水力压裂

携砂液
防止井筒沉砂。
水力压裂技术
压裂液的性能要求： ①滤失少： ③摩阻低： 造长缝、宽缝 取决于它的粘度与造壁性
②悬砂能力强：取决于粘度 摩阻愈小，用于造缝的有效功率愈大
④稳定性好： 热稳定性和抗机械剪切稳定性 ⑤配伍性好： 不应引起粘土膨胀或产生沉淀而堵塞油层 ⑥低残渣： ⑦易返排： 以免降低油气层和填砂裂缝的渗透率 减少压裂液的损害
1 x1 x E
x2

E
y
x3

E
z
水力压裂技术
由于存在侧向应力的约束，则：
x x1 x 2 x 3
令： x 得：
1 x y z 0 E



y
x y

1
z
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平 侧压系数 主应力为：
水力压裂技术
(二)井壁上的应力 1.井筒对地应力及其分布的影响
地层三维应力问题转化为二维方法处理
y H (1) 当 当 r ， ra a x (2) ， x y 时， (3) 随着 时， 2 2的增加， 3 H ， 2 x x y min 0 ,180 y
3
压缩并使油藏流 体流动的压差
使压裂液滤失于 储层内的压差 裂缝壁面滤 饼的压力差
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（三）具有造壁性压裂液滤失系数CⅢ
滤失系数CⅢ是由实验方法测定
加压口
滤 失 量 ml
α
Vsp
tg m
筛座 （含滤纸或岩心片） 出液口 图4-4 静滤失仪示意图
0
1
2 3min 4 时间，
图4-5 静滤失曲线
◆泡沫压裂液：
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压裂液滤失性
压裂液滤失到地层受三种机理控制： 压裂液粘度、油藏岩石和流体压缩性、压裂液造壁性 (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：
3 K P C 5.4 10 f
Pe re2 Pi ra2 Pe Pi re2 ra2 2 2 2 2 2 re ra r re ra


re=∞、Pe=0及r=ra时，井壁上的周向应力为：
Pi
即由于井筒内压而导致的周向应力与内压大小相等， 方向相反。
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3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力
2 a2 x a 4 1 r 4 cos 2
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2.井眼内压所引起的井壁应力
压裂过程中，向井筒内注入高压液体，使井内压力很
快升高。井筒内压必然导致井壁上产生周向应力。根 据弹性力学中的拉梅公式(拉应力取负号)：
当产生水平裂缝时，井筒内注入流体的压力等于地层 的破裂压力：
PF Ps
z tv
1
1 2 1
实验修正：
z tv PF Ps 12 1.94 1
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(三)破裂压力梯度(破裂梯度) 破裂梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。 各油田根据大量压裂施工资料统计出来的破裂梯度值为： (15～18)～(22～25) 根据破裂梯度的大小估计裂缝的形态：
滤失速度
C 0.005 m A
v
0.005m A t
C t
造壁液体的滤失系数
则

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实验压差与实际施工过程中裂缝内 外压力差不一致，则应进行修正：
Pf C C P
1/ 2
图4-7 动静滤失曲线比较图
图4-6 动滤失仪示意图
小于15～18时形成垂直裂缝
大于23时形成水平裂缝 深地层——垂直裂缝 浅地层——水平裂缝
水力压裂技术
压裂液
压裂液任务：
前置液 破裂地层、造缝、降温作用。一般用未交联 的溶胶。 携带支撑剂、充填裂缝、造缝及冷却地层作 用。必须使用交联的压裂液(如冻胶等)。 中间顶替液：携砂液、防砂卡； 顶替液 末尾顶替液：替液入缝，提高携砂液效率和
1/ 2
滤失速度为：
C v t
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(二)受储层岩石和流体压缩性控制的滤失系数CⅡ 当压裂液粘度接近于油藏流体粘度时，控制压裂液滤 失的是储层岩石和流体的压缩性。根据体积平衡方程 可得到表达式： 1/ 2 Cf—油藏综合压缩系数
滤失后 地层中 压力分 布示意 图
KC f C 4.3 10 P f
水力压裂技术
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。
1 2 3 y x Pi Pi Ps 1
水力压裂技术 二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件 当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗 拉强度时，岩石将在垂直于水平应力的方向上产生脆性 破裂，即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。 造缝条件为： h
t
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
水力压裂技术
(二)形成水平裂缝的条件
当井壁上存在的垂向应力达到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： Z tv
水力压裂技术
(四)综合滤失系数 压裂液的滤失同时受三种机理控制，综合滤失系数如下：
1 1 1 1 C C C C
CⅠ由滤失带压力差控制的，CⅡ是由压缩带压力差控制 的，CⅢ由滤饼内外压力差控制的。
根据分压降公式可以得到综合滤失系数的另一表达式：
C 2CC C
2 2 2 CC C2C 4C C2 C
水力压裂技术
水力压裂技术
(1) 造缝机理
(2) 压裂液 (3) 支撑剂 (4) 压裂设计
水力压裂技术 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。
水力压裂技术
压裂的种类：(根据造缝介质不同) 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 裂地层形成多条自井眼呈放射状的径向裂 缝，清除油气层污染及堵塞物，有效地降 高能气体压裂 低表皮系数，从而达到油气井增产的目的 的一种工艺技术。 利用100%的液体二氧化碳和石英砂进行压裂， 无水无任何添加剂，压后压裂液几乎完全排出 地层，可避免地层伤害。其关键技术是混合砂 干法压裂 子进入液体二氧化碳中的二氧化碳混合器。适 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。 水力压裂
⑧货源广、便于配制、价钱便宜。
水力压裂技术
压裂液类型
◆水基压裂液：
用水溶胀性聚合物(称为成胶剂)经交链剂 交链后形成的冻胶。施工结束后，为了使 冻胶破胶还需要加入破胶剂。不适用于水 敏性地层。
◆油基压裂液：
多用稠化油，遇地层水后自动破胶。缺点 是悬砂能力差、性能达不到要求、价格昂 贵、施工困难和易燃等。 基液多用淡水、盐水、聚合物水溶液；气 相为二氧化碳、氮气、天然气；发泡剂用 非离子型活性剂。特点是易于返排、滤失 少以及摩阻低等。缺点是砂比不能过高、 井深不能过大。


推导过程详见王鸿勋主编的《水力压裂设计数值计算方法》(石油 工业出版社，1998.6)
水力压裂技术 压裂液流变性
(一)各类压裂液的流变曲线
剪 切 应 力
1.牛顿压裂液(A曲线) D
2.假塑型压裂液(B曲线) 假塑型流体也称为幂律流体，随 剪切速率的增加，其斜率变小。 n n 1 KD
n n
d 4n
视粘度: 2.缝流
根据多相流 比较复杂 平板之间的层 理论计算 经验公式计算 流处理 幂律液体在裂缝中流动的本构方程： 视粘度:
2n 1 6 v f K 3n w
n n 1
3n 1 8v w K 4n d简化为无限大
水力压裂的工艺过程： 憋压 造逢 裂缝延伸 充填支撑剂 裂缝闭合
水力压裂技术 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。
H max H min
1 1 E 2 Z PS 2 E PS 2 1 1 1
1 1 E 2 Z PS 2 E PS 2 1 1 1
n
n 1
w
2n 1 K 3n
n
6v W
n
(三)摩阻计算 油管内摩阻、射孔孔眼摩阻、裂缝内摩阻压力降
水力压裂技术 支撑剂
填砂裂缝的导流能力：
在油层条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积，常用
水力压裂技术 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。