水力压裂造缝及增产机理

52
1.4 水力压裂增产机理
由流体流动的连续性 q1 = q2 = q
pe
−
ps
=
qBμ ln re / rs 2π kh
ps
− pwf
=
qBμ ln rs / rw 2π ksh
pe
−
pwf
=
qBμ ln re / rw 2π kh
伤害 距离
k=
ln re / rw
1 k
ln
re
/
rs
+
1 ks
32
1.2 水力压裂施工概述
压裂工程设计软件：
z油藏模拟与压裂设计分析系统 z水平缝脱砂压裂设计软件 zWINQSW全三维压裂设计软件 zFracproPT压裂设计软件 zStimPlan全三维压裂设计软件包 z裂缝性储层测试压裂诊断系统 z综合柱状地应力剖面分析系统 z井筒崩落及横波各向异性地应力方位分析系统
第一部分 水力压裂技术
第1章 水力压裂造缝及增产机理
1.1 水力压裂技术发展现状 1.2 水力压裂施工概述 1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态 1.4 水力压裂增产机理
2
1.1 水力压裂技术发展现状
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。
7
我国水力压裂技术发展及现状
1、工艺技术方面：
压裂方式:笼统压裂（Commingled Hydraulic Fracturing） 分层压裂（Separate Layer Fracturing）
压裂工艺:滑套式（Sliding Sleeve）分层压裂 选择性压裂（Selective Fracturing） 多裂缝压裂（Multi-fracture HF) 限流法压裂(Limited Entry Fracturing) 平衡限流法压裂(Balanced LEF) 水平缝端部脱砂压裂(TSO in Horizontal Fracture) 热化学压裂工艺(Thermochemical Fracturing) 水平井压裂(Horizontal Well Fracturing) 斜直井压裂(Slant-Vertical Well Fracturing) 小井眼压裂(Slim Hole Fracturing)工艺 高能气体压裂(High Energy Gas Fracturing－HEGF）
8
我国水力压裂技术发展及现状
2、下井原材料方面，压裂液由初期的清水
(Riverfrac Treatment)、原油，发展到海藻、田菁(Sesbania Gum)、胍胶(Guar Gum)、香豆、魔芋、泡沫、高聚物 等，支撑剂由石英砂(Silica Sand)发展到陶粒(Ceramsite)、 以及核桃壳(Walnut Shell)、树脂砂等。
ln
rs
/
rw
k
ksrrww rs re
53
1.4 水力压裂增产机理
Δpsk
=
pw' f
−
pwf
=
qBμ ⎛ k
2π
kh
⎜ ⎝
ks
−
⎞ 1⎟
⎠
ln
rs rw
令：s
=
⎛ ⎜ ⎝
k ks
−
⎞ 1⎟
ln
⎠
rs rw
Δpsk
=
qBμ 2π kh
s
著名的Hawkins方程（1949年）
54
1.4 水力压裂增产机理
z
T(z)dz +
E
0
1−ν 2
z
εi(z)dz +
νE
0
1−ν 2
z
εj(z)dz
0
垂向应力作用 热应力作用
构造应力作用
38
Δl l
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
杨氏模量（ Young‘s modulus ）
F
泊松比（Poisson‘s ratio）
A
平面应变模量（Plane strain modulus）
另外，在设备、工具、管柱、水力压裂机理
（Fracture Mechanics）研究、设计软件开发方面也都取
得了长足进步。
第 一
节
9完
1.2 水力压裂施工概述
施工设备摆放
压裂液储罐
现场施工设 备必须按标 准摆放，以 利于协调指 挥和管理。
支撑剂
搅拌
添加剂
泵 车 组
压裂指挥
套管加压
井
常规施工泵入装置简图 11
•第四代压裂(1990’～)：大型压裂（Massive Hydraulic Fracturing－ MHF）、水力压裂作为一种开发方式，从油藏系统出发，应用 压裂技术。
6
1.1 水力压裂技术发展现状
近30多年来，水力压裂技术得到了快速发展，取得了众 多科研成果，形成了适用于不同地层温度条件的压裂液体系
压裂车组包括泵车、混砂车、罐车（液罐 车、砂罐车、添加剂罐车）、仪表车、水泥车。
18
1.2 水力压裂施工概述
泵
车
的
一是泵送液体
作 用
二是使液体升压
目前的2000型压裂车最高施工压力105MPa,最大单 车排量2.33m3/min。在1900r/min转速、45.9 MPa条件 下，单车排量可达1.87m3/min。完成一般油层压裂需要 3台泵车，进行探井压裂时，根据需要确定泵车数量。
发动机
仪表监控系统
输砂系统
管汇系统
液气控制系统
22
1.2 水力压裂施工概述
仪
表
车 的
一是控制泵车和混砂车的运行参数
作 用
二是适时记录及监测分析施工参数
25
1.2 水力压裂施工概述
要素2）施工管柱
施工管柱由油管和下井工具(封隔器、喷砂器)组成， 其作用：一是为传送施工压力提供通道 ；二是实现分层。 目前应用的施工管柱有普通滑套式分层压裂管柱、高砂 比管柱、55MPa压裂管柱等。
5
1.1 水力压裂技术发展现状
•第一代压裂(1940’～1970’)：小型压裂（Mini-fracturing） 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。
σy
σx
最小主应力（Least Principal Stress）
（σx >σy >σz或σy >σx >σz水平缝 Horizontal Fracture）
40
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
主应力倾斜角和最小主应力倾斜方向 是控制人工裂缝的延伸方向的决定性因素。 但是，裂缝形态也受断层、褶皱和天然裂 缝等因素影响。
Bμ
⎛ ⎜
ln
⎝
re rw
−
3 4
+
⎞ s⎟
⎠
Δp
=
qBμ 2π kh
⎛ ⎜ ln ⎝
re rw
−
3 4
+
⎞ s⎟
⎠
k
rw re
51
1.4 水力压裂增产机理
对有污染的井
q1
=
2π kh( pe − Bμ ln re
ps
)
rs
q2
=
2π ksh( ps Bμ ln
− rs
pwf
)
rw
k
伤害 距离
ksrrwenku.baidu.comw rs re
33
1.2 水力压裂施工概述
要素5）施工工艺 施工工艺是针对井层条件，为达到改造
目的而采取的合理施工方法。根据不同施工 井的改造要求，先后研究开发了普压、多裂 缝、选压、限流法等二十多项压裂工艺。
34
1.2 水力压裂施工概述
要素6）施工评价
施工评价
一是工艺评价
二是经济评价
工艺评价是为了评估压裂施工成 功与否、检验实际施工与设计的 符合程度和工艺的适应性,积累 经验，指导下步施工。
19
1.2 水力压裂施工概述
运载车
发动机
传动箱
压裂泵
仪表监控系统
液气控制系统
20
1.2 水力压裂施工概述
混
砂
车 的
一是把支撑剂与压裂液充分混合
作 用
二是为泵车提供充足的液体
最大排量15.9 m3/min, 最大输送砂量8165 kg /min,8个泵车接口。
21
1.2 水力压裂施工概述
运载车
混 砂 车(Blending Equipment)
经济评价是为了评价
压裂效益，既投入与
产出的关系，判断经
济合理性。
第
二
节
35 完
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
作用在地层岩石上的应 力分两部分：一部分被地层 流体承担，另一部分才是真 正作用在岩石的骨架上。作 用在岩石骨架上的应力为有 效应力。
σ ′ = σ − po 其中σ ′为有效应力(Effective Stress)；
1.2 水力压裂施工概述
压裂施工工艺流程
循环
试挤
压裂
加砂
替挤
扩散压力
施工结束
16
1.2 水力压裂施工概述
压裂液储罐 支撑剂储罐
压裂施工时液体的流动过程
混砂装置
加压泵
井口
地面管线
管汇
井下管线
喷砂器
油套环空
地层
射孔炮眼
17
1.2 水力压裂施工概述
完成一口压裂井施工的几个基本要素 要素1）施工设备
施工设备由地面设备和压裂车组两部分组 成。地面设备包括压裂管汇、蜡球管汇、压裂 井口装置；
30
1.2 水力压裂施工概述
要素3）下井原材料 包括压裂液和支撑剂两部分。 压裂液的主要作用一是造缝，二是携砂。 支撑剂的作用是支撑裂缝,增加裂缝的导流能力。
31
1.2 水力压裂施工概述
要素4）施工设计 是指导压裂施工的纲领性文件。其核心内容
是根据井层参数、下井原材料参数来优化压裂施 工参数（压力、排量、砂比、砂量、液量），最 终给出合理的施工工序表。
41
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
高角度裂缝（High Angle Fracture)
由于三向主应力的相对大 小，在大多数情况下，会产 生不同程度的偏离水平或垂 直方向的高角度裂缝。
地应力剖面（Stress Profile）
而且由于地应力剖面的变化， 在射孔区间涉及多个不同地应 力值的情况下，还会产生多裂 缝的情况。
σ为总应力(Total Stress)；
po为孔隙压力(Pore Pressure)。
36
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
σ3 三向主应力
σ1 > σ2 > σ3
σ2
σ1
σ1
σ2 τmax planes
σσ3 a = σ1
slip planes
σr = σ3
σr
垂向应力（Vertical stress）
ε
xx
=
Δl l
ε
yy
=
ΔD D
D
σ
xx
=
F A
E = σ xx , v = ε yy
ΔD/2
ε xx
ε xx
E
'
=
1
E −v
2
39
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
（σz
>σx
>
σ
垂直缝
y
Vertical Fracture）
σz
σz
(σz >σy >σx垂直缝）
σy
σy
σx σz
σx
最小主应力（Least Principal Stress）
3
1.1 水力压裂技术发展现状
1947年—美国首次水力压裂增产作业 60年代—单井的增产、增注措施 70年代—低渗透油田的勘探开发领域 80-90年代—中高渗透油田（端部脱砂压裂－TSO）
随着工艺技术发展和对油藏地质研究的不断深入，压裂 工艺技术的应用领域也不断拓宽，特别是用于调整层间 矛盾、改善驱油效率及低渗油田的整体压裂优化开发， 使压裂工艺技术成为提高采油速度和采收率及改善油田 开发效益的重要手段。
(Fracturing Fluid)、适合不同闭合压力(Closure Pressure)条件的支 撑剂系列(Proppant)，研制出高性能的施工设备，创建了新的
设计模型(Design Model)和分析、诊断方法(Analytical and Diagnostic Method)，使压裂工艺技术日趋完善，现已成为油田 开发过程中不可缺少的一项工艺技术。
应力值(MPa)
常规裂缝
复杂情况
1000
SH
深度 (m)
1300
Pay
1600
1900
Pay
Sh
Sv
一般情况下地应力随深度变化曲线
49
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
裂缝的复杂性
“千层饼”
第
三
“仙人掌”
节
50 完
1.4 水力压裂增产机理
一、污染井压裂增产机理 对没有污染的井
q = 2π kh( pe − pw' f )
Δpsk
=
qBμ 2π kh
σ 3 = σ z − po
水平应力（Horizontal stress）
σ 2 = σ y − po σ 1 = σ x − po
σa
三轴应力实验
37
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
垂向应力： 水平应力：
z
∫ σ z = ρ (z )gdz 0
∫ ∫ ∫ σH,h
=ν 1−ν
σz
+ Eα 1−ν
多裂缝剖面
42
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
σ3
局部微缝延节理面发展; 宏观裂缝受地应力控制
裂缝面
裂缝方向延伸面
σ3
岩石节理面
43
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
隔层 油层 隔层
理想形态垂直缝示意图
47
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态
理想与实际裂缝形态差别
48
1.3 水力压裂造缝机理及裂缝形态