采油工程 第6章水力压裂
第6章++水力压裂力学
单元体模型将裂缝视为一系列相连的单元对待， 不需要对裂缝形态进行假设，但一般假设为平面 应变，流体垂向流动计算与裂缝几何形状之间没 有做完全耦合。
压裂设计是通过由Carter的方法得到与时间有 关的缝长与由Kern模型确定的缝宽之间反复迭代， 直到得到相容解
Nordgren（1972）
连续性方程（即质量守恒）：
qx qL
A0 t
（6.18）
q —— 流体通过某一横截面的体积流速 A—— 裂缝的横截面积（对于PKN模型为πwhf/4） qL——单位长度上滤失体积流速 qL 2hfuL
为了包括瞬时滤失Sp的影响，应该以 ww+(8/π)Sp代替ww 。
6.2.2.4 PKN 和 KGD 模型的假设
平面裂缝（裂缝沿最小主应力垂直方向扩展） 流动沿缝长一维流动 流体为牛顿流体 滤失特性由滤失理论（6.13）得到的简单表达式所控制 地层岩石为连续、均匀、各向同性的线弹性体 裂缝被认为缝高不变，完全在某一给定的地层中扩展
R3 23F3E2 312 2qit
（6.7）
整理得到R：
15
R12981Eqi22t22qit
（6.8）
6.2.2 水力压裂二维模拟
PKN模型
假设每一垂向截面独立作用，即假设截面的压力是由
高度控制的而非由缝长控制的。
在缝长远大于缝高的条件下成立 没有考虑断裂力学和缝端的影响，而主要考虑了缝内
006—水力压裂
造缝(Fracture Initiation)机理 应力状况、裂缝形成条件 压裂液(Frac fluid) 类型、滤失性、流变性 支撑剂(Proppant) 性能要求、类型、在裂缝的分 布特性、选择 压裂设计 裂缝参数计算、压裂效果评价
高导流能力的填砂裂缝
降低流体渗流阻力 高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小 降低流体渗流阻力，高渗透性的填砂裂缝的流动阻力很小
第一节 造缝机理
地层应力关系
第一节 造缝机理
原始地层应力：垂向应力σz、最大水平主应力σx (σhmax ) 最小水平主应力σy (σhmin ) 原始地层应力经过简单计算便可得到，作为其它应力计算的基础 数据 对于确定的深度h，钻井后柱坐标下各应力与原始地层主应力的关 系为 为
地层钻孔后，造成地 层应力集中，改变了 地层应力分布状况， 地层应力不能再简单 地用三个主应力表示
第一节 造缝机理
第一节 造缝机理
裂缝是如何被压开的?！
一般情况：
当井筒内压力较低时，井壁周围的切向应力表
现为压应力
井筒流体压力会影响井眼附近岩石的切向应力 随着井筒流体增加（同时井眼附近地层的孔隙
(1)σx≠ σy导致σθ与θ有关 (2) r rw： min 0,180 3 y x
Zt z Pwf Pr 1
1 2 1
4
2013/12/9
水平裂缝形成条件
水平裂缝形成条件
Pwf Pr
第一节 造缝机理
井筒压力是唯一人为可控的因素，知道了破裂
(3) 随着 r 增加，切向应力 σθ 减小，井壁应力集中 地层破裂压力大于裂缝延伸压力的原因之一
延大采油工程习题集及答案06水力压裂技术
第六章水力压裂技术一、名词解释1、水力压裂：常简称为压裂，指利用水力作用使油层形成裂缝的方法，是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。
2、地应力：指赋存于地壳岩石中的内应力。
3、地应力场：地应力在空间的分布。
4、破裂压力梯度：地层破裂压力与地层深度的比值。
αF=5、闭合压力（应力）：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。
6、分层压裂：分压或单独压开预定的层位，多用于射孔完成的井。
7 、裂缝的方位：裂缝的延伸（扩展）方向。
8、压裂液：压裂过程中，向井内注入的全部液体。
9、水基压裂液：以水为基础介质，与各种添加剂配制而成的压裂工作液。
10、交联剂：能将溶于水中的高分子链上的活性基团以化学链连接成三维网状型的结构，使聚合物水溶液形成水基交联冻胶压裂液。
11、闭合压力：使裂缝闭合的压力，理论上等于最小主应力。
二、叙述题1、简述岩石的破坏及破坏准则。
答案要点：脆性与塑性岩石：在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石叫脆性岩石，总应变大于5%的岩石叫塑性岩石，总应变介于3～5%的岩石叫半脆性岩石。
岩石的破坏类型：拉伸破坏；剪切破坏；塑性流动。
其中拉伸破坏与剪切破坏主要发生在脆性岩石。
塑性流动主要发生在塑性岩石。
2、简述压裂液的作用。
答案要点：按泵注顺序和作用，压裂液可分前置液、携砂液和顶替液。
其中，携砂液是压裂液的主体液。
○1前置液的作用：造缝、降温；○2携砂液的作用：携带支撑剂、延伸造缝、冷却地层；○3顶替液的作用：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；注完携砂液后要用顶替液将井筒中全部携砂液替入裂缝中，以提高携砂液效率和防止井筒沉砂。
3、简述压裂液的性能及要求。
答案要点：滤失少；悬砂能力强；摩阻低；稳定性；配伍性；低残渣；易返排；货源广、便于配制、价钱便宜。
4、压裂液有哪几种类型？答案要点：水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳化压裂液、醇基压裂液、胶束压裂液。
第六章 水力压裂 西南石油采油工程课件
h t
－压为正，拉为负
－最大有效周向应力大于水平方向抗拉强度（最
大张应力原则）
有液体渗滤
y y Ps
x x Ps Pi
3 y
x
2(Pi
Ps ) (Pi
Ps
)
1 2 1
h t
当破裂时，Pi=PF
PF
3
y
x
h t
2 1 2
Ps
1
无液体渗滤
Ps
3 y
根据预测
2010年中国石油消费总量：3.5亿吨 石油产量：1.8亿吨
对外依存度：50%
2020年中国石油消费总量：4.5亿吨 石油产量：1.8亿吨
对外依存度：60%
如果2030年至2040年经济持续增长，需要进口5 亿吨以上，对外依存度将达到80%以上。
我国未来15年的经济增长将维持在7%以上， 原油需求将至少以4%左右的速度增加，但原油产 量增长速度难以超过9%，原油供需缺口逐年加大， 我国原油的生命线将越来越脆弱。
1 井壁最终应力分布
y
y
r
x
rw r
x
（1）井筒处应力分布
r
x
y
2
1
rw2 r2
x
y
2
1
4rw2 r2
3rw4 r4
cos 2
x
y
2
1
rw2 r2
x
y
2
1
3rw4 r4
cos 2
r
x
y
2
1 2rw2 r23rw4 r4sin
2
x、y—x方向和y方向上应力，Pa；
增产措施 Reservoir stimulation
第6章水力压裂
地层三维应力问题转化为二维方法处理
(2) 当 r ，a 时 x， y
r (时1 ，)(周m3i当n向) 随应r2着，力，0ax,1迅80。的2速3x增降y说y加低2y，。Hx H
明 圆max孔 壁 上90各,270。点 的3 周x y
说向明应最力小相周等向，应且力与发值生在
无限大平板中钻一圆孔的应力分布
圆孔周向应力（弹性力学）：
无方关向。上，而最大周向应 力却y 在 的方向上。
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4
cos2
x
11
一、油井应力状况
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)：
6
第一节 造缝机理
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。
破裂压力 延伸压力
地层压力
压裂过程井底压力变化曲线
a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
7
一、油井应力状况
(一)地应力
垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
Pi
Ps
1 2 1
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应力、 井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
13
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：
第06章水力压裂分析PPT课件
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力 应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的
周向应力 之 和3 ：y x . P i P i P s1 1 2 25
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超过井壁岩 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：
th
.
26
1）当有滤失时：
x x ps x x ps
y y ps y y ps
当产生裂 缝时，井 筒内注入 流体的压 力等于地 层的破裂 压力：
pi pi
3 y x P i P i P s1 1 2
3 y x(p ip s) 2 1 1 2
h t
PF
.
PS
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。 .
2
压裂材料
压
支
裂
撑
液
剂
.
3
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
压力/砂比/(MPa/%) 排量/(方/分)
80
4
70
3.5
60
3
50
2.5
1.裂缝形成条件
2.裂缝形态(垂直、水平缝)
3.裂缝方位
造缝条件及裂缝形态、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。
第六章 水力压裂技术
第六章水力压裂技术水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施，不仅广泛用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。
它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。
水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层与裂缝近似性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，大大降低了能量消耗。
因而油气井产量或注水井注入量就会大幅度提高。
如果水力裂缝能连通油气层深处的产层(如透镜体)和天然裂缝，则增产的效果会更明显。
另外，水力压裂对井底附近受损害的油气层有解除堵塞作用。
6.1 造缝机理在水力压裂中，了解造缝的形成条件、裂缝的形态(垂直或水平)、方位等，对有效地发挥压裂在增产、增注中的作用都是很重要的。
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，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以提高开采速度，而且还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。
图6-1是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲线。
P是地层破裂压力，E P是裂缝延伸压力，S P是地层压力。
F238239图6-1 压裂过程井底压力变化曲线 a —致密岩石 b —微缝高渗岩石在致密地层内，当井底压力达到破裂压力F P 后，地层发生破裂(图6-1中的a)，然后在较低的延伸压力E P 下，裂缝向前延伸。
水力压裂原理周六
造壁性压裂液 P= Pw + PV+PC
C
2CV CCCW
CV CW CV2CW2 4CC2 (CV2 CW2 )
4、压裂液对储层的伤害
按压裂液作用位置分： 地层基质伤害 支撑裂缝伤害
按流体性质分： 液体伤害 固体伤害 压裂液滤饼和浓缩胶
压裂液对储层的伤害
我国支撑剂物理性质评价结果表
三、 裂缝导流能力评价
两性金属（非金属）含氧酸盐 —硼酸盐、铝酸盐、锑酸盐和钛酸盐等
弱酸强碱盐 无机盐类两性金属盐
—如硫酸铝、氯化铬、硫酸铜、氯化锆 等强酸弱碱盐 无机酸脂
—如钛酸脂、锆酸脂 醛类
—甲醛、乙醛、乙二醛等
(3) 破胶剂 生物酶体系
适用温度21—54℃,pH值范围pH=3—8,最佳pH=5 氧化破胶剂
z z Ps
—孔隙弹性常数
由广义虎克定律计算总应变
x x1 x2 x3
1 E
[
x
(
y
z )]
由于泊松效应，垂向负荷产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
(2) 构造应力
在断层和裂缝发育区是应力释放区。 — 正断层，水平应力x可能只有垂向应 力z的1/3， — 逆断层或褶皱带的水平应力可大到 z 的3倍。
地层流体的压缩 地层流体粘度及压缩控制过程
压裂液滤失系数
造壁性影响的滤失系数
Cw
m 2A
0.5m A
当P试验P真实时
Cw Cw
Pf Pa
压裂液粘度影响的滤失系数
Cv 0.17
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min 0 ,180。 3 y x
图6-2 无限大平板中钻一圆孔的应力分布 说明ma最x 小周 90向 ,27应0。 力3发x 生 在y
方向上，而最大周向
圆孔周向应力：
x
y
2
1
a2 r2
x
y
2
1
3a4 r4ຫໍສະໝຸດ c应 力y 却在os2
的方向上。
x
2.井眼内压所引起的井壁应力
104
102
第一节 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
所以，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。
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。
破裂压力 延伸压力
1
实验修正：
PF
Ps
z tv 1.9412
1
(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：
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
3 y x
Pi
Pi
Ps
1 2 1
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：
PF
MPa
作用时 间
s
裂缝范 围
m
作用结果
爆炸压裂
10-7 ～ ＞104 10-6
高 能 气 体 10-3
102
压裂
10-7 ～ 10-6
10-2 ～ 10-1
10-2 ～ 10-1
100
井眼破坏，有 无数细小裂缝， 具有压实效应
径向多条裂缝
水力压裂
101 ～ 101 102
103 ～ 101 ～ 对称单一裂缝
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)：
Pere2 re2
Pira2 ra2
Pe Pi re2ra2 r 2 re2 ra2
当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。
设备及数据采集由人工操作、人工配置发展到自动控 制和计算机自动采集。
发展趋势
在中、高渗透层与低渗透层的重复压裂技术研究； 低伤害压裂液研制、控滤失技术研究； 压裂支撑剂性能、压裂液的效率、返排、大型压裂以
及水平井的压裂研究； 深井、超深井压裂技术研究。（最深>9000m，井温达
300℃以上）
2 Z PS
1
2E
1
PS
(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 (1) 当 r a ， x y H
时， 2 x， 2 y 2 H
说明圆孔壁上各点的
r 周(向3)应随力着相等，的且增与加，
θ(周值2)向无当应关力。r迅 速a 降，低x 。 y 时，
地层压力
图6-1 压裂过程井底压力变化曲线 a—致密岩石 b—微缝高渗岩石
一、油井应力状况
(一)地应力 垂向应力：上覆层的岩石重量。
H
Z 0 S gdz
有效垂向应力： Z Z Ps
z
y
x
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：
高能气体压裂：利用火药或火箭推进剂燃烧产生的高温、
高压气体处理油层，产生和保持多条、多方位的径向裂缝。
典型多缝型式简图
图4-1 各种压裂的压力与时间的关系
图4-2 裂缝类型与加载速率关系 1— 水力压裂区 2—多裂缝压裂区 3—井底附近粉碎区
三种压裂参数量级对比表
压裂类型
升压时 间
s
峰值压 力
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
水力压裂技术的发展
应用对象由早期的低渗透致密地层发展到中、高渗地 层和煤层气层；
由对直井压裂发展到对斜井、大斜度井（含水平井） 压裂；
由浅层低温地层压裂发展到深层、超深层高温地层压 裂；
支撑剂由应用低强度天然石英砂发展到高强度的烧结 陶粒和树脂涂层砂；
PS
3
y
x
h t
2 1 2
1
(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
v t
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
v t
1 1 2
(2) 降低了井底附近地层中流体的渗流阻力
3.压裂方法对比
水力压裂：用压裂液，产生的裂缝受地层的地应力控制，
一般仅有一个方向；
爆炸压裂：用炸药，它的增压速度极快(微秒级)，气体
生成量较少，地层裂隙来不及扩张和延伸，大部分能量消 耗在井壁岩石的破碎上，井眼内残留的应力场可能完全闭 塞所产生的裂缝。
一、水力压裂技术
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。
1. 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
2.水力压裂增产增注的原理:
(1) 改变流体的渗流状态：径向流变单向流
x1
1 E
x
x2
E
y
x3
E
z
由于存在侧向应力的约束，则：
x
x1 x2
x3
1 E
x
y
z
0
令： x
y
得：
x
y
1
z
侧压系数
考虑到构造应力等因素的影响，可以得到最大、最小水平 主应力为：
H max
1 2
1E 1
2 Z PS
1
2E
1
PS
H min
1 2
1E 1
3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力
由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒 周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大 了井壁周围岩石中的应力。
增加的周向应力值为：
Pi
Ps
1 2 1
1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应 力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和：