水力压裂设计
第1章-水力压裂
作用: Ø传递压力； Ø起裂和延伸裂缝； Ø携砂。
前置液
起缝、延伸裂缝、冷却
按
作
携砂液
延伸裂缝、悬砂
用
分
顶替液
顶替砂浆
对压裂液的要求: Ø与地层配伍； Ø有效悬浮和输送支撑剂； Ø滤失少； Ø摩阻低； Ø低残渣； Ø易返排； Ø热稳定性； Ø抗剪切稳定性。
一、压裂液类型
各种压裂液所占的比例
增能气 体, 25%
第一章 水力压裂
内容提要
Ø水力压裂造缝机理 Ø压裂液 Ø支撑剂 Ø水力压裂延伸模拟 Ø支撑剂输送 Ø水力压裂评价与设计 Ø压裂工艺技术
压裂:
hydraulic
分类: fracturing
水力压裂:利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力 的排量将高粘压裂泵入井内而在井底产生高压，当 压力克服井壁附近地应力并达到岩石抗张强度时， 就在地层产生裂缝。继续泵注带有支撑剂的压裂液， 使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂。停泵后，由 于支撑剂对裂缝的支撑作用，在地层中形成足够长 的、有一定导流能力的填砂裂缝，从而实现油气井 增产和水井增注。
' w
0.5m A
修正：
cw
cw'
p f pa
1 2
用途:静态滤失系数 用于筛选评价压裂液
用途:动态滤 失系数为压裂 设计提供参数
2.受压裂液粘度控制的滤失系数
假设条件: Ø侵入符合达西定律； Ø活塞驱动
压裂液的实际滤失速度：
va
dL0.058Kp
dt
f L
积分求L，回代达西定律
12
v0.05K 8 f Lp0.17K ftp
牛顿型：
圆管稠度系数：
Kp
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
第06章水力压裂
目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂；二是 人造支撑剂（陶粒）。
◆泡沫压裂液：
二、压裂液滤失性
压裂液滤失到地层受三种机理控制：
压裂液的造壁性 压裂液的粘度、油藏岩石和流体的压缩性、
(一)受压裂液粘度控制的滤失系数CⅠ
当压裂液粘度大大超过油藏流体的粘度时，压裂液的滤 失速度主要取决于压裂液的粘度，由达西方程可以导出滤失 系数为： 1/ 2
K P C 5.4 10 f
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：
3 y x th PF PS 1 2 2 1
(二)形成水平裂缝的条件 当井壁上存在的垂向应力超过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：
水力压裂的工艺过程：
裂缝延伸
憋压
造逢 充填支撑剂
裂缝闭合
水力压裂增产增注的原理:
(1) 改变流体的渗流状态：使原来径向流动改变为油层与 裂缝近似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，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。
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
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
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
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
返回
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
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。
水力压裂设计的原则与内容
水力压裂设计的原则与内容
水力压裂设计的原则与内容
压裂设计的原则是：
1、最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用；
2、使压裂后的生产井和注入井达到最佳状态；
3、压裂井的有效期和稳产期长。
压裂设计的方法是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。
压裂设计方案的内容包括：
1、裂缝几何参数优选及设计；
2、压裂液类型、配方选择及注液程序；
3、支撑剂选择及加砂方案设计；
4、压裂效果预测和经济分析等；
5、区块整体压裂设计的采收率和开采动态分析等。
水力压裂设计
中的时间, 即:
V (t) c / t (x)
(4)地层中各点速度函数相同。 (5)裂缝中各点压力相同, 均等于井底的延伸压力。
3 计算公式
• 忽略压缩性，由物质平衡：
Q(t)=QL(t)+QF(t) • 用拉氏变换, 最终得裂缝面积公式:
由广义虎克定律计算总应变
x xx xy xz
1 E
[
x
(
y
z )]
y yy yz yx
1 [
E
y
( z
x )]
由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
岩石类型
硬砂岩 中硬砂岩
z
( Pi
Ps )
1 2 1
有效总垂向应力为：
z z －Pi
z
Pi
( Pi
Ps
)
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
1
z
v t
1 2
Ps
1
1.94
无液体渗滤 z z Ps
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
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 )。
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。
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。
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。
水力压裂工艺技术
调整方案制定
根据评估结果，制定调整 方案，包括重新注入支撑 剂、增加裂缝长度或改变 压裂液类型等。
04
水力压裂技术的关键技术及创新 发展
支撑剂的选择与性能评价
支撑剂的材质与性能
针对不同地层条件，选择合适的支撑剂材质，如陶粒、石英砂等 ，并评估其性能，如硬度、粒径分布等。
支撑剂的表面改性
通过物理或化学方法对支撑剂表面进行改性，提高其润湿性、渗透 性和抗破碎能力。
报, 2016, 37(3): 1-10.
[2] 李四. 水力压裂设计优化 及效果评价[J]. 岩石力学与工 程学报, 2018, 37(6): 1-15.
[3] 王五. 水力压裂技术在*油 田的应用研究[J]. 地球物理学
报, 2020, 63(7): 1-12.
THANK S感谢观看
井筒准备
清洗并准备井筒，包括通井、洗井等 操作，确保井筒内无杂质，为压裂作 业做好准备。
压裂液的配制与注入
01
02
03
压裂液选择
根据地质条件和目标需求 ，选择合适的压裂液，如 瓜胶、羟丙基瓜胶、石英 砂等。
压裂液配制
按照一定的比例和顺序将 压裂液的各成分混合在一 起，确保压裂液的各项性 能指标达到要求。
03
水力压裂技术的工艺流程
压裂前的准备
目标确定
明确压裂的目的和目标，如提高石油 或天然气的产量，改善井筒周围的应 力场等。
地质评估
收集并评估与目标区域相关的地质数 据，如岩石类型、地层厚度、地层破 裂压力等。
设备检查
确保压裂设备（如压裂车、混砂车等 ）处于良好的工作状态，并准备好所 需的物资和器材。
02
水力压裂技术的基本原理
水力压裂(安徽理工大学)
Conventional
Alaska
5 0
2015
1995
2025
美国非常规天然气产量增加，主要依赖于致密砂岩气 （Tight gas）、页岩气（Shale gas）和煤层气（Coalbed gas）
1999年以来页岩气储量、产量显著增加，导致天然 气总量增加。
Significant increase in gas reserves and production from shales starts in 1999
Injection Wells
Water Gas Steam Chemical Fire
Pumped into the reservoir to force additional petroleum out of the pores in the reservoir rock
GASSINESS OF COAL SEAMS
从油藏工程的观点出发
它以建立的油藏注水开 发井网与水力裂缝优化 整体压裂 组合的渗流系统实现单 井产能与扫油效率的提 高为其主要内容 。
1947-1948 : 水力压裂的发展
• 1947. 7 – 美国开始第一口井的压裂施 工，用交联的煤油/汽油混合油。 • 1948 - 获得专利， 在商业应用前压裂 了 23 口井
压裂
S1
S2 S3
图1 压裂过程示意
压裂液
种类
水基压裂液、泡沫压裂液、油基压裂液、乳化压裂液 清洁压裂液，纯气体压裂液（液化）。
发展
40、50年代，矿场原油、凝胶油、粘性乳化液； 60年代瓜尔胶稠化剂的问世——现代压裂液化学的诞生； 70年代，水基压裂液迅速发展，占主导作用； 80年代泡沫压裂液技术取代了部分水基压裂液 。 目前，泡沫压裂液、液体CO2压裂液、液氮压裂液也开始应用。
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。
油、气、水井压裂设计与施工及效果评估方法
油、气、水井压裂设计与施工及效果评估方法以油、气、水井压裂设计与施工及效果评估方法为主题的文章，是一篇关于石油、天然气、水资源开采中重要技术的介绍。
油、气、水井压裂作为一种提高采收率的有效手段，已经被广泛应用于石油、天然气、水资源的开采过程中。
本文将从压裂的定义、压裂技术的分类、压裂设计与施工、压裂效果评估等方面进行讲解。
一、压裂的定义油、气、水井压裂是一种通过人工手段增加井壁裂缝数量和扩展程度，从而增强油、气、水井的渗透性，提高井内流体的采收率的技术。
压裂的原理是在井壁上创建出若干个裂缝，使得原本被封闭的油、气、水等流体能够从井壁中渗透出来，从而提高采收率。
压裂技术是石油、天然气、水资源开采中的一个重要环节。
二、压裂技术的分类压裂技术主要分为两类，一类为水力压裂，另一类为化学压裂。
水力压裂是利用高压水流冲击井壁，制造出若干缝隙从而增强渗透性。
化学压裂是利用化学药剂对井壁进行处理，使得井壁生成裂缝，从而提高渗透性。
水力压裂是目前常用的压裂技术，它具有效率高、效果好的特点。
三、压裂设计与施工压裂设计是指在进行压裂前，对井的地质情况、井眼直径、井深、压裂介质、压裂压力等参数进行分析和计算，制定出具体的压裂方案。
对于压裂介质的选择，一般采用水、天然气、氮气等气体和液体介质。
在压裂施工中，首先需要进行井口的封堵和井口装备的安装，然后进行压裂介质的注入，控制好压力和注入速度，使得井壁裂缝的扩展程度和数量达到预期目标。
四、压裂效果评估压裂后，需要对压裂效果进行评估，以确定压裂的效果，对采油方案进行调整。
通常采用井下测量和地面测量等方法进行评估。
井下测量是指在井下通过电测、压力测试等手段来评估压裂效果。
地面测量是指通过测量井口的压力和流量来评估压裂效果。
通过这些评估手段，可以评估压裂的效果，并对采油方案进行调整，提高采收率。
油、气、水井压裂技术是石油、天然气、水资源开采中的重要技术，它能够提高井内流体的采收率，从而提高资源利用率。
水力压裂模拟实验步骤
水力压裂模拟实验步骤水力压裂是一种常用的地质工程技术，用于提高油气井的产能。
本文将介绍水力压裂模拟实验的步骤。
一、实验前准备1. 确定实验目的：水力压裂模拟实验旨在研究岩石在高压水力作用下的裂缝扩展特性。
2. 准备实验样品：选择具有代表性的岩石样品，并进行必要的准备工作，如切割、研磨和打磨，以获得平整的样品表面。
3. 设置实验装置：搭建实验装置，包括高压水源、水力压裂装置、压力传感器和数据采集系统等。
二、实验步骤1. 样品固定：将准备好的岩石样品固定在实验装置中，确保样品表面与装置接触紧密，以防水力泄漏。
2. 施加初始压力：在实验开始前，先施加一个初始压力，使岩石样品处于一定的应力状态。
初始压力的大小应根据实际情况而定。
3. 施加水力压力：通过高压水源将水注入实验装置，施加水力压力。
水力压力的大小可以根据实验需要进行调节。
4. 监测压力变化：实验过程中，利用压力传感器实时监测水力压力的变化情况，并记录下来。
可以通过数据采集系统将压力数据保存在计算机中，以便后续分析和处理。
5. 观察裂缝扩展：通过透明壁板或高速摄像机等设备，观察岩石样品在水力压力下裂缝的扩展情况。
可以记录下裂缝的数量、长度和形态等信息。
6. 记录数据：在实验过程中，及时记录实验数据，如压力变化曲线、裂缝扩展情况等。
记录的数据应准确、完整，并采用适当的单位和格式。
7. 结束实验：根据实验需要，确定实验结束的条件，如达到一定的裂缝扩展长度或达到一定的实验时间。
在结束实验前，需要逐渐减小水力压力，以防止样品突然解除压力造成的意外情况。
8. 数据处理：将实验记录的数据进行整理和分析，可以使用统计学方法或图表等手段，得出实验结果和结论。
三、实验注意事项1. 实验中要注意安全，确保实验过程中没有泄漏和爆炸等危险情况。
2. 实验装置要保持干净，防止杂质对实验结果的干扰。
3. 实验样品的选择要具有代表性，能够反映实际工程中的情况。
4. 实验过程中要严格控制实验条件，如水力压力、温度等。
一种煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法
一种煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法
煤矿井下水力压裂钻孔方位角设计方法：
一、原则：
1. 主要考虑钻孔的工作负荷和对其他工程的影响；
2. 确保钻孔的分散性和平衡性；
3. 根据地形特点，控制钻孔的安全性；
4. 优化钻孔的设计方案，压缩施工周期，减少成本。
二、要求：
1. 井口方位角应控制在30°～33°之间；
2. 对于单口井，应保证每孔均匀分散，最大方位角测量偏差不大于2°；
3. 对于双口井，应尽量控制方位角的偏差在2°以下；
4. 对于多口井，应同时考虑水平和垂直距离的要求，保证夹角和钻孔
分散性。
三、步骤：
1. 根据钻孔设计需求，先确定钻孔已完毕孔号，再根据方位角比率，
确定钻孔方位角；
2. 调整钻孔设计方案以尽量符合各孔口方位角要求；
3. 钻孔前先测量现场天然点方位角，根据测量结果与设计方案作比较，调整钻孔方位角和钻孔方向，及时改进设计方案；
4. 更换钻头的方向，施工时设置必要的参考线，确保钻孔的方位不变；
5. 完成新出口孔时，检查施工管道和落点工程是否偏移，及时修正和
改正，保证施工的质量和安全。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
✓压裂材料：压裂 液和支撑剂
✓施工参数：排量 和压力
水力压裂示意图
✓压裂设备：泵车 (组)、液罐、砂 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 采油井
问题： (1) 储层应力环境—地应力场 (2) 水力裂缝方位 (3) 破裂压裂计算与预测 基本思路：
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
岩石类 型 砾岩
白云岩 花岗岩
泥岩 页岩 煤
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
泊松 比 0.21 0.25 0.25 0.35 0.30 0.30
(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。
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
x
y
T ET 1
✓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。
第二节、地应力分析与破裂压力
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 ;
y (y)
应变: x， y， z
x（x）
地应力构成：原地应力 + 扰动应力。 原地应力：重力应力
压裂液对储层的伤害
✓压裂液在地层中滞留产生液堵 ✓地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生
的伤害 ✓压裂液与原油乳化造成的地层伤害 ✓润湿性发生反转造成的伤害 ✓压裂液残渣对地层造成的损害 ✓压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害 ✓压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
z
v t
1
Ps
0.94
3 破裂压力梯度
定义
PF
H
理论计算
(垂直裂缝形态)
F
pF H
2v z
1v H
1 3v 1v
ps H
矿场统计 当αF < 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝 当αF > 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝
Ps
1
无液体渗滤 Ps
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
z
( Pi
Ps )
1 2 1
有效总垂向应力为：
z z －Pi
Ps
)
1 2 1
2 水力压裂造缝条件
(1) 形成垂直缝
岩石破坏条件
h t－压为正，拉为负－最大效周向应力大于水平方向抗拉强度
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
z
Pi
( Pi
Ps )
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
1
z
v t
1 2
Ps
1
1.94
无液体渗滤 z z Ps
有效总垂向应力为：
z z －Pi
z
Pi
( Pi
Ps )
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
z z－Pi
z
( Pi
Ps )
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 。
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
二、水力压裂造缝机理
1 井壁最终应力分布
y
y
r
x
Rw 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
(3 y
x ) Pi
(Pi
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 ✓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
[ x
(
y
z )]
y yy yz yx
1 E
[
y
( z
x )]
由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
岩石类型
硬砂岩 中硬砂岩
软砂岩 硬灰岩 中硬灰岩 软灰岩
杨氏模量， 104MPa 4.4 2.1 0.3 7.4 0.8
泊松 比 0.15 0.17 0.20 0.25 0.27 0.30
构造应力 孔隙流体压力 热应力
(1) 重力应力（上覆压力）
z 106
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
x xx xy xz
1 E
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（井壁崩落法）
（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