油井压裂设计

Vrp p (1 p ) / K f
试中 ρp——支撑剂的密度，lbm/ft3;
φp——支撑裂缝的孔隙度； Kf——裂缝的渗透率（支撑剂在裂缝中的渗透率)
支撑剂优选
设计考虑
不同类型的支撑剂相对体积与闭合压力的关系曲线
支撑剂优选
设计考虑
当闭合压力提高时，支撑剂相对体积（ RPV ）相应提高， 但对于低强度支撑剂来说因其渗透率和孔隙度小而更为有利。
控制液体滤失也期望对基质的伤害最小化。 压裂高渗透地层，若压裂液不能有效破胶，会显著影响压后产量。
特别对需要高导流的高渗透地层，压裂液对支撑带的伤害比对基质的 伤害严重得多。
粘度影响
设计考虑
高粘度交联压裂液技术的发展，使温度对粘度降解作用最小
化。 因涉及支撑剂输送问题，在压裂设计中总是设计出比实际需要 更高的压裂液粘度。
裂缝形态模拟
三维模型需要较多的数据，主要为地应力与杨氏模量剖
面。地层参数可从对数分析，岩心测试和注入测试的压力解 释中获得。
反模拟和注入压力历史拟合（ Bhalla和 Brady， 1993； Gul－rajanil996）也可以用来确定未知的参数。

测井分析的应力剖面需要依据应力测试标准化或直接从 注入压力数据获得。

支撑剂加入速度程序化，其目的在于防止灾难性的事件如脱砂的 发生。

在压裂过程中加砂程序由支撑剂浓度渐进增加的加入表组成，同 时加砂程序要依赖现场经验，加砂程序对避免脱砂是保守的。

经济敏感性
压裂与储层渗透率和表皮系数的经济敏感性
泵注程序
使用三年的 NPV值来确定不同渗透率和表皮系数下的 优化的裂缝长度。表中列出了优化的裂缝长度值，该例中表 皮系数保持不变。
（10）环境安全；
（11）经济实惠。
不满足最后二项，该压裂液体系就不能应用。
压裂规模
设计考虑
压裂液粘度和滤失特性对于裂缝延伸和支撑剂铺置是 起作用的，当然也应当考虑其它特性。所选压裂液的选择原 则为：

液体滤失
设计考虑
液体滤失影响造缝长度与裂缝闭合时间；
液体滤失可使用砂、表面活性剂、液态碳氢化合物和气体来改善；
单位费用包括：
①压裂液与添加剂； ②配液费用； ③运输、保管费用（通常含其它固定费用）
经济优化
设计考虑
（2）支撑剂费用=美元/单位×单位支撑剂。 单位费用包括：
①支撑剂；
②支撑剂运输与保管费用； ③支撑剂泵注费用。 （3）水马力费用=美元/马力 ×注入排量×地面施工压力／ 40.8×马力系数
经济优化
投资回报率。 现值表示在一定的贴现率下相对于目前时间的未来现金流量的总 和（收入与支出）。

净现值（NPV）反映的是项目本来现金流量现值与投资现值的差 值。

投资回报率（ DROI）是指项目的净现值与在一定的贴现率下总 投资的现值之比，DROI是投资项目有效性的一个重要衡量指标。

经济分析一般概念

支撑剂优选
设计考虑
RPV值、每种支撑剂的费用与闭合压力的关系如下：
压裂规模
设计考虑
通过考虑支撑剂输送、液体滤失、水马力与限压等因素， 压裂液与泵注排量已选定，那么设计中主要考虑的其它因素就是 施工规模、支撑剂类型和泵注程序。

压裂规模应当由前面讨论过的经济优化的裂缝支撑长度来 确定。

压裂规模

地层参数来源
用岩性校正就地应力
裂缝形态模拟
三种不同孔隙压力油藏泊松比与应力梯度的关系
当孔隙压力梯度提高时，应力比对泊松比 v的影响减弱。还可看 到，在纯净砂岩中由于孔隙压力的降低而导致的应力降低较大。
压裂设计

泵注程序
泵注程序
泵注程序
压裂设计的目标是提供压裂液与支撑剂注入的程序。
泵注程序反映的是获得理想裂缝长度的压裂液用量、粘度剖面与 获得理想导流能力的支撑剂数量与类型。
常规加砂程序
混砂液浓度为1ppg和2ppg时的支撑剂浓度剖面
泵注程序
常规加砂程序
泵注程序
下图表示的是均匀浓度的加砂程序，它依据Sidebar 6L的方程以各种 效率的形式表示。
由上图或联立方程可用来设计一个加砂程序使砂浓度剖 面均匀，同时给出一个快速的计算程序。
常规加砂程序
泵注程序
为简化模拟和实际操作的需要，连续的、斜坡式的加砂程序总是以 阶梯状增加的形式出现，下图表示的是一个压裂液效率为 0.5的加砂程 序。
压裂优化设计方法
经济优化设计的基本方法：
设计考虑
（9）计算压裂液、支撑剂和水马力等总的压裂施工费用。 （10）通过井净收益减去压裂费用，计算压裂净现值NPV。 （11）增加裂缝长度重复计算前面的过程直到NPV值下降或达到 最大裂缝长度。 （ 12 ）绘制压裂 NPV 或其他经济指标与裂缝支撑长度的关系曲 线可以看到，当NPV值随着裂缝支撑长度的增加开始下除时，累 计产量仍继续上升。
裂缝导流能力
设计考虑
20/40目石英砂在裂缝中支撑剂铺置浓度与支撑裂缝宽度的关系
无量纲裂缝导流能力
设计考虑
不同无量纲裂缝导流能力CfD 下与产量倒数1/qD的关系曲 线，容易比较裂缝导流能力对产量的影响
无量纲裂缝导流能力
在特殊情况下导流能力的选择：
设计考虑
支撑剂量恒定，优化CfD：
渗透率大于1mD时，优化的CfD为1.26； 渗透率小于0.1mD时，优化的CfD为3。
裂缝导流能力
设计考虑
除压裂液残液的伤害外，裂缝中的支撑剂铺置浓度和破碎决定 了油井生产过程中的导流能力。

支撑剂的优化选择通过裂缝导流能力与附加费用或施工风险的 潜在关系来进行。

支撑剂性能、闭合压力、聚合物伤害、压差、沉砂和支撑裂缝 宽度等因素都将影响裂缝导流能力。

裂缝导流能力

设计考虑
产量模拟中，裂缝导流能力常考虑为均匀的。随着裂缝模拟和 产量模拟的发展，可以使导流能力分成水平(Bennett等人)与垂直（ Poe等人 ）两个变量来模拟。
简介
投资回报（ROI）指项目在不贴现条件下的现金流童与不贴现
条件下投资总额的比值，它没有考虑资金的时间价值。 回收期是项目累计现金流量等于零的时间，回收期没有考虑资 金的时间价值和项目达到回收期后的现金流量的重新回收。

收益率或利益率指数，是一种考虑了贴现影响的净现金流量的 现值等于零时的复合利率，它类似于在当前情况下投资被当成了 现金来回收。
经济敏感性
生产收益与 NPV值见下图
泵注程序
10mD的地层总的生产收益最高，其余随渗透率的降低而降低。 由于压前产量高， 10mD储层净收益（压后减压前）低；渗透率从 1.0到0.1mD 净收益提高，而从0 .01到0.001 mD净收益降低。
常规加砂程序
常规压裂优化设计应当是这样的：
泵注程序
前置液全部滤先进地层，泵注结束时支撑剂达到裂缝端部， 形成充满支撑剂的裂缝，获得相当均匀的支撑宽度和足够的导 流能力使生产过程中的压力降最小。
压裂优化设计方法
经济优化设计的基本方法：
（5）确定所选模型的输入数据。
设计考虑
（ 6 ）通过前面的模拟确定裂缝穿透率及导流能力，或反过来模拟在 所需的裂缝穿透率下的液量及砂量，确定优化的前置液百分数。 （ 7 ）在特定的裂缝支撑长度及导流能力下确定压后产量及所选期限 内的累计产量。 （8）计算在一定贴现率下产量净收入的现值（例如所选期限内每一 年的现值）。
常规加砂程序
采用以上的加砂程序得到下面的模拟结果
泵注程序
上图说明了从泵注结束到闭合过程中支撑剂的运移情况。
常规加砂程序
泵注程序
如果在混砂液前注入的前置液过量，它可能继续延伸裂缝。前述 模拟的支撑剂铺置浓度剖面与用2倍前置液量的比较结果见下图
端部脱砂

泵注程序
高渗油藏的水力压裂与常规低渗油藏压裂的区别在于要获得 高导流能力的短缝。 提高导流能力的技术包括：提高支撑剂的大小使其不产生细 粒物质进入裂缝充填层、提高砂浓度、使用助排剂和使用端部脱 砂技术（TSO）。
（1）确信支撑剂泵注程序不会引起脱砂； （2）确定理想缝长下的压裂液与支撑剂量； （3）确定在产层内能提供足够的裂缝导流能力的裂缝面单位面积 下的支撑剂铺置浓度。
模型选择
裂缝形态模拟
二维 PKN ，拟三维和多层油藏中的多层裂缝模型（ MLF ）的 裂缝宽度示意图如 下
模型选择
平面三维模型模拟水力裂缝耗费时间；

聚合物的浓度取决于泵注过程中各阶段的剪切时间与温度。
在裂缝中最大温度下压裂液的剪切时间和在该温度下聚 合物浓度的变化见下图

这不仅节约聚合物的费用，也是减少聚合物对支撑剂充填层渗透率的伤 害和减少超过临界净压力的威胁使裂缝有效延伸的需要。

聚合物浓度愈高，压裂液效率愈高。
粘度影响
设计考虑ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
闭合前各种液体在裂缝中的曝光时间以及在裂缝中达到各种 温度前的曝光时间
压裂规模

设计考虑
压裂液应当满足的条件：
（1）适当的滤失控制； （2）输砂过程中的粘度稳定性；
（3）与地层岩石和油藏流体的配伍性；
（4）管路中低摩阻； （ 5 ）对支撑剂渗透率伤害最小 ；
（6）破胶与返排可控；
（7）容易混配；
压裂规模

设计考虑
压裂液应当满足的条件：
（8）处理难度小； （9）操作安全；
缝长恒定，优化CfD：
CfD的优化范围是10~30
定缝长，变导流能力
支撑剂优选
设计考虑
支撑剂优选主要是优化支撑剂渗透率或导流能力以及与此 有关的费用和效益。

渗透率最高的支撑剂并不总是优化的，还应考虑其数量、 费用及其导流能力。

支撑剂优选
设计考虑
支撑剂的相对体积表示获得一定导流能力所需的支撑剂 数量。表达式如下：
第十章 压裂设计

简介
简介
压裂增产措施通常用来解决地层伤害和低渗储层提高产 量与可动用储量、控制产水与防砂问题。要达到此目的需要应 用不同的压裂设计技术。


压裂设计评估技术对确定何种方法最优至关重要。
压裂经济优化技术可用来进行该项评估 。
经济分析一般概念
简介
贴现率表示资金的时间价值，它用来权衡相对于投资风险的项目

NPV的设计
简介
固定费用已定条件下的各种压裂用量与砂浓度的NPV值如下：
NPV的设计
简介
图中曲线说明：中强度支撑剂总是最优的。在130000lbm以下，最大砂浓度 10ppg最优；超过130000lbm,当砂浓度为14ppg时，经济效益最好。
压裂设计
设计考虑
经济优化
设计考虑
压裂施工费用包括各种可变费用和与施工规模无直接关系的 固定费用： （1）液体费用=美元/单位×单位液体。
泵注排量
设计考虑
压裂施工排量的选择取决于多种因素。通常，提高裂缝宽
度、降低滤失时间、提高压裂效率需用高排量，高排量也直接 用来改善携砂能力。 压裂管柱的尺寸和相应的摩阻压力通常限制了泵注排量， 地面压力的提高增加了水马力和费用。

压裂设计

裂缝形态模拟
模型选择
裂缝形态模拟
模拟裂缝几何形态和支撑剂铺置的步骤如下：
设计考虑
中强度支撑剂与石英砂在 10 、 14 、 16PPg 等砂浓度下的 NPV与裂缝支撑长度的关系曲线 如下
压裂规模
设计考虑
由上图可见，

石英砂在10ppg砂浓度下的NPV值最小。


以一年为限，其优化的缝长为500～600ft。
高 渗 透 率 与 高 价 格 的 支 撑 剂 在 16ppg 砂 浓 度 下 缝 长 为 900ft时 ，NPV提高了 35％。
设计考虑
（4）其他固定费用： ①动迁费；
②人员；
③备井； ④排液费用（连续油管，配液费用等，如果没有包含在单位 液体费用中）
压裂优化设计方法
经济优化设计的基本方法如下：
（1）选择适合地层的压裂液体系。
设计考虑
（2）选择在闭合压力下能提供地层所需导流能力的支撑剂。 （3）依据井口及管柱限压确定最大允许排量。优化的排量应当满 足当排量增大时滤失减小、水马力提高。 （4）在就地应力、实验室测试、测试压裂和测井分析的基础上， 选择适合地层特征和压力动态的近似的裂缝扩展模型（拟三维或 三维）。

裂缝形态模拟
2D模拟虽然耗时较少，但结果相对简单； 拟三维模型为一种折衷模型，它用来进行水力压裂施工评价；
压裂压力历史拟合常被用来划分裂缝延伸的各种模式，工程师 使用该方法选择近似的裂缝模型和求取如压裂液效率和净压力等 重要的裂缝参数；

裂缝模型通常用试并和产量历史拟合方法来验证。
地层参数来源

垂直剖面上的两个区域受导流能力的不同标准影响
（1）裂缝底部的砂堤区，支撑带宽度等于造缝裂缝宽度；
（ 2）上覆混砂液高浓度区，闭合时该区的支撑宽度和高度受 支撑剂浓度与闭合时间的影响。
裂缝导流能力
裂缝导流能力与支撑剂铺置的典型关系
设计考虑
由图可知：提高支撑剂铺置浓度使支撑剂铺置成多层 从而提高裂缝导流能力