水力压裂造缝机理
水力压裂技术
支撑剂回流控制技术
重复压裂技术
新的压裂优化设计技术
连续油管压裂酸化技术
利用压裂压降曲线认识储
低伤害或无伤害压裂酸化技术
层技术
压裂防砂与端部脱砂压裂技术
大型压裂控制缝高技术
人工裂缝诊断技术
支撑剂段塞消除近井筒裂
水平井压裂酸化技术
缝摩阻技术
压裂过程的计算机自动化控制与
（3）复杂岩性储层改造技术；
（4）新型压裂材料和新工艺技术。
一. 水力压裂造缝及增产机理
1.1 水力压裂施工概述
压裂施工工艺流程
循环、试挤、压裂、加砂、顶替、压力扩散、施工结束
一. 水力压裂造缝及增产机理
压裂施工时液体的流动过程
一. 水力压裂造缝及增产机理
一. 水力压裂造缝及增产机理
二是经济评价：评价压裂效益，既投入与产出的关系，判断经济合理性。
一. 水力压裂造缝及增产机理
1.2 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。
' po
其中 ' 为有效应力(Effective Stress)；
压裂液伤害机理
应力敏感性
二、新材料研究
清洁压裂液
低分子压裂液（可重复使用
）
缔合压裂液
VDA（清洁自转向酸）
改变相渗特性的压裂液
超低密度支撑剂
清洁泡沫压裂液
绪 论
（一）国外水力压裂技术现状（总体：成熟、系统配套）
三、现场应用研究
目前的领先技术
裂缝诊断
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
水力压裂的工艺过程
水力压裂：
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。
一、油井应力状况
(一)地应力
z
y
垂向应力：上覆层的岩石重量。
Z S gdz
0
H
x
Z Z Ps 有效垂向应力：
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：
1 x1 x E
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
压裂的定义：
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。
压裂的种类：(根据造缝介质不同)
水力压裂 高能气体压裂 利用特定的发射药或推进剂在油气井的目 的层段高速燃烧，产生高温高压气体，压 的液体二氧化碳和石英砂进行压裂， 干法压裂 利用100% 裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂 无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出 缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降 地层，可避免地层伤害。其关键技术是混合砂 低表皮系数，从而达到油气井增产的目的 子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适 的一种工艺技术。 用于对驱替液、冻胶或表面活性剂的伤害敏感 的地层，适合的储层包括渗水层、低压层及有 微粒运移的储层以及水敏性储层。
造缝机理概述
造缝机理概述第一节水力压裂概述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，当此压力大十井壁附近酌地应力和地层岩石抗张强度时一，便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高导流能力的填砂裂缝，使井达到增产增注的目的。
压裂增产倍数:压裂后与压裂前油井的采油指数之比称为压裂增产倍数。
压裂增产倍数越大，压裂效果越好。
地层系数:原地层的渗透率与有效厚度的乘积Kh，代表原地层让流体通过的能力。
导流能力:形成的填砂裂缝宽度与缝中渗透率的乘积WfKf，代表填砂裂缝让流体通过的能力。
水力压裂增产的原理为:(1)形成的填砂裂缝的导流能力比原地层系数大得多，可大几倍到几十倍，大大增加了地层到井筒的连通能力;(2)由原来渗流阻力大的径向流渗流方式转变为单向流渗流方式，增大了渗流截面，减小了渗流阻力;(3)可能沟通独立的透镜体或天然裂缝系统，增加新的油源;(4)裂缝穿透井底附近地层的污染堵塞带，解除堵塞，因而可以显著增加产量。
如图所示。
在水力压裂中，了解裂缝的形成条件、裂缝的形态(垂直或水平)、裂缝的方位等，对有效地发挥裂缝在增产、增注中的作用是很重要的。
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，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。
第二节地层的破裂压力及其影响因素地层开始形成裂缝时的井底注入压力称为地层的破裂压力Pf。
破裂压力与地层深度的比值称为破裂压力梯度α= Pf/H。
图1-2是压裂施土过程中井底压力随时一间的变化曲线。
水力压裂造缝机理
⽔⼒压裂造缝机理2．地应⼒场确定地应⼒场确定包括地应⼒⼤⼩和⽅向。
主要⼿段主要有：1) ⽔⼒压裂法微型压裂(mini-frac)压⼒曲线计算应⼒场。
2)实验室分析⽅法应⽤定向取⼼技术保证取出岩⼼样品的主应⼒⽅位与其在地层中主应⼒⽅位⼀致。
岩⼼从地下三向压应⼒状态改变到地⾯⾃由应⼒状态，根据岩⼼各⽅向的变形确定主应⼒⽅位和数值。
(1) 滞弹性应变恢复（ASR）基于岩⼼与其承压岩体发⽣机械分离后所产⽣的应⼒松弛，按各个⽅向测量应变并确定主应变轴。
并假定主⽅向与原位应⼒主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应⼒值。
(2) 微差应变分析（DSCA）从井底取出的岩⼼由于应⼒释放和应变恢复会发⽣膨胀，产⽣或重新张开微裂缝。
基于应变松弛作为“应⼒史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩⼼已经出现的应⼒下降成正⽐。
通过描述微裂隙分布椭球，即可揭⽰以前的应⼒状态。
根据和这些微裂缝相关的应变推断主应⼒⽅向，并从应变发⽣的最⼤⽅向估算出最⼩主应⼒值。
3) 测井解释⽅法利⽤测井（主要是密度测井、⾃然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中⼦测井、⾃然电位测井等）资料，⾸先基于纵横波速度与岩⽯弹性参数之间的关系解释岩⽯⼒学参数，再结合地应⼒计算模式获得连续的地应⼒剖⾯。
4) 有限元模拟根据若⼲个测点地应⼒资料，借助于有限元数值分析⽅法，通过反演得到构造应⼒场。
强烈取决于根据研究⼯区所建⽴的地质模型、数学⼒学模型和边界条件。
此外，测定地应⼒⽅向的常⽤⽅法还有声波测定、井壁崩落法、地⾯电位法、井下微地震法和⽔动⼒学试井等⽅法。
3．⼈⼯裂缝⽅位在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应⼒状态。
根据最⼩主应⼒原理，⽔⼒压裂裂缝总是产⽣于强度最弱、阻⼒最⼩的⽅向，即岩⽯破裂⾯垂直于最⼩主应⼒⽅向。
当s z最⼩时，形成⽔平裂缝（horizontal fracture）；当s y最⼩时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。
水力压裂造缝及增产机理
Δpsk
=
qBμ 2π kh
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）
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。
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)
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
水力压裂增产机理
水力压裂增产机理
水力压裂增产机理是指通过注入高压水来创造和扩大裂缝，从而增加油气储层的流动性和渗透性，进而提高油气产能。
水力压裂增产主要有以下几个机理：
1. 裂缝形成机理：在注入高压水的作用下，岩石受到应力作用而发生破裂，产生裂缝。
高压水会沿着裂缝扩展并迅速膨胀，推动裂缝进一步扩展和延伸，形成有利于油气流动的通道。
2. 高渗透性通道形成机理：水力压裂过程中，高压水会沿着裂缝进入岩层孔隙内，破坏岩层颗粒，排挤孔隙中的天然气或石油，同时降低颗粒之间的接触面积，增加岩层的渗透性。
这样，油气可以更容易地从储层中流出。
3. 水力压裂液引起的岩石吸附力降低机理：水力压裂液中添加的一些化学物质能够降低岩石表面的吸附力，使得岩石颗粒上的油气分子能够更容易地从岩石表面脱附，增加油气产能。
总之，水力压裂增产通过形成和扩大裂缝，增加储层的渗透性和流动性，以及降低岩石吸附力等机理，有效提高油气产能，实现更高的产油效益。
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2．地应力场确定
地应力场确定包括地应力大小和方向。
主要手段主要有：
1) 水力压裂法
微型压裂(mini-frac)压力曲线计算应力场。
2)实验室分析方法
应用定向取心技术保证取出岩心样品的主应力方位与其在地层中主应力方位一致。
岩心从地下三向压应力状态改变到地面自由应力状态，根据岩心各方向的变形确定主应力方位和数值。
(1) 滞弹性应变恢复（ASR）
基于岩心与其承压岩体发生机械分离后所产生的应力松弛，按各个方向测量应变并确定主应变轴。
并假定主方向与原位应力主轴相同，按已知的弹性常数和上覆岩层载荷情况间接计算应力值。
(2) 微差应变分析（DSCA）
从井底取出的岩心由于应力释放和应变恢复会发生膨胀，产生或重新张开微裂缝。
基于应变松弛作为“应力史”痕迹的思想，应变松弛形成的微裂缝密度和分布与岩心已经出现的应力下降成正比。
通过描述微裂隙分布椭球，即可揭示以前的应力状态。
根据和这些微裂缝相关的应变推断主应力方向，并从应变发生的最大方向估算出最小主应力值。
3) 测井解释方法
利用测井（主要是密度测井、自然伽玛测井、井径测井和声波时差测井以及中子测井、自然电位测井等）资料，首先基于纵横波速度与岩石弹性参数之间的关系解释岩石力学参数，再结合地应力计算模式获得连续的地应力剖面。
4) 有限元模拟
根据若干个测点地应力资料，借助于有限元数值分析方法，通过反演得到构造应力场。
强烈取决于根据研究工区所建立的地质模型、数学力学模型和边界条件。
此外，测定地应力方向的常用方法还有声波测定、井壁崩落法、地面电位法、井下微地震法和水动力学试井等方法。
3．人工裂缝方位
在天然裂缝不发育的地层，压裂裂缝形态取决于其三向应力状态。
根据最小主应力原理，水力压裂裂缝总是产生于强度最弱、阻力最小的方向，即岩石破裂面垂直于最小主应力方向。
当s z最小时，形成水平裂缝（horizontal fracture）；当s y最小时，形成垂直裂缝(vertical fracture)。
对于显裂缝地层很难出现人工裂缝。
而微裂缝地层可能出现多种情况，人工裂缝面可以垂直于最小主应力方向；也可能基本上沿微裂缝的方向发展，把微裂缝串成显裂缝。
二、破裂压力
地层岩石破裂前，井壁最终应力场为钻孔应力集中、向井筒注液产生的应力、注入压裂液径向滤失诱发应力的迭加。
基于最终应力分布结合岩石破裂准则确定破裂压力计算公式。
1．井壁最终应力分布
1）井筒应力分布
对于裸眼井，记井眼半径为r w。
钻井完成后地层中应力分布可视为无限大均质各向同性岩石平板中有一圆形孔眼时的应力状态，。
记压应力为正、张应力为负，根据弹性力学理论计算图中任意点(r ,q) 处的应力分布。
离井壁越远，周向压应力迅速降低，径向压应力逐渐增加；而且大约几个井径之后，周向压应力降为原地应力，径向应力增加到原地应力。
实际上，由于岩石的抗压强度比抗张强度大得多，而且钻井孔眼引起的应力集中使得井壁处应力大于原地应力，因此，水力压裂造缝时主要关心的应是井壁处的周向应力s q。
通常记s x>s y，则
当q=0°或180°，井壁处周向应力最小。
s qmin = 3s y-s x
当q=90°或270°，井壁处周向应力最大。
s qmax = 3s x-s y
对于套管完成井，考虑到水泥环与岩石的力学性质比钢材与岩石的力学性质差别小得多，可按双层厚壁圆筒的弹性力学理论计算井筒周围的应力状态。
2）向井筒注液产生的应力分布
为了在井壁的薄弱处人为诱发裂缝，需要向井筒注入高压液体使井底压力迅速提高。
将裸眼井筒周围岩石系统视作具有无限壁厚、且承受内外压力的厚壁圆筒，按弹性力学理论计算其应力分布
注入压裂液在井壁周围各个方向上所产生的应力均为张应力，因此，向井筒注液有利于撕开地层。
同时，注液产生的应力沿井轴半径逐渐衰减，在井壁处产生的张应力近似为注液压力，离井轴越远，应力越小。
3）注入液径向渗入地层引起的应力
注入液径向渗入近井筒地带产生另外一个应力区，增大了井壁周围岩石应力。
4）井壁最终应力分布
地层岩石破裂之前井壁周围应力为上述几种应力迭加，总存在两个方向（如果s x > s y，在q=0°，180°方向）受到的周向应力最小
可见，离开井壁较远处，周向应力仍为压应力，但在井壁附近为张应力，因而，水力压裂能够形成人工裂缝。
2. 水力压裂造缝条件
岩石破坏准则是衡量有效主应力间的极限关系。
超过该极限值，就出现不稳定或破坏。
岩石破裂准则很多。
水力压裂中常用最大张应力准则，认为施加于裂缝壁面的总有效应力一旦达到物体的抗张强度s t地层就会破坏。
令孔隙弹性常数为1，分别研究裸眼井水力压裂中垂直裂缝和水平裂缝形态相应的造缝条件。
地层破裂极限条件下的注入压力即为地层破裂压力(fracture pressure)。
1) 形成垂直裂缝
如果注入压裂液滤失到地层，井壁上有效周向应力为周向应力与注液压力p i之差，即
由最大张应力准则，当井壁岩石的周向应力达到井壁岩石水平方向的最小抗张强度时，岩石将在垂直于张应力方向脆性断裂而形成垂直裂缝。
2）形成水平裂缝
当注入压裂液向地层滤失，将增大垂向应力。
其增量与水平方向应力增量相同，
综合前述推导分析可得：无论是形成垂直裂缝或水平裂缝，压裂液向地层滤失时，由于流体传递了该压力而使破裂压力有所降低。
但压裂液向地层滤失增加了地层污染可能性。
3．破裂压力梯度
破裂压力梯度(fracture pressure gradient)定义为地层中某点破裂压力与该点深度的比值，
1) 理论计算。
忽略构造应力和岩石抗张强度影响。
对于均匀水平应力场，假设孔隙弹性常数为1，
忽略了构造应力和岩石抗张强度影响，因而与实际情况存在一定差异。
2）统计方法。
油田使用的地层破裂压力梯度通常是根据大量的压裂实践统计出来的。
一般范围在15~25 kPa/m之间，个别地区可达36 kPa/m。
根据破裂压力梯度可以大致估算压裂裂缝形态。
当αF < 15～18 kPa/m, 形成垂直裂缝；
当αF > 22～25 kPa/m, 形成水平裂缝。
三、降低破裂压力的途径
当地层破裂压力较高，通过优化施工参数、压裂管柱和压裂液性能，压裂泵车仍无法有效破裂地层时必须设法降低地层破裂压力。
主要途径包括：
1. 改善射孔参数
应力场与地应力状态(大小、方向)、射孔孔眼参数（直径、孔深和孔密）、射孔压力、孔眼方向与地应力方向的夹角等有关。
因此，优化射孔参数、改进射孔工艺可以降低破裂压力。
2. 酸化预处理
主要机理是溶解胶结物成分而降低岩石胶结强度和清洁射孔孔眼降低的破裂压力。
后者的影响体现在：①增加孔眼有效深度和孔径而大幅度降低破裂压力；②解除射孔污染，提高孔眼周围渗透率而减低破裂压力。
3. 高能气体压裂
推进剂引爆以后，爆轰压力波携带巨大能量瞬间到达井壁，首先在井壁上激起应力波，衰减很快，在地层形成一次裂缝；然后对地层的加载方式变得更复杂，随着传播距离增加，应力波幅值递减，作用能量下降，直到不能破岩的应力波称为弹性波，使岩石进一步破碎、延伸一次裂缝和形成二次裂缝。