水力压裂设计
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
第06章水力压裂
目前矿场上常用的支撑剂有两种：一是天然砂；二是 人造支撑剂（陶粒）。
◆泡沫压裂液：
二、压裂液滤失性
压裂液滤失到地层受三种机理控制：
压裂液的造壁性 压裂液的粘度、油藏岩石和流体的压缩性、
(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： 1/ 2
K P C 5.4 10 f
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
(二)形成水平裂缝的条件 当井壁上存在的垂向应力超过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：
水力压裂的工艺过程：
裂缝延伸
憋压
造逢 充填支撑剂
裂缝闭合
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。
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
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
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
第6章 水力压裂技术(20130325)
（2）破裂压力计算方法
裂缝方位： 水力裂缝总是沿着垂直于最小主应力方向延伸。 （1）σz=min(σx ,σy ,σz) 水平缝 垂直缝
（2）σx(σy)=min(σx ,σy ,σz) 方向：取决于最小主应力方向
4.破裂压力梯度
破裂压力梯度用下式表示：
地层破裂压力 油层中部深度
浅层：水平缝
2）粒径及其分布 3）支撑剂类型与铺砂浓度 4）其它因素 如支撑剂的质量、密度以及颗粒园球度等
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第四节
压裂设计的任务：
压裂设计
优选出经济可行的增产方案
压裂设计的原则：
最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用 使压裂后油气井和注入井达到最佳状态
压裂井的有效期和稳产期长
压裂设计的方法：
根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效 益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂 方案。
FRCD＝Wf˙Kf＝（KW）f
裂缝参数：Lf，FRCD，是最关键的因素； 最大缝宽： Wmax， Wf
4 Wmax
动态缝宽：施工过程中的裂缝宽度；～10mm 支撑缝宽：裂缝闭合后的宽度 W支；3～5mm。
一、支撑剂的要求 1.粒径均匀；
2.强度大，破碎率小； 3.圆度和球度高；
4.密度小； 5.杂质少。
(2)受地层流体压缩性控制CⅡ ：
当压裂液粘度接近油藏流体粘度时，控制压 裂液滤失的是储层岩石和流体的压缩性，这是因 为储层岩石和流体受到压缩，让出一部分空间压 裂液才得以滤失进去。
C
kCf 4.3 10 P r
3
1/ 2
s 式中： μr－地层流体粘度，mPa· ；
1 C
水力压裂技术的研究与优化设计
水力压裂技术的研究与优化设计水力压裂技术是一种利用高压水流对地下岩层进行压裂以增强油气开采的技术。
近年来，随着页岩气、煤层气等非常规油气资源的不断开采，水力压裂技术成为不可或缺的一环。
然而，水力压裂技术并非完美无缺，存在许多问题，需要不断地探索研究和优化设计。
一、水力压裂技术的基本原理水力压裂技术是通过高压水流将地下岩层进行压裂，形成裂缝，增加油气在岩石中的流动性，并将油气压入井口，从而实现油气的开采。
水力压裂技术的关键是高压水泵和压裂液的配方，高压水泵将压裂液注入岩层中，通过岩层本身的弹性变形和裂缝的扩展，使得压裂液能够在岩层中迅速扩散，形成裂缝，从而增加油气的渗透。
二、水力压裂技术存在的问题1. 岩层破碎度不佳水力压裂技术虽然可以将地下岩层压裂形成裂缝，但是对破碎度的要求很高，破碎度不佳会导致压裂液不能充分扩散，从而效果不理想。
2. 压裂液的配方需要完善压裂液的成分复杂，需要根据不同的岩石类型、油气特征、地质条件等进行优化设计。
目前，压裂液的成分还存在很多问题，如杂质较多、影响地下水质的问题等。
3. 环境污染问题水力压裂技术的实施需要大量的水资源和压裂液，这些液体在压裂后常常无法回收，会对地下水和土壤造成污染，给生态环境带来威胁。
三、水力压裂技术的研究与进展为了克服水力压裂技术存在的问题，国内外科学家进行了大量的研究。
近年来，我国取得了一些重要进展，如：1. 新型的压裂液新型的压裂液能够更好地适应不同的岩石类型、油气特征和地质条件，能够更好地发挥水力压裂技术的作用，并减少环境污染。
2. 岩层力学参数的确定优化的水力压裂技术需要准确的岩层力学参数，这是一个复杂而难以确定的问题。
近年来，我国研究人员通过实验和数值模拟，确定了不同地貌条件下的岩层参数，为水力压裂技术的实施提供了重要依据。
3. 确定施工参数水力压裂技术的实施需要根据地质条件和油气特点确定不同的施工参数。
研究人员通过实地观测和模拟，确定了不同地区、不同类型页岩气和煤矿的施工参数，为水力压裂技术的推广和应用提供了重要依据。
水力压裂设计的原则与内容
水力压裂设计的原则与内容
水力压裂设计的原则与内容
压裂设计的原则是：
1、最大限度发挥油层潜能和裂缝的作用；
2、使压裂后的生产井和注入井达到最佳状态；
3、压裂井的有效期和稳产期长。
压裂设计的方法是根据油层特性和设备能力，以获取最大产量或经济效益为目标，在优选裂缝几何参数基础上，设计合适的加砂方案。
压裂设计方案的内容包括：
1、裂缝几何参数优选及设计；
2、压裂液类型、配方选择及注液程序；
3、支撑剂选择及加砂方案设计；
4、压裂效果预测和经济分析等；
5、区块整体压裂设计的采收率和开采动态分析等。
水力压裂设计
中的时间, 即:
V (t) c / t (x)
(4)地层中各点速度函数相同。 (5)裂缝中各点压力相同, 均等于井底的延伸压力。
3 计算公式
• 忽略压缩性，由物质平衡：
Q(t)=QL(t)+QF(t) • 用拉氏变换, 最终得裂缝面积公式:
由广义虎克定律计算总应变
x xx xy xz
1 E
[
x
(
y
z )]
y yy yz yx
1 [
E
y
( z
x )]
由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
岩石类型
硬砂岩 中硬砂岩
z
( Pi
Ps )
1 2 1
有效总垂向应力为：
z z －Pi
z
Pi
( Pi
Ps
)
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
1
z
v t
1 2
Ps
1
1.94
无液体渗滤 z z Ps
3 理论基础
• 运用了体积平衡方程; • 压降与宽度关系由泊稷叶理论导出; • 用England和Green公式求缝宽时, 还运用了裂缝
水力压裂技术
第四章 水力压裂技术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 增产增注的目的。
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了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向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。
第一节 造缝机理在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，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。
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4一l 是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲 线。
P F 是地层破裂压力，P E 是裂缝延伸压力，P S 是地层压力。
图4一l 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P F 后，地层发生破裂(图4—1中的a 点)，然后在较低的延伸压力P E 下，裂缝向前延伸。
对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明 显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图4—1中的b 点)。
一、油井应力状况一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向 主应力σZ 和水平主应力σH (σH 又可分为两个相互垂直的主应力σx ，σY )。
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✓压裂材料：压裂 液和支撑剂
✓施工参数：排量 和压力
水力压裂示意图
✓压裂设备：泵车 (组)、液罐、砂 车、仪表车
力学观点：裂缝形成与延伸是力学行为。 生产角度：裂缝方位与形态影响压裂改造效果
注水井 采油井
问题： (1) 储层应力环境—地应力场 (2) 水力裂缝方位 (3) 破裂压裂计算与预测 基本思路：
水力压裂设计 Hydraulic Fracturing
背景 垂直井单相油流 产量公式
对具体井，地层条件( ko, h)、流体性质 ( o, Bo)和井特性( re, rw )已经确定。提高产 量的措施:
✓ 注水保持地层压力; ✓ 人工举升降低井底流动压力; ✓ 对于低渗透储层：水力压裂
第一节 水力压裂概述
岩石类 型 砾岩
白云岩 花岗岩
泥岩 页岩 煤
杨氏模量， 104MPa
7.4 4.0~8.4 2.0~6.0 2.0~5.0 1.0~3.5 1.0~2.0
泊松 比 0.21 0.25 0.25 0.35 0.30 0.30
(2) 构造应力
定义：地壳的构造运动引起的岩体之间的相 互作用力。是地应力的一个分量。
可大到 z的3倍。
正断层
右旋走向滑动断层
逆断层
(3) 热应力
✓原因：地层温度变化引起的内应力增量。
✓计算方法
x
y
T ET 1
✓特点：与温度变化、岩石力学性质有关 ✓产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水
2 人工裂缝方位
原理：裂缝面垂直于最小主应力方向
✓当z最小时，形成水平裂缝； ✓当Y或x>z，形成垂直裂缝。
第二节、地应力分析与破裂压力
1 地应力场
地应力 存在于地壳内部的应力，是由于地
壳内部的垂直运动和水平运动及其它因素综
合作用引起介质内部单位面积上的作用力。
地下岩石应力状态：为三向不等压压缩状态.
z (z)
主应力: x ， y， z ;
y (y)
应变: x， y， z
x（x）
地应力构成：原地应力 + 扰动应力。 原地应力：重力应力
压裂液对储层的伤害
✓压裂液在地层中滞留产生液堵 ✓地层粘土矿物水化膨胀和分散运移产生
的伤害 ✓压裂液与原油乳化造成的地层伤害 ✓润湿性发生反转造成的伤害 ✓压裂液残渣对地层造成的损害 ✓压裂液对地层的冷却效应造成地层伤害 ✓压裂液滤饼和浓缩对地层的伤害
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
z
v t
1
Ps
0.94
3 破裂压力梯度
定义
PF
H
理论计算
(垂直裂缝形态)
F
pF H
2v z
1v H
1 3v 1v
ps H
矿场统计 当αF < 0.015～0.018 MPa/m, 形成垂直裂缝 当αF > 0.022～0.025 MPa/m, 形成水平裂缝
Ps
1
无液体渗滤 Ps
3
y
x
2(Pi
Ps )
(Pi
Ps )
1 2 1
h t
3
y
x
(Pi
Ps )
h t
当破裂时，Pi=PF
PF
3 y
x
h t
Ps
(2) 形成水平缝
岩石破坏条件
v t
最大有效周向应力大于垂直方向抗拉强度
有液体渗滤
z
z
( Pi
Ps )
1 2 1
有效总垂向应力为：
z z －Pi
Ps
)
1 2 1
2 水力压裂造缝条件
(1) 形成垂直缝
岩石破坏条件
h t－压为正，拉为负－最大效周向应力大于水平方向抗拉强度
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
z
Pi
( Pi
Ps )
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
当破裂时，Pi=PF
PF
1
z
v t
1 2
Ps
1
1.94
无液体渗滤 z z Ps
有效总垂向应力为：
z z －Pi
z
Pi
( Pi
Ps )
1 2 1
z
(Pi
Ps
)
1 2 1
v t
z z－Pi
z
( Pi
Ps )
压裂液的组成
• 前置液 • 携砂液 • 顶替液 （完整的压裂泵注程序中还可以有
清孔液、前垫液、预前置液）
对压裂液的性能要求
(1) 与地层岩石和地下流体的配伍性； (2) 有效地悬浮和输送支撑剂到裂缝深部； (3) 滤失少 ； (4) 低摩阻 ； (5) 低残渣、易返排 ； (6) 热稳定性和抗剪切稳定性 。
z
y
y
x x
✓ 显裂缝地层很难出现人工裂缝。 ✓ 微裂缝地层
—垂直于最小主应力方向； —基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝
二、水力压裂造缝机理
1 井壁最终应力分布
y
y
r
x
Rw r
x
(4)井壁上的总周向应力(应力迭加原理)
＝地应力+井筒内压+渗滤引起的周向应力
(3 y
x ) Pi
(Pi
A
B
C
来源：各种构造运动，包括： 区域构造—巨大构造单元间的相互作用力； 局部构造—产生于局部地区岩体之间。如断
层、岩层弯曲等。
特点 ✓构造应力属于水平的平面应力状态 ✓挤压构造力引起挤压构造应力 ✓张性构造力引起拉张构造应力 ✓构造运动的边界影响使其在传播过程
中逐渐衰减。
• 断层和裂缝发育区
— 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
[ x
(
y
z )]
y yy yz yx
1 E
[
y
( z
x )]
由于泊松效应，垂向应力产生的侧向压力
x y 0
x
y
1
z
岩石类型
硬砂岩 中硬砂岩
软砂岩 硬灰岩 中硬灰岩 软灰岩
杨氏模量， 104MPa 4.4 2.1 0.3 7.4 0.8
泊松 比 0.15 0.17 0.20 0.25 0.27 0.30
构造应力 孔隙流体压力 热应力
(1) 重力应力（上覆压力）
z 106
H 0
r (h)gdh
其中：r(h) 为上覆岩层密度，由密度测 井曲线获得。
有效垂向应力为
z z ps
为Boit孔隙弹性常数。
研究对象：地层中任意单元体。
由广义虎克定律计算总应变
x xx xy xz
1 E
三、 地应力的测量及计算
（1） 矿场测量
— 水力压裂法 — 井眼椭圆法（井壁崩落法）
（2）岩心分析（实验室） —滞弹性应变恢复 （ASR） —微差应变分析 （DSCA）
（3） 测井解释 （4） 有限元计算
第三节 压裂液
✓ 压裂液及其性能要求 ✓ 压裂液添加剂 ✓ 压裂液的流动性 ✓ 压裂液的滤失性 ✓ 压裂液对储层的伤害 ✓ 压裂液选择