题课
流动和裂缝与井筒间的单向流动，消除了径向节流损失，降低了能量消耗。
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力：裂缝内流体流动阻力小。
3
采油工程原理与设计
6.2为什么深地层压裂多出现垂直裂缝，而浅地层压裂多出现水平压裂？ 答： 破裂梯度是指地层破裂压力与地层深度的比值。破裂梯度值一般在下列范围： (15～18)～(22～25)。可以用各地区的破裂梯度的大小估计裂缝的形态，一般认 为破裂梯度值小于15～18时形成垂直裂缝，而大于23时则是水平裂缝。因此深 地层出现的多为垂直裂缝，浅地层出现水平裂缝的几率多。这是由于浅地层的 垂向应力相对比较小，近地表地层中构造运动也较多，水平应力大于垂应力的 几率也大，所以浅地层出现水平裂缝。
6
采油工程原理与设计
⑤配伍性 压裂液进入油层后与各种岩石矿物及流体相接触，不应产生不利于 油气渗流的物理—化学反应。例如不要引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层。 这种配伍性的要求是非常重要的，往往有些油气层压裂后效果不理想或失败， 就是由于压裂液的配伍性不好所致。 ⑥低残渣 要尽量降低压裂液中水不溶物(残渣)的数量以免降低油气层和填砂 裂缝的渗透率。 ⑦易返排 施工结束后大部分注入液体应能返排出井外，以减少压裂液的损害 ，排液愈完全，增产效果愈好。 ⑧货源广、便于配制、价钱便宜 随着大型压裂的发展，压裂液的需用量很大 ，是压裂施工费用的主要组成部分。近年发展起来的速溶连续配制工艺，大大 方便了施工，减式支撑剂在垂直裂缝高度上的分布可分为哪几个区？并说明当携砂
液流速增加时，各区厚度的变化。
6.8何谓填砂裂缝的导流能力？绘制麦克奎尔-西克拉曲线（增产倍数曲线），
说明对不同渗透率地层如何得到好的压裂效果。
2
采油工程原理与设计
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。
6.1水力压裂本03
37
１.某硬灰岩地层，其岩石的泊松比为 0.25，欲压裂层段深2500米，地层压力 为27440千帕，岩石抗张强度为3430千帕， 上复岩层平均密度为2.3，据该地区流计 得地层破裂压力梯度为18.62千帕/米，试 求该井的地层破裂压力梯度?
2.某浅地层，油层深950米，上复岩层平 均密度为2.3，岩石抗张强度为2940千帕， 据该地区统计得地层的破裂压力梯度为 24.5千帕/ 米，试求该井的地层破裂压力 梯度? 38
25
讨论：在园孔壁上（r＝a处）：
x y ( x y )2 cos 2
（1） x = Y时 ，＝ 2Y=2 x 即：１）孔壁上各点的周向应力相等，与θ 值无关。 ２）井壁处为地层深部的两倍，即出现了应力
集中。 （2） x = Y时
当θ＝0°、180°时： σθ＝3σY － σX 当 θ＝90°、270°时： σθ＝3σX － σY 1） 若σX＞σY，则最小的周向应力发生在X轴上，最 大的周向应力发生在Y轴上。 （σθ）0°、180°＝（σθ）min ， 26 （σθ）90°、180°＝（σθ） max
18
3. 地质构造力对地应力的影响
构造应力是指构造运动引起的地应力增量。 构造变动：由地壳运动所引起的岩层变形和变位的结果。 非构造变动：由重力、流水、冰川等外力作用所引起的 岩层变形和变位的结果。
19
H z
Z H
图6-3 断层形成示意图
20
形成断层的条件：
正断层或构造褶皱带受张部分：
（１）当z ＞ x ＞ y :产生垂直裂缝；
当z ＞ y ＞ x :产生垂直裂缝；
当x 、 y ＞ z :
产生水平裂缝；
33
（２）在正断层或褶皱带受张地区（即z ＞ x 、 y ），易产生垂直裂缝； 在逆断层或褶皱带受压地区（即x 、 y ＞ z ），易产生水平裂缝； （３）根据 值判断： < 15~18 KPa/m 易产生垂直裂缝； ＞ 23
西南石油采油工程课件_水力压裂（可编辑）
西南石油采油工程课件_水力压裂第三次资源调查初步表明我国石油资源量1110亿吨天然气资源量53万亿立方米可采石油储量150亿吨可采天然气储量14万亿立方米探明石油地质储量255亿吨探明可采石油储量6791亿吨探明天然气地质储量56万亿立方米探明可采天然气储量277万亿立方米增产措施Reservoir stimulation 水力压裂历史 1947年美国 Hｏｇｏｔｏｎ气田4 Limeston Gas Pay Zones2340 to 2580 ft BHTP 420psi Fluid 1000 gal of Napalm2000 gals of Gaslion Proppant Arkansas River Sand 2000lbs 1949年美国Aｍｏｃｏ公司 1952年延长油矿 1955年玉门油田第六章水力压裂Hydraulic Fracturing 水力压裂力学水力压裂材料性能与评价水力压裂裂缝延伸模拟支撑剂在裂缝中运移分布水力压裂效果分析水力压裂工艺技术水力压裂诊断评估技术图6-1 压裂施工曲线PF破裂压力 PE 延伸压力 PS 地层压力 P井底 PF时一地应力分析1 地应力场 11 重力应力主应力 x y z 应变 x y z2 构造应力定义与来源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构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减在断层和裂缝发育区是应力释放区正断层水平应力x可能只有垂向应力z的13 逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z的3倍 3 热应力产生原因特点计算方法 2 人工裂缝方位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地应力分布十分复杂既与区域动力场和局部构造应力有关又与现代活动应力场联系密切假设地层岩石为线弹性体首先针对裸眼井分析井壁最终应力分布结合岩石破裂准则讨论水力压裂诱发人工裂缝的造缝条件 1井筒处应力分布根据最小主应力原理当z最小时形成水平裂缝当Y或x最小时形成垂直裂缝 2 水力压裂造缝条件 1 形成垂直缝岩石破坏条件有液体渗滤无液体渗滤有液体渗滤无液体渗滤例6-1 已知某砂岩油藏深度地层岩石密度ρr 2300kgm3泊松比ν 020地层流体密度ρL 1050 kgm3孔隙弹性常数 072并假设水平方向地应力均匀分布抗张强度为σth 35MPa 忽略沉积岩的垂向抗张强度试计算无滤失条件下形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限HC 3 破裂压力梯度定义三地应力的测量及计算 1 矿场测量水力压裂法井眼椭圆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压裂液性能要求1滤失低滤失量小是造长宽缝的重要条件压裂液体积平衡Qt VfVL 压裂液效率 Vf Qt 滤失性取决于粘度和造壁性对储层的伤害小必须防止砂卡压裂液性能要求 2携砂能力强要求形成深穿透饱填砂支撑裂缝携砂能力取决于粘度防止井筒沉积必须防止砂卡实施MHF要求高排量大砂比砂比加砂体积压裂液体积压裂液性能要求3摩阻低比重大四种流动过程地面管线井筒流动射孔孔眼和人工裂缝压裂液性能要求 4 稳定性好热稳定性抗剪切稳定性 5 配伍性好与岩石矿物配伍与储层流体配伍压裂液性能要求 6残渣少 7易于返排8货源广价格便宜便于配制一压裂液类型水基压裂液油基压裂液乳化压裂液 泡沫压裂液酸基压裂液液化汽压裂液 1 水基压裂液发展活性水压裂液稠化水压裂液水基冻胶压裂液水基冻胶压裂液组成水＋稠化剂成胶剂＋添加剂成胶液水＋添加剂＋交联剂交联液水基压裂液添加剂 1 稠化剂植物胶及衍生物胍胶田箐纤维素衍生物羧甲基纤维素钠盐CMC 羟乙基纤维素HEC 羧甲基羟乙基纤维素CMHEC 生物聚多糖工业合成聚合物聚丙烯酰胺PAM 部分水解聚丙酰胺PHPAM 甲叉基聚丙烯酰胺MPAM 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2154℃pH值范围pH 38最佳pH 5 氧化破胶剂适用于 pH 314普通氧化破胶剂适用温度 5493℃延迟活化氧化破胶剂适用温度 83116℃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 2 油基压裂液适应性水敏性地层有些气层发展矿场原油稠化油冻胶油基液原油汽油柴油煤油凝析油稠化剂脂肪酸皂脂肪酸铝皂磷酸脂铝盐等特点污染小遇地层水自动破乳易燃成本高热稳定性较差 3 乳化压裂液常用两份油一份稠化水聚合物油相内相 50压裂液粘度太低 80不稳定或粘度太高 4 泡沫压裂液组成液相气相添加剂泡沫液液相稠化水盐水水冻胶原油或成品油酸液气相氮气二氧化碳空气天然气等泡沫质量泡沫质量＝泡沫中气体体积泡沫总体积 特点在压裂时的井底压力和温度下泡沫质量一般为６０％８５％随着泡沫质量的增加泡沫压裂液的粘度增加摩阻增大滤失减少压裂液效率增高滤失少气体本身就是降滤剂排液较彻底对地层伤害小热稳定性差粘度不够高限制砂比 5 酸基压裂液适用范围碳酸盐储层种类常规酸稠化酸冻胶酸乳化酸二压裂液添加剂降滤剂防膨剂杀菌剂表面活性剂 PＨ值调节剂稳定剂 3 流变性测定旋转粘度计小直径管道盘管式粘度计摆动式流变仪RV系列或FANN系列旋转粘度计应用最广泛压裂液滤失系数造壁性影响的滤失系数 压裂液粘度影响的滤失系数地层流体的粘度和压缩性影响的滤失系数1 造壁性影响的滤失系数Cw 假设 滤饼的沉积厚度ΔＬｗ与通过缝壁的滤失量成比例关系滤饼对压裂液的渗透率Ｋｗ与其厚度的大小无关亦即Ｋｗ不随时间而变化 滤饼内压裂液的渗滤流动服从达西定律数据处理当P试验P真实时 2 压裂液粘度影响的滤失系数Cv 假设 压裂液为牛顿型液体且作线性层流流动 压裂液呈活塞式侵入即侵入段地层流体被顶替 压裂液和地层岩石均不可压缩 压差ΔＰv为常数 最终得到 3 地层流体压缩性影响的滤失系数Cc 假设 地层流体可压缩其压缩系数为Ｃf等于常数 ΔＰc为常数渗滤前缘的位置不随时间变化地层中的渗流方程为最终解得 4 综合滤失系数综合滤失系数调和平均法电容串联压力平衡法非造壁性压裂液造壁性压裂液调和平均法压力平衡法非造壁性压裂液 P PVPC 造壁性压裂液 P Pw PVPC 例6-2 已知油层渗透率k 25×10-3μm2孔隙度φ 02地层流体粘度μR 2mPas综合压缩系数cf 6×10-3MPa-1压裂液粘度μf 30mPas 压裂液造壁性滤失系数cw 18×10-3m 裂缝壁面面内外压差Δp 18MPa按调和法计算综合滤失系数c 我国支撑剂物理性质评价结果表我国部分支撑剂导流能力 1998 1 支撑剂性质对FRCD的影响1 支撑剂类型和形状低应力情况下有棱角的支撑剂相互搭接相互支撑有更高的孔隙度及渗透率因此导流能力更高但在高应力情况下园球度好的支撑剂受到的表面应力更均匀能承受更高的载荷不破碎因此有更高的导流能力2 支撑剂粒度组成图6-12反映了粒度分布对导流能力的影响图中曲线A B均为φ8>0509成都陶粒其中063mm以上颗粒重量分别约为815和566 支撑剂粒径对裂缝导流能力有很大的影响给定粒度范围内大颗粒所占比例越多导流能力越高颗粒越均匀导流能力越高3 铺砂浓度方式单层局部排列单层全排列多层排列实验结果4 支撑剂质量长石含量对导流能力的影响 2 地层条件对FRCD的影响1闭合压力 2地层岩石硬度地层岩石的软硬对导流能力的影响与支撑剂颗粒的强度和硬度有关当支撑剂强度低时影响导流能力的主要是破碎问题当支撑剂强度高时支撑剂颗粒嵌入裂缝壁面是影响导流能力的主要因素3 环境条件图６－１６流体介质图６－１７地层温度 3 压裂液性能对FRCD的影响残渣降低支撑带渗透率胍胶压裂液残渣含量取决于成胶剂浓度破胶剂类型及浓度 1 裂缝导流能力确定原则 1 McGuire Sikora 1960 图版法给定闭合压力下从现有支撑剂的导流能力入手得到不同穿透比时期望获得的增产倍数压后产量第四节水力压裂设计模型裂缝延伸二维模型卡特模型 Carter 1957年 CGD 模型 ChristianovichGeertsmaDeklerk PKN 模型 Perkins和Kern 提出 Norgren完善裂缝延伸三维模型拟三维模型三维扩展一维流体流动真三维模型三维扩展至少二维流体流动一卡特模型 2 主要假设裂缝等宽压裂液从缝壁垂直而又线性地渗入地层 3地层中某点的滤失速度取决于此点暴露于液体中的时间即 3 计算公式忽略压缩性由物质平衡 Q QLQF Qs 压裂液滤失发生于两个裂缝面二 CGD 模型 1几何模型 Christianovich GeertsmaDeklerk 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 3 理论基础运用了体积平衡方程压降与宽度关系由泊稷叶理论导出用England和Green公式求缝宽时还运用了裂缝平衡延伸理论此模型是现在最常用的两个二维延伸模型之一 4计算公式三 PKN 模型 1 几何模型 Perkins Kern Norgren 2 假设条件 1裂缝为垂直裂缝其高度恒定裂缝高度方向上为椭圆面 2 压裂液沿缝长作稳定的一维层流流动且沿裂缝面线性滤失 3 裂缝前端液体压力等于地层最小水平主应力 4 t时刻x断面上横截面最大宽度与缝中净压力成正比W xt 2 1-2 pHfE 5 施工排量恒定对于单翼缝 f1 06 f2 300 f3 30对于双翼缝 f1 0395 f2 252 f3 252 四PKN和CGD模型的比较 4 颗粒形状对沉降速度的影响支撑剂颗粒都是不规则的颗粒而不是规则的球体有些接近于球形颗粒的形状是不规则的比同体积的球体表面积大颗粒的表面是粗糙的颗粒的形状是不对称的不规则颗粒的沉降速度小于球形颗粒的沉降速度思路支撑剂在裂缝高度上的分布平衡流速平衡高度的计算砂堤的堆起速度平衡时间 1 支撑剂在裂缝高度上的分布 2 平衡流速与阻力流速平衡流速自学 P273P275 问题 1 区别牛顿流体和非牛顿流体的计算公式 2 复习湿周与过流面积的关系 3 区别层流和紊流下阻力速度与平衡流速的关系 4 砂堤堆起速度与流速和平衡流速的关系 5 由砂堤堆起高度与时间的经验关系得到什么 6 平衡时间的计算方法例6-3 牛顿型压裂液粘度μf 30mPas密度 f 1000kgm3石英砂支撑剂颗粒密度s 2650kgm3平均粒径dp 114310-3m砂比S 10砂堆孔隙度取35裂缝高度Hf 10m裂缝宽度w 47610-3m试计算双翼裂缝中排量为08和20m3min时的平衡高度和平衡时间解 1 计算支撑剂沉降速度假设支撑剂沉降处于层流状态按表6-4中公式计算自由沉降速度vp 0039ms 校核流态颗粒雷诺数NRep 149 2与假流态相符故vp 0039ms 浓度校正系数按Novotny 公式fc 0707 裂缝壁面校正系数按Novotny 公式 fw 084 忽略剪切速度影响支撑剂在裂缝中的沉降速度为vt 0023 ms 2 计算阻力速度按牛顿液计算阻力速度vWEQ 0349ms 三全悬浮布砂设计技术背景研究目的 1计算缝内砂比沿缝长变化基础上找出满足设计要求的导流能力的加砂步骤 2避免在缝中出现砂比过高的砂卡现象 1假设条件 2计算单元划分 3 s段携砂液的滤失速度考虑携砂液在裂缝中的滤失与它在裂缝中的位置计算时间点有关第s段携砂液的滤失速度以平均值计算a 按平均滤失时间计算b 按进入裂缝到停泵时滤失速度的平均值计算 4 s段携砂液的滤失计算说明全悬浮式砂子分布应用悬浮压裂适合于低渗透储层因为这里并不需要很高的裂缝导流能力就能获得较好的增产效果优点支撑面积大缺点导流能力不及沉降式砂子分布具体分析择优采用第六节水力压裂评价水力裂缝评价评价压裂设计压裂施工有效性和压后效果工艺效果评价所实施压裂工艺技术的适应性和有效性经济效益分析寻求提高技术水平和改善其经营管理的基本途径二工艺效果分析增产有效期某井从压裂施工后增产见效开始至压裂前后产量递减到相同的日产水平所经历的时间增产倍比指相同生产条件下压裂后与压裂前的日产水平之比图版法近似解析法数值模拟法 1 McGuire Sikora图版 a 对低渗透储层k 110-3m2很容易得到较高的裂缝导流能力比值大于04欲提高压裂效果应以增加裂缝长度为主 b 高渗透地层不容易获得较高的裂缝导流能力比值提高裂缝导流能力是提高压裂效果的主要途径不能片面追求压裂规模而增加缝长 c 对一定缝长存在一个最佳裂缝导流能力超过该值而增加导流能力的效果甚微 d 无伤害油井最大增产比为136倍 ---- 对于实际油气田属于这两种情况的都有因此在水力压裂设计中应解决它们的主要矛盾根据油气层的特性具体分析全局考虑以最优为准则对特低渗地层的压裂应当增大施工规模造缝要长对于高闭合压力的中高渗透地层应着眼于提高裂缝导流能力在这种情况下片面追求施工规模和缝长既不经济又得不到好的压裂效果 2 典型曲线法教材p281 4 数值模拟计算法三水力压裂经济评价压裂经济分析准则 1 压裂施工现值 2 压裂施工净现值 3 贴现偿还时间 4 压裂效益指数 2 产量递减模式 4 压裂经济敏感性评价 1井网密度与最佳裂缝长度的关系 2储层渗透率和裂缝长度 3裂缝导流能力的影响 4有效厚度的影响 5裂缝高度的影响 6压裂液滤失性与防滤失添加剂 7铺砂浓度和支撑带渗透率的保持程度 8压裂液粘度 9泵注排量与施工规模 10 油气价格和贴现率第七节水力压裂设计是在满足地质工程和设备条件下作出经济有效的最优方案 1 正设计 2 反设计优化压裂设计任务 1在给定的储层与井网条件下根据不同缝长和导流能力预测压后生产动态 2根据储层条件选择压裂液支撑剂和加砂浓度并确定合理用量 3根据井下管柱与井口装置的压力极限选择合理的泵注排量与泵注方式地面泵压和压裂车数 4确定压裂泵注程序 5进行压裂经济评价使压裂作业最优化一选井选层考虑因素储层地质特征岩石力学性质孔渗饱特性油层油水接触关系岩层间界面性质与致密性井筒技术要求油气井低产原因1由于钻井完井修井等作业过程对地层伤害使近井地带造成严重的堵塞2油气层渗透率很低常规完井方法难以经济开采 3土豆状透镜体地层单井控油面积有限难以获得高产 4油气藏压力已经枯竭 1 储层物性评估储层地质特征储层沉积特征决定井的泄油面积和压裂规模断层发育的区块必须确定断层体系的走向和断层性质估计水力裂缝走向粘土矿物分析粘土矿物类型含量与分布方式严重影响储层渗透性是选择压裂液体系的主要依据常用伽玛射线测井自然电位测井等测井方法或扫描电镜SEM实验分析方法测定岩石力学性质包括储层盖层和底层的杨氏模量泊松比和断裂韧性值纵向应力剖面影响裂缝几何尺寸平面应力分布影响裂缝方向现场常用长源距声波测井结合密度测井计算岩石弹性模量和泊松比在压裂作业中使用静态值更合理岩心分析评估油气藏储层基本参数可采用岩心常规分析或岩心特殊分析技术试井分析进一步评价地层确定储层的渗透率表皮系数地层压力及其它性质 2 井筒技术要求压裂设计符合套管强度要求固井质量合格井底无落物 3 储层条件成功压裂作业的必备地质条件储量和能量压裂侯选井应具备下列条件 1 低渗透地层渗透率越低越要优先压裂越要加大压裂规模 2 足够地层系数一般要求kh 05×10-3μm2 m 3 含油饱和度含油饱和度一般应大于35 4 孔隙度一般孔隙度为6～15才值得压裂若储层厚度大最低孔隙度为6～7 5 高污染井压裂作业只能改善受污染的表皮效应 3 储层条件压裂井是否适合压裂或以多大规模压裂还应考虑距边水底水气顶断层的距离和遮挡层条件并结合天然裂缝原则最大水平主应力与油水井不相间原则井网与最大水平主应力有利原则等考虑压裂工艺压裂下述情况井可能有很大的风险 1 压裂层与气水层间页岩夹层厚度小于45～60m 2 压裂裂缝可能穿过附近的与气水的接触面 3 高气油比井或高含水井不宜压裂除非出气出水可以控制二确定入井材料 1．优选压裂液体系 1 筛选基本添加剂增稠剂交联剂破胶剂配制适合本井的冻胶交联体系 2 筛选与目的层配伍性好的粘土稳定剂润湿剂破乳剂防蜡剂等添加剂系列 3 筛选适合现场施工的耐温剂防腐剂消泡剂降阻剂降滤剂助排剂pH值调节剂发泡剂和转向剂等 673 水力压裂设计计算三水力压裂设计计算 1施工排量必须大于地层的吸液能力Q吸考虑所需压裂液量考虑摩阻压力考虑设备能力这个约束条件支撑剂输送 3 压裂设计单井压裂设计包括选井选层确定施工参数方案设计计算经济技术分析和评价 4 压裂施工设计计算步骤正设计根据压裂施工规模预测增产倍数 a确定前置液量混砂液量以及砂量 b选择适当的施工排量计算施工时间 c计算动态裂缝几何尺寸 d支撑剂在裂缝中的运移分布确定支撑裂缝几何尺寸 e预测增产倍比逆设计 a 根据增产要求确定裂缝长度和导流能力 b 预选施工排量前置液量和携砂液量 c 计算动态裂缝几何尺寸 d 支撑剂在裂缝中的运移与分布确定支撑裂缝几何尺寸 e 计算支撑裂缝长度和导流能力以及增产倍比 f 如果满足增产要求则结束否则重选液量砂量返回 c 重新计算前置液量确定根据增产要求确定裂缝长度和导流能力Nolte提出了基于压裂液效率确定前置液量的近似解析法支撑剂用量确定施工排量的确定为了在井底有足够的流体憋起高压选择施工排量要考虑的因素是地层的吸液速度施工排量Ｑ必须大于地层吸液速度Ｑ′即最小极限排量 施工排量的确定不同排量下所需的压裂液用量实践表明当滤失系数一定时欲压开一定大小的裂缝采用较高的施工排量可减少所需的压裂液用量并且施工排量大时可提高压裂液效率亦有助于减少压裂液用量 摩阻压力排量越大产生的射孔孔眼摩阻和井筒摩阻越高因此所需的井底施工压力愈大对设备的要求就越高施工排量的确定裂缝高度施工排量太大极有可能导致裂缝窜层特别是对于产层与水层之间的遮挡层不足够坚密其厚度不是足够大时窜层是很危险的施工排量太小时又不能充分压开产层的有效厚度特别是对于多产层的情况施工排量高无疑是有利的施工排量高还有利于输送支撑剂 施工排量的确定此外要注意对设备能力的要求 施工排量受管材和井口装置所能承受的压力的限制 施工排量受压裂设备处理支撑剂的能力的限制施工排量大易导致砂子传送带或混砂装置超过负荷 施工排量大压裂车不易达到要求即使满足要求也需更多台压裂车 施工排量的确定最小极限排量选择施工排量时必须首先考虑的是所选排量应大于地层吸液速度否则无法憋起高压地层吸液速度Ｑ′即施工最小极限排量Ｑｍｉｎ为施工排量的确定最大极限排量压裂时的最大极限排量由井口和油套管的允许承受压力而定压裂施工时注液方式一般分为油管注液套管注液环空注液以及环空与油管同时注液简称油套合注几种方式虽然注液方式不同但确定最大极限排量的方法类似施工排量的确定合压最大极限排量计算基本步骤 根据井底破裂压力液柱压力套管或采油树的允许承受压力确定套管极限摩阻压力 用试算法确定最大极限排量先假定油管及套管环空的排量然后分别计算套管及油管摩阻这两者必须等于或接近前一步计算的套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力 施工排量的确定如果计算的油套摩阻压力低于套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力时应提高排量假定值进行二次计算如果计算的油套摩阻压力大于套管极限摩阻压力或采油树允许承受的压力时降低排量假定值进行二次计算直至油套摩阻压力基本相等并且接近或等于套管极限摩阻压力时为止这时两者的排量之和就是合压时的最大极限排量施工泵压及水功率的确定井口施工泵压设井底破裂压力为ＰＦ井口施工泵压为ＰＰ管柱摩阻为Ｐｆ孔眼摩阻为Ｐｍ井筒液柱压力为ＰＨ根据压开裂缝的条件必须ＰＰ≥ＰＦ＋Ｐｆ＋Ｐｍ－ＰＨ施工水功率P＝1655PPQ 式中 P井口施工水功率 kw PP施工泵压MPa Q施工排量m3／min 例6-4 已知油藏开发井网井距400×400m压裂井深度H 2500m岩石弹性模量E 25000MPa泊松比ν 015破裂压力梯度α 0018MPam油层有效厚度Hf 10m渗透率k 20×10-3μm2孔隙度φ 20地层温度80 oC地层流体压力pS 250MPa地层流体粘度μr 2mPas流体压缩系数cf 6×10-3MPa射孔孔眼密度10孔m孔径φ10生产流压pWf 15MPa套管直径φ127油管直径φ62兰州石英砂粒径dP 04-08mm颗粒密度ρr 2650kgm3牛顿型压裂液粘度μ 003Pas密度ρf 1000 kgm3初滤失系数SP 0造壁性滤失系数c 862×10-4施工排量Q 20m3min假设采用油管注液工艺压裂液在油管中的为摩阻06MPa100m试进行水力压裂工艺设计解 1井口破裂压力 pbreak pF - pH pf pbreak 0018×2500 - 10-6×1000×98×2500 06×2500100 355MPa 2 闭合应力闭合应力是裂缝延伸压力与地层压力之差在选择支撑剂时为保险起见通常按地层破裂压力与井底流压之差计算即 pc pF -。
采油工程伊向艺水力压裂
—孔隙弹性常数
由广义虎克定律计算总应变
注意： 的物理意义
由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力
(2) 构造应力
定义与来源 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 —构造运动的边界影响使其在传播过程中逐渐衰减。 在断层和裂缝发育区是应力释放区。 — 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。
当破裂时，Pi=PF
无液体渗滤
有效总垂向应力为：
当破裂时，Pi=PF
例6-1 已知某砂岩油藏深度地层岩石密度ρr=2300kg/m3，泊松比，地层流体密度ρL= 1050 kg/m3，孔隙弹性常数。并假设水平方向地应力均匀分布，抗张强度为σth,, 忽略沉积岩的垂向抗张强度。试计算无滤失条件下形成垂直裂缝和水平裂缝的深度界限HC。
假设： 地层流体可压缩，其压缩系数为Ｃf（等于常数）； ΔＰc为常数； 渗滤前缘的位置不随时间变化。
当 re， Pe =0 于是 r= rw时，＝ - Pi
弹性力学拉梅公式(拉应力为负)
(3) 压裂液渗入地层引起的井壁应力
(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
根据最小主应力原理 —当z最小时，形成水平裂缝; — 当Y或x最小时，形成垂直裂缝。
当 x = y ＝ 2y=2 x 说明周向应力相等，与无关 当 x > y ()0,180= ()min ()90，270= ()max 分析 随r增加， 迅速降低(平方次) 应力集中 PF > PE
（2）向井筒注液产生的应力分布
(2) 非牛顿型液体
采油工程(水力压裂)
四、运砂车 运砂车是为加砂压裂作业提供机械化运送 专用压裂配套车辆。 支撑砂的专用压裂配套车辆。运砂车还在 作业中向立式砂罐供砂或直接向混砂车 供砂。 供砂。 五、管汇车 管汇车是为压裂作业提供泵注设备的出口 和井下压裂管柱连接起来的专用井口连 接管汇。 接管汇。
压裂工艺 一、压裂选井的一般的原则 压裂增产的前提是： 的油气， 压裂增产的前提是：油层应当具备有足够 的油气，同 时还具有相对的压力梯度， 时还具有相对的压力梯度，驱使油层流体压开高渗 透裂缝后进入井内。 透裂缝后进入井内。 压裂选井的一般的原则： 压裂选井的一般的原则： 1）在油层渗透率和含油饱和度低的地区，应优先选择 ）在油层渗透率和含油饱和度低的地区， 油层显示好，地层压力高的井。 油层显示好，地层压力高的井。如果油层能量已经 枯竭，压裂增加的产量一般都不足以补充作业费用。 枯竭，压裂增加的产量一般都不足以补充作业费用。 2）油气层受污染和被堵塞的油井。 ）油气层受污染和被堵塞的油井。 3）注水见效区内未受效的油井 ） 4）储量大、连通性好、产量低的油井 ）储量大、连通性好、 5）重复压裂井 ）
压裂机械设备 一、压裂车 压裂车是压裂的主要设备。 压裂车是压裂的主要设备。作用是向井内注入高 压的压裂液，将地层压开， 压的压裂液，将地层压开，并把支撑剂挤入裂 缝。 组成：运载、动力、传动、 组成：运载、动力、传动、泵体和操作平面 二、混砂车 混砂车用来将压裂液和支持剂按一定比例混合， 混砂车用来将压裂液和支持剂按一定比例混合， 然后在供给压裂车泵入井内。 然后在供给压裂车泵入井内。 三、仪表车 仪表车是在施工时为现场工程技术人员及时提供 准确的各种施工参数， 准确的各种施工参数，帮助了解和判断井下作 业动态，正确指挥施工的专用压裂配套车辆。 业动态，正确指挥施工的专用压裂配套车辆。
采油工程-水力压裂
(二)井壁上的應力
1.井筒對地應力及其分佈的影響 地層三維應力問題轉化為二維方法處理 (2) 当 r a ， x y 时， (1) 当 r a ， x y H (3) 0 ,180 3 y x min 随着 的增加， 时， 2 x，2 y 2 H 周向应力迅速降低。 y max 90 , 270 3 x 说明圆孔壁上各点的 说明最小周向应力发生在 周向应力相等，且与
z
考慮到構造應力等因素的影響，可以得到最大、最小水平 侧压系数 主應力為：
H max H min
1 1 E 2 Z PS 2 E PS 2 1 1 1
1 1 E 2 Z PS 2 E PS 2 1 1 1
水力壓裂hydraulic fracturing：
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；當此壓力大於井壁附近的 地應力和地層岩石抗張強度時，在井底附近地層產生裂縫； 繼續注入帶有支撐劑(proppant)的攜砂液，裂縫向前延伸並 填以支撐劑，關井後裂縫閉合在支撐劑上，從而在井底附近 地層內形成具有一定幾何尺寸和導流能力的填砂裂縫，使井 達到增產增注目的工藝措施。
Z tv
當產生水平裂縫時，井筒內注入流體的壓力等於地層的破 裂壓力：
PF Ps
z tv
1
1 2 1
实验修正：
z tv PF Ps 1 2 1.94 1
(三)破裂壓力梯度(破裂梯度) 破裂梯度：地層破裂壓力與地層深度的比值。 各油田根據大量壓裂施工資料統計出來的破裂梯度值 為： ??(15～18)～(22～25)
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min 0 ,180。 3 y x
图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布 说明ma最x 小周 90向 ,27应0。 力3发x 生 在y
方向上，而最大周向
圆孔周向应力：
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4ຫໍສະໝຸດ c应 力y 却在os2
的方向上。
x
2.井眼内压所引起的井壁应力
104
102
第一节 造缝机理
裂缝形成条件 裂缝的形态 裂缝的方位
井网部署 提高采油速度 提高原油采收率
所以，有利的裂缝状态及参数能够充分发挥 其在增产、增注的作用。
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。
破裂压力 延伸压力
1
实验修正：
PF
Ps
z tv 1.9412
1
(三)破裂压力梯度(破裂梯度)
破裂梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。 各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为： (15～18)～(22～25) 根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态：
小于15～18时形成垂直裂缝 大于23时形成水平裂缝 深地层——垂直裂缝 浅地层——水平裂缝
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
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 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：
h t
当产生裂缝时，井筒内注入流体的压力即为地层的破 裂压力：
PF
MPa
作用时 间
s
裂缝范 围
m
作用结果
爆炸压裂
10-7 ～ ＞104 10-6
高 能 气 体 10-3
102
压裂
10-7 ～ 10-6
10-2 ～ 10-1
10-2 ～ 10-1
100
井眼破坏，有 无数细小裂缝， 具有压实效应
径向多条裂缝
水力压裂
101 ～ 101 102
103 ～ 101 ～ 对称单一裂缝
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很 快升高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根据弹 性力学中的拉梅公式(拉应力取负号)：
Pere2 re2
Pira2 ra2
Pe Pi re2ra2 r 2 re2 ra2
当re=∞、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：
Pi
即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等， 方向相反。
设备及数据采集由人工操作、人工配置发展到自动控 制和计算机自动采集。
发展趋势
在中、高渗透层与低渗透层的重复压裂技术研究； 低伤害压裂液研制、控滤失技术研究； 压裂支撑剂性能、压裂液的效率、返排、大型压裂以
及水平井的压裂研究； 深井、超深井压裂技术研究。（最深>9000m，井温达
300℃以上）
2 Z PS
1
2E
1
PS
(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 (1) 当 r a ， x y H
时， 2 x， 2 y 2 H
说明圆孔壁上各点的
r 周(向3)应随力着相等，的且增与加，
θ(周值2)向无当应关力。r迅 速a 降，低x 。 y 时，
地层压力
图6-1 压裂过程井底压力变化曲线 a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
一、油井应力状况
(一)地应力 垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
有效垂向应力： Z Z Ps
z
y
x
如果岩石处于弹性状态，可根据广义虎克定律建立岩石的 有效水平应力与有效垂向应力的关系：
在三向应力作用下，x轴方向上的应变分别为：
高能气体压裂：利用火药或火箭推进剂燃烧产生的高温、
高压气体处理油层，产生和保持多条、多方位的径向裂缝。
典型多缝型式简图
图4-1 各种压裂的压力与时间的关系
图4-2 裂缝类型与加载速率关系 1— 水力压裂区 2—多裂缝压裂区 3—井底附近粉碎区
三种压裂参数量级对比表
压裂类型
升压时 间
s
峰值压 力
第六章 水力压裂技术
主要内容：
(1) 造缝机理 (2) 压裂液 (3) 支撑剂 (4) 压裂设计
水力压裂技术的发展
应用对象由早期的低渗透致密地层发展到中、高渗地 层和煤层气层；
由对直井压裂发展到对斜井、大斜度井（含水平井） 压裂；
由浅层低温地层压裂发展到深层、超深层高温地层压 裂；
支撑剂由应用低强度天然石英砂发展到高强度的烧结 陶粒和树脂涂层砂；
PS
3
y
x
h t
2 1 2
1
(二)形成水平裂缝的条件
当井壁上存在的垂向应力达到井壁岩石的垂向的抗张强 度时，岩石将在垂直于垂向应力的方向上产生脆性破裂，即 在与垂向应力相垂直的方向上产生水平裂缝。
造缝条件为：
Z
v t
当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层的
破裂压力：
PF
Ps
z
v t
1 1 2
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力
3.压裂方法对比
水力压裂：用压裂液，产生的裂缝受地层的地应力控制，
一般仅有一个方向；
爆炸压裂：用炸药，它的增压速度极快(微秒级)，气体
生成量较少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消 耗在井壁岩石的破碎上，井眼内残留的应力场可能完全闭 塞所产生的裂缝。
一、水力压裂技术
用压力将地层压开一条或几条水平的或垂直的裂缝，并 用支撑剂将裂缝支撑起来，减小油、气、水的流动阻力，沟 通油、气、水的流动通道，从而达到增产增注的效果。
1. 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
2.水力压裂增产增注的原理:
(1) 改变流体的渗流状态：径向流变单向流
x1
1 E
x
x2
E
y
x3
E
z
由于存在侧向应力的约束，则：
x
x1 x2
x3
1 E
x
y
z
0
令： x
y
得：
x
y
1
z
侧压系数
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平 主应力为：
H max
1 2
1E 1
2 Z PS
1
2E
1
PS
H min
1 2
1E 1
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：
Pi
Ps
1 2 1
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：