水力压裂原理

PKN 模 型 ： 宽 度 剖 面 及 水 平
水力裂缝模型
形 ， 水 平 剖 面 为 椭 圆 形
GDK 模 型 ： 宽 度 剖 面 为 矩
水力裂缝模型
问 题 进 行 处 理
缝 内 液 体 流 动 按 两 维 流 动
按 三 维 弹 性 问 题 进 行 考 虑 ，
在 三 维 模 型 中 ， 裂 缝 启 裂
压裂施工过程中 净压力与时间关系
压裂工艺技术
大庆油田有限责任公司采油工艺研究院
限流法压裂技术
采取低密度射孔，大排量施工， 采取低密度射孔，大排量施工，依靠压裂液通 过射孔炮眼时产生的摩阻， 过射孔炮眼时产生的摩阻，大幅度提高井底压 从而使压裂液自动转向， 力，从而使压裂液自动转向，以相继压开破裂 压力相近的各个目的层 这项技术的关键是，根据目的地层的物性， 这项技术的关键是，根据目的地层的物性，砂 岩厚度、 岩厚度、纵向相邻油层情况及平面上的连通关 确定合理的布孔方案， 系，确定合理的布孔方案，确定每个目的层所 射孔炮眼数量及直径， 射孔炮眼数量及直径，以此来控制不同油层的 处理强度， 处理强度，获得所需要的产液剖面
（4） 优化施工设计 施工设计的优化就是指用最少的投入获得最大的经济 效益。一般从三个方面来考虑： 效益。一般从三个方面来考虑： 以油井生产期间加速开采为目的； ① 以油井生产期间加速开采为目的； 在最低费用下，施工方法和施工过程的改进和实现； ② 在最低费用下，施工方法和施工过程的改进和实现； 对于长期开采，以获得最高采收率。 ③ 对于长期开采，以获得最高采收率。
水力压裂原理
水力压裂造缝机理 形成水力裂缝的条件： 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
三向主应力： 三向主应力： σX、σY、σZ
裂缝垂直于最小主应力
水力裂缝形态： 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
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
（3）施工材料的选择 压裂液、 压裂液 、 添加剂和支撑剂的选择是压裂设计的一个重要环 它们的特性将直接影响压裂增产效果。 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、 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 及费用和来源。 透率及与储层渗透率的比较， 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， 可输运性，也要考虑费用及来源
我国在五十年代起已开始进行水力压裂技术的研究，迄 今为止已取得了很好的技术成就与较高的经济效益 大庆油田1973年开始采用水力压裂作为油田增产增注的 一项重要技术措施，至今已有30年的历史。随着油田的 开发进程，针对不同时期不同对象及其对于改造技术的 不同要求，压裂工艺技术不断发展、完善和提高
水力压裂是油气井增产、 水力压裂是油气井增产、水井增注的一项重要技术 措施。 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， 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。 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。 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 由于它具有很高的渗滤能力， 井中， 井中，起到增产增注的作用
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 进入九十年代以后，水力压裂逐渐成为决定低渗透油田开 发方案的主导因素。在研究制定低渗透油田开发方案时， 按水力裂缝处于有利方位确定井排方位；通过研究分析不 同井网、布井密度及裂缝匹配对各项开发指标的影响，以 提高油田整体开发效果和经济效益为目标，确定井网类型、 布井密度和压裂施工规模，使水力压裂与油藏工程结合的 更加紧密，使低渗透油田的高效开发成为可能
压裂
地质资料、测井、录井、岩心资料 地质资料、测井、录井、 小型压裂测试 支 撑 剂 优 选 压 裂 液 优 化 裂 油藏模拟 地应力研究
滤 失 分 析
摩 阻 分 析
应 力 校 正
设 计 完 善
压裂
油藏地质概况
构造位置、特征、沉积特征 构造位置、特征、 储层分布、物性特征、 储层分布、物性特征、流体特征 储层深度、厚度及其展布 储层深度、 压力、 压力、温度 岩性特征：长石含量、石英含量、 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、 含油面积、储量
二、前缘脱砂压裂工艺技术
通过控制前置液用量和施工排量， 通过控制前置液用量和施工排量， 使携砂液达到动态 缝尖端附近时，前置液完全滤失， 缝尖端附近时， 前置液完全滤失， 前置液脱砂形成砂 堵 ， 阻止裂缝进一步延伸。当地面继续加砂时，裂缝 阻止裂缝进一步延伸。 当地面继续加砂时， 长度不再增加，但宽度不断增大， 长度不再增加， 但宽度不断增大，从而形成短而宽的 高导流能力裂缝
计算炮眼摩阻碍的公式为： 计算炮眼摩阻碍的公式为：
3.57Q ρ 6 P pf = × 10 2 4 nd
式中： 炮眼摩阻， 式中：Ppf：炮眼摩阻，10-1MPa; Q: 注入排量， /min； 注入排量，m3/min； ρ：压裂液密度，kg/m3 压裂液密度， n：射孔炮眼数量； 射孔炮眼数量； d：炮眼平均直径，mm 炮眼平均直径，
2
投球法多裂缝压裂工艺技术
可用于常规射孔井，根据压开层位吸液能力高的特点， 可用于常规射孔井，根据压开层位吸液能力高的特点，在 一个压裂层段内压开第一层后， 一个压裂层段内压开第一层后，在低压下挤入高强度暂堵 剂将已压开层的炮眼堵住，提高泵压压开第二层，然后再 剂将已压开层的炮眼堵住，提高泵压压开第二层， 堵第二层再压第三层，这样可在一个层段内形成多条裂缝， 堵第二层再压第三层，这样可在一个层段内形成多条裂缝， 达到一井压多段，一段压多层， 达到一井压多段，一段压多层，提高油井产能
3、克服井底附近地层的污染 压裂后的裂缝可以解决井底污染所造成的低产后果。为 此目的所进行的压裂可以是小规模的，只要穿过堵塞区 的深度即可。但是对裂缝的导流能力却要求很高。因为 井底附近裂缝的渗透率在油气生产中是个关键
水力裂缝模型
为 矩 形 ， 裂 缝 高 度 恒 定
剖 面 均 为 一 椭 圆 ， 垂 直 剖 面
（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， 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， 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 缝延伸和支撑剂运移等动态过程进行模拟 ， 较准确地预见施工过程及结果
水力压裂原理
大庆油田有限责任公司采油工艺研究院
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， 以追求单井增产增注效果为目标，没有考虑实施压裂措 施后，对油田开采动态和开发效果的影响 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
水力压裂增百度文库机理
2、沟通油气储集区 由于地质上的非均质性，地层中有产能的地区并不一定 与井底相连通。例如：砂层中透镜体，三角洲沉积的砂 体等不一定都被井所钻穿。通过压裂所形成的人造裂缝， 可以将它们与井底沟通起来，就增加了新的供油区，大 型压裂压出的较长裂缝甚至可将几个透镜体压穿，沟通 油气储集区是压裂增产的重要原因 对于天然裂缝油藏，在于人工裂缝沟通天然裂缝 裂缝
定位平衡压裂技术
首先建立在水平裂缝的前提下， 首先建立在水平裂缝的前提下，在常规射孔井进 行水力压裂时， 行水力压裂时，在一定的排量下通过节流产生压 使定位压裂封隔器坐封。 差，使定位压裂封隔器坐封。利用定位平衡压裂 封隔器上的长胶筒和喷砂体的组合来控制压裂目 的层的裂缝形成的位置和吸液炮眼的数量， 的层的裂缝形成的位置和吸液炮眼的数量，达到 裂缝定位和使目的层产生水平裂缝的目的。 裂缝定位和使目的层产生水平裂缝的目的。在需 要保护的薄夹层的邻近高含水部位装有平衡装置， 要保护的薄夹层的邻近高含水部位装有平衡装置， 该装置只进液不进砂， 该装置只进液不进砂，使高含水层与压裂目的层 处于同一压力系统中， 处于同一压力系统中，夹层上下压力平衡而得到 保护。通过大排量施工， 保护。通过大排量施工，依靠压裂液通过吸液炮 眼所产生的摩阻，大幅度提高井底压力， 眼所产生的摩阻，大幅度提高井底压力，从而相 继压开破裂压力相近的各个目的层， 继压开破裂压力相近的各个目的层，一次施工可 压开3 个目的层。 压开3-5个目的层。
三、复合压裂工艺技术
复合压裂技术是指对同一油层在较短时间内，先后采 复合压裂技术是指对同一油层在较短时间内， 取高能气体压裂和水力压裂技术进行改造
压裂优化设计
大庆油田有限责任公司采油工艺研究院
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， 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。 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、 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， 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 它应在油层参数和设备现有条件下选择出既经济又有 效的压裂增产方案
其它压裂工艺技术
一、滑套式分层压裂工艺技术
滑套式分层压裂管柱由投球器、井口球阀、 滑套式分层压裂管柱由投球器、井口球阀、工作 筒和堵塞器、水力压差式封隔器、 筒和堵塞器、水力压差式封隔器、滑套喷砂器组 成。其原理是利用不压井、不放喷井口装置、井 其原理是利用不压井、不放喷井口装置、 下工作筒和堵塞器，可使压裂管柱实现不压井、 下工作筒和堵塞器，可使压裂管柱实现不压井、 不放喷起下作业。利用井下滑套喷砂器多级开关， 不放喷起下作业。利用井下滑套喷砂器多级开关， 自下而上实现多层压裂。当每压完一层时， 自下而上实现多层压裂。当每压完一层时，从井 口投入不同直径的钢球， 口投入不同直径的钢球，将滑套憋到已压开层的 喷吵器上将其水眼堵死， 喷吵器上将其水眼堵死，同时打开上一层喷砂器 的水眼，开始对上一层进行压裂， 的水眼，开始对上一层进行压裂，从而实现不动 管柱一次连续压多层。 管柱一次连续压多层。
（2）压裂井的产量预测 在知道影响产能因素（如渗透率、裂缝几何尺寸等） 在知道影响产能因素（如渗透率、裂缝几何尺寸等）的条件 下，可进行压裂井的生产动态模拟，以预测产量，为优化施 可进行压裂井的生产动态模拟，以预测产量， 工设计提供依据。对垂直裂缝， 工设计提供依据。对垂直裂缝，缝高对压裂增产效果也有很 大影响。总缝高增加合理，可以提高增产效果， 大影响。总缝高增加合理，可以提高增产效果，这主要是由 于获得与井筒相连通的新的产层而引起的。否则， 于获得与井筒相连通的新的产层而引起的。否则，缝高过大 进入非产层，使有效支撑缝长减小而降低增产效果。 进入非产层，使有效支撑缝长减小而降低增产效果。甚至缝 高延伸失控， 高延伸失控，可能会导致不希望的气或水产出